KR101793295B1 - 3차원 세포 배양유닛 및 이를 포함하는 배양장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 공급된 복수개의 세포가 배양액 속에서 각각 배양될 수 있는 공간을 제공도록 3차원 배열된 복수개의 제1포어가 형성된 제1컴파트먼트; 및 상기 제1컴파트먼트와 연통할 수 있도록 접촉 배치되는 것으로서, 상기 세포의 크기보다 작은 크기를 갖도록 3차원 배열된 복수개의 제2포어가 형성된 제2컴파트먼트를 포함하는 3차원 세포 배양유닛이 제공된다. 또한 상기한 바와 같은 세포 배양유닛이 규칙적으로 복수개 연속 배치된 3차원 세포 배양장치가 제공된다.
위와 같은 본 발명에 의하면, 세포를 3차원적으로 배양을 하기 때문에 2차원에 비하여 보다 실제적인 생체와 더 유사한 조건으로 세포 배양을 할 수 있다. 특히 신경세포의 경우 신경의 전도 등과 같은 양상이 2차원에 비해 실제 생체 신경조직에서의 전도 양상과 더욱 유사해진다. 더욱이 2차원 세포배양의 경우에는 연구용으로만 사용 가능했지만, 본 발명에서는 체외에서 3차원 몰드(Mold)에 의해 신경세포를 배양 및 분화시킴으로써 신경 네트워크를 형성한 후, 체내에 이식할 수 있다는 장점을 갖는다. 게다가 엑손을 분리하여 배양시킴으로서 신경 세포간의 무작위적인 시냅스 형성을 통한 불규칙한 신경 네트워크의 형성을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 신경 세포간의 시냅스가 일정한 구획에서만 형성되도록 유도하여, 규칙적인 일정 방향으로의 신경 네트워크 형성을 가능하게 할 수 있다.

Description

3차원 세포 배양유닛 및 이를 포함하는 배양장치{3-Dimensional unit for culturing cells and apparatus for culturing cells having the same}
본 발명은 3차원 세포 배양유닛 및 이를 포함하는 배양장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신경세포(Neurons)와 같은 세포들을 실제 생체 조직과 유사하도록 3차원으로 배양할 수 있는 3차원 세포 배양유닛 및 이를 포함하는 배양장치에 관한 것이다.
일반적으로 신경생물학(Neurobiology) 분야에서는, 신경세포의 성장과 세포간의 상호작용 등을 관찰하고 실험하기 위하여 마이크로 유동성 플랫폼을 사용하고 있다.
도 1a에는 일반적인 신경세포의 구조를 나타낸 도면이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 신경세포(C)는, 핵(1a)을 포함하는 세포몸체(Cell body;1)와, 이러한 세포몸체(1)에서 성장하고 인접하는 신경세포에서 신호를 전달받는 복수의 덴드라이트(Dendrites;2)와, 상기 세포몸체(1)에서 성장하여 인접하는 신경세포(C)에 신호를 전달하는 액손(Axon;3)으로 구성된다.
도 1b 및 도 1c에는 도 1a에 나타낸 신경세포의 실험을 위하여 적용되는 종래 마이크로 유동성 플랫폼의 일례(Park J, Koito H, Li J, Han Microfluidic compartmentalized co-culture platform for CNS axon myelination research, Biomed Microdevices. 2009 Dec;11(6):1145-53에서 개시됨)가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 종래 마이크로 유동성 플랫폼(4)은, 그 일 측에 서로 이격되게 배치된 한 쌍의 제1리저버(1st Reservoir;5)와, 이러한 한 쌍의 제1리저버(5) 사이를 연통하는 소마 컴파트먼트(Soma Compartment;6)가 구비된다. 또한 상기 마이크로 유동성 플랫폼의 타 측에는 상기 한 쌍의 제1리저버(5)에 대향하는 한 쌍의 제2리저버(2nd Reservoir;7)와, 이러한 한 쌍의 제2리저버(7) 사이를 연통하는 액손 컴파트먼트(Axon Compartment; 8)가 배치된다. 그리고 상기 소마 컴파트먼트(6)와 액손 컴파트먼트(8)는 복수 개의 마이크로채널(Micro Channel;9)에 의해 서로 연통되어 있다.
상기 제1 및 제2리저버(5)(7)는 배양을 위한 신경세포를 넣어주는 곳으로서, 배양액의 공급 및 교체에 실질적으로 이용되는 부분이다. 상기 소마 컴파트먼트(7)와 액손 컴파트먼트(8)는 높이가 대략 100㎛ 정도로서, 신경세포가 안정적으로 배양되는 공간이 된다. 상기 마이크로채널(9)로는 신경세포의 배양에 의해 성장된 액손(3)이 통과한다. 여기서 배양 초기의 신경세포는 동글동글한 좁쌀 형태로서 너비와 높이가 크게 되면 반대편의 액손 컴파트먼트(8)로 이동할 수 있기 때문에, 대략 높이는 2.5 ~ 3㎛, 채널 당 너비는 10㎛ 정도로 하여 신경세포가 반대편 컴파트먼트로 이동하는 것을 방지한다. 결론적으로, 상기 소마 컴파트먼트(6)에서는 처음 신경세포가 배양되고, 핵(1a)을 포함하는 세포몸체(1)가 위치된다. 그리고 상기 액손 컴파트먼트(8)는 마이크로채널(9)을 통과한 액손(3)이 위치하게 된다.
그런데 위와 같은 종래의 2차원 세포 배양 구조를 갖는 플랫폼(4)은 세포들(C)을 배양하여 세포의 성장을 관찰하고, 신호 전달을 위해 구성되는 세포 간의 상호작용을 실험하는 등과 같이, 연구용으로는 사용할 수 있지만, 3차원 구조를 갖는 실제 생체와는 조건이 부합하지 않기 때문에 그 용도가 제한적일 뿐만 아니라, 신경조직 생체 이식 응용과 같은 분야에는 적용할 수 없다는 한계를 가진다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 3차원 구조를 갖는 실제 생체와 유사한 조건으로 세포를 배양할 수 있도록 구현하여 신경조직 생체 이식 응용과 같은 다양한 분야에 응용이 가능한 3차원 세포 배양유닛 및 이를 포함하는 배양장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의한 3차원 세포 배양유닛은 공급된 복수개의 세포가 배양액 속에서 각각 배양될 수 있는 공간을 제공도록 3차원 배열된 복수개의 제1포어(Pore)가 형성된 제1컴파트먼트; 및 상기 제1컴파트먼트와 연통할 수 있도록 접촉 배치되는 것으로서, 상기 세포의 크기보다 작은 크기를 갖도록 3차원 배열된 복수개의 제2포어가 형성된 제2컴파트먼트를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 공급된 복수개의 세포가 배양액 속에서 각각 배양될 수 있는 공간을 제공하도록 3차원 배열된 복수개의 제1포어가 각각 형성되고, 서로 이격 배치된 한 쌍의 제1컴파트먼트; 및 상기 한 쌍의 제1컴파트먼트와 각각 연통할 수 있도록 사이에 개재하여 접촉 배치되는 것으로서, 상기 세포의 크기보다 작은 크기를 갖도록 3차원 배열된 복수개의 제2포어가 형성된 제2컴파트먼트를 포함하는 3차원 세포 배양장치가 제공된다.
더욱이 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 세포 배양유닛이 규칙적으로 복수개 연속 배치된 3차원 세포 배양장치가 제공된다.
상기 복수개의 세포 배양유닛운 순환 패턴을 형성할 수 있다. 여기서 상기 순환 패턴은 원의 형상일 수 있다. 대안적으로는 상기 순환 패턴이 다각 형상일 수도 있다. 즉, 상기 순환 패턴은 삼각 또는 사각 형상일 수 있다.
한편 상기 세포는 신경세포(Neurons)일 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 세포 배양유닛 및 이를 포함하는 배양장치에 의하면, 세포를 3차원적으로 배양을 하기 때문에 2차원에 비하여 보다 실제적인 생체와 더 유사한 조건으로 세포 배양을 할 수 있다. 특히 신경세포의 경우 신경의 전도 등과 같은 양상이 2차원에 비해 실제 생체 신경조직에서의 전도 양상과 더욱 유사해진다.
또한 2차원 세포배양의 경우에는 연구용으로만 사용 가능했지만, 본 발명에서는 체외에서 3차원 몰드(Mold)에 의해 신경세포를 배양 및 분화시킴으로써 신경 네트워크를 형성한 후, 체내에 이식할 수 있다는 장점을 갖는다.
한편 엑손(Axon)을 분리하여 배양시킴으로서 신경 세포간의 무작위적인 시냅스 형성을 통한 불규칙한 신경 네트워크의 형성을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 신경 세포간의 시냅스가 일정한 구획에서만 형성되도록 유도하여, 규칙적인 일정 방향으로의 신경 네트워크 형성을 가능하게 할 수 있다.
위와 같은 본 발명은 신경생물학 분야에서 연구용 툴(Tool)로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 신경조직 생체 이식이나 인공지능 컴퓨터칩과 같은 다양한 분야에 응용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1a는 일반적인 신경세포의 구조를 나타낸 도면,
도 1b는 도 1a에 나타낸 신경세포의 실험을 위한 종래 마이크로 유동성 플랫폼의 일례를 나타낸 평면도,
도 1c는 도 1b의 Ⅰ-Ⅰ 선에 따른 단면도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 세포 배양유닛을 개략적으로 나타낸 구조도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 세포 배양장치를 개략적으로 나타낸 구조도,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 3차원 세포 배양장치를 개략적으로 나타낸 구조도,
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 나타낸 3차원 세포 배양장치의 다양한 변형례를 도시한 구조도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 세포 배양유닛을 개략적으로 나타낸 구조도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 세포 배양유닛(10;이하"세포 배양유닛"이라 함)은, 제1컴파트먼트(100)와, 제2컴파트먼트(200)를 포함한다.
상기 제1컴파트먼트(100)는 공급된 복수개의 세포(C)가 배양액 속에서 각각 배양될 수 있는 공간을 제공한다. 이를 위해 상기 제1컴파트먼트(100)에는 배양액의 공급 및 교체가 실질적으로 이루어지고, 세포의 정착을 위하여 3차원 배열된 복수개의 제1포어(110;Pore)가 형성되어 있다. 이러한 제1포어들(110)의 크기는 배양될 세포(C)의 크기에 대응하여 결정된다. 예를 들어, 신경세포의 경우에는 배양을 위한 충분한 공간 제공을 위해 대략 15 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 한편 상기 제1컴파트먼트(100)는 다양한 종류의 폴리머 재질(polymers), PDMS(Polydimethydiloxane), 실리콘(Silicon), 나일론(Nylon) 등을 이용하여 제작될 수 있으나, 제작 방법 자체는 공지기술에 해당하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 제2컴파트먼트(200)는, 도시된 바와 같이 상기 제1컴파트먼트(100)와 연통할 수 있도록 접촉 배치된다. 그리고 상기 제2컴파트먼트(200)에는 제1컴파트먼트(100)에 정착된 세포(C)의 크기보다 작은 크기를 갖도록 3차원 배열된 복수개의 제2포어(210)가 형성되어 있다. 이러한 제2포어(210)의 크기도 배양될 세포(C)의 크기에 대응하여 결정되는데, 신경세포의 경우에는 세포몸체(1;도 1a 참조)는 통과하지 못하고, 배양되는 액손(3;도 1a ckaa조) 통과할 수 있도록 대략 1 ㎛ 미만의 크기를 갖고, 또한 액손(3)이 충분히 성장할 수 있도록 200 ㎛ 이상의 길이를 갖는 것이 바람직하다.한편 상기 제2컴파트먼트(200)도 다양한 종류의 폴리머 재질(polymers), PDMS(Polydimethydiloxane), 실리콘(Silicon), 나일론(Nylon) 등을 이용하여 제작될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 세포 배양유닛(10)에 의하면, 세포(C)를 3차원적으로 배양을 하기 때문에 2차원에 비하여 보다 실제적인 생체와 더 유사한 조건으로 세포 배양을 할 수 있다. 또한 엑손(3)을 분리하여 배양시킴으로서 신경 세포간의 무작위적인 시냅스 형성을 통한 불규칙한 신경 네트워크의 형성을 방지할 수 있고, 신경 세포간의 시냅스가 일정한 구획에서만 형성되도록 유도하여, 규칙적인 일정 방향으로의 신경 네트워크 형성이 가능한 기본 유닛을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 세포 배양장치에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 세포 배양장치를 개략적으로 나타낸 구조도이다. 여기서 도 2에 나타낸 참조번호 동일한 참조번호는 동일한 구성 및 효과를 갖는 동일부재를 나타낸다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 세포 배양장치(20;이하"세포 배양장치"라 함)는, 한 쌍의 제1컴파트먼트(100a,100b;100)와, 제2컴파트먼트(200a;200)를 포함한다.
상기 한 쌍의 제1컴파트먼트(100a,100b;100)는 서로 이격 배치되고, 이들 사이에 후술(後述)할 제2컴파트먼트(200a;200)가 개재된다. 상기 각 제1컴파트먼트(100a,100b;100)는 공급된 복수개의 세포(C)가 배양액 속에서 각각 배양될 수 있는 공간을 제공하도록 3차원 배열된 복수개의 제1포어(110a,110b;110)가 각각 형성되어 있다. 여기서 상기 각 제1컴파트먼트(100a,100b;100)에 형성된 제1포어(110a,110b;110) 크기 및 재질은 전술한 본 발명의 제1실시예에 따른 제1컴파트먼트(100)와 동일하므로 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
상기 제2컴파트먼트(200a;200)는 상기 한 쌍의 제1컴파트먼트(100a,100ba;110)와 각각 연통할 수 있도록 사이에 개재하여 접촉 배치된다. 그리고 이러한 제2컴파트먼트(200a;200)에는 상기 세포(C)의 크기보다 작은 크기를 갖도록 3차원 배열된 복수개의 제2포어(210a;210)가 형성되어 있다. 여기서도 상기 제2컴파트먼트(200a;200)에 형성된 제2포어(210a;210) 크기 및 재질은 전술한 본 발명의 제1실시예에 따른 제2컴파트먼트(200)와 동일하므로 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
이하에서는 본 발명의 본 발명의 제3실시예에 따른 3차원 세포 배양장치에 대해 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 3차원 세포 배양장치를 개략적으로 나타낸 구조도이다. 여기서도 도 2 및 도 3에 나타낸 참조번호 동일한 참조번호는 동일한 구성 및 효과를 갖는 동일부재를 나타낸다.
도면을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 3차원 세포 배양장치(30,40;이하"세포 배양장치"라 함)는, 본 발명의 제1실시예에서 상술한 상기 세포 배양유닛(10)이 규칙적으로 복수개 연속 배치되도록 구성된다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 세포 배양장치(30)는 복수개의 세포 배양유닛(10)이 일방향으로 연속 배치되도록 구성할 수 있다. 이러한 세포 배양장치(30)에 의하면, 신경세포의 경우 신경의 전도 등과 같은 양상이 2차원에 비해 실제 생체 신경조직에서의 전도 양상과 더욱 유사해진다. 또한 체외에서 3차원 몰드에 의해 신경세포를 배양 및 분화시킴으로써 신경 네트워크를 형성한 후, 체내에 이식할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 신경 세포간의 시냅스가 일정한 구획에서만 형성되도록 유도하여, 규칙적인 일정 방향으로의 신경 네트워크 형성을 가능하게 할 수 있다.
위와 같은 세포 배양장치(30)는 그 응용분야에 따라 다양한 변형례가 가능하다. 이러한 변형례로서, 상기 복수개의 세포 배양유닛(10)이 순환 패턴을 형성할 수도 있다. 도 5a 내지 도 5c는 도 4에 나타낸 3차원 세포 배양장치의 다양한 변형례를 도시한 구조도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 세포 배양장치(40a)의 순환 패턴이 원의 형상을 가질 수 있다. 또한 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 세포 배양장치(40b,40c)의 순환 패턴이 삼각 및 사각을 포함하는 다각 형상을 가질 수 있다.
다만, 이상에서 설명된 세포 배양유닛(10)의 배열 패턴은 예시적인 것으로서, 그 응용분야 및 목적에 부합하여 다양한 실시예 및 변형례가 가능하다고 할 것이다. 즉, 본 발명에 의하면 신경생물학 분야에서 연구용 툴(Tool)로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 신경조직 생체 이식이나 인공지능 컴퓨터칩과 같은 다양한 분야에 응용할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
2 : 덴드라이트(Dendrites) 3 : 액손(Axon)
10 : 세포 배양유닛
20,30,40(40a,40b,40c) : 세포 배양장치
100(100a,100b) : 제1컴파트먼트 110(110a,110b) : 제1포어
200(200a) : 제2컴파트먼트 210(210a) : 제2포어
C : 세포(신경세포)

Claims (8)

  1. 공급된 복수개의 세포가 배양액 속에서 각각 배양될 수 있는 공간을 제공하도록 3차원 배열된 복수개의 제1포어가 형성된 복수개의 제1컴파트먼트; 및
    상기 제1컴파트먼트와 연통할 수 있도록 접촉 배치되는 것으로서, 상기 세포의 크기보다 작은 크기를 갖도록 3차원 배열된 복수개의 제2포어가 형성된 적어도 하나의 제2컴파트먼트를 포함하되,
    상기 제1컴파트먼트와 제2컴파트먼트는 교번하여 연속 배치되는 3차원 세포 배양장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서
    상기 제1컴파트먼트와 제2컴파트먼트는 순환 패턴을 형성하는 3차원 세포 배양장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 순환 패턴은 원의 형상인 3차원 세포 배양장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 순환 패턴은 다각 형상인 3차원 세포 배양장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 순환 패턴은 삼각 또는 사각 형상인 3차원 세포 배양장치.
  8. 청구항 1, 청구항 4, 청구항 5, 청구항 6 및 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세포는 신경세포(Neurons)인 3차원 세포 배양장치.
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