KR101916567B1 - Intervertebral disc cell co-culture device for the study of intervertebral disc pain control mechanism - Google Patents

Intervertebral disc cell co-culture device for the study of intervertebral disc pain control mechanism Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치는, 염증처리된 추간판세포가 배양되는 추간판챔버; 신경세포가 배양되는 신경챔버; 신경챔버와 추간판챔버를 연결하는 연결채널; 신경챔버에 설치되어, 신경세포로 전기자극을 제공하는 전기자극부; 신경챔버의 주입구와 추간판챔버의 유출구를 연결하는 배관; 배관에 설치되어, 신경세포에서 발현된 통증유발물질이 신경챔버에서 추간판챔버로 유동되고, 추간판챔버 내의 신경자극물질이 유출구로 유동되도록 작동되는 순환부; 및 배관에 의해 주입구에 연결되어, 주입구에서의 배양배지의 산화환원반응을 억제토록 순환부의 작동시 배양배지를 주입구로 지속적으로 공급하는 배지공급부재를 포함하고, 염증처리된 추간판세포 및 신경세포가 독립적으로 배양되어, 염증처리된 추간판세포에서 분비된 신경자극물질이 연결채널을 통해 신경챔버로 유입되어 신경세포를 자극하고, 신경자극물질의 자극에 의해 신경세포에서 분비된 통증유발물질이 연결채널을 통해 추간판챔버로 유입되어 추간판세포를 자극함에 따른 추간판의 통증이 모사되고, 신경세포로의 전기자극시, 통증유발물질의 발현량의 억제 여부를 관찰할 수 있는 것이 바람직하다. The microcurrent stimulating disc cell co-culture apparatus for studying the intervertebral disc space mechanism according to an embodiment of the present invention includes: an intervertebral disc chamber in which inflammation-treated intervertebral disc cells are cultured; Neural chambers in which neurons are cultured; A connection channel connecting the nerve chamber and the disc chamber; An electrical stimulation part installed in the nerve chamber for providing electrical stimulation to the nerve cell; A piping connecting the inlet of the nerve chamber and the outlet of the intervertebral disc chamber; A circulation part installed in the piping, wherein the pain inducing substance expressed in the nerve cell flows from the nerve chamber to the intervertebral disc chamber and is operated so that the nerve stimulating substance in the intervertebral disc chamber flows into the outlet port; And a medium supply member connected to the injection port by piping to continuously supply the culture medium to the injection port during operation of the circulation unit so as to suppress the oxidation-reduction reaction of the culture medium at the injection port, wherein the inflammation-treated intervertebral disc cells and nerve cells Independently cultured, the nerve stimulating substance secreted from the inflammation-treated intervertebral disc is introduced into the nerve chamber through the connecting channel to stimulate the nerve cell, and the pain-causing substance secreted from the nerve cell by the stimulation of the nerve stimulating substance, It is preferable to observe whether the disc herniation is stimulated by stimulating the intervertebral disc cells and whether the amount of pain inducing substance is suppressed when the stimulation is applied to the nerve cell.

Description

추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치{Intervertebral disc cell co-culture device for the study of intervertebral disc pain control mechanism}{Intervertebral disc cell co-culture device for the study of intervertebral disc pain control mechanism}

본 발명은 추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치에 관한 것이며, 상세하게는 추간판 퇴행과정에서 나타나는 요통의 발병기전을 신경세포와 조직을 구성하는 섬유성 세포 및 기타 혈관 세포의 상호작용에 의한 분자생물학적 변화를 관찰할 수 있는 추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치에 관한 것이다. The present invention relates to a device for co-culturing an intervertebral disc cell for the study of intervertebral disc pain, and more particularly, to a method for inhibiting the pathogenesis of backbone in the process of regeneration of the disc by molecular biological The present invention relates to a device for co-culturing an intervertebral disc cell.

추간판은 조직 안쪽에 수핵 (Nucleus pulposus), 바깥쪽에 섬유륜(Annulus fibrosus)로 이루어져 있다. 섬유륜의 바깥쪽 3분의 1지점에는 영양분을 공급받을 수 있는 혈관세포와 척추에 위치하는 신경다발(dorsal root ganglion)로부터 유래한 유리 신경 말단 (free nerve ending)이 위치한다. 추간판 조직 내의 세포-세포 상호작용은 추간판 조직을 비롯하여 주변부에 존재하는 혈관 및 신경세포에 다양한 분비 단백질을 전달하여 세포신호전달 과정을 나타나게 된다. The intervertebral disc consists of nucleus pulposus (Nucleus pulposus) on the inside of the tissue and annulus fibrosus on the outside. Outside one third of the fibrous ring, there is a free nerve ending that is derived from the vascular cells that can be fed and the dorsal root ganglion located in the vertebrae. Cell - cell interactions in the intervertebral disc tissue are involved in cellular signal transduction by transferring a variety of secretory proteins to the blood vessels and nerve cells present in the disc, as well as in the periphery.

추간판은 생체역학적 부하(biomechanical loading), 감염, 유전적 변형 등의 다양한 원인에 의해 기존의 유지하던 구조체의 특성의 퇴행과정이 나타난다. 퇴행과정에 있어, 추간판 조직을 이루는 주요한 두 가지의 세포인 수핵 및 섬유륜 세포는 면역세포(immune cells)에 의한 염증반응이 나타난다. 퇴행과정에서, 추간판 세포와 면역세포는 베타-신경성장인자(beta-nerve growth factor, 이하, beta-NGF) 및 뇌-유리 신경성장인자(brain-derived neurotrophic factor, 이하, BDNF) 등의 다양한 신경 자극 인자(neurogenic factor)를 분비하게 된다. The intervertebral disc is regressive of the characteristics of the retained structure due to various causes such as biomechanical loading, infection, genetic modification, and the like. In the degenerative process, the main two cells of the intervertebral disc tissue, the nucleus pulposus and fibrocyllia cells, exhibit inflammatory responses by immune cells. In the degenerative process, the intervertebral and immune cells are stimulated with various neurons such as beta-nerve growth factor (hereinafter "beta-NGF") and brain-derived neurotrophic factor And secrete a neurogenic factor.

이렇게 분비된 신경 자극 인자의 경우, 척수에 위치하는 신경다발에서 통증과 관련한 다양한 이온 채널을 발현하게 된다. 특히, 이러한 수용체에는 산 감지 이온 채널 3(acid-sensing ion channel 3, 이하, ASIC3) 및 통증수용체(transient receptor potential cation channel subfamily V member 1, 이하, TRPV1)이 포함된다. These secreted nerve stimulating factors express various ion channels related to pain in the nerve bundles located in the spinal cord. Particularly, these receptors include acid-sensing ion channel 3 (ASIC3) and transient receptor potential cation channel subfamily V member 1 (TRPV1).

도 5 및 도 6의 그래프는 조정배지에서의 분비단백질의 양, 조정배지없이 순수한 내피세포에서 분비되는 단백질의 양, 그리고, 조정배지가 처리된 내피세포로부터 나오는 단백질의 양을 비교한 그래프로서, 추간판의 염증시 발현되는 분비단백질마다의 발현량이 비교될 수 있다. The graphs of FIGS. 5 and 6 are graphs comparing the amount of secreted protein in the conditioned medium, the amount of protein secreted from pure endothelial cells without the conditioned medium, and the amount of protein from the conditioned medium treated endothelial cells, Expression levels of secretory proteins expressed upon inflammation of the intervertebral disc can be compared.

도 5 및 도 6의 그래프에서, CM은 조정배지(conditioned medium)의 약자이다. ctrlHMEC-1의 경우, ctrl은 control을 지칭하고, HMEC-1의 경우 Endothelial cells을 지칭한다. ctrlHMEC-1은 추간판 세포로부터 기원한 조정배지의 처리없이, 순수한 내피세포(endothelial cells)로부터 나오는 단백질의 양을 의미한다. expHMEC-1은 조정배지가 처리된 내피세포(endothelial cells)로부터 나오는 단백질의 양을 의미한다. In the graphs of Figures 5 and 6, CM is an abbreviation for a conditioned medium. In the case of ctrlHMEC-1, ctrl refers to control, and in the case of HMEC-1, it refers to endothelial cells. ctrlHMEC-1 refers to the amount of protein released from pure endothelial cells, without treatment of conditioned medium from disc cells. expHMEC-1 refers to the amount of protein from the endothelial cells treated with conditioned medium.

IL-6(interleukin-6), IL-8(interleukin-8), VEGF(Vascular Endothelial Growth Factor)은 추간판의 염증매개물이다. MMP-1(Matrix metalloproteinase-1) 또는 MMP-3(Matrix metalloproteinase-3)는 추간판의 조직의 붕괴에 관련된 단백질이다. IL-6 (interleukin-6), IL-8 (interleukin-8) and VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) are inflammatory mediators of the intervertebral disc. MMP-1 (Matrix metalloproteinase-1) or MMP-3 (Matrix metalloproteinase-3) is a protein involved in tissue disruption of the intervertebral disc.

그래프 도 5(a)에서, CM(조정배지)에서, 섬유륜세포(AF)는 40ng/ml 이상의 IL-6(interleukin-6)를 분비하고, 수핵세포는 10ng/ml 정도의 IL-6를 분비함을 알 수 있다. expHMEC-1의 경우 섬유륜세포와 수핵세포로부터 추출된 물질을 내피세포(endothelial cells)에 처리하였을 때, 자극을 받은 내피세포(endothelial cells)가 섬유륜세포 및 수핵세포의 분비단백질의 자극에 의해서 내피세포(endothelial cells)가 80ng/mL 이상의 IL-6를 분비함을 나타낸다. ctrlHMEC-1의 경우에, 내피세포(endothelial cells)가 분비하는 IL-6은 0ng/mL에 가까운 것임을 알 수 있다. 5 (a), fibroblast cells (AF) secrete 40 ng / ml or more of IL-6 (interleukin-6), and nucleus pulposus cells secrete about 10 ng / ml of IL-6 . In the case of expHMEC-1, endothelial cells stimulated by endothelial cells were treated with endothelial cells by the stimulation of secretory proteins of fibricular cells and nucleus pulposus cells, (endothelial cells) secrete more than 80 ng / mL of IL-6. In the case of ctrlHMEC-1, IL-6 secreted by endothelial cells is close to 0 ng / mL.

그래프 도 5(c)에서, CM(조정배지)에서, 섬유륜세포(AF)는 50ng/ml 이상의 IL-8를 분비하고, 수핵세포는 10ng/ml 정도의 IL-8(interleukin-8)를 분비함을 알 수 있다. ctrlHMEC-1의 경우에, 내피세포(endothelial cells)가 분비하는 IL-8은 0ng/mL에 가까운 것임을 알 수 있다. In graph (c) of FIG. 5, fibroblast cell (AF) secretes 50 ng / ml or more of IL-8 in CM (conditioned medium) and secreting nuclei secrete IL-8 (interleukin-8) . In the case of ctrlHMEC-1, IL-8 secreted by endothelial cells is close to 0 ng / mL.

expHMEC-1의 경우 섬유륜세포와 수핵세포로부터 추출된 물질을 내피세포(endothelial cells)에 처리하였을 때, 자극을 받은 내피세포(endothelial cells)가 섬유륜세포(AF)의 분비단백질의 자극에 의해서 내피세포(endothelial cells)가 100ng/m의 IL-8을 분비하고, 수핵세포(NP)의 분비단백질의 자극에 의해서 내피세포(endothelial cells)가 170ng/mL 이상의 IL-8을 분비함을 알 수 있다. In the case of expHMEC-1, endothelial cells stimulated by endothelial cells were stimulated by the secretory protein of fibroblast cells (AF) endothelial cells secrete IL-8 at a concentration of 100 ng / ml, and endothelial cells secrete IL-8 at a concentration of more than 170 ng / ml by the stimulation of secretory proteins of the nucleus pulposus (NP).

그래프 도 6(d) 내지 도 6(f)의 그래프에서, MMP-1, MMP-3, 그리고, VEGF도 조정배지(CM) 및 expHMEC-1에서 분비되었으나, ctrlHMEC-1에서는 거의 분비되지 않음을 알 수 있다. In the graphs of FIGS. 6 (d) to 6 (f), MMP-1, MMP-3 and VEGF were also secreted in conditioned medium (CM) and expHMEC-1 but not in ctrlHMEC-1 Able to know.

도 5(b)의 그래프에서, CM(조정배지)에서, 섬유륜세포(AF) 및 수핵세포(NP)는 NGF를 분비하지 않음을 알 수 있다. ctrlHMEC-1의 경우에, 내피세포(endothelial cells)가 분비하는 NGF는 섬유륜세포(AF) 및 수핵세포(NP)는 7pg/ml 이상임을 알 수 있다. In the graph of Fig. 5 (b), it can be seen that in the CM (conditioned medium), fibrous ring cells (AF) and nucleus pulposus cells (NP) do not secrete NGF. In the case of ctrlHMEC-1, NGF secreted by endothelial cells is more than 7 pg / ml in fibroblast (AF) and nucleus pulposus (NP).

expHMEC-1의 경우, 섬유륜세포와 수핵세포로부터 추출된 물질을 내피세포(endothelial cells)에 처리하였을 때, 자극을 받은 내피세포(endothelial cells)가 섬유륜세포(AF)의 분비단백질의 자극에 의해서 내피세포(endothelial cells)가 20pg/m의 NGF를 분비하고, 수핵세포(NP)의 분비단백질의 자극에 의해서 내피세포(endothelial cells)가 35pg/mL 이상의 NGF를 분비함을 알 수 있다. In the case of expHMEC-1, endothelial cells stimulated by endothelial cells were treated by stimulation of secretory proteins of fibroblast cells (AF) Endothelial cells secrete 20 pg / m of NGF and endothelial cells secrete more than 35 pg / ml of NGF by stimulation of secretory proteins of nucleus pulposus (NP).

NGF의 경우 다른 인자와의 상대값으로 생각하면 적은양으로 보일 수 있으나, 적은양의 NGF는 신호를 전달하기에 충분한 양이 될 수 있습니다. 상기 그래프 (b)를 통해, 실제 섬유륜/수핵 등의 세포가 직접적으로 NGF의 발현을 나타내는 것이 아닐 가능성이 높고, 섬유륜/수핵 세포와 내피세포(endothelial cells) 간의 상호작용에 의해 혈관세포가 NGF를 분비함을 알 수 있습니다. In the case of NGF, a small amount of NGF may be sufficient to deliver a signal, although it may seem small relative to other factors. In the graph (b), it is highly likely that cells such as fibroblasts / horses and the like do not directly express NGF, and vascular cells are inhibited by interaction between fibroblasts / endothelial cells and endothelial cells You can see the secretion.

도 5(b)의 그래프를 통해, ctrlHMEC-1의 NGF의 분비량과 비교하여, expHMEC-1의 NGF의 분비량이 증가함을 알 수 있습니다. 이로부터, 섬유륜 및 추간판 세포와 상호작용한 혈관세포에서 NGF의 분비량이 증가한 것으로 신경세포의 내성장이 촉진됨이 유추될 수 있습니다. 신경세포의 내성장을 유도하는 직접적인 인자는 NGF(nerve growth factor)이고, NGF의 기원이 혈관세포로부터 나온 것임을 알 수 있습니다. The graph of FIG. 5 (b) shows that the secretion amount of NGF in expHMEC-1 is increased compared with the secretion amount of NGF in ctrlHMEC-1. From this, it can be deduced that the increase of secretion of NGF in the vascular cells that interact with fibroblasts and intervertebral discs promotes the growth of nerve cells. The direct factor that induces neural cell growth is NGF (nerve growth factor), and it can be seen that the origin of NGF is derived from blood vessel cells.

추간판세포에 염증물질을 처리한 경우, 시간의 변화에 따른 분비단백질의 변화는 도 7에 도시된 바와 같습니다. IL-1베타 1ng/mL을 섬유륜 세포에 72시간 동안 자극 및 관찰하여 각각의 단백질에 대한 발현 변화를 측정한 실험데이터입니다. When the intervertebral cells are treated with an inflammatory substance, the change of the secretory protein with the change of time is as shown in Fig. IL-1beta 1 ng / mL was stimulated and observed in fibroblast cells for 72 hours, and the expression data of each protein was measured.

도 7의 그래프 A에는 IL-6의 시간에 따른 농도변화, 도 7의 그래프 B에는 IL-8의 시간에 따른 농도변화, 도 7의 그래프 C에는 MMP-1의 시간에 따른 농도변화, 도 7의 그래프 D에는 MMP-3의 시간에 따른 농도변화가 도시되어 있다. 7 shows a concentration change with time of IL-6, FIG. 7 shows a concentration change with time of IL-8, FIG. 7 shows a change with concentration of MMP-1 with time, Shows the concentration change of MMP-3 with time.

도 7에 도시된 그래프 A, 그래프 B 및 그래프 D를 통해, IL-6, IL-8, 및 MMP-3은 시간의 경과됨에 따라 분비단백질의 농도가 증가함을 알 수 있다. 이에 반해, 그래프 C를 통해, MMP-1는 시간이 경과할수록 농도가 증가가는 것이 아니라, 48시간 이후 단백질의 농도가 저감됨을 알 수 있다. The graph A, the graph B and the graph D shown in FIG. 7 show that IL-6, IL-8, and MMP-3 increase the concentration of the secretory protein with the lapse of time. On the other hand, through graph C, it can be seen that the concentration of MMP-1 does not increase with time but decreases after 48 hours.

도 8의 (a)는 염증처리되지 않은 섬유륜세포(AF)와 IL-1베타 염증처리된 섬유륜세포(AF)을 비교한 사진이다. 하얀점선은 NF-kB(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) 단백질의 위치이동(translocation)을 관찰함에 있어 정량화된 강도(intensity)를 측정하기 위한 기준선입니다.FIG. 8 (a) is a photograph showing a comparison between uninfected fibroblast cells (AF) and IL-1 beta-inflammed fibrocyte cells (AF). The white dotted line is the baseline for measuring the quantified intensity in observing the translocation of NF-kB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) proteins.

도 8의 (a)에서, 파란색은 핵을 염색하는 DAPI 형광, 빨간색은 보고자하는 단백인 NF-kB p50에 대한 형광, 초록색은 actin을 염색하는 형광에 대한 intensity입니다. In FIG. 8 (a), blue is the intensity of DAPI fluorescence to stain nuclei, red is fluorescence to NF-kB p50, which is a protein to be red, and green is fluorescence intensity, which stains actin.

도 8의 (b)는 정상거리에 대한 상대적 형광강도 변화에 대한 그래프이다. 상기 도 8(b)의 그래프는, 도 8의 (a)의 하얀점선의 기준선으로부터 추출된 각 형광에 대한 강도(intensity)를 측정한 것입니다. X축의 경우는 하얀점선의 길이를 상대값으로 나타낸 것입니다. 즉, X축의 정상거리는 하얀점선의 기준선으로부터 상대적거리를 나타낸 것으로서, 세포질과 세포질 사이의 핵의 너비입니다. Figure 8 (b) is a graph of relative fluorescence intensity change versus normal distance. The graph of FIG. 8 (b) is a measurement of the intensity of each fluorescence extracted from the reference line of the white dotted line in FIG. 8 (a). For the X axis, the length of the white dotted line is the relative value. In other words, the normal distance on the X axis is the relative distance from the baseline of the white dotted line, the width of the nucleus between cytoplasm and cytoplasm.

도 8(b)의 그래프에서, 화살표는 타겟으로 보고자 했던 NF-kB p50 단백질이 세포질에 강하게 위치하는지 또는 핵안에 강하게 위치하는지를 보고자 하는 것입니다. 도 8의 (b)의 그래프를 통해, 염증이 발현되면 NF-kB가 세포질에서 핵내로 위치이동(translocation)하는 경향성을 나타냄을 알 수 있습니다. In the graph of FIG. 8 (b), the arrows indicate whether the NF-kB p50 protein, which is the target of the target, is strongly located in the cytoplasm or strongly located in the nucleus. The graph of FIG. 8 (b) shows that when the inflammation is expressed, NF-kB shows a tendency to translocate from the cytoplasm to the nucleus.

한편, 도 9 및 도 10에는 섬유륜세포에 염증처리된 경우와 수핵세포에 염증처리된 경우에, 섬유륜세포와 수핵세포가 분비하는 분비단백질을 엘라이자(ELISA)로 정량화한 그래프이다. 9 and 10 are graphs of ELISA quantifying the secretory proteins secreted from fibroblast cells and nucleus pulposus cells when the fibroblast cells are treated with inflammation and when the recipient cells are treated with inflammation.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 염증처리물질로 IL-1베타를 처리했을 때, 0ng/ml에서 MMP-1, MMP-3, Total soluble collagen, IL6 및 IL-8은 거의 분비되지 않음을 알 수 있다. 이에 반해, 0ng/ml의 IL-1베타를 처리했을 때, 섬유륜세포(AF)는 1ng/ml의 VEGF가 분비되고, 수핵세포(NP)는 1ng/ml 미만의 VEGF(Vascular Endothelial Growth Factor)를 분비됨을 알 수 있다. As shown in FIGS. 9 and 10, MMP-1, MMP-3, total soluble collagen, IL6 and IL-8 were almost secreted at 0 ng / ml when IL-1beta was treated with an inflammatory substance . In contrast, when treated with 0 ng / ml of IL-1 beta, fibronectin (AF) secreted 1 ng / ml of VEGF and nucleus pulposus (NP) contained less than 1 ng / ml VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) Secretion.

한편, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 10ng/ml의 IL-1베타를 처리한 섬유륜세포에서 200ng/ml의 MMP-1, 200ng/ml의 MMP-3, 200ug/ml 미만의 Total soluble collagen, 40ng/ml 이상의 IL-6, 60ng/ml의 IL-8, 그리고, 4ng/ml의 VEGF를 분비함을 알 수 있다. 10ng/ml의 IL-1베타를 처리한 수핵세포에서 50ng/ml 미만의 MMP-1, 200ng/ml의 MMP-3, 100ug/ml의 Total soluble collagen, 10g/ml 미만의 IL-6, 20ng/ml의 IL-8, 그리고, 1ng/ml의 VEGF(Vascular Endothelial Growth Factor)를 분비함을 알 수 있다. As shown in FIGS. 9 and 10, 200 ng / ml of MMP-1, 200 ng / ml of MMP-3 and less than 200 ug / ml of Total soluble in fibroblast cells treated with 10 ng / ml of IL- collagen, IL-6 at 40 ng / ml or more, IL-8 at 60 ng / ml, and VEGF at 4 ng / ml. MMP-1, 200 ng / ml MMP-3, 100 ug / ml total soluble collagen, less than 10 g / ml IL-6, and 20 ng / ml of IL-8, and 1ng / ml of VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor).

상술한 도 5 내지 도 10에 도시된 그래프를 통해, 추간판의 염증시 추간판세포에서 분비단백질이 분비되고, 분비단백질의 자극에 의해 내피세포에서 특정단백질을 분비함을 알 수 있다. 아울러, 추간판의 손상시 시간에 따른 분비단백질의 발현량이 변화하고, 단백질간의 이동이 있음을 알 수 있다. Through the graphs shown in FIGS. 5 to 10, it can be seen that secretory proteins are secreted in the discs of the disc during inflammation of the disc, and specific proteins are secreted from the endothelial cells by stimulation of the secretory proteins. In addition, the expression level of the secretory protein changes with time during the injury of the intervertebral disc, and it can be seen that there is movement between the proteins.

실제로 통각 수용체의 변화에 따라 신경세포의 내성장이 어떻게 되는지에 관해서는 선행 연구된 논문은 없으나, 이미 내성장이 일어난 신경세포에 대해 통각수용인자가 발현하는 것으로 알려져 있다. 이에, 임상학적으로 T2-echo MRI image 상에서 기존의 신경압박이 있는 상황에서의 통증 유발 기전과는 또 다른 신경압박이 없는 상황에서의 분자생물학적 또는 추간판 세포와의 상호작용에 의한 통증 유발 기전 연구를 수행할 수 있는 장치가 필요한 실정이다. In fact, there has been no previous research on how neuronal cell growth is affected by changes in the pain receptors, but it is known that nociceptive factors are already expressed in neurons that have already undergone growth. In this study, we investigated the mechanism of pain induced by molecular biology or interactions with intervertebral disc cells in a T2-echo MRI image in the absence of another nerve compression, There is a need for a device that can perform.

본 발명은 추간판의 퇴행 또는 손상으로 인해, 신경세포에서 통증유발물질이 발현됐을 때, 신경세포로 전기자극을 가했을 때 통증유발물질의 발현이 억제되는지, 통증유발물질의 발현량에 따라 추간판의 통증 정도가 얼마나 가변되는지에 대한 연구를 수행하기 위한 추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is based on the finding that when a pain inducing substance is expressed in a nerve cell due to degeneration or damage of an intervertebral disc, the expression of a pain inducing substance is suppressed when electrical stimulation is applied to a nerve cell, The present invention also provides an apparatus for co-culturing an intervertebral disc cell for the study of intervertebral disc pain.

본 발명은 통증 유발 과정에서 나타날 수 있는 신경세포의 변화에 대해 외부적인 미세전류의 적용을 통해 나타나는 추간판 구성 세포의 변화양상을 실시간으로 관찰할 수 있는 추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a co-culturing apparatus for intervertebral disc cell for studying intervertebral disc mechanism capable of observing in real time the change pattern of intervertebral disc constituting cells through the application of external microcurrent to the change of nerve cells that may appear in pain induction process .

본 발명의 일 실시예에 따른 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치는, 염증처리된 추간판세포가 배양되는 추간판챔버; 신경세포가 배양되는 신경챔버; 신경챔버와 추간판챔버를 연결하는 연결채널; 신경챔버에 설치되어, 신경세포로 전기자극을 제공하는 전기자극부; 신경챔버의 주입구와 추간판챔버의 유출구를 연결하는 배관; 배관에 설치되어, 신경세포에서 발현된 통증유발물질이 신경챔버에서 추간판챔버로 유동되고, 추간판챔버 내의 신경자극물질이 유출구로 유동되도록 작동되는 순환부; 및 배관에 의해 주입구에 연결되어, 주입구에서의 배양배지의 산화환원반응을 억제토록 순환부의 작동시 배양배지를 주입구로 지속적으로 공급하는 배지공급부재를 포함하고, 염증처리된 추간판세포 및 신경세포가 독립적으로 배양되어, 염증처리된 추간판세포에서 분비된 신경자극물질이 연결채널을 통해 신경챔버로 유입되어 신경세포를 자극하고, 신경자극물질의 자극에 의해 신경세포에서 분비된 통증유발물질이 연결채널을 통해 추간판챔버로 유입되어 추간판세포를 자극함에 따른 추간판의 통증이 모사되고, 신경세포로의 전기자극시, 통증유발물질의 발현량의 억제 여부를 관찰할 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치는, 신경세포가 배양되는 신경챔버; 신경챔버에 연결된 중앙챔버 및 중앙챔버에 연결되어 추간판세포를 이루는 수핵세포, 섬유륜세포 또는 혈관세포 중 적어도 하나가 각각 배양되는 추간판배양챔버로 이루어지고, 염증처리에 의해, 수핵세포, 섬유륜세포 또는 혈관세포 중 적어도 하나에서 분비된 신경자극물질이 추간판배양챔버에서 중앙챔버로 유동되는 추간판챔버; 신경챔버와 중앙챔버를 연결하여, 신경자극물질이 중앙챔버에서 신경챔버로 유동되는 연결채널; 및 신경챔버에 설치되어, 신경세포로 전기자극을 제공하는 전기자극부를 포함하고, 염증처리된 추간판세포 및 신경세포가 독립적으로 배양되어, 염증처리된 추간판세포에서 분비된 신경자극물질이 연결채널을 통해 신경챔버로 유입되어 신경세포를 자극하고, 신경자극물질의 자극에 의해 신경세포에서 분비된 통증유발물질이 연결채널을 통해 추간판챔버로 유입되어 추간판세포를 자극함에 따른 추간판의 통증이 모사되고, 신경세포로의 전기자극시, 통증유발물질의 발현량의 억제 여부를 관찰할 수 있는 것이 바람직하다.
The microcurrent stimulating disc cell co-culture apparatus for studying the intervertebral disc space mechanism according to an embodiment of the present invention includes: an intervertebral disc chamber in which inflammation-treated intervertebral disc cells are cultured; Neural chambers in which neurons are cultured; A connection channel connecting the nerve chamber and the disc chamber; An electrical stimulation part installed in the nerve chamber for providing electrical stimulation to the nerve cell; A piping connecting the inlet of the nerve chamber and the outlet of the intervertebral disc chamber; A circulation part installed in the piping, wherein the pain inducing substance expressed in the nerve cell flows from the nerve chamber to the intervertebral disc chamber and is operated so that the nerve stimulating substance in the intervertebral disc chamber flows into the outlet port; And a medium supply member connected to the injection port by piping to continuously supply the culture medium to the injection port during operation of the circulation unit so as to suppress the oxidation-reduction reaction of the culture medium at the injection port, wherein the inflammation-treated intervertebral disc cells and nerve cells Independently cultured, the nerve stimulating substance secreted from the inflammation-treated intervertebral disc is introduced into the nerve chamber through the connection channel to stimulate the nerve cell, and the pain inducing substance secreted from the nerve cell by the stimulation of the nerve stimulating substance, It is preferable to observe whether the disc herniation is stimulated by stimulating the intervertebral disc cells and whether the amount of pain inducing substance is suppressed when the stimulation is applied to the nerve cell.
Also, the microcurrent stimulating disc cell co-culture apparatus for studying the intervertebral disc pain mechanism comprises: a nerve chamber in which nerve cells are cultured; An intervertebral disc culture chamber connected to a central chamber and a central chamber connected to the nerve chamber and in which at least one of a nucleus cell, a fibricular cell or a vascular cell constituting an intervertebral disc cell is cultured, and the nucleus pulposus cell, An intervertebral disc in which nerve stimulating material secreted from at least one of the cells flows from an intervertebral culture chamber to a central chamber; A connection channel connecting the nerve chamber and the central chamber such that the nerve stimulating material flows from the central chamber to the nerve chamber; And an electric stimulation unit provided in the nerve chamber for providing electric stimulation to the nerve cell, wherein the inflammation-treated intervertebral disc cell and the nerve cell are independently cultured, and the nerve stimulating substance secreted from the inflammation- In addition, the pain of the intervertebral disc caused by stimulation of the intervertebral disc by the flow of the pain stimulating substance secreted from the nerve cell into the intervertebral disc chamber through the connection channel is simulated by stimulation of the nerve stimulating substance, It is desirable to be able to observe whether or not the expression amount of the pain inducing substance is suppressed when the electric stimulation is applied to the nerve cell.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 전기자극부에 연결되어, 전기자극의 세기를 제어하는 자극제어부를 더 포함하여, 전기자극의 세기에 따른 통증유발물질의 발현량의 억제정도를 관찰할 수 있는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the stimulation control unit further includes a stimulation control unit connected to the electric stimulation unit to control the intensity of the electric stimulation, .

본 발명의 일 실시예에 있어서, 전기자극부는, 신경챔버의 바닥면에 설치된 ITO 글래스; 및 ITO 글래스에 패터닝된 전도성 전극으로 이루어진 것이 바람직하다. In one embodiment of the present invention, the electric stimulation unit includes: an ITO glass installed on the bottom surface of the nerve chamber; And a conductive electrode patterned in ITO glass.

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본 발명의 일 실시예에 있어서, 배관에 의해 유출구에 연결되어, 순환부의 작동시 유출구에서 흡입된 신경자극물질과 통증유발물질이 저장되는 부산물저장부재를 더 포함하는 것이 바람직하다. In one embodiment of the present invention, it is preferable that the apparatus further includes a byproduct storage member connected to the outlet by the piping and storing the nerve stimulating substance and the pain causing substance inhaled from the outlet at the operation of the circulating unit.

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본 발명의 일 실시예에 있어서, 연결채널은 신경세포와 추간판세포의 이동을 차단하고, 신경자극물질 및 통증유발물질 간의 이동을 허용하는 마이크로채널 구조인 것이 바람직하다. In one embodiment of the present invention, the connection channel is preferably a microchannel structure that blocks movement of nerve cells and intervertebral disc cells, and permits movement between nerve stimulating substances and pain inducers.

본 발명은 신경세포로 제공되는 전기자극의 세기를 가변시켜, 인체에 흐르는 미세전류의 영향에 대한 신경세포의 반응성에 기반, 또는 외부적인 전류를 인가하여 추간판 염증과정에 의해 자극을 받은 신경세포에서 통증 유발 수용체 및 인자에 대한 기반 연구를 동시적으로 수행할 수 있다.The present invention relates to a method for modulating the intensity of electrical stimulation provided to a nerve cell, which is based on the reactivity of the nerve cell to the effect of the micro current flowing to the human body, or by applying an external electric current to the nerve cell stimulated by the intervertebral disc inflammation process Based studies of pain-inducing receptors and factors can be performed simultaneously.

아울러, 본 발명은 순환부를 통해 유출구로부터 지속적인 반응 산물을 수집함으로써 분자생물학적 시험을 가능하도록 하여 요통과 관련한 기초 및 전기화학적 변화 양상에 대한 기전 연구에 대한 편의성을 제공할 수 있다. In addition, the present invention enables molecular biology testing by collecting continuous reaction products from the outlet through the circulation, thus providing convenience in the study of the mechanism of basal and electrochemical changes related to back pain.

본 발명은 추간판세포와 신경세포를 하나의 공동배양칩에 공동배양하여, 추간판 퇴행과정에서 나타나는 요통의 발병기전을 신경세포와 조직을 구성하는 섬유성 세포 및 기타 혈관 세포의 상호작용에 의한 분자생물학적 변화를 실시간으로 관찰할 수 있다.The present invention relates to a method of co-culturing intervertebral disc cells and nerve cells in a single co-culture chip to examine the pathogenesis of back pain in the process of regression of the intervertebral discs in a molecular biologic Changes can be observed in real time.

본 발명은 추간판 퇴행과정에서 나타나는 통증 및 다양한 표면형(penotypic), 유전형(genotypic) 변화가 추간판 세포를 이루는 다종의 세포간 상호작용 및 통증의 주된 원인이 된다고 알려진 신경세포가 매개하는 분비 단백에 대한 영향을 관찰하고, 전기 신호에 대한 신경 세포의 반응성에 대한 기초 연구를 가능하게 할 수 있다. The present invention is based on the discovery that pain and various types of penotypic and genotypic changes in the disc regression process are responsible for various neuronal cell mediated secretory proteins known to be responsible for various intercellular interactions and pain of intervertebral disc cells And to enable a basic study of the responsiveness of neurons to electrical signals.

또한, 본 발명은 신경압박이 없는 상태에서 통증을 유발하는 임상학적 기전을 연구하기 위해, 근거리분비(paracrine) 신호 전달에 의한 상호작용을 확인하는데 사용될 수 있습니다. In addition, the present invention can be used to identify interactions by paracrine signaling to study the clinical mechanisms that cause pain in the absence of nerve compression.

본 발명은 인체의 추간판 퇴행과정에서 나타나는 요통의 발병기전의 원인이 척수로부터 유래한 신경세포 및 추간판 조직을 구성하는 다종의 세포 간 상호작용에 있다고 보고 추간판 세포로부터 분비되는 신경세포 자극 물질이 실제 신경세포에서 어떠한 영향을 미치는지 확인할 수 있다. The present invention is based on the observation that the cause of the pathogenesis of back pain in the process of degeneration of the human body is the intercellular interactions between the spinal cord-derived nerve cells and intervertebral disc tissue, and the nerve cell stimulating substances secreted from the intervertebral disc cells It is possible to confirm what kind of effect it has on the cells.

도 1은 정상추간판의 해부학적 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배양칩의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 A-A의 단면도를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 조정배지에서의 분비단백질의 양, 조정배지없이 순수한 내피세포에서 분비되는 단백질의 양, 그리고, 조정배지가 처리된 내피세포로부터 나오는 단백질의 양을 비교한 그래프이다.
도 7의 그래프 A에는 IL-6의 시간에 따른 농도변화, 도 7의 그래프 B에는 IL-8의 시간에 따른 농도변화, 도 7의 그래프 C에는 MMP-1의 시간에 따른 농도변화, 도 7의 그래프 D에는 MMP-3의 시간에 따른 농도변화가 도시되어 있다.
도 8의 (a)는 염증처리되지 않은 섬유륜세포(AF)와 IL-1베타 염증처리된 섬유륜세포(AF)을 비교한 사진이다. 도 8의 (b)는 정상거리에 대한 상대적 형광강도 변화에 대한 그래프이다.
도 9 및 도 10에는 섬유륜세포에 염증처리된 경우와 수핵세포에 염증처리된 경우에, 섬유륜세포와 수핵세포가 분비하는 분비단백질을 엘라이자(ELISA)로 정량화한 그래프이다.
Figure 1 is an anatomical schematic view of a normal disc.
FIG. 2 is a schematic plan view of an intervertebral disc co-culture apparatus for studying intervertebral disc pain according to an embodiment of the present invention.
3 schematically shows a top view of a culture chip according to an embodiment of the present invention.
4 shows a cross-sectional view taken along line AA of Fig.
Figures 5 and 6 are graphs comparing the amount of secreted protein in conditioned medium, the amount of protein secreted in pure endothelial cells without conditioned medium, and the amount of protein from conditioned medium treated endothelial cells.
7 shows the concentration change with time of IL-6, FIG. 7 shows the concentration change with time of IL-8, FIG. 7 shows the concentration change with time of MMP-1, Shows the concentration change of MMP-3 with time.
FIG. 8 (a) is a photograph showing a comparison between uninfected fibroblast cells (AF) and IL-1beta inflammation treated fibroblast cells (AF). Figure 8 (b) is a graph of relative fluorescence intensity change versus normal distance.
FIGS. 9 and 10 are graphs of ELISA quantifying secretory proteins secreted by fibroblast cells and nucleus pulposus cells when the fibroblast cells are treated with inflammation and when the recipient cells are treated with inflammation.

이하에서는 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, an apparatus for co-culturing an intervertebral disc cell for studying intervertebral disc pain according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 추간판의 통증을 모사하여, 전기자극 전의 신경세포의 통증유발물질의 발현량과, 전기자극 후의 통증유발물질의 발현량을 비교하여, 전기자극이 추간판의 통증에 영향을 미치는 통증유발물질에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 통증조절기전을 연구하는데 사용되는 장치이다.The present invention simulates the pain of the intervertebral disc to compare the amount of pain inducing substance of the neural cell before electric stimulation with the amount of pain inducing substance after electric stimulation to determine whether the electric stimulation affects the pain causing substance of the intervertebral disc It is the device used to study the pain control mechanism of what effect it has.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치(100)는, 배양칩(110), 추간판챔버(120), 신경챔버(130), 연결채널(117), 전기자극부, 자극제어부(140) 및 순환부(150)를 포함한다. 2, the intervertebral disc co-culture apparatus 100 for studying intervertebral discs according to an embodiment of the present invention includes a culture chip 110, an intervertebral disc chamber 120, a nerve chamber 130, An electric stimulation unit 117, a stimulation control unit 140, and a circulation unit 150.

배양칩(110)은 하우징(111)에 내장된다. 배양칩(110)은 신체조직인 추간판이 모사되는 부재이다. 배양칩(110)은 PDMS(polydimethylsiloxane stamp) 재질로 이루어진 것이 바람직하다. The culture chip 110 is embedded in the housing 111. The culture chip 110 is a member in which an intervertebral disc as a body tissue is simulated. The culture chip 110 is preferably made of a PDMS (polydimethylsiloxane stamp) material.

도 2에 도시된 바와 같이, 배양칩(110)에는 추간판챔버(120), 신경챔버(130), 주입구(115a), 유출구(115b), 연결채널(117), 제 1 채널(116) 및 제 2 채널(118)이 동일평면에서, 포토리소그래피(photolithography) 방법에 의해 마련된다. 2, the culture chip 110 is provided with an intervertebral disc chamber 120, a nerve chamber 130, an inlet 115a, an outlet 115b, a connection channel 117, a first channel 116, Two channels 118 are provided in the same plane by photolithography.

배양칩(110)에서, 추간판세포와 신경세포는 독립된 공간에서 공동배양된다. 추간판세포로는 수핵세포, 섬유륜세포 또는 혈관세포가 해당될 수 있다. In the culture chip 110, the intervertebral disc cells and nerve cells are co-cultured in an independent space. The intervertebral disc may be a nuclear receptive cell, a fibricular cell, or a vascular cell.

본 발명은 추간판챔버(120)와 신경챔버(130)에 추간판을 이루는 이종 세포를 독립배양하여 추간판 구조를 모사할 수 있다. 아울러, 본 발명은 추간판세포가 염증처리되어, 추간판의 손상 및/또는 퇴행이 모사될 수 있다. In the present invention, the intervertebral disc structure can be simulated by independently culturing the xenogeneic cells forming the intervertebral discs in the disc chamber 120 and the nerve chamber 130. In addition, the present invention can be used to simulate damage and / or degeneration of an intervertebral disc by treating the disc cells with inflammation.

추간판챔버(120)는 중앙챔버(121) 및 복수의 추간판배양챔버로 이루어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙챔버(121)는 연결채널(117)에 의해 신경챔버(130)에 연결된다. The intervertebral disc chamber 120 comprises a central chamber 121 and a plurality of intervertebral disc culture chambers. As shown in FIG. 3, the central chamber 121 is connected to the nerve chamber 130 by a connection channel 117.

그리고, 중앙챔버(121)는 제 2 채널(118)에 의해 유출구(115b)에 연결된다. 중앙챔버(121)에는 복수의 추간판배양챔버가 연결된다. 중앙챔버(121)는 복수의 추간판배양챔버에서 염증처리된 추간판세포에서 분비된 신경자극물질이 포함된 다양한 분비단백질이 유입되는 공간이다. 중앙챔버(121)는 복수의 구획부재(126)에 의해 공간이 구획되어, 추간판세포간의 이동을 제한한다. And, the central chamber 121 is connected to the outlet 115b by the second channel 118. A plurality of intervertebral culture chambers are connected to the central chamber 121. The central chamber 121 is a space into which a variety of secretory proteins including nerve stimulating substances secreted from inflammation-treated intervertebral disc cells are introduced into a plurality of intervertebral disc culture chambers. The central chamber 121 is partitioned by a plurality of partition members 126 to limit movement between the intervertebral disc cells.

복수의 추간판배양챔버는 중앙챔버(121)에 연결되어, 추간판세포를 이루는 수핵세포, 섬유륜세포 또는 혈관세포 중 적어도 하나가 각각 배양되는 공간이다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 복수의 추간판배양챔버에 대해 제 1 추간판배양챔버(122), 제 2 추간판배양챔버(123), 제 3 추간판배양챔버(124) 및 제 4 추간판배양챔버(125)로 구분하여 지칭하기로 한다. 다만, 이는 예시에 불과하여, 중앙챔버(121)에 연결된 추간판배양챔버의 설치개수는 실험목적에 따라 다양하게 가변될 수 있음은 물론이다. The plurality of intervertebral disc culture chambers are connected to the central chamber 121 and are spaces where at least one of the nucleus pulposus cells, the fibricular cells or the vascular cells constituting the intervertebral disc cells are respectively cultured. In this embodiment, for convenience of explanation, the first intervertebral disc culture chamber 122, the second intervertebral disc culture chamber 123, the third intervertebral disc culture chamber 124, and the fourth intervertebral disc culture chamber 125). ≪ / RTI > However, it should be understood that the number of the intervertebral disc culture chambers connected to the central chamber 121 may vary according to the purpose of the experiment.

추간판의 손상 또는 퇴행과정에서 추간판의 염증을 모사하기 위해, 제 1 추간판배양챔버(122) 내지 제 4 추간판배양챔버(125)에는 수핵세포, 섬유륜세포, 혈관세포 및 마이크로파지가 배양될 수 있다. In order to simulate the inflammation of the intervertebral disc during the injury or degeneration of the intervertebral disc, the first intervertebral culture chamber 122 to the fourth intervertebral disc culture chamber 125 may be cultured with nuclear receptors, fibrocytic cells, vascular cells, and microwave fibrils.

제 1 추간판배양챔버(122)에는 수핵세포가 배양된다. 제 2 추간판배양챔버(123)에는 섬유륜세포가 배양된다. 제 3 추간판배양챔버(124)에는 혈관세포가 배양된다. 제 4 추간판배양챔버(125)에는 마이크로파지가 배양될 수 있다. In the first intervertebral disc culture chamber 122, a nucleus pulposus cell is cultured. Fibricular cells are cultured in the second intervertebral disc culture chamber 123. In the third intervertebral disc culture chamber 124, blood vessel cells are cultured. In the fourth intervertebral disc culture chamber 125, a microwave paper can be cultured.

염증처리된 수핵세포, 섬유륜세포 또는 혈관세포 중 적어도 하나에서 분비된 신경자극물질은 중앙챔버(121)로 유입된 후, 연결채널(117)을 통해 신경챔버(130)로 제공된다. The nerve stimulating material secreted from at least one of the inflammatory nucleus pulposus cells, the fibrocystic cells or the vascular cells is introduced into the central chamber 121 and then supplied to the nerve chamber 130 through the connection channel 117.

염증처리물질로는 인터류킨-1베타(Interleukin-1beta, IL-1b) 또는 종양괴사인자-α(Tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)와 같은 사이토카인(cytokine)이 사용될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 물질이며, 당업자의 입장에서 자명한 범위 내에서 다양한 염증처리물질이 사용될 수 있음은 물론이다. As the inflammatory substance, cytokines such as Interleukin-1beta (IL-1b) or Tumor Necrosis Factor-alpha (TNF-alpha) may be used. However, it is an exemplary material, and it is needless to say that various inflammation-treating substances can be used within a range that is obvious to a person skilled in the art.

연결채널(117)은 신경챔버(130)와 추간판챔버(120)를 연결하는 통로이다. 연결채널(117)은 신경세포와 추간판세포 간의 이동을 차단하고, 신경자극물질과 통증유발물질 간의 이동만 허용하는 마이크로채널 구조를 가진다. 연결채널(117)은 복수의 격벽에 의해 통로간격이 마이크로미터 단위로 구획된 마이크로 채널 구조를 가진다. 연결채널(117)의 통로간격은 신경세포의 수상돌기가 이동가능한 크기를 가진 것이 바람직하다. The connection channel 117 is a passage for connecting the nerve chamber 130 and the intervertebral disc chamber 120. The connection channel 117 has a microchannel structure that blocks movement between nerve cells and intervertebral disc cells and permits only movement between nerve stimulating substances and pain inducers. The connection channel 117 has a microchannel structure in which a passage interval is divided by micrometers by a plurality of partitions. Preferably, the channel spacing of the connection channel 117 is such that the dendrites of the nerve cell can move.

신경챔버(130)는 신경세포가 배양되는 공간이다. 신경챔버(130)는 연결채널(117)에 의해 중앙챔버(121)에 연결된다. 신경챔버(130)는 제 1 채널(116)에 의해 주입구(115a)에 연결된다. The nerve chamber 130 is a space where nerve cells are cultured. The nerve chamber 130 is connected to the central chamber 121 by a connection channel 117. The nerve chamber 130 is connected to the injection port 115a by a first channel 116. [

도 4에 도시된 바와 같이, 신경챔버(130)에는 전기자극부가 설치된다. 전기자극부는 신경세포로 전기자극을 제공하는 것이다. 전기자극부는 ITO 글래스(131) 및 전도성 전극(133)으로 이루어진다. ITO 글래스(131)는 신경챔버(130)의 바닥면에 설치된다. 전도성 전극(133)은 ITO 글래스(131)에 패터닝되고, 자극제어부(140)에 연결된다. 전기자극의 세기는 자극제어부(140)에 의해 제어된다. As shown in FIG. 4, the nerve chamber 130 is provided with an electrical stimulation portion. The electrical stimulation part provides electrical stimulation to the nerve cell. The electric stimulation portion is composed of the ITO glass 131 and the conductive electrode 133. The ITO glass 131 is installed on the bottom surface of the nerve chamber 130. The conductive electrode 133 is patterned on the ITO glass 131 and connected to the stimulation control unit 140. The intensity of the electrical stimulation is controlled by the stimulation control unit 140. [

신경세포에 전기자극을 가하면, 신경세포에 역치 이상의 전류가 흐르게 된다. 반면, 신경세포에 전기자극을 주지 않으면, 휴지기 상태의 전류값을 가지게 된다. When an electric stimulus is applied to a nerve cell, a current exceeding a threshold value flows to the nerve cell. On the other hand, if no electric stimulation is given to the nerve cell, the current value is in a resting state.

염증처리된 추간판세포에서 분비된 신경자극물질은 연결채널(117)을 통해 신경챔버(130)로 유입되고, 신경세포는 신경자극물질의 자극에 의해 통증유발물질을 발현하여 연결채널(117)을 통해 추간판챔버(120)로 내성장되고, 전기자극시 통증유발물질의 발현이 억제될 수 있다. The nerve stimulating material secreted from the inflammation-treated intervertebral disc is introduced into the nerve chamber 130 through the connection channel 117, and the neuron expresses the pain inducing substance by the stimulation of the nerve stimulating substance, To grow into the disc chamber 120, and the expression of the pain-inducing substance in the electric stimulation can be suppressed.

본 발명은 자극제어부(140)에 의해 신경세포를 자극하는 전기자극의 세기가 조정되어, 전기자극의 세기에 따른 신경세포의 변화를 통해, 외부에서 추간판으로 전기자극을 가해졌을 때, 추간판의 통증을 얼마나 감소시킬 수 있는지 여부에 대한 통증조절기전 연구에 사용될 수 있다. 즉, 실험자는, 자극제어부(140)를 이용하여, 신경세포로 인가되는 전기자극의 세기를 다양하게 조절함으로써, 전기자극의 세기에 따른 신경세포와 추간판세포의 변화에 따른 통증조절기전을 연구할 수 있다. In the present invention, when the intensity of an electric stimulus for stimulating a nerve cell is adjusted by the stimulation controller 140, electric stimulation is applied to the intervertebral disc from the outside through the change of the nerve cell according to the intensity of the electric stimulus, In the study of pain control mechanisms. That is, the experimenter uses the stimulation control unit 140 to variously control the intensity of the electric stimulus applied to the nerve cell, thereby studying the pain control mechanism according to the change of the nerve cell and the intervertebral disc cell according to the intensity of the electric stimulus .

본 발명은 디스크가 매우 천친히 장기간에 걸쳐 진행되어 추간판세포에서 분비된 신경자극물질과 신경세포에서 분비된 통증유발물질 간의 지속적인 연계반응이 매우 느린 것을 해소하기 위해, 순환부(150)가 마련된다. The circulation part 150 is provided in order to solve the problem that the continuous progression of the continuous interaction between the nerve stimulating substance secreted from the intervertebral disc and the pain inducing substance secreted from the nerve cell proceeds very slowly over a long period of time .

본 발명은 순환부(150)의 작동시, 신경세포에서 분비된 통증유발물질이 신경챔버(130)에서 추간판챔버(120)로 유동되도록 하여, 몇년에 걸친 긴 시간 동안 이루어지는 디스크 퇴행 과정시의 통증을 단기간(대략, 10~20일)에 모사할 수 있다. The present invention allows a pain-causing substance secreted from a neuron to flow from the neural chamber 130 to the disc chamber 120 during operation of the circulation unit 150, thereby preventing pain during disc regeneration for a long period of time Can be simulated for a short period of time (approximately 10 to 20 days).

순환부(150)는 배관(154)에 의해, 주입구(115a)와 유출구(115b)에 순환구조로 연결된다. 주입구(115a) 및 유출구(115b)는 배양칩(110)에 마련된다. The circulation unit 150 is connected to the inlet 115a and the outlet 115b by a pipe 154 in a circulating structure. The inlet 115a and the outlet 115b are provided in the culture chip 110. [

주입구(115a)는 제 1 채널(116)에 의해 신경챔버(130)에 연결된다. 주입구(115a)는 배양배지가 주입된다. 주입구(115a)에는 배지공급부재(151)가 연결된다. The injection port 115a is connected to the nerve chamber 130 by the first channel 116. The injection port 115a is filled with a culture medium. A feedstock supply member 151 is connected to the injection port 115a.

유출구(115b)는 제 2 채널(118)에 의해 중앙챔버(121)에 연결된다. 유출구(115b)는 중앙챔버(121)의 분비단백질이 수용되는 부분이다. 여기서, 분비단백질은 염증처리된 추간판세포에서 분비된 신경자극물질을 포함한 다양한 종류의 단백질을 말한다. The outlet 115b is connected to the central chamber 121 by a second channel 118. The outlet 115b is a portion where the secretory protein of the central chamber 121 is accommodated. Here, the secretory protein refers to various kinds of proteins including nerve stimulating substances secreted from inflammation-treated intervertebral disc cells.

배지공급부재(151)는 배관(154)에 의해 주입구(115a)에 연결된다. 배지공급부재(151)는 순환부(150)의 작동시 주입구(115a)로 배양배지를 공급한다. 순환부(150)는 추간판챔버(120)와 신경챔버(130)에서의 염증초기모델이 형성되면, 신경세포에 의한 전기생리학적 기전을 모사하기 위해 배양배지에 흐름을 주어 신경세포로 전달할 수 있다. 이때, 순환부(150)의 작동시, 배지공급부재(151)는 신선한 배양배지를 주입구(115a)로 공급하여, 배양배지의 산화환원반응을 억제할 수 있다. The culture medium supply member 151 is connected to the injection port 115a by the pipe 154. [ The culture medium supply member 151 supplies the culture medium to the injection port 115a when the circulation unit 150 operates. When the initial inflammation model is formed in the intervertebral disc chamber 120 and the neural chamber 130, the circulation unit 150 can flow the culture medium to the neuron to simulate the electrophysiological mechanism by the neuron . At this time, at the time of operation of the circulation unit 150, the culture medium supply member 151 can supply a fresh culture medium to the injection port 115a to suppress the redox reaction of the culture medium.

부산물저장부재(153)는 배관(154)에 의해 유출구(115b)에 연결된다. 부산물저장부재(153)는 순환부(150)의 작동시 유출구(115b)에서 흡입된 분비단백질이 저장되는 공간이다. 여기서, 유출구(115b)에서 흡입된 분비단백질은 신경자극물질 및/또는 통증유발물질이 포함된다. 본 발명은 부산물저장부재(153)에 저장된 분비단백질을 추후에 분자생물학적 시험에 사용될 수 있다. The byproduct storage member 153 is connected to the outlet 115b by a pipe 154. [ The byproduct storage member 153 is a space in which secreted proteins inhaled from the outlet 115b are stored during operation of the circulation unit 150. [ Here, secretory proteins inhaled at the outlet 115b include nerve stimulating substances and / or pain inducing substances. The present invention can be used in molecular biological tests to subsequently secrete secreted proteins stored in the byproduct storage member 153.

이하에서는 추간판의 통증발생과정에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, the pain generation process of the disc will be described.

추간판챔버(120)에 염증처리물질과 함께 추간판세포를 배양하면, 섬유륜세포와 혈관세포 또는 마크로파지 간의 반응을 통해 신경자극물질이 형성된다. When the intervertebral disc cells are cultured with the inflammation-treating substance in the intervertebral disc chamber 120, a nerve stimulating substance is formed through the reaction between fibricular cells and vascular cells or macrophages.

신경자극물질은 중앙챔버(121)를 경유하여 연결채널(117)을 통해 신경챔버(130)로 유입된다. 이는 중앙챔버(121)로 유입된 신경자극물질의 비율이 높아, 신경자극물질이 중앙챔버(121)에서 신경챔버(130) 방향으로 유동되게 된다. The nerve stimulating substance is introduced into the nerve chamber 130 through the connection channel 117 via the central chamber 121. [ This is because the ratio of the nerve stimulating material flowing into the central chamber 121 is high, and the nerve stimulating material flows from the central chamber 121 toward the nerve chamber 130.

신경챔버(130)로 유입된 신경자극물질은 신경세포에 발현되어 있는 ASIC-3(Acid sensing ion channel 3), TRPV1 (transient receptor potential vanilloid)등의 수용체에 결합된다. 기본적으로 조직에서는 통증이 있는 상황에서 수핵이 신경을 압박하여 통증이 나타나고, 여기에는 분명히 특정 단백질이 관여할 것으로 예상된다.The nerve stimulating material flowing into the nerve chamber 130 is bound to receptors such as ASIC-3 (Acid sensing ion channel 3) and transient receptor potential vanilloid (TRPV1) expressed in nerve cells. Basically, tissues show pain in the painful condition of the nucleus, which is expected to involve certain proteins.

본 발명은 수핵세포(섬유륜, 혈관세포, 마크로파지) 의 상호작용에 의한 분비단백질이 신경세포를 자극하여 신경세포가 내성장하고, 추가적으로 특정 통증을 나타내는 통증유발물질이 어떻게 변화하는지를 확인하고자 할 때 사용된다. 신경세포의 통증유발물질의 분비량은 엘라이자(ELISA) 또는 웨스턴블롯검사(Western blot)로 검출가능하다. The present invention is used when it is intended to examine how a secretory protein due to the interaction of nucleus pulposus cells (fibroblasts, vascular cells, macrophages) stimulates nerve cells to cause internal growth of nerve cells and furthermore, do. The secretion of neurotic pain-causing substances can be detected by ELISA or Western blot.

본 발명은 상기와 같은 방식으로 추간판의 염증 및 통증이 모사된 후에, 신경세포에 전기자극이 가해졌을 때의 통증유발물질의 분비량을 비교하여, 전기자극의 세기에 따른 통증유발물질의 발현량 변화를 실험하는데 적용될 수 있다. 전기자극 후의, 통증유발물질의 발현량은 엘라이자(ELISA) 또는 웨스턴블롯검사(Western blot)으로 측정될 수 있다. 즉, 본 발명은 신경세포로의 전기자극시, 통증유발물질의 발현억제를 연구하는데 사용된다. The present invention relates to a method for comparing the amount of a pain-causing substance secreted when an electrical stimulus is applied to a neural cell after the inflammation and pain of the disc is simulated in the above manner, . ≪ / RTI > The amount of expression of the pain-causing substance after electric stimulation can be measured by ELISA or Western blot. That is, the present invention is used to study the inhibition of the expression of pain-inducing substances upon electrical stimulation to neurons.

상기와 같은 구성을 통해, 본 발명(100)은 실제 세포간 반응성 실험에서는 배양 배지의 순환을 일정한 시간동안 정지하여, 미세전류 자극 및 추간판 세포의 염증과정을 유도하고 근거리분비(paracrine) 신호 전달을 위해 배양배지를 재차 순환할 수 있다. Through the above-described structure, the present invention (100) actually stops the circulation of the culture medium for a certain period of time in an experiment of intercellular reactivity, induces microcurrent stimulation and inflammation of intervertebral disc cells, The culture medium for the challenge can be circulated again.

본 발명은 추간판세포와 신경세포를 하나의 공동배양칩(110)에 공동배양하고 신경세포에 미세전류자극을 가함으로써 추간판 퇴행과정에서 나타나는 요통의 발병기전을 신경세포와 조직을 구성하는 섬유성 세포 및 기타 혈관 세포의 상호작용에 의한 분자생물학적 변화를 실시간으로 관찰할 수 있다.The present invention relates to a method for inducing the pathogenesis of back pain in a disc regression process by co-culturing intervertebral disc cells and nerve cells in a co-culture chip (110) and applying micro current stimulation to the neurons, And other vascular cell interactions can be observed in real time.

본 발명(100)은 추간판 퇴행과정에서 나타나는 통증 및 다양한 표면형(penotypic), 유전형(genotypic) 변화가 추간판 세포를 이루는 다종의 세포간 상호작용 및 통증의 주된 원인이 된다고 알려진 신경세포가 매개하는 분비 단백에 대한 영향을 관찰하고, 전기 신호에 대한 신경 세포의 반응성에 대한 기초 연구를 가능하게 할 수 있다. In the present invention (100), the pain and various types of penotypic and genotypic changes in the disc regression process are known to be the main cause of intercellular interactions and pain of intervertebral disc cells, It is possible to observe the effect on the protein and enable a basic study on the reactivity of neurons to electrical signals.

또한, 본 발명(100)은 추간판 퇴행에서 신경압박이 없는 상태에서의 통증을 유발하는 임상학적 기전에 대해, 직접적인 세포간 접촉없이 근거리분비(paracrine) 신호 전달에 의한 상호작용을 확인할 수 있다.In addition, the present invention (100) can confirm the interaction by the paracrine signal transmission without direct intercellular contact with the clinical mechanism causing the pain in the state without neural compression in the disc regression.

본 발명(100)은 통증 유발 과정에서 나타날 수 있는 신경세포의 변화에 대해 외부적인 미세전류의 적용을 통해 나타나는 추간판 구성 세포의 변화양상을 실시간으로 관찰할 수 있다. In the present invention (100), it is possible to observe, in real time, the change pattern of intervertebral disk-shaped cells which are manifested through the application of an external micro current to the change of nerve cells that may appear in pain induction process.

본 발명(100)에 따르면, 미세유체기반 미세전류자극 세포 공동 배양장치는 인체의 추간판 퇴행과정에서 나타나는 요통의 발병기전의 원인이 척수로부터 유래한 신경세포 및 추간판 조직을 구성하는 다종의 세포 간 상호작용에 있다고 보고 추간판 세포로부터 분비되는 신경세포 자극 물질이 실제 신경세포에서 어떠한 영향을 미치는지 확인할 수 있다. According to the present invention (100), the microfluidic microcurrent stimulation cell co-culturing apparatus is characterized in that the cause of the pathogenesis of back pain in the process of degeneration of the human body is a nerve cell derived from the spinal cord, And it is possible to confirm how the nerve cell stimulating substance secreted from the intervertebral disc cell actually affects the nerve cell.

또한, 본 발명(100)은 인체에 흐르는 미세전류의 영향에 대한 신경세포의 반응성에 기반, 외부적인 전류를 인가하여 추간판 염증과정에 의해 자극을 받은 신경세포에서 통증 유발 수용체 및 인자에 대한 기반 연구를 동시적으로 수행할 수 있다.In addition, the present invention (100) is based on the reactivity of neurons to the influence of microcurrents flowing in the human body, and based on a study on pain-induced receptors and factors in neurons stimulated by the disc inflammation process by applying an external current Can be performed simultaneously.

아울러, 본 발명(100)은 순환부(150)를 통해 유출구(115b)로부터 지속적인 반응 산물을 수집함으로써 분자생물학적 시험을 가능하도록 하여 요통과 관련한 기초 및 전기화학적 변화 양상에 대한 기전 연구에 대한 편의성을 제공할 수 있다. In addition, the present invention (100) enables the molecular biological test by collecting continuous reaction products from the outlet (115b) through the circulation part (150), thereby providing convenience for the mechanism study on the basal and electrochemical change patterns related to back pain .

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.Although several embodiments of the present invention have been shown and described, those skilled in the art will appreciate that various modifications may be made without departing from the principles and spirit of the invention . The scope of the invention will be determined by the appended claims and their equivalents.

100: 추간판 통증기전 연구용 추간판세포 공동배양장치
110: 배양칩 120: 추간판챔버
130: 신경챔버 140: 자극제어부
150: 순환부
100: Intervertebral disc co-culture device
110: culture chip 120: disc chamber
130: Neural chamber 140: Stimulation control unit
150: circulation part

Claims (8)

염증처리된 추간판세포가 배양되는 추간판챔버;
신경세포가 배양되는 신경챔버;
상기 신경챔버와 상기 추간판챔버를 연결하는 연결채널;
상기 신경챔버에 설치되어, 상기 신경세포로 전기자극을 제공하는 전기자극부;
상기 신경챔버의 주입구와 상기 추간판챔버의 유출구를 연결하는 배관;
상기 배관에 설치되어, 상기 신경세포에서 발현된 통증유발물질이 상기 신경챔버에서 상기 추간판챔버로 유동되고, 상기 추간판챔버 내의 신경자극물질이 상기 유출구로 유동되도록 작동되는 순환부; 및
상기 배관에 의해 상기 주입구에 연결되어, 상기 주입구에서의 배양배지의 산화환원반응을 억제토록 상기 순환부의 작동시 상기 배양배지를 상기 주입구로 지속적으로 공급하는 배지공급부재를 포함하고,
상기 염증처리된 추간판세포 및 상기 신경세포가 독립적으로 배양되어, 상기 염증처리된 추간판세포에서 분비된 상기 신경자극물질이 상기 연결채널을 통해 상기 신경챔버로 유입되어 상기 신경세포를 자극하고, 상기 신경자극물질의 자극에 의해 상기 신경세포에서 분비된 상기 통증유발물질이 상기 연결채널을 통해 상기 추간판챔버로 유입되어 상기 추간판세포를 자극함에 따른 추간판의 통증이 모사되고,
상기 신경세포로의 상기 전기자극시, 상기 통증유발물질의 발현량의 억제 여부를 관찰할 수 있는 것을 특징으로 하는 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치.
An intervertebral disc chamber in which inflammation-treated intervertebral disc cells are cultured;
Neural chambers in which neurons are cultured;
A connection channel connecting the nerve chamber and the disc chamber;
An electric stimulation unit installed in the nerve chamber for providing electric stimulation to the nerve cell;
A pipe connecting the inlet of the nerve chamber and the outlet of the disc chamber;
A circulation unit installed in the pipeline, wherein the pain inducing substance expressed in the nerve cell flows from the nerve chamber to the intervertebral disc chamber, and the nerve stimulating substance in the intervertebral disc chamber is operated to flow into the outlet; And
And a medium supply member connected to the injection port by the piping to continuously supply the culture medium to the injection port during operation of the circulation unit so as to suppress the redox reaction of the culture medium at the injection port,
The irritated intervertebral disc cells and the nerve cells are independently cultured to cause the nerve stimulating material secreted from the inflammation-treated intervertebral disc cells to flow into the nerve chamber through the connection channel to stimulate the nerve cells, The pain caused by stimulation of the intervertebral disc by the influx of the pain stimulating substance secreted from the nerve cell into the intervertebral disc chamber through the connection channel is simulated by stimulation of the stimulating substance,
Wherein the inhibition of the expression amount of the pain-inducing substance during the electrical stimulation to the nerve cell can be observed.
신경세포가 배양되는 신경챔버;
상기 신경챔버에 연결된 중앙챔버 및 상기 중앙챔버에 연결되어 추간판세포를 이루는 수핵세포, 섬유륜세포 또는 혈관세포 중 적어도 하나가 각각 배양되는 추간판배양챔버로 이루어지고, 염증처리에 의해, 상기 수핵세포, 상기 섬유륜세포 또는 상기 혈관세포 중 적어도 하나에서 분비된 신경자극물질이 상기 추간판배양챔버에서 상기 중앙챔버로 유동되는 추간판챔버;
상기 신경챔버와 상기 중앙챔버를 연결하는 연결채널; 및
상기 신경챔버에 설치되어, 상기 신경세포로 전기자극을 제공하는 전기자극부를 포함하고,
상기 염증처리된 추간판세포 및 상기 신경세포가 독립적으로 배양되어, 상기 신경자극물질이 상기 연결채널을 통해 상기 신경챔버로 유입되어 상기 신경세포를 자극하고, 상기 신경자극물질의 자극에 의해 상기 신경세포에서 분비된 통증유발물질이 상기 연결채널을 통해 상기 추간판챔버로 유입되어 상기 추간판세포를 자극함에 따른 추간판의 통증이 모사되고,
상기 신경세포로의 상기 전기자극시, 상기 통증유발물질의 발현량의 억제 여부를 관찰할 수 있는 것을 특징으로 하는 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치.
Neural chambers in which neurons are cultured;
An intervertebral disc culture chamber in which a central chamber connected to the neural chamber and at least one of a nucleus pulposus cell, a fibrocystic cell or a vascular cell, which is connected to the central chamber and constitutes intervertebral disc cells, is cultured, An intervertebral disc in which a nerve stimulating substance secreted from at least one of the fibrous ring cell or the vascular cell flows from the intervertebral disc culture chamber to the central chamber;
A connection channel connecting the nerve chamber and the center chamber; And
And an electrical stimulation portion provided in the nerve chamber for providing electrical stimulation to the nerve cell,
The irritated intervertebral disc cells and the nerve cells are independently cultured to cause the nerve stimulating material to flow into the nerve chamber through the connection channel to stimulate the nerve cells, Induced pain is injected into the disc chamber through the connection channel to simulate the disc pain caused by irritating the disc cells,
Wherein the inhibition of the expression amount of the pain-inducing substance during the electrical stimulation to the nerve cell can be observed.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전기자극부에 연결되어, 상기 전기자극의 세기를 제어하는 자극제어부를 더 포함하여, 상기 전기자극의 세기에 따른 상기 통증유발물질의 발현량의 억제정도를 관찰할 수 있는 것을 특징으로 하는 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치.
3. The method according to claim 1 or 2,
Further comprising a stimulation control part connected to the electric stimulation part and controlling the intensity of the electric stimulation to observe a degree of suppression of the amount of the pain inducing substance depending on the intensity of the electric stimulation, Microcurrent stimulating intervertebral disc co-culture device for pain mechanism research.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전기자극부는,
상기 신경챔버의 바닥면에 설치된 ITO 글래스; 및
상기 ITO 글래스에 패터닝된 전도성 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치.
The magnetic resonance imaging apparatus according to claim 1 or 2,
An ITO glass installed on a bottom surface of the nerve chamber; And
And a conductive electrode patterned on the ITO glass. The microcurrent stimulating disc cell co-culture apparatus for studying the intervertebral disc pain mechanism.
제 1 항에 있어서,
상기 배관에 의해 상기 유출구에 연결되어, 상기 순환부의 작동시 상기 유출구에서 흡입된 상기 신경자극물질과 상기 통증유발물질이 저장되는 부산물저장부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치.
The method according to claim 1,
Further comprising a byproduct storage member connected to the outflow port by the pipe to store the nerve stimulating substance sucked from the outlet at the operation of the circulation unit and the pain inducing substance. Disc cell co-culture apparatus.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 연결채널은 상기 신경세포와 상기 추간판세포의 이동을 차단하고, 상기 신경자극물질 및 상기 통증유발물질 간의 이동을 허용하는 마이크로채널 구조인 것을 특징으로 하는 추간판 통증기전 연구용 미세전류자극 추간판세포 공동배양장치.




3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the connection channel is a microchannel structure that blocks movement of the nerve cell and the intervertebral disc and permits movement between the nerve stimulating substance and the pain inducing substance. Device.




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