KR102101372B1 - 세포 전기자극 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

세포 전기자극 시스템에 관한 것이며, 세포 전기자극 시스템은 입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기에 인가하는 인가부, 상기 세포 전기자극기에 의해 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지하는 감지부와 상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어하는 제어부를 포함하는 전기신호 제어 장치; 및 상기 전기신호 제어 장치로부터 인가된 상기 입력 전기신호에 기초하여, 웰 플레이트(well plate)에 형성된 세포 배양 배지에 포함된 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공하는 세포 전기자극기를 포함할 수 있다.

Description

세포 전기자극 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING ELECTRICAL STIMULATION ON A CELL}
본원은 세포 전기자극 시스템 및 방법에 관한 것이다.
유기체의 기본 구조 및 활동 단위인 세포를 체외(invitro)에서 배양하며 관찰하는 것은 생화학, 생물학, 약학, 조직공학, 치료제 개발 등 다양한 분야의 연구 수행에 있어 매우 기초적인 동시에 필수적인 기술이다.
예를 들어, 치료제 개발 분야와 관련하여 세포 배양 기술을 활용하는 경우, 개발 초기 단계에서 약물의 생체 적합성 및 신진대사 효과를 확인할 수 있기 때문에 개발의 계속적인 진행 혹은 중단을 판단하는 것에 있어 매우 효과적이며, 동물실험을 대체할 수 있기 때문에 윤리적인 논쟁을 피할 수 있다는 장점을 지니고 있다.
세포는 주변 환경에 따라 적응하는 특성이 있기 때문에 동일한 세포 종이라 할지라도 배양 환경에 따라 세포의 접착력, 성장, 이동, 분화 등이 달라질 수 있다. 따라서, 세포 배양의 기본 원리는 생물체내(invivo)의 환경과 최대한 유사한 배양시스템을 제공하여 세포의 본래 기능을 보유하도록 하는 것을 목적으로 한다.
도 1a는 기존에 가장 널리 사용되고 있는 세포 배양 플랫폼으로서, 세포 배양을 위해 일반적으로 사용되는 페트리 디쉬(a)와 홈판(b)의 예를 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 일반적으로 세포를 배양할 때는 페트리 디쉬(Petri dish)나 홈판(well plate)에 세포를 시딩(seeding)하고 영양을 공급할 수 있는 배지(media)를 채운 후에 인큐베이터 내에서 성장시키는 방법이 일반적이다.
이러한 세포 배양 기술은 재료, 전기, 전자, 기계 등 다양한 학문과의 융합을 통하여 한층 더 발전되고 보다 더 진보된 형태로 변모해가고 있는 추세이다.
한편, 미세한 전류 즉 ㎂단위의 작은 전류가 높은 세기의 전류보다 치료에 더욱 높은 효과가 있다는 것이 여러 학자에 의해 밝혀진바 있다.
미세전류 자극에 대한 세포내 효과에 대해서, Bourguignon과 Bourguignon (1987)은 고전압맥동전류(EGS 100-2)의 맥동빈도와 정점강도를 다양하게 바꾸어 섬유모세포를 자극하고 단백합성능과 DNA 합성능을 분석한 결과, 맥동빈도 100 pps, 정점강도 250 V에서는 단백합성능과 DNA 합성능이 억제되었으나 정점강도 50V와 75V에서 단백합성능과 DNA합성능이 증가함을 보고한 바 있다. 또한, 미국의 정형외과 의사인 로버트 베커는 뼈의 재생실험에서, 쳉은 생쥐 피부의 ATP 생산 실험에서, 스필홀츠는 동물의 건(tendon) 치료에서 각각 약한 전류가 큰 세기의 전류보다 효과적이라는 사실을 증명하였다. 즉 각 생물체에 흐르는 전류의 세기가 가장 좋은 효과를 내는 것이다.
또한, 전기자극에 의한 신경재생 촉진 기전은 미세전류가 세포의 Ca++ 및 cAMP를 변화시키고 콜라겐, 프로테오글리칸(proteoglycan), DNA 및 RNA의 합성능을 증가시키며 이외에도 효소와 호르몬에 영향을 주어 신경재생이 촉진될 것이라고 보고 있다. 이렇게 미세전류에 의해 세포 및 조직의 생리기전이 변화될 수 있음이 알려져 있다. 이에 따르면, 세포에 이러한 미세전류 자극 수행시 보다 효과적인 세포 배양이 이루어질 수 있을 것이다.
그런데, 종래에는 세포에 전기자극을 수행하기 위해 복잡한 장비가 요구되었으며, 또는 전기신호를 이용한 자극이 세포 자체에 대하여 직접적으로 가해지지 않고 간접적으로 가해지는 구조를 가짐에 따라, 세포에 대한 전기자극 효과가 미미한 수준이었다.
이에, 복잡한 구조를 가지지 않으면서도 세포에 대하여 전기자극을 보다 효과적으로 제공할 수 있도록 하는 기술에 대한 개발이 요구된다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국공개특허공보 제10-2010-0015667호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복잡한 구조를 가지지 않으면서도 세포에 전기자극을 가하여 보다 효과적으로 세포 배양이 이루어질 수 있도록 하는 세포 전기자극 시스템 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템은, 입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기에 인가하는 인가부, 상기 세포 전기자극기에 의해 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지하는 감지부와 상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어하는 제어부를 포함하는 전기신호 제어 장치; 및 상기 전기신호 제어 장치로부터 인가된 상기 입력 전기신호에 기초하여, 웰 플레이트(well plate)에 형성된 세포 배양 배지에 포함된 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공하는 세포 전기자극기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 회로는 출력 전기신호로서 정전류를 출력하는 회로를 포함하고, 상기 감지부는, 상기 회로 내 측정된 출력 전압 및 상기 출력 전기신호인 정전류에 기초하여 상기 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다.
또한, 상기 회로는, 제1 극성을 갖는 입력 전기신호를 발생시키는 제1 회로 및 상기 제1 극성과는 반대되는 역 극성인 제2 극성을 갖는 입력 전기신호를 발생시키는 제2 회로를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 입력 전기신호의 유형 변경시, 유니폴라(Unipolar) 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우 상기 제1 회로 또는 상기 제2 회로를 제어하고, 바이폴라(Bipolar) 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우 상기 제1 회로 및 상기 제2 회로를 함께 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형으로서 파형 유형이 제1 파형 유형에서 제2 파형 유형으로 변경되도록 제어하고, 상기 제1 파형 유형은 상기 제1 회로에 의한 유니폴라 파형, 상기 제2 회로에 의한 유니폴라 파형 및 상기 제1 회로와 상기 제2 회로에 의한 바이폴라 파형 중에서 어느 하나의 파형이고, 상기 제2 파형 유형은 상기 제1 회로에 의한 유니폴라 파형, 상기 제2 회로에 의한 유니폴라 파형 및 상기 제1 회로와 상기 제2 회로에 의한 바이폴라 파형 중에서 상기 어느 하나의 파형을 제외한 나머지 파형 중 어느 하나의 파형일 수 있다.
또한, 상기 전기신호 제어 장치는, 상기 웰 플레이트를 모니터링하여 상기 전기자극에 의한 상기 세포의 배양 정도를 판단하는 판단부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 세포의 배양 정도가 기설정된 기준을 충족하는지에 따라 상기 입력 전기신호의 유형으로서 제1 파형 유형과 제2 파형 유형을 교번하여 발생시키는 교번 주기를 결정하고, 상기 결정된 교번 주기로 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 세포 전기자극기는, 상기 웰 플레이트에 형성된 세포 배양 배지를 수용하는 적어도 하나의 홈에, 적어도 일부의 측면이 삽입 가능하도록 배치되는 하우징; 및 일단은 하우징의 외측으로 노출되고 타단은 하우징의 내측에서 상기 세포 배양 배지에 접촉 가능하도록 상기 하우징의 측면을 관통하여 배치되는 전극 부재를 포함하고, 상기 인가부는, 상기 전극 부재의 일단과 연결되어 상기 입력 전기신호를 상기 전극 부재에 인가할 수 있다.
또한, 상기 전극 부재는, 상기 타단을 통해 상기 세포 배양 배지에 포함된 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전극 부재는, 상기 하우징의 둘레방향을 따라 미리 설정된 간격을 두고 배치되는 제1 전극 부재 및 제2 전극 부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기신호 제어 장치는, 상기 세포 전기자극기가 복수개 구비되는 경우, 복수개의 세포 전기자극기 각각으로 인가되는 입력 전기신호를 개별적으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 전기신호 제어 장치는, 상기 복수개의 세포 전기자극기 각각에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 각기 다르게 제어할 수 있다.
한편, 본원의 일 실시예에 따른 전기신호 제어 장치는, 입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기에 인가하는 인가부; 상기 세포 전기자극기에 인가된 상기 입력 전기신호에 응답하여, 상기 세포 전기자극기에 의해 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지하는 감지부; 및 상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 세포 전기자극기는, 상기 웰 플레이트에 형성된 세포 배양 배지를 수용하는 적어도 하나의 홈에, 적어도 일부의 측면이 삽입 가능하도록 배치되는 하우징; 및 일단은 하우징의 외측으로 노출되고 타단은 하우징의 내측에서 상기 세포 배양 배지에 접촉 가능하도록 상기 하우징의 측면을 관통하여 배치되는 전극 부재를 포함하고, 상기 인가부는, 상기 전극 부재의 일단과 연결되어 상기 입력 전기신호를 상기 전극 부재에 인가할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템에 의한 세포 전기자극 방법은, 상기 전기신호 제어 장치에서, 입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기에 인가하는 단계; 상기 세포 전기자극기에서, 상기 전기신호 제어 장치로부터 인가된 상기 입력 전기신호에 기초하여, 웰 플레이트(well plate)에 형성된 세포 배양 배지에 포함된 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공하는 단계; 상기 전기신호 제어 장치에서, 상기 세포 전기자극기에 의해 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지하는 단계; 및 상기 전기신호 제어 장치에서, 상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 복잡한 구조를 갖지 않는 세포 전기자극기를 이용해 세포에 전기자극을 제공할 수 있는 세포 전기자극 시스템을 제공함으로써, 보다 효과적으로 세포 배양이 이루어질 수 있도록 할 수 있다.
본원은 전기신호 제어 장치로부터 일정하게 출력되는 정전류를 세포 전기자극기를 통하여 세포에 제공할 수 있음에 따라, 회로의 출력 전압을 측정하는 것만으로 전기자극이 이루어지는 세포의 상태 변화 여부를 감지, 즉 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다.
본원은 세포의 상태 변화(임피던스의 변화 여부)를 고려하여 입력 전기신호의 유형을 달리 변경되도록 제어함으로써, 보다 효과적으로 세포 배양이 이루어지도록 할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1a는 세포 배양을 위해 일반적으로 사용되는 페트리 디쉬(a)와 홈판(b)의 예를 나타낸 도면이다.
도 1b는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템에 포함된 세포 전기자극기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템에 포함된 세포 전기자극기의 분해도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템에서 세포 전기자극기가 복수개 구비되는 경우의 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템에서 전기신호 제어 장치에 포함된 정전류를 출력하도록 설계된 회로의 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템에서 전기신호 제어 장치에 포함된 제1 회로와 제2 회로의 제어에 의한 입력 전기신호의 파형 유형을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템에서 전기신호 제어 장치에 포함된 회로 전체의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 전기신호 제어 장치에 포함된 회로 전체 중 제3 영역(3)의 회로를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템에 의한 세포 전기자극 방법에 대한 동작 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원은 세포에 일예로 마이크로 전류를 인가할 수 있도록 하는 세포 전기자극 시스템에 관한 것이다.
도 1b는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
세포 전기자극 시스템(100)은 전기신호 제어 장치(10) 및 세포 전기자극기(20)를 포함할 수 있다.
도 1b를 참조하여 간단히 살펴보면, 전기신호 제어 장치(10)는 인가부(11), 감지부(12) 및 제어부(13)를 포함할 수 있다.
인가부(11)는 입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기(20)에 인가할 수 있다.
감지부(12)는 세포 전기자극기(20)에 의해 세포에 인가된 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다.
제어부(13)는 감지부(12)에서 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다.
세포 전기자극기(20)는 전기신호 제어 장치(10)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 특히, 세포 전기자극기(20)의 후술할 전극 부재(22)와 전기신호 제어 장치(10)의 인가부(11)가 서로 간에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
세포 전기자극기(20)는 전기신호 제어 장치(10)로부터 인가된 입력 전기신호에 기초하여, 웰 플레이트(well plate, 30)에 형성된 세포 배양 배지에 포함된 세포에 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공할 수 있다.
이하에서는, 먼저 세포 전기자극기(20)에 대하여 상세히 설명한 이후 전기신호 제어 장치(10)에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에 포함된 세포 전기자극기(20)를 나타낸 도면이고, 도 3은 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에 포함된 세포 전기자극기(20)의 분해도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1b 내지 도 3을 참조하면, 세포 전기자극기(20)는 하우징(21) 및 전극 부재(22)를 포함할 수 있다.
하우징(21)은 웰 플레이트(30)에 형성된 세포 배양 배지를 수용하는 적어도 하나의 홈에, 적어도 일부의 측면(또는 둘레면)이 삽입 가능하도록 배치될 수 있다. 하우징(21)은 상하가 개방된(달리 말해, 상부와 하부가 개방된) 형태의 하우징일 수 있다.
전극 부재(22)는 일단이 하우징(21)의 외측으로 노출되고 타단이 하우징(21)의 내측에서 세포 배양 배지에 접촉 가능하도록, 하우징(21)의 측면을 관통하여 배치될 수 있다.
또한, 세포 전기자극기(20)는 커버부(23)를 포함할 수 있다. 커버부(23)는 하우징(21)의 개방된 상부를 덮도록 구비될 수 있다.
커버부(23)의 직경은 일예로 하우징(21)의 상부 직경과 실질적으로 동일할 수 있다. 여기서, 커버부(23)의 직경이 하우징(21)의 상부 직경과 실질적으로 동일하다는 것은, 커버부(23)가 하우징(21)의 상부를 덮을 수 있도록 커버부(23)의 직경이 하우징(21)의 상부 직경보다 약간 큰 것을 포함하는 개념으로 이해함이 바람직하다.
또한, 본원에서 "직경"이라는 용어는 원 형상의 지름을 의미하는 것으로 좁게 해석되기보다는, 다양한 형상의 폭(너비)을 의미하는 것으로 넓게 해석될 수 있다. 이에 따르면, 본원의 일예에서는 하우징(21) 및 커버부(23)가 원형 형상인 것으로 예시하였으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
커버부(23)는 세포 전기자극기(20)의 하우징(21)이 웰 플레이트(30)의 적어도 하나의 홈에 삽입된 상태에서, 하우징(21) 내에 존재하는 세포 배양 배지(즉, 웰 플레이트의 적어도 하나의 홈에 수용된 세포 배양 배지)에 먼지 등의 이물질이 들어가지 않도록(이물질 유입을 방지하기 위해), 하우징(21)의 상부를 덮도록 구비될 수 있다.
구체적으로, 웰 플레이트(30)는 일예로 적어도 하나의 홈(1, 2, 3, 4, 5, 6)을 포함할 수 있다. 이때, 본원의 일예에서는 웰 플레이트(30)가 6개의 홈(1, 2, 3, 4, 5, 6)을 가지는 것으로 예시하였으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, 종래에 공지되거나 향후 개발되는 모든 종류의 웰 플레이트(즉, 다양한 수와 다양한 크기의 홈을 가지는 모든 종류의 웰 플레이트)가 적용될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극기(20)는 일예로 웰 플레이트(30)로서 종래에 상용화된 6 well 세포 배양용 접시가 적용될 수 있다.
웰 플레이트(30)에 형성된 적어도 하나의 홈(1, 2, 3, 4, 5, 6)에는 세포 배양을 위한 세포 배양 배지가 수용될 수 있다. 예시적으로, 웰 플레이트(30)의 제1 홈(1)에 세포 배양 배지가 수용될 수 있으며, 세포 전기자극기(20)는 세포 배양 배지가 수용된 웰 플레이트(30)의 제1 홈(1)에 삽입되도록 배치될 수 있다.
세포 전기자극기(20)의 하우징(21)이 웰 플레이트(30)의 제1 홈(1)에 삽입 가능하도록 배치되기 위해, 하우징(21)의 직경은 일예로 제1 홈(1)의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다.
여기서, 하우징(21)의 직경이 제1 홈(1)의 직경과 실질적으로 동일하다는 것은, 하우징(21)이 제1 홈(1) 내로 삽입될 수 있도록 하우징(21)의 직경이 제1 홈(1)의 직경보다 약간 작은 것을 포함하는 개념으로 이해함이 바람직하다. 또한, 앞서 말한 바와 같이, 이때 하우징(21)의 직경이라 함은 원 형상의 지름을 의미하는 것으로 좁게 해석되기보다는, 다양한 형상의 폭(너비)을 의미하는 것으로 넓게 해석될 수 있다.
하우징(21)의 직경은 웰 플레이트(30)에 형성된 홈의 직경을 고려하여 제조될 수 있다. 달리 표현하여, 일예로 세포 전기자극기(20)의 직경 크기는 웰 플레이트(30)에 형성된 홈의 직경 크기를 고려하여 결정될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 세포 배양 배지는 세포 전기자극기(20)가 제1 홈(1)에 삽입되기 이전 또는 삽입된 이후에 제1 홈(1)에 수용될 수 있다. 즉, 일예로 세포 전기자극기(20)가 제1 홈(1)에 삽입되기 이전에 제1 홈(1)에 세포 배양 배지가 먼저 수용되고, 이후에 세포 전기자극기(20)가 제1 홈(1)에 삽입될 수 있다. 다른 일예로, 세포 전기자극기(20)가 웰 플레이트(20)의 제1 홈(1)에 먼저 삽입되고, 이후에 하우징(21)의 상부를 통해 하우징(21) 내부로 세포 배양 배지가 수용될 수 있다.
세포 배양 배지가 수용된 제1 홈(1)에 세포 전기자극기(20)가 삽입된 상태에서, 전극 부재(22)의 타단은 세포 배양 배지에 접촉될 수 있다. 이처럼, 전극 부재(22)의 타단이 세포 배양 배지에 접촉되도록 세포 전기자극기(20)가 웰 플레이트(30)의 제1 홈(1)에 삽입되면, 전기신호 제어 장치(10)는 세포 전기자극기(20)에 전기신호를 인가할 수 있다.
보다 자세하게, 전극 부재(22)의 타단이 세포 배양 배지에 접촉되도록 세포 전기자극기(20)가 웰 플레이트(30)의 제1 홈(1)에 삽입되면, 전기신호 제어 장치(10)의 인가부(11)는 세포 전기자극기(20)의 전극 부재(22)의 일단과 연결되어, 전기신호 제어 장치(10)에서 생성(발생)된 입력 전기신호를 전극 부재(20)에 인가할 수 있다.
이러한 경우, 전극 부재(20)는 인가부(11)로부터 인가된 입력 전기신호에 응답하여, 전극 부재(20)의 타단을 통해 세포 배양 배지에 포함된 세포에 인가부(11)로부터 인가된 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공할 수 있다. 다시 말해, 인가부(11)가 전극 부재(20)에 입력 전기신호를 인가하면, 전극 부재(20)는 인가부(11)로부터 전달받은 인가된 입력 전기신호에 응답하여, 인가된 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 전극 부재(20)의 타단을 통해, 전극 부재(20)의 타단과 접촉되어 있는 세포 배양 배지에 포함된 세포에 제공할 수 있다.
즉, 세포 전기자극기(20)에 의하면, 전극 부재(22)의 타단을 통해 세포에 전기자극을 직접적으로 가할 수 있다.
전극 부재(22)는 하우징(21)의 둘레방향을 따라 미리 설정된 간격을 두고 배치되는 제1 전극 부재(22a) 및 제2 전극 부재(22b)를 포함할 수 있다. 인가부(11)는 제1 전극 부재(22a) 및 제2 전극 부재(22b)와 연결되어, 입력 전기신호를 제1 전극 부재(22a) 및 제2 전극 부재(22b)에 인가할 수 있다.
전극 부재(22)의 타단을 통해 세포에 제공되는 입력 전기신호(또는 입력 전기 신호에 대응하는 전기자극)의 유형은 전기신호 제어 장치(10)의 제어에 의해 결정될 수 있다. 즉, 전기신호 제어 장치(10)의 제어에 의해, 제1 전극 부재(22a)와 제2 전극 부재(22b)를 포함하는 전극 부재(22)를 통해 세포에 제공되는 입력 전기신호의 유형이 결정될 수 있다. 입력 전기신호의 유형에 대한 설명은 후술하여 자세히 설명하기로 한다.
세포 전기자극기(20)는 전기신호 제어 장치(10)의 제어에 의해 세포에 마이크로 전류를 인가할 수 있다. 또한, 세포 전기자극기(20)에서 전극 부재(22)는 일예로 백금 전극일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 세포 전기자극기(20)에서 커버부(23)는 커버 글라스라 달리 지칭될 수 있다.
또한, 세포 전기자극기(20)의 하우징(21) 및 커버부(23)는 예시적으로 고온에 견디는 선형의 부분 결정질이며 방향족 열가소성 물질인 폴리에테르에테르케톤(PEEK, Polyether Ether Ketone) 물질로 이루어질 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
본원은 일예로 PEEK재질로 이루어진 세포 전기자극기(20)를 제공함으로써 세포에 전류가 보다 효과적으로 인가되도록 할 수 있다. 즉, 본원은 세포 전기자극기(20)에 PEEK재질을 적용함으로써, 세포 독성 없고 전기 저항성이 뛰어나 세포 내 전류 인가에 뛰어난 성능을 제공할 수 있다.
또한, 본원은 PEEK재질로 이루어진 세포 전기자극기(20)를 제공함으로써, 일예로 고압증기멸균기(오토클레이브) 처리가 가능하여 반복적인 세포 전기자극기(20)의 사용을 가능하게 할 수 있다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에서 세포 전기자극기가 복수개 구비되는 경우의 예를 나타낸 도면이다.
도 1b 및 도 4를 참조하면, 세포 전기자극 시스템(100)은 일예로 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F)를 포함할 수 있다.
여기서, 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각은 본원에서 설명하는 세포 전기자극기(20)와 동일한 구조 및 특성(성능)을 갖는 세포 전기자극기일 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도, 세포 전기자극기(20)에 대하여 설명된 내용은 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
세포 전기자극 시스템(100)에 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F)가 포함되는 경우, 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F)는 웰 플레이트(30)에 형성된 홈(1, 2, 3, 4, 5, 6) 각각에 삽입되도록 배치될 수 있다.
일예로, 제1 세포 전기자극기(20A)는 제1 홈(1)에 삽입되고, 제2 세포 전기자극기(20B)는 제2 홈(2)에 삽입되도록 배치될 수 있다. 또한, 제3 세포 전기자극기(20C)는 제3 홈(3)에 삽입되고, 제4 세포 전기자극기(20D)는 제4 홈(4)에 삽입되도록 배치될 수 있다. 또한, 제5 세포 전기자극기(20E)는 제5 홈(5)에 삽입되고, 제6 세포 전기자극기(20F)는 제6 홈(6)에 삽입되도록 배치될 수 있다.
복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F)는 전기신호 제어 장치(10)와 연결될 수 있다. 특히, 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각은 전기신호 제어 장치(10)의 인가부(11)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
따라서, 전기신호 제어 장치(10)는 세포 전기자극기가 복수개 구비되는 경우, 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각으로 인가되는 입력 전기신호를 개별적으로 제어할 수 있다. 달리 말해, 전기신호 제어 장치(10)는 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F)에 인가되는 입력 전기신호를 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각에 대하여 개별적으로 제어할 수 있다.
또한, 전기신호 제어 장치(10)는 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 각기 다르게 제어할 수 있다. 여기서, 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각에 인가되는 입력 전기신호의 유형이 각기 다르다라는 것은, 예시적으로, 전압, 전류, 파형, 및 주파수 중 적어도 하나가 다른 것을 의미할 수 있다.
다시 말해, 전기신호 제어 장치(10)의 인가부(11)는 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각에, 각기 다른 유형의 입력 전기신호를 인가할 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 다른 일예로, 전기신호 제어 장치(10)의 인가부(11)는 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 각각에, 동일한 유형의 입력 전기신호를 인가할 수 있다.
또 다른 일예로, 전기신호 제어 장치(10)의 인가부(11)는 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 중 적어도 일부의 세포 전기자극기에는 제1 유형의 입력 전기신호를 인가하고, 복수개의 세포 전기자극기(20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F) 중 상기 적어도 일부를 제외한 나머지 일부의 세포 전기자극기에는 제2 유형의 입력 전기신호를 인가할 수 있다. 이는 본원의 이해를 돕기 위한 하나의 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니고, 보다 다양하게 적용될 수 있다.
이하에서는 도 1b 및 후술하는 도면을 참조하여 전기신호 제어 장치(10)에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
전기신호 제어 장치(10)에서 인가부(11)는 입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기(20)에 인가할 수 있다. 인가부(11)는 발생된 입력 전기신호를 인가부(11)와 연결된 전기자극기(20)의 전극 부재(22)의 일단에 인가(전달)할 수 있다. 여기서, 입력 전기신호는 입력 전압을 의미할 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 입력 전기신호에는 입력 전압 외에, 입력 전류, 입력 주파수 등이 포함될 수 있다.
달리 표현하여, 인가부(11)는 미리 설정된 전압값을 입력값으로 하는 전기신호(즉, 입력 전기신호)를 발생시킬 수 있으며, 발생된 입력 전기신호를 세포 전기자극기(20)에 인가(세포 전기자극기로 전달, 제공)할 수 있다.
인가부(11)에 의해 세포 전기자극기(20)에 입력 전기신호가 인가되면, 인가부(11)로부터 전달받은 인가된 입력 전기신호에 응답하여(기초하여) 세포 전기자극기(20)는, 전극 부재(22)의 타단을 통해 웰 플레이트에 형성된 세포 배양 배지에 포함된 세포에 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공할 수 있다.
이때, 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 세포에 제공되는 경우, 시간이 지남에 따라(시간이 경과됨에 따라) 세포의 상태에 변화가 발생(예를 들어, 세포 배양 또는 분화된 정도 등의 변화가 발생)할 수 있다. 이러한 세포 상태의 변화는 전기신호 제어 장치(10)에 포함된 회로 내 임피던스를 변화시킬 수 있다.
이에, 전기신호 제어 장치(10)의 감지부(12)는 세포 전기자극기(20)에 의해 세포에 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다. 다시 말해, 감지부(12)는, 세포 전기자극기(20)에 의하여 입력 전기신호(즉, 세포 전기자극기가 인가부로부터 인가받은 전기신호)에 대응하는 전기자극이 세포에 제공됨으로써 변화되는 세포 상태의 변화에 의한 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다.
이때, 전기신호 제어 장치(10)에 포함된 회로는 출력 전기신호로서 정전류를 출력하는 회로를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 감지부(12)는 회로 내 측정된 출력 전압 및 출력 전기신호인 정전류에 기초하여, 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다.
구체적으로, 감지부(12)는 임피던스의 변화 여부를 감지하기 위해 회로 내 출력 전압을 측정할 수 있다. 이때, 전기신호 제어 장치(10)에는 정전류를 출력하도록 설계된 회로가 포함되는바, 전기신호 제어 장치(10)의 회로에서는 지속적으로 정전류가 출력 전기신호로서 출력될 수 있다. 따라서, 감지부(12)는 회로의 출력이 정전류이기 때문에, 회로의 최종단의 전압(즉, 출력 전압)을 측정하게 되면, 전압 값(V, 즉 출력 전압 값)도 알고 전류 값(I, 즉 정전류 값)도 알게 되므로, 옴의 법칙(R=V/I)에 의해 임피던스 R의 변화를 감지할 수 있다. 다시 말해, 감지부(12)는 회로의 최종 출력단의 전압인 출력 전압을 측정함으로써, 측정된 출력 전압과 정전류를 이용해 임피던스의 변화를 감지(임피던스를 계산)할 수 있다.
전기신호 제어 장치(10)는 감지부(12)에 의한 임피던스의 변화 여부 감지를 통해 세포(즉, 웰 플레이트의 홈에 수용된 세포 배양 배지에 포함된 세포)의 상태에 변화가 발생했는지를 알 수 있다.
또한, 상술한 설명에서 전기신호 제어 장치(10)에 포함된 정전류를 출력하도록 설계된 회로라 함은, 하울랜드 커런트 소스(Howland Current Source)를 이용하여 로드의 저항(예를 들어, 입력 전기신호가 인가되는 대상인 세포의 임피던스)이 바뀌어도 정전류를 흐를 수 있게 설계된 회로를 의미할 수 있으며, 이는 도 5를 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에서 전기신호 제어 장치(10)에 포함된 정전류(IL)를 출력하도록 설계된 회로의 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 전기신호 제어 장치(10)에는 하울랜드 커렌트 소스(Howland Current Source)를 사용하여 저항이 바뀌어도 항시 정전류(IL)가 출력될 수 있도록 설계된 도 5와 같은 정전류 출력 회로가 포함될 수 있다.
감지부(12)는 이러한 정전류 출력 회로에 의해 전류 값(정전류, IL)을 알고, 회로의 최종단의 전압(출력 전압)의 측정을 통해 전압 값(출력 전압)을 알 수 있으므로, 이를 통해 임피던스 R의 변화 여부를 감지할 수 있다.
제어부(13)는 감지부(12)에서 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다. 제어부(13)는 감지부(12)에서 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 입력 전기신호의 유형을 변경시키고, 변경된 유형의 입력 전기신호가 세포 전기자극기(20)에 인가될 수 있도록 인가부(11)를 제어할 수 있다.
또한, 전기신호 제어 장치(10)의 회로는 제1 극성을 갖는 입력 전기신호를 발생시키는 제1 회로 및 제1 극성과는 반대되는 역 극성인 제2 극성을 갖는 입력 전기신호를 발생시키는 제2 회로를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 극성은 (+) 극성이고, 제2 극성은 (-) 극성을 의미할 수 있다. 제1 회로는 0V 이상의 (+) 극성을 갖는 전압을 입력 전기신호로서 발생시키는 회로를 의미하고, 제2 회로는 0V 이하의 (-) 극성을 갖는 전압을 입력 전기신호로서 발생시키는 회로를 의미할 수 있다.
제어부(13)는 입력 전기신호의 유형 변경시, 유니폴라(Unipolar) 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우 제1 회로 또는 제2 회로를 제어(달리 말해, 제1 회로 및 제2 회로 중 어느 하나만을 선택적으로 제어)할 수 있다. 또한, 제어부(13)는 입력 전기신호의 유형 변경시, 바이폴라(Bipolar) 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우 제1 회로 및 제2 회로를 함께 제어할 수 있다.
이때, 제어부(13)는 바이폴라 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우, 제1 회로와 제2 회로를 동시에 제어하거나 시간 차를 두고 함께 제어할 수 있다.
또한, 제어부(13)는, 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 입력 전기신호의 유형으로서 파형 유형이 제1 파형 유형에서 제2 파형 유형으로 변경되도록 제어할 수 있다. 여기서, 제1 파형 유형은 제1 회로에 의한 유니폴라 파형, 제2 회로에 의한 유니폴라 파형, 및 제1 회로와 제2 회로에 의한 바이폴라 파형 중에서 어느 하나의 파형을 의미할 수 있다. 또한, 제2 파형 유형은 제1 회로에 의한 유니폴라 파형, 제2 회로에 의한 유니폴라 파형, 및 제1 회로와 제2 회로에 의한 바이폴라 파형 중에서 상기 어느 하나의 파형(즉, 제1 파형 유형으로 설정된 파형)을 제외한 나머지 파형 중 어느 하나의 파형일 수 있다. 이는 도 6을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에서 전기신호 제어 장치(10)에 포함된 제1 회로와 제2 회로의 제어에 의한 입력 전기신호의 파형 유형을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 일예로, 제1 회로의 제어에 의한 유니폴라 파형을 갖는 입력 전기신호는 도 6(a)와 같은 파형일 수 있다. 또한, 제2 회로의 제어에 의한 유니폴라 파형을 갖는 입력 전기신호는 도 6(b)와 같은 파형일 수 있다. 또한, 제1 회로와 제2 회로를 함께 제어함에 의한 바이폴라 파형은 도 6(c)와 같은 파형일 수 있다.
제어부(13)는 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 입력 전기신호의 유형을 일예로 도 6(a)와 같은 제1 파형 유형에서 도 6(b)와 같은 제2 파형 유형으로 변경되도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(13)는 제1 회로가 동작하도록 제어하다가, 파형 유형의 변경에 의해 제1 회로의 동작을 멈추고 제2 회로가 동작하도록 제어할 수 있다.
다른 일예로, 제어부(13)는 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 입력 전기신호의 유형을 일예로 도 6(b)와 같은 제1 파형 유형에서 도 6(c)와 같은 제2 파형 유형으로 변경되도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(13)는 제2 회로가 동작하도록 제어하다가, 파형 유형의 변경에 의해 제1 회로와 제2 회로가 함께(또는 시간 차를 두고) 동작하도록 제어할 수 있다. 이러한 예시는 본원의 이해를 돕기 위한 하나의 예시일 뿐, 이에만 한정되는 것은 아니다.
제어부(13)에 의하여 제1 회로와 제2 회로가 함께 동작하도록 제어되는 경우, 전기신호 제어 장치(10)의 인가부(11)는 제1 회로와 제2 회로 모두에 전압이 인가되어 제1 회로와 제2 회로 각각에서 서로 다른 극성을 갖는 전압이 출력됨에 따라, 바이폴라 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시킬 수 있다. 이후 인가부(11)는, 발생된 바이폴라 파형을 갖는 입력 전기신호를 세포 전기자극기(20)에 인가할 수 있다.
또한, 제어부(13)에 의하여 제1 회로 및 제2 회로 중 어느 하나의 회로만 동작하도록 제어되는 경우, 전기신호 제어 장치(10)의 인가부(11)는 상기 어느 하나의 회로에만 전압이 인가됨에 따라, 유니폴라 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시킬 수 있다. 즉, 제1 회로가 동작하도록 제어되는 경우에는 도 6(a)와 같은 형태의 유니폴라 파형을 갖는 입력 전기신호가 발생되고, 제2 회로가 동작하도록 제어되는 경우에는 도 6(b)와 같은 형태의 유니폴라 파형을 갖는 입력 전기신호가 발생될 수 있다. 이후 인가부(11)는, 발생된 유니폴라 파형을 갖는 입력 전기신호를 세포 전기자극기(20)에 인가할 수 있다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에서 전기신호 제어 장치(10)에 포함된 회로 전체의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 전기신호 제어 장치에 포함된 회로 전체 중 제3 영역(3)의 회로를 확대하여 나타낸 도면이다.
특히, 도 7은 일예로 6채널(6ch)을 갖는 마이크로 전류 회로(Micro Current Circuit)의 구성을 나타낸다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 회로 전체 중 제1 영역(1)의 회로는 입력 전압을 조절할 수 있는(바꿀 수 있는) I2C통신을 위한 DAC(Digital-to-analog converter) IC, 달리 말해 DAC 출력 IC(Integrated Circuit)를 의미할 수 있다.
제1 영역(1)의 회로의 제어를 통해 입력 전기신호와 관련하여 입력 전압이 조절(제어)될 수 있다. 즉, 제어부(13)는 제1 영역(1)의 회로를 제어함으로써 전기신호 제어 장치(10)에서 입력 전기신호(입력 전압)를 발생시키거나, 전기신호 제어 장치(10)에서 발생되는 입력 전기신호를 조절(제어)할 수 있다.
제2 영역(2)의 회로는 DAC의 출력과 앞단의 Op 엠프(Op-amp)의 입력 임피던스 매칭(Impedence matching)을 위한 버퍼(Buffer)를 의미할 수 있다.
제3 영역(3)의 회로는 출력 전기신호로서 정전류를 출력하는 정전류 회로(Constant Current, 정전류 출력 회로)로서, 앞서 도 5에 도시된 회로와 동일한 회로를 의미할 수 있다. 즉, 제 3 영역(3)의 회로를 달리 표현하면 도 5에 도시된 회로와 같을 수 있다.
제어부(13)는 제3 영역(3)의 회로를 제어함으로써 입력 전기신호의 발생과 관련하여 정전류를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 인가부(11)는 입력 전기신호로서 발생된 정전류를 세포 전기자극기(20)에 인가할 수 있다.
도 3 영역(3)의 회로를 확대하여 도시한 도 8을 참조하면,
Figure 112018086453188-pat00001
,
Figure 112018086453188-pat00002
,
Figure 112018086453188-pat00003
,
Figure 112018086453188-pat00004
,
Figure 112018086453188-pat00005
,
Figure 112018086453188-pat00006
일 수 있다.
이때, KCL에 의하면, 하기 식 1 내지 하기 식 3이 표현될 수 있다.
[식 1]
Figure 112018086453188-pat00007
[식 2]
Figure 112018086453188-pat00008
[식 3]
Figure 112018086453188-pat00009
이때, 식 1은
Figure 112018086453188-pat00010
와 같이 표현 가능하므로, 이를 정리하면 하기 식 4가 도출될 수 있다.
[식 4]
Figure 112018086453188-pat00011
또한, 식 2는
Figure 112018086453188-pat00012
와 같이 표현 가능하므로, 이를 정리하면 하기 식 5가 도출될 수 있다.
[식 5]
Figure 112018086453188-pat00013
또한, 식 3은 하기 식 6과 같이 표현될 수 있다.
[식 6]
Figure 112018086453188-pat00014
여기서, 상기 식 4와 식 5에 의하여 하기 식 7이 도출될 수 있으며, 식 6에 식 7을 대입하면 하기 식 8이 도출될 수 있다.
[식 7]
Figure 112018086453188-pat00015
[식 8]
Figure 112018086453188-pat00016
여기서, 만약 식 8에서 R이 R t 에 비해 충분히 크다면, 식 8에서의 i 2는 충분히 무시가 가능해 지므로, i load는 하기 식 9를 만족할 수 있다.
[식 9]
Figure 112018086453188-pat00017
따라서, 제3 영역(3)의 회로는 로드의 저항이 바뀌어도 출력 전기신호로서 정전류를 출력할 수 있다.
제4 영역(3')의 회로는 제3 영역(3)의 회로의 구조와 동일하지만, 전기신호 제어 장치(10)가 바이폴라 파형의 입력 전기신호를 발생시킬 수 있도록 하기 위해, 제3 영역(3)의 회로에 의해 발생(출력)되는 입력 전기신호의 극성과는 반대의 극성을 가지는 입력 전기 신호를 발생(출력)시키는 회로를 의미할 수 있다.
즉, 제4 영역(3')의 회로를 통해 발생되는 입력 전기신호의 극성과 제3 영역(3)의 회로를 통해 발생되는 입력 전기신호의 극성은 서로 반대되는 극성일 수 있다.
제4 영역(3')의 회로는 제3 영역(3)의 회로의 극성과는 역 극성의 정전류를 출력하는 역 극성 출력 정전류 회로를 의미할 수 있다.
이에 따르면, 제3 영역(3)의 회로는 제1 극성을 갖는 입력 전기신호를 발생시키는 상술한 제1 회로를 의미하고, 제4 영역(3')의 회로는 제1 극성과는 반대되는 역 극성인 제2 극성을 갖는 입력 전기신호를 발생시키는 상술한 제2 회로를 의미할 수 있다.
이러한 전기신호 제어 장치(10)는, 도 5에 도시된 회로를 제1 회로와 제2 회로로서 2개 구성하여, DAC IC에서 제1 회로와 제2 회로를 이용해 서로 다른 극성을 갖는 전압이 출력되도록 할 수 있으며, 이를 통해 최종 인가 로드에서 바이폴라 파형을 출력시킬 수 있다.
달리 표현하면, 전기신호 제어 장치(10)는 제1 회로와 제2 회로를 이용해 서로 다른 극성을 갖는 전압이 출력되도록 함으로써, 인가부(11)에 의하여 전기자극기에 인가되는 입력 전기신호의 유형이 바이폴라 파형을 가지도록 할 수 있다. 또 달리 표현하면, 전기신호 제어 장치(10)는 제1 회로와 제2 회로를 이용해 서로 다른 극성을 갖는 전압이 출력되도록 함으로써, 세포 전기자극기(20)의 전극 부재(22)가 바이폴라 파형을 갖는 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 세포에 제공하도록 할 수 있다.
또한, 전기신호 제어 장치(10)는, 동일한 회로 구조를 가지는 제1 회로와 제2 회로 중에서 어느 하나의 회로에만 전압을 인가하여 한 극성을 갖는 전압이 출력되도록 할 수 있으며, 이를 통해 최종 인가 로드에서 유니폴라 파형을 출력시킬 수 있다.
달리 표현하면, 전기신호 제어 장치(10)는 제1 회로 및 제2 회로 중 어느 하나를 제어함으로써, 인가부(11)에 의하여 전기자극기에 인가되는 입력 전기신호의 유형이 유니폴라 파형을 가지도록 할 수 있다. 또 달리 표현하면, 전기신호 제어 장치(10)는 제1 회로 및 제2 회로 중 어느 하나를 제어함으로써, 세포 전기자극기(20)의 전극 부재(22)가 유니폴라 파형을 갖는 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 세포에 제공하도록 할 수 있다.
제어부(13)는 제3 영역(3)의 회로에 대응하는 제1 회로와 제4 영역(3')의 회로에 대응하는 제2 회로를 제어함으로써 입력 전기신호의 유형을 달리 변경되도록 제어할 수 있다.
이와 같은 제1 회로와 제2 회로는 세포 전기자극 시스템(100)에 포함되는 세포 전기자극기(20)의 수에 비례하여 구비될 수 있다. 예시적으로, 6개의 세포 전기자극기가 세포 전기자극 시스템(100)에 포함되는 경우, 전기신호 제어 장치(10)의 회로에는 제1 회로와 제2 회로를 한 쌍으로 보았을 때, 세포 전기자극기(20)의 수에 비례하여 제1 회로와 제2 회로가 여섯 쌍 구비될 수 있다.
이를 통해, 세포 전기자극 시스템(100)에서는 6개의 세포 전기자극기가 하나의 전기신호 제어 장치(10)에 의해 제어될 수 있다. 전기신호 제어 장치(10)는 6개의 세포 전기자극기 각각에 대하여, 각기 다른 유형의 입력 전기신호로서 파형, 주파수, 전류 중 적어도 하나가 다른 입력 전기신호를 인가할 수 있다.
입력 전기신호의 유형으로는 전압 세기, 주파수, 인가 시간 등이 고려될 수 있다.
또한, 전기신호 제어 장치(10)에서 제어부(13)는 일예로 마이크로 컨트롤러(MCU, Micro Controller Unit)라 달리 표현될 수 있다. 제어부(13)는 전기신호 제어 장치(10)의 각 부의 동작을 제어할 수 있다. 달리 표현하여, 전기신호 제어 장치(10)는 제어부(13)인 MCU의 제어에 의하여 동작이 제어될 수 있다.
제5 영역(4)의 회로는 임피던스 측정 회로로서, 정전류(Constant)의 출력을 측정하여 현재 전압을 MCU에서 ADC(analog-digital converter)함으로써 로드의 임피던스(Impedence)를 계산할 수 있다. 다시 말해, 제5 영역(4)의 회로는 임피던스 측정 회로로서, 회로 전체의 출력 전기신호인 정전류 출력 및 회로 전체의 출력 전압을 측정하고, 이를 ADC함으로써 알고있는 정전류와 알고있는 출력 전압에 의해 로드의 임피던스의 변화를 감지(임피던스의 변화를 계산)할 수 있다.
제어부(13)는 제5 영역(4)의 회로를 제어함으로써 임피던스의 변화를 감지(임피던스의 변화를 계산)할 수 있다.
제6 영역(5)의 회로는 오프셋(offset) 출력 회로로서, 입력 전압의 오프셋을 제3 영역(3)의 회로와 제4 영역(3')의 회로 각각에 제공하기 위한 회로를 의미할 수 있다.
이러한 도 7에 도시된 회로를 이용한 전기신호 제어 장치(10)는, 인가부(11)를 통하여, 세포 전기자극기(20)에 정전류가 인가되도록 할 수 있으며, 또한 다양한 유형의 입력 전기신호가 세포 전기자극기(20)에 인가되도록 할 수 있다. 여기서, 세포 전기자극기(20)에 인가되는 정전류는 일예로 마이크로 전류일 수 있다. 또한, 이러한 전기신호 제어 장치(10)는 세포 전기자극기(20)에 의해 세포에 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 임피던스의 변화 여부를 정전류와 출력 전압의 측정을 통해, 감지부(12)를 통하여 감지하도록 할 수 있다. 또한, 전기신호 제어 장치(10)는 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 제어부(13)를 통하여 인가부(11)가 인가하는 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다.
또한, 전기신호 제어 장치(10)는 일예로 USB 커넥터(CONNECTOR)를 이용한 UART 통신을 통해, 일예로 PC프로그램으로 제어가 가능하도록 마련될 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 본원의 일 실시예에 따른 전기신호 제어 장치(10)는 웰 플레이트(30)를 모니터링하여 세포 전기자극기(20)를 통한 전기자극에 의한 세포의 배양 정도를 판단하는 판단부(미도시)를 포함할 수 있다.
판단부(미도시)는 세포 전기자극기(20)에 의해 웰 플레이트(30)의 홈에 수용된 세포 배양 배지 내 세포에 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어지는 경우, 웰 플레이트(30) 중 특히 웰 플레이트(30)의 홈 내에 전기자극이 이루어지는 세포를 모니터링할 수 있다. 판단부(미도시)는 전기자극이 이루어지는 세포를 모니터링함으로써, 전기자극에 의한 세포의 배양 내지 분화 정도를 판단할 수 있다.
제어부(13)는 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 판단부(미도시)에 의한 세포의 배양 정도가 기설정된 기준을 충족하는지에 따라 입력 전기신호의 유형으로서 제1 파형 유형과 제2 파형 유형을 교번하여 발생시키는 교번 주기를 결정할 수 있다. 이후, 제어부(13)는 결정된 교번 주기로 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다. 여기서, 제1 파형 유형과 제2 파형 유형은 반대되는 파형으로서, 극성이 반대인 파형을 의미할 수 있다. 여기서, 제1 파형 유형은 일예로 도 6의 (a)와 같이 제1 회로의 제어에 의한 유니폴라 파형을 의미하고, 제2 파형 유형은 일예로 도 6의 (b)와 같이 제2 회로의 제어에 의한 유니폴라 파형을 의미할 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
일예로, 세포 전기자극기(10)가 제1 회로의 제어에 의해 도 6의 (a)와 같은 유니폴라 파형을 갖는 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 세포에 제공하고 있다고 가정하자. 이때, 판단부(미도시)는 전기자극이 이루어지는 세포를 모니터링하여 세포의 배양 정도가 기설정된 기준을 충족하는지 판단할 수 있다. 이때, 판단부(미도시)는 세포의 배양 정도가 기 설정된 기준을 충족하는 것으로 판단되는 경우, 전기자극이 이루어진 시점부터 세포의 배양 정도가 기 설정된 기준을 충족하는 시점까지의 경과 시간을 측정할 수 있다.
일예로, 전기자극이 이루어진 시점부터 세포의 배양 정도가 기 설정된 기준을 충족하는 시점까지의 경과 시간이 20초 소요되었다고 가정하자.
이러한 경우, 제어부(13)는 입력 전기신호의 유형으로서 제1 파형 유형과 제2 파형 유형을 교번하여 발생시키는 교번 주기를 20초로 결정하고, 결정된 교번 주기로 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다. 이때, 제1 파형 유형은 제1 회로의 제어에 의한 유니폴라 파형을 의미하고, 제2 파형 유형은 제2 회로의 제어에 의한 유니폴라 파형을 의미할 수 있다.
구체적으로, 결정된 교번 주기에 기반하여, 제어부(13)는 제1 파형 유형의 입력 전기신호가 20초 동안 세포 전기자극기(20)에 인가되도록 제어하고, 이후 제2 파형 유형의 입력 전기신호가 20초 동안 세포 전기자극기(20)에 인가되도록 제어하는 등, 제1 파형 유형과 제2 파형 유형이, 결정된 교번 주기로 교번하여 변경되도록 제어할 수 있다.
다시 말해, 제어부(13)는 임피던스가 변화된 것으로 감지되고, 세포의 배양 정도가 기설정된 기준을 충족하는 것으로 판단되면, 전기자극이 이루어진 시점부터 세포의 배양 정도가 기 설정된 기준을 충족하는 시점까지의 경과 시간을 측정하여, 측정된 경과 시간에 기초하여 입력 전기신호의 유형으로서 제1 파형 유형과 제2 파형 유형의 교번 주기(교번 발생 주기)를 결정할 수 있다. 이후, 제어부(13)는 결정된 교번 주기에 기반하여 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다.
본원에서 세포의 배양 정도라 함은 세포의 배양 크기, 양 등과 관련된 증가량(달리 말해, 세포의 수와 관련된 증가량) 등을 의미할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 전기자극에 의한 세포의 배양(증식)은 상대적으로 (+) 극성 대비 (-) 극성에서 더 활발히 나타날 수 있다. 즉, 전극 부재(22)를 통하여 일예로 도 6의 (a)와 같은 유니폴라 파형의 입력 전기신호에 대응하는 전기자극만 세포에 지속적으로 제공되는 경우에는 제1 전극 부재(22a) 및 제2 전극 부재(22b)중 (-) 극성을 갖는 전극 부재(혹은 상대적으로 낮은 극성을 갖는 전극 부재)에서 세포의 배양이 더 활발이 이루어질 수 있다.
이에, 전기신호 제어 장치(10)는 제1 전극 부재(22a) 및 제2 전극 부재(22b) 중 어느 쪽에만 강한 전기자극이 지속적으로 이루어짐에 따른 세포의 파괴 등의 문제를 해소하기 위해, 일예로, 미리 설정된 시간 간격으로 제1 파형 유형과 제2 파형 유형이 교번하여 발생하도록 제어할 수 있다. 여기서, 앞서 말한 바와 같이, 제1 파형 유형은 일예로 제1 파형 유형은 제1 회로의 제어에 의한 도 6의 (a)와 같은 유니폴라 파형을 의미하고, 제2 파형 유형은 제2 회로의 제어에 의한 도 6의 (b)와 같은 유니폴라 파형을 의미할 수 있다.
또한, 판단부(미도시)는 세포 전기자극 시스템(100)에 세포 전기자극기가 복수개 구비되는 경우, 복수개의 세포 전기자극기 각각에 대응하는 세포의 배양 정도를 판단할 수 있다. 판단부(미도시)는 복수개의 세포 전기자극기에 의해 전기자극이 이루어지는 각각의 세포의 배양 정도를 판단할 수 있다.
예시적으로, 웰 플레이트(30)의 6개의 홈(1, 2, 3, 4, 5, 6) 각각에 6개의 세포 전기자극기가 삽입되도록 배치된 경우, 판단부(미도시)는 웰 플레이트(30)의 6개의 홈(1, 2, 3, 4, 5, 6) 각각에 수용된 세포 배양 수지에 포함된 세포를 각각 모니터링할 수 있다.
제어부(13)는 복수개의 세포 전기자극기에 의한 각각의 세포의 배양 정도를 고려하여, 복수개의 세포 전기자극기 각각에 의한 세포의 배양 정도 간에 균형이 이루어지도록 복수개의 세포 전기자극기 각각에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 달리 제어할 수 있다.
일예로, 웰 플레이트(30)의 제1 홈(1)에 삽입되도록 배치된 제1 세포 전기자극기에 의하여 제1 홈(1)에 수용된 제1 세포에 전기자극이 제공됨에 따라, 제1 홈(1)에 수용된 제1 세포가 배양된다고 하자. 또한, 웰 플레이트(30)의 제2 홈(2)에 삽입되도록 배치된 제2 세포 전기자극기에 의하여 제2 홈(2)에 수용된 제2 세포에 전기자극이 제공됨에 따라, 제2 홈(2)에 수용된 제2 세포가 배양된다고 하자.
이때, 판단부(미도시)는 제1 홈(1) 및 제2 홈(2) 각각을 모니터링할 수 있다. 판단부(미도시)는 제1 세포 전기자극기에 의한 제1 홈(1) 내의 제1 세포의 배양 정도 및 제2 세포 전기자극기에 의한 제2 홈(2) 내의 제2 세포의 배양 정도를 판단할 수 있다.
이후, 제어부(13)는 제1 세포의 배양 정도와 제2 세포의 배양 정도 간의 차이가 미리 설정된 차이 이상인 경우, 제1 세포의 배양 정도와 제2 세포의 배양 정도 간에 균형이 이루어지도록, 제1 세포 전기자극기 및 제2 세포 전기자극기 중 적어도 어느 하나의 세포 전기자극기에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 변경이 달리 변경되도록 제어할 수 있다.
예시적으로, 제1 세포의 배양 정도가 a 이고, 제2 세포의 배양 정도가 미리 설정된 차이보다 큰 b라고 하자. 이때, 제어부(13)는 일예로 현재 제1 세포 전기자극기에 인가되는 입력 전기신호에 대응하는 제1 전압 값 보다 더 큰 제2 전압 값에 대응하는 입력 전기신호가 인가되도록 인가부(13)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(13)는 현재 인가되는 입력 전기신호의 유형을 그 보다 상대적으로 강한 입력 전기신호의 유형으로 달리 변경되도록 인가부(13)를 제어함으로써, 변경된 강한 입력 전기신호에 의해 제1 세포의 배양 속도가 보다 빠르게 이루어지도록 제공할 수 있다. 이를 통해 제어부(13)는 a와 b 간의 차이가 미리 설정된 차이 이내로 접어들어 서로 간에 균형이 이루어질 수 있도록 제공할 수 있다.
제어부(13)는 복수개의 세포 전기자극기에 의한 각각의 세포의 배양 정도가 보다 균형성 있게 배양될 수 있도록, 복수개의 세포 전기자극기 각각에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 각기 다르게 제어할 수 있다.
이러한 본원은 세포 전기자극 시스템(100)을 통해 세포 배양이 보다 효과적이고 안정적으로 활성화되도록 제공할 수 있다. 또한, 본원에서 제안하는 전기신호 제어 장치(10)에 포함된 회로에 의하면, 본원은 세포 전기자극기(20)를 통하여 세포에 정전류를 일정하게 공급할 수 있으며, 이를 통해 회로의 출력 전압을 측정하는 것만으로 전기자극이 이루어지는 세포의 상태 변화 여부를 감지, 즉 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다. 본원은 이러한 세포의 상태 변화(임피던스의 변화 여부)를 고려하여 입력 전기신호의 유형을 달리 변경되도록 제어함으로써, 보다 효과적으로 세포 배양을 수행할 수 있다.
또한, 본원은 복수개의 세포 전기자극기를 통합적으로 제어할 수 있어, 웰 플레이트(30)의 각 홈에 수용된 각각의 세포에 대한 배양을 효과적으로 수행할 수 있다.
또한, 본원에서 제안하는 세포 전기자극기가 복잡하지 않고 간단하면서도 컴펙트(compact)하게 구현될 수 있음에 따라, 본원은 세포 전기자극기를 종래 상용화된 웰 플레이트에 삽입하는 것만으로 세포 전기자극이 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 제공할 수 있다. 달리 말해, 본원에서 제안하는 세포 전기자극기는 종래 상용화된 웰 플레이트에 쉽게 적용 가능하다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 세포 전기자극기는 향후 개발되는 웰 플레이트에도 용이하게 적용 가능하다.
이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에 의한 세포 전기자극 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 9에 도시된 세포 전기자극 방법은 앞서 설명된 세포 전기자극 시스템(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 세포 전기자극 시스템(100)에 대하여 설명된 내용은 세포 전기자극 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 전기신호 제어 장치(10)에서는, 입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기(20)에 인가할 수 있다(S11).
단계S11에서, 전기신호 제어 장치(10)는 인가부가 세포 전기자극기(20)의 전극 부재의 일단과 연결되어 입력 전기신호를 전극 부재에 인가할 수 있다.
다음으로, 세포 전기자극기(20)에서는, 단계S11에서 전기신호 제어 장치(10)로부터 인가된 입력 전기신호에 기초하여, 웰 플레이트(well plate)에 형성된 세포 배양 배지에 포함된 세포에 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공할 수 있다(S12).
이때, 단계S12에서, 세포 전기자극기(20)의 전극 부재는, 타단을 통해 세포 배양 배지에 포함된 세포에 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공할 수 있다.
다음으로, 전기신호 제어 장치(10)에서는, 단계S12에서 세포 전기자극기(20)에 의해 세포에 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다(S13).
이때, 단계S13에서, 전기신호 제어 장치(10)는 회로 내 측정된 출력 전압 및 출력 전기신호인 정전류에 기초하여 임피던스의 변화 여부를 감지할 수 있다.
다음으로, 전기신호 제어 장치(10)에서는, 단계S13에서 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다(S14).
또한, 단계S14에서, 전기신호 제어 장치(10)는 입력 전기신호의 유형 변경시, 유니폴라(Unipolar) 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우 제1 회로 또는 제2 회로를 제어하고, 바이폴라(Bipolar) 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우 제1 회로 및 제2 회로를 함께 제어할 수 있다.
또한, 단계S14에서, 전기신호 제어 장치(10)는 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 입력 전기신호의 유형으로서 파형 유형이 제1 파형 유형에서 제2 파형 유형으로 변경되도록 제어할 수 있다. 이때, 제1 파형 유형은 제1 회로에 의한 유니폴라 파형, 제2 회로에 의한 유니폴라 파형, 및 제1 회로와 상기 제2 회로에 의한 바이폴라 파형 중에서 어느 하나의 파형일 수 있다. 또한, 제2 파형 유형은 제1 회로에 의한 유니폴라 파형, 제2 회로에 의한 유니폴라 파형, 및 제1 회로와 제2 회로에 의한 바이폴라 파형 중에서 상기 어느 하나의 파형(제1 파형 유형)을 제외한 나머지 파형 중 어느 하나의 파형일 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 본원의 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에 의한 세포 전기자극 방법은 단계S14 이전에, 전기신호 제어 장치(10)에서, 웰 플레이트를 모니터링하여 전기자극에 의한 세포의 배양 정도를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이후 단계S14에서는, 전기신호 제어 장치(10)가, 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 세포의 배양 정도가 기설정된 기준을 충족하는지에 따라 입력 전기신호의 유형으로서 제1 파형 유형과 제2 파형 유형을 교번하여 발생시키는 교번 주기를 결정하고, 결정된 교번 주기로 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어할 수 있다.
또한, 단계S14에서, 전기신호 제어 장치(10)는 세포 전기자극기가 복수개 구비되는 경우, 복수개의 세포 전기자극기 각각으로 인가되는 입력 전기신호를 개별적으로 제어할 수 있다. 또한, 단계S14에서 전기신호 제어 장치(10)는 복수개의 세포 전기자극기 각각에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 각기 다르게 제어할 수 있다.
또한, 단계S14에서 전기신호 제어 장치(10)는 복수개의 세포 전기자극기를 통합적으로 제어할 수 있다.
한편, 본원이 일 실시예에 따른 세포 전기자극 시스템(100)에 포함된 전기신호 제어 장치(10)의 구동 방법은, 상술한 단계들 중 S12를 제외한 나머지 단계들을 포함할 수 있다. 따라서 이하 생략된 내용이라 하더라도, 앞서 단계S11, 단계S13, 단계S14 및 세포의 배양 정도를 판단하는 단계에 대하여 설명된 내용은 본원의 일 실시예에 따른 전기신호 제어 장치(10)의 구동 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있으며, 이하 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상술한 설명에서, 단계 S11 내지 S14는 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
본원의 일 실시 예에 따른 세포 전기자극 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 전술한 세포 전기자극 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 세포 전기자극 시스템
10: 전기신호 제어 장치
11: 인가부
12: 감지부
13: 제어부
20: 세포 전기자극기

Claims (13)

  1. 세포 전기자극 시스템으로서,
    입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기에 인가하는 인가부, 상기 세포 전기자극기에 의해 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지하는 감지부, 상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어하는 제어부, 및 웰 플레이트(well plate)를 모니터링하여 상기 전기자극에 의한 상기 세포의 배양 정도를 판단하는 판단부를 포함하는 전기신호 제어 장치; 및
    상기 전기신호 제어 장치로부터 인가된 상기 입력 전기신호에 기초하여, 웰 플레이트(well plate)에 형성된 세포 배양 배지에 포함된 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공하는 세포 전기자극기를 포함하고,
    상기 회로는, 입력 전기신호가 인가되는 대상인 세포의 임피던스가 바뀌어도 지속적으로 정전류를 출력하도록 설계된 회로이고,
    상기 감지부는, 상기 회로의 최종단의 전압인 출력 전압을 측정하고, 측정된 출력 전압 값과 기 알고 있는 상기 회로의 출력인 정전류 값을 이용해 상기 임피던스의 변화 여부를 감지하고,
    상기 세포 전기자극기는 웰 플레이트에 삽입되도록 마련되어 인큐베이터 내에서 세포 배양이 가능하며,
    상기 전기신호 제어 장치는, 상기 세포 전기자극기가 복수개 구비되는 경우, 복수개의 세포 전기자극기 각각과 전기적으로 연결되는 복수의 채널을 갖는 회로의 제어를 통해 상기 복수개의 세포 전기자극기 각각으로 인가되는 입력 전기신호를 개별적으로 제어하고,
    상기 제어부는,
    상기 판단부에 의해 판단된 상기 복수개의 세포 전기자극기에 의한 각각의 세포의 배양 정도를 고려하여, 복수개의 세포 전기자극기 각각에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 각기 다르게 제어하되,
    상기 복수개의 세포 전기자극기 중 제1 세포 전기자극기에 의한 제1 세포의 배양 정도와 제2 세포 전기자극기에 의한 제2 세포의 배양 정도 간의 차이가 미리 설정된 차이 이상인 경우, 제1 세포의 배양 정도와 제2 세포의 배양 정도 간에 균형이 이루어지도록, 제1 세포 전기자극기 및 제2 세포 전기자극기 중 적어도 어느 하나의 세포 전기자극기에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 달리 변경되도록 제어하는 것인, 세포 전기자극 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회로는,
    제1 극성을 갖는 입력 전기신호를 발생시키는 제1 회로 및 상기 제1 극성과는 반대되는 역 극성인 제2 극성을 갖는 입력 전기신호를 발생시키는 제2 회로를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 입력 전기신호의 유형 변경시, 유니폴라(Unipolar) 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우 상기 제1 회로 또는 상기 제2 회로를 제어하고, 바이폴라(Bipolar) 파형을 갖는 입력 전기신호를 발생시키고자 하는 경우 상기 제1 회로 및 상기 제2 회로를 함께 제어하는 것인, 세포 전기자극 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형으로서 파형 유형이 제1 파형 유형에서 제2 파형 유형으로 변경되도록 제어하고,
    상기 제1 파형 유형은 상기 제1 회로에 의한 유니폴라 파형, 상기 제2 회로에 의한 유니폴라 파형 및 상기 제1 회로와 상기 제2 회로에 의한 바이폴라 파형 중에서 어느 하나의 파형이고,
    상기 제2 파형 유형은 상기 제1 회로에 의한 유니폴라 파형, 상기 제2 회로에 의한 유니폴라 파형 및 상기 제1 회로와 상기 제2 회로에 의한 바이폴라 파형 중에서 상기 어느 하나의 파형을 제외한 나머지 파형 중 어느 하나의 파형인 것인, 세포 전기자극 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 세포의 배양 정도가 기설정된 기준을 충족하는지에 따라 상기 입력 전기신호의 유형으로서 제1 파형 유형과 제2 파형 유형을 교번하여 발생시키는 교번 주기를 결정하고, 상기 결정된 교번 주기로 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어하는 것인, 세포 전기자극 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세포 전기자극기는,
    상기 웰 플레이트에 형성된 세포 배양 배지를 수용하는 적어도 하나의 홈에, 적어도 일부의 측면이 삽입 가능하도록 배치되는 하우징; 및
    일단은 하우징의 외측으로 노출되고 타단은 하우징의 내측에서 상기 세포 배양 배지에 접촉 가능하도록 상기 하우징의 측면을 관통하여 배치되는 전극 부재,
    를 포함하고,
    상기 인가부는, 상기 전극 부재의 일단과 연결되어 상기 입력 전기신호를 상기 전극 부재에 인가하는 것인, 세포 전기자극 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전극 부재는,
    상기 타단을 통해 상기 세포 배양 배지에 포함된 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공하는 것인, 세포 전기자극 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전극 부재는,
    상기 하우징의 둘레방향을 따라 미리 설정된 간격을 두고 배치되는 제1 전극 부재 및 제2 전극 부재를 포함하는 것인, 세포 전기자극 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 전기신호 제어 장치로서,
    입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기에 인가하는 인가부;
    상기 세포 전기자극기에 인가된 상기 입력 전기신호에 응답하여, 상기 세포 전기자극기에 의해 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지하는 감지부;
    상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어하는 제어부; 및
    웰 플레이트(well plate)를 모니터링하여 상기 전기자극에 의한 상기 세포의 배양 정도를 판단하는 판단부를 포함하고,
    상기 회로는, 입력 전기신호가 인가되는 대상인 세포의 임피던스가 바뀌어도 지속적으로 정전류를 출력하도록 설계된 회로이고,
    상기 감지부는, 상기 회로의 최종단의 전압인 출력 전압을 측정하고, 측정된 출력 전압 값과 기 알고 있는 상기 회로의 출력인 정전류 값을 이용해 상기 임피던스의 변화 여부를 감지하고,
    상기 세포 전기자극기는 웰 플레이트에 삽입되도록 마련되어 인큐베이터 내에서 세포 배양이 가능하며,
    상기 전기신호 제어 장치는, 상기 세포 전기자극기가 복수개 구비되는 경우, 복수개의 세포 전기자극기 각각과 전기적으로 연결되어 상기 복수개의 세포 전기자극기 각각으로 인가되는 입력 전기신호를 개별적으로 제어하고,
    상기 제어부는,
    상기 판단부에 의해 판단된 상기 복수개의 세포 전기자극기에 의한 각각의 세포의 배양 정도를 고려하여, 복수개의 세포 전기자극기 각각에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 각기 다르게 제어하되,
    상기 복수개의 세포 전기자극기 중 제1 세포 전기자극기에 의한 제1 세포의 배양 정도와 제2 세포 전기자극기에 의한 제2 세포의 배양 정도 간의 차이가 미리 설정된 차이 이상인 경우, 제1 세포의 배양 정도와 제2 세포의 배양 정도 간에 균형이 이루어지도록, 제1 세포 전기자극기 및 제2 세포 전기자극기 중 적어도 어느 하나의 세포 전기자극기에 인가되는 입력 전기신호의 유형을 달리 변경되도록 제어하는 것인, 전기신호 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 세포 전기자극기는,
    상기 웰 플레이트에 형성된 세포 배양 배지를 수용하는 적어도 하나의 홈에, 적어도 일부의 측면이 삽입 가능하도록 배치되는 하우징; 및
    일단은 하우징의 외측으로 노출되고 타단은 하우징의 내측에서 상기 세포 배양 배지에 접촉 가능하도록 상기 하우징의 측면을 관통하여 배치되는 전극 부재,
    를 포함하고,
    상기 인가부는, 상기 전극 부재의 일단과 연결되어 상기 입력 전기신호를 상기 전극 부재에 인가하는 것인, 전기신호 제어 장치.
  13. 제1항의 세포 전기자극 시스템에 의한 세포 전기자극 방법으로서,
    상기 전기신호 제어 장치에서, 입력 전기신호를 발생시켜 세포 전기자극기에 인가하는 단계;
    상기 세포 전기자극기에서, 상기 전기신호 제어 장치로부터 인가된 상기 입력 전기신호에 기초하여, 웰 플레이트(well plate)에 형성된 세포 배양 배지에 포함된 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극을 제공하는 단계;
    상기 전기신호 제어 장치에서, 상기 세포 전기자극기에 의해 세포에 상기 입력 전기신호에 대응하는 전기자극이 이루어짐에 따른 세포의 상태 변화에 의한 회로 내 임피던스의 변화 여부를 감지하는 단계; 및
    상기 전기신호 제어 장치에서, 상기 임피던스가 변화된 것으로 감지되는 경우, 상기 입력 전기신호의 유형이 변경되도록 제어하는 단계,
    를 포함하는 세포 전기자극 방법.
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