KR102489607B1 - 3차원 바이오프린팅 기술을 이용한 세포 스페로이드 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 바이오프린팅 기술을 이용한 세포 스페로이드의 제조방법에 관한 것이며, 상기 세포 스페로이드는 중간엽줄기세포, 유도만능줄기세포 유래 세포 등을 유효성분으로 포함하는 혈관계, 내분비계 질환 예방 또는 치료용으로 사용되거나 체외 약물 시험용 모델로 사용될 수 있다.

Description

3차원 바이오프린팅 기술을 이용한 세포 스페로이드 제조방법{Method of manufacturing cell spheroid using three-dimensional printing method}
본 발명은 3차원 바이오프린팅 기술을 이용한 세포 스페로이드의 제조방법에 관한 것이며, 상기 세포 스페로이드는 중간엽줄기세포, 유도만능줄기세포 유래 세포 등을 유효성분으로 포함하는 혈관계, 내분비계 질환 예방 또는 치료용으로 사용되거나, 체외 약물 시험용 모델로도 사용될 수 있다.
생체 내에서 세포들은 3차원으로 세포외기질, 성장 인자 등 여러 조합 속에서 복잡한 상호작용을 하며 성장, 분화, 증식한다. 이를 효과적으로 모사하기에 기존의 2차원 세포 배양 방식은 한계점을 가지고 있다. 단일 층으로 증식함으로써 형태적인 차이가 있을 뿐만 아니라, 증식, 분화, 분비물의 차이, 약물 반응성 등 모든 면에서 차이를 보인다. 이를 극복하기 위해 3차원 세포 배양 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 특히 그 중에서도 3차원 구상체인 스페로이드 형상은 체내 세포 환경의 최소 단위를 모사할 수 있어 그 활용도가 매우 높다.
허혈성질환은 40%의 높은 유병률을 가지지만, 허혈조직의 제한적인 재생능으로 인해 난치성 질환 치료의 한계를 보인다. 성체줄기세포를 활용한 허혈성질환 치료제 개발과 관련하여 현재까지 혈관을 통한 투여에 대한 제품의 임상연구가 수행되었고 제품이 출시되어 있으나, 기존의 치료에서는 줄기세포의 생착률과 증식/분화를 개선할 수 있는 환경제공이 어려워 효율성이 낮은 것으로 보고되었다. 이러한 문제를 해결하고자, 단일 줄기세포의 이식법 보다 혼성 줄기세포 및 3차원 구형의 스페로이드 이식법이 개발되고 있다. 이러한 이식법은 중증 심혈관 질환 동물모델을 통해 효능이 우수함을 입증한 바 있다.
또한 당뇨 등의 내분비계 질환의 치료를 위해서는 체내로 췌도세포를 효과적으로 이식하고 기능할 수 있도록 하는 방법이 대두되고 있는데, 이 역시 췌도세포의 형태를 모사하기 위해서는 3차원 구형의 스페로이드가 효과적이다.
혈관계, 내분비계 질환 예방 및 치료뿐 아니라 체외 약물 시험 플랫폼으로도 3차원 구형의 스페로이드는 효과적으로 체내를 모사하여 보다 정확한 약물 시험 플랫폼으로 사용될 수 있다. 특히 동물 모델을 이용한 약물 스크리닝 역시 유전적 차이와 윤리적인 문제 때문에 한계를 보이기에 이를 극복하기 위한 대체 방안으로 사용될 수 있다.
기존의 3차원 스페로이드 제조 방법 중 널리 이용되는 방식은 두 가지이다. 첫 번째는 세포가 바닥에 붙지 않는 U자 모양의 작은 plate(u-bottom plate)에 세포를 넣어 스스로 무리를 형성하게끔 하는 것이다. 이 방법을 사용할 시, 세포가 스스로 안정적인 스페로이드를 만드는데, 최소 24시간에서 최대 96시간 정도의 긴 시간이 소요된다. 또한 제조시 세포가 모이는 정도에 따라 다양한 사이즈의 스페로이드가 형성이 되는데, 이는 일정한 크기와 일정한 효과를 필요로 하는 세포 치료제의 기준에는 미치지 못한다.
두 번째 방식은, 미세 유체 장치를 이용한 방식이다. 염화칼슘 용액을 지속적으로 흘려보내는 환경에서 세포가 포함된 알지네이트를 간헐적으로 염화칼슘 용액 내에 분사하게 되면 분사된 알지네이트 droplet이 칼슘이온을 만나 순간적으로 가교가 되면서 스페로이드 형상을 한 채로 젤화되는 방식이다. 이 방법은 균일한 스페로이드를 만들기에는 적합하지만, 완전히 스페로이드가 만들어지기 전에 인접한 스페로이드와 합쳐질(fusion) 가능성이 있으며, 젤화(gelation)과정은 확산 시간(diffusion time)에 의존적이기 때문에 초기에 만들어지는 스페로이드는 일정한 크기를 가지지 못해 균일한 스페로이드가 만들어질 때까지는 시간이 소요된다.
두 방식 모두 3축 이상의 위치 제어가 불가능하기 때문에 스페로이드 제조와 동시에 3D 구조체나 이를 원하는 위치에 배열하는 것이 어렵다. 또한 세포의 미세환경을 구현해 줄 조직 특이적인 3차원 환경을 구현하기 어렵다.
KR 10-2018-0032597 (2018.3.30.)
Williams, S. K. et al., Bioresearch Open Access (2013) Vol.2, No.6, pp.448-454
본 발명은 중간엽줄기세포, 유도만능줄기세포 유래 세포 등을 유효성분으로 포함하는 혈관계, 내분비계 질환 예방 또는 치료 목적으로 사용하거나 체외 약물 시험용 모델(testing platform)로 사용할 것으로 기대되는 3차원 세포 프린팅 기반 스페로이드 제조 기법에 관한 것이다.
이에 본 발명자들은 국소 부위로의 줄기세포의 효율적인 전달 및 생체 니쉬 미세환경(niche microenvironment)모사를 위하여 3차원 스페로이드 형상의 구조체를 제조하는 3차원 세포 프린팅 기반 기술을 개발하였다.
본 발명은 중간엽줄기세포, 유도만능줄기세포 유래 세포 등을 유효성분으로 포함하는 혈관계, 내분비계 질환 예방 또는 치료 목적으로 사용할 것으로 기대되는 3차원 세포 프린팅 기반 스페로이드 제조 기법에 관한 것이다.
본 발명의 일 예는 세포, 탈세포화된 세포외 기질, 및 알지네이트를 포함하는 바이오잉크 조성물을 이용하여, 마이크로토출 방식으로 인쇄하는 3차원 바이오프린팅 기법으로 세포 스페로이드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 알지네이트는 겔화 고분자로서 사용되는 것일 수 있다.
본 명세서에서 '바이오 잉크'는 살아있는 세포 혹은 바이오 분자를 포함하며, 바이오 프린팅 기술에 응용하여 필요로 하는 구조물을 제작할 수 있는 소재를 통칭하는 용어이다. 본 발명의 바이오 잉크는 복수의 세포를 포함하는 액체, 반고체, 또는 고체 조성물을 포함한다. 따라서 바이오 잉크는 3차원 가공을 위한 물리적 성질과 세포가 목적된 기능을 수행하게 하기 위한 생물학적 환경을 제공하여 주어야 한다. 프린팅 공정이 길어질 때에는 잉크 토출 부재 내에서 세포의 생존에 필요한 영양분과 산소의 공급이 적절히 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 프린팅 과정에서 발생하는 물리적 스트레스로부터 세포를 보호할 수 있어야 한다. 그 외에도 바이오 잉크는 3차원 패터닝의 반복성 및 생산성 향상을 위해 노즐의 막힘이 없어야 하는 적절한 점도(viscosity) 등 프린팅 공정상에서 필요로 하는 물리적 성질을 가져야 한다. 본 발명에 따른 잉크는 하이드로젤인 것이 바람직하며, 이에 상기 잉크는 겔화고분자를 포함할 수 있으며, 예를 들면 겔화 고분자, 세포, 성장인자, 및 세포외기질로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 바이오 잉크 조성물은 조직유래 성분이 추가로 포함된 것을 특징으로 하는 바이오 잉크 조성물을 제공한다. 조직유래 성분은 연골, 신장, 심장, 간, 근육 등과 같은 동물의 특정조직이 탈세포화 되고 세포외기질을 주성분으로 하는 물질이 겔(gel)화 된 것을 의미하며, 이는 바이오 잉크 조성물의 조직특이성을 강화하기 위하여 포함될 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 바이오 잉크 조성물은 세포 배양 배지를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 세포 배양 배지는 목적하는 세포에 적합한 임의의 배지를 포함하는 개념이다.
본 발명의 일예에 의하면, 세포와 탈세포화된 세포외 기질을 포함하는 용액과, 알지네이트 용액의 혼합비는 부피비로 1 : 0.33 내지 1: 3 일 수 있으며, 이 때 상기 탈세포화된 세포외 기질은 2.6 중량% 농도의 탈세포화된 세포외기질 용액으로 포함되고, 상기 알지네이트는 2 중량% 농도의 알지네이트 용액으로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 바이오잉크 조성물에 사용되는 탈세포화된 세포외 기질은 0.5 내지 5 중량%의 탈세포화된 세포외 기질 농도를 가지는 용액이고, 알지네이트 용액은 0.5 내지 5 중량%의 알지네이트 농도를 가지는 용액일 수 있다. 상기 바이오잉크 조성물은 세포, 탈세포화된 세포외기질, 알지네이트를 포함한다. 상기 알지네이트는 겔화 고분자로서 사용되는 것일 수 있다.
상기 탈세포화된 세포외 기질 용액과 상기 알지네이트 용액은, 혼합되어 바이오잉크 조성물에 포함될 때 탈세포화된 세포외 기질과 알지네이트가 적절한 농도비를 가지도록, 각각 탈세포화된 세포외 기질과 일지네이트를 특정 농도로 포함할 수 있다.
상기 바이오잉크 조성물에 포함된 탈세포화된 세포외 기질과 알지네이트의 농도비는 1:0.5 초과 내지 1:5, 1:0.5 초과 내지 1:4, 1:0.5 초과 내지 1:3.5, 1:0.5 초과 내지 1:3, 1:0.5 초과 내지 1:2.5, 1:0.5 초과 내지 1:2, 1:0.5 초과 내지 1:1.5, 1:0.5 초과 내지 1:1.4, 1:0.5 초과 내지 1:1.3, 1:0.5 초과 내지 1:1.2, 1:0.5 초과 내지 1:1.1, 1:0.5 초과 내지 1:1, 1:0.6 내지 1:5, 1:0.6 내지 1:4, 1:0.6 내지 1:3.5, 1:0.6 내지 1:3, 1:0.6 내지 1:2.5, 1:0.6 내지 1:2, 1:0.6 내지 1:1.5, 1:0.6 내지 1:1.4, 1:0.6 내지 1:1.3, 1:0.6 내지 1:1.2, 1:0.6 내지 1:1.1, 1:0.6 내지 1:1, 1:0.6 내지 1:5, 1:0.6 내지 1:4, 1:0.6 내지 1:3.5, 1:0.6 내지 1:3, 1:0.6 내지 1:2.5, 1:0.6 내지 1:2, 1:0.6 내지 1:1.5, 1:0.6 내지 1:1.4, 1:0.6 내지 1:1.3, 1:0.6 내지 1:1.2, 1:0.6 내지 1:1.1, 1:0.6 내지 1:1, 1:0.7 내지 1:5, 1:0.7 내지 1:4, 1:0.7 내지 1:3.5, 1:0.7 내지 1:3, 1:0.7 내지 1:2.5, 1:0.7 내지 1:2, 1:0.7 내지 1:1.5, 1:0.7 내지 1:1.4, 1:0.7 내지 1:1.3, 1:0.7 내지 1:1.2, 1:0.7 내지 1:1.1, 1:0.7 내지 1:1, 1:0.8 내지 1:5, 1:0.8 내지 1:4, 1:0.8 내지 1:3.5, 1:0.8 내지 1:3, 1:0.8 내지 1:2.5, 1:0.8 내지 1:2, 1:0.8 내지 1:1.5, 1:0.8 내지 1:1.4, 1:0.8 내지 1:1.3, 1:0.8 내지 1:1.2, 1:0.8 내지 1:1.1, 1:0.8 내지 1:1, 1:0.9 내지 1:5, 1:0.9 내지 1:4, 1:0.9 내지 1:3.5, 1:0.9 내지 1:3, 1:0.9 내지 1:2.5, 1:0.9 내지 1:2, 1:0.9 내지 1:1.5, 1:0.9 내지 1:1.4, 1:0.9 내지 1:1.3, 1:0.9 내지 1:1.2, 1:0.9 내지 1:1.1, 1:0.9 내지 1:1, 1:1 내지 1:5, 1:1 내지 1:4, 1:1 내지 1:3.5, 1:1 내지 1:3, 1:1 내지 1:2.5, 1:1 내지 1:2, 1:1 내지 1:1.5, 1:1 내지 1:1.4, 1:1 내지 1:1.3, 1:1 내지 1:1.2, 또는 1:1 내지 1:1.1 일 수 있다.
예를 들어, 상기 탈세포화된 세포외 기질 용액은, 탈세포화된 세포외 기질을 0.1 내지 5중량%, 0.1 내지 4중량%, 0.1 내지 3중량%, 0.1 내지 2.5중량%, 0.1 내지 2중량%, 0.5 내지 5중량%, 0.5 내지 4중량%, 0.5 내지 3중량%, 0.5 내지 2.5중량%, 0.5 내지 2중량%, 1 내지 5중량%, 1 내지 4중량%, 1 내지 3중량%, 1 내지 2.5중량%, 1 내지 2중량%, 1.5 내지 5중량%, 1.5 내지 4중량%, 1.5 내지 3중량%, 1.5 내지 2.5중량%, 1.5 내지 2중량%, 2 내지 5중량%, 2 내지 4중량%, 2 내지 3중량%, 또는 2 내지 2.5중량%의 농도로 포함하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 알지네이트 용액은, 알지네이트를 0.1 내지 5중량%, 0.1 내지 4중량%, 0.1 내지 3중량%, 0.1 내지 2.5중량%, 0.1 내지 2중량%, 0.5 내지 5중량%, 0.5 내지 4중량%, 0.5 내지 3중량%, 0.5 내지 2.5중량%, 0.5 내지 2중량%, 1 내지 5중량%, 1 내지 4중량%, 1 내지 3중량%, 1 내지 2.5중량%, 1 내지 2중량%, 1.5 내지 5중량%, 1.5 내지 4중량%, 1.5 내지 3중량%, 1.5 내지 2.5중량%, 1.5 내지 2중량%, 2 내지 5중량%, 2 내지 4중량%, 2 내지 3중량%, 또는 2 내지 2.5중량%의 농도로 포함하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 바이오잉크 조성물에 포함된 탈세포화된 세포외 기질의 농도, 또는 상기 바이오잉크 조성물에 포함된 알지네이트의 농도는, 하한값이 0.01중량%, 0.05중량%, 0.1중량%, 0.2중량%, 0.3중량%, 0.4중량%, 0.5중량%, 0.6중량%, 0.7중량%, 0.8중량%, 0.9중량%, 또는 1중량%일 수 있고, 상한값이 10중량%, 9중량%, 8중량%, 7중량%, 6중량%, 5중량%, 4중량%, 3중량%, 2중량%, 1.5중량%, 1.4중량%, 1.3중량%, 1.2중량%, 1.1중량%, 또는 1중량%일 수 있으며, 상기 바이오잉크 조성물에 포함된 탈세포화된 세포외 기질의 농도, 또는 상기 바이오잉크 조성물에 포함된 알지네이트의 농도는 상기 하한값과 상기 상한값의 조합으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오잉크 조성물에 포함된 탈세포화된 세포외 기질의 농도, 또는 상기 바이오잉크 조성물에 포함된 알지네이트의 농도는 0.1 내지 5중량%, 0.1 내지 3중량%, 0.1 내지 2중량%, 0.1 내지 1.5중량%, 0.5 내지 5중량%, 0.5 내지 3중량%, 0.5 내지 2중량%, 또는 0.5 내지 1.5중량%일 수 있으며, 일예로 1중량%일 수 있다.
본 발명에 따른 세포는 세포 스페로이드 제조를 위해 사용 가능한 종류의 세포일 수 있으며, 중간엽줄기세포, 유도만능줄기세포 유래 세포, 전구세포 등을 들 수 있으며, 예를 들면 심장세포, 혈관계 세포로 분화할 수 있는 세포, 췌도 세포, 유도만능 줄기세포 기반 인슐린 분비 세포(insulin producing cells), 유도만능 줄기세포 기반 심장근 세포(cardiomyocyte), 또는 유도만능 줄기세포 기반 내피세포 일 수 있다.
본 발명에 따른 바이오잉크는 세포를 포함할 수 있으며, 적용 가능한 세포 또는 조직은 특별히 한정되지 않으며, 암세포(cancer cell), 줄기세포(stem cell), 조골세포(osteoblast), 근아세포(myoblast), 건세포(tenocyte), 신경아세포(neuroblast), 섬유아세포(fibroblast), 신경교아세포(glioblast), 배세포(germcell), 간세포(hepatocyte), 신장세포(renal cell), 지대세포(Sertoli cell), 연골세포(chondrocyte), 상피세포(epithelial cell), 심혈관세포, 각질세포(keratinocyte), 평활근세포(smooth muscle cell), 심장근세포(cardiomyocyte), 신경교세포(glial cell), 내피세포(endothelial cell), 호르몬 분비세포, 면역세포, 췌장섬세포(pancreatic islet cell), 신경세포(neuron), 흉선세포(thymocyte), 지방세포(adipocyte), 폐포세포(alveolar cell), 치아속질세포(dental pulp cell), 난모세포(oocyte), 및 장세포로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 구체적으로 CPC (cardiac progenitor cell), EPC (endothelial progenitor cell), 인간 췌도세포, 혈관 세포, 신경 세포, 면역 세포 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, "스페로이드(spheroid)"란 3차 조직배양을 통하여 만들어지는 작은'구'체로서, 스페로이드는 일종의 작은'조직'으로서, 외부와 내부가 구분되어 기능이 나뉘기도 하며, 조직의 기능적 단위를 모사하는 형태를 띤다. 스페로이드 배양은 동물이나 인체 조직이 가지고 있는 고유 형태나 성질이 비슷할 뿐만 아니라, 이를 적용하여 연구에 활용할 수 있는 플랫폼으로 개발되고 있다.
본 발명에 따른 세포 스페로이드 제조를 위한 3차원 인쇄법에서 공압을 가하는 시간이 0.01 내지 0.1 초 조건에서 수행하여 스페로이드의 크기 100 내지 500 um를 제조할 수 있다. 또한, 3차원 인쇄법에 사용되는 인쇄기의 노즐 크기가 25 내지 30게이지, 예를 들면 27 게이지일 수 있다. 예를 들면, 상기 노즐 크기가 27 게이지이고, 30 내지 40 kPa 공압 조건에 인쇄를 수행하는 것일 수 있다. 또한, 순간 가교를 위한 겔화제로 염화칼슘(calcium chrolide) 용액을 점도가 높은 Pluronic F-127 하이드로젤(20 중량%)과 혼합하여 수행할 수 있으며, 스페로이드가 생성된 이후, 겔화제를 세척하기 위해 다양한 버퍼들, 예를 들면 HBSS 버퍼와 염화칼슘 용액을 섞은 혼합용액을 사용할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 세포 스페로이드는 1종 혹은 여러 가지 종류의 세포가 혼합되고 재생하고자 하는 조직의 니쉬 미세환경을 구현할 수 있는 특성을 가진다. 또한, 본 발명에 따라서, 한 프로세스에 다수의 스페로이드를 형성할 수 있으며, 구체적으로 균일한 간격으로 다수의 스페로이드를 형성하기 위해 삼각함수가 포함된 코드를 생성하며, 원의 반지름과 스페로이드 개수를 설정하면 스페로이드를 만들 지점에 노즐을 위치시키는 방법이다. 또한 연속적인 스페로이드 생성을 위해 반원의 궤도를 지난 후, 반지름을 줄여 나선형태의 궤도를 따라 최대 3000개 이상의 스페로이드를 한 번의 배치에 프린팅하는 방법이다.
본 발명의 일예에 따른 세포 스페로이드의 제조방법은 바이오잉크가 연속적으로 분사 및 인쇄되어 복수 개의 세포 스페로이드를 일괄 제조하는 것일 수 있으며, 예를 들어 2개 이상, 10개 이상, 50개 이상, 100개 이상, 300개 이상, 500개 이상, 800개 이상, 1000개 이상, 1500개 이상, 2000개 이상, 2500개 이상, 또는 3000개 이상의 세포 스페로이드를 일괄 제조하는 것일 수 있다.
상기 분사 노즐은 나선형 궤적을 따라 움직이는 것일 수 있으며, 상기 세포 스페로이드는 나선형 궤적을 따라 위치하는 것일 수 있다. 또는, 상기 세포 스페로이드는 적어도 2개 이상의 동심원 원주에 위치하도록 제조되는 것일 수 있다.
본 발명은 종래 3차원 스페로이드 제조 방법으로서 위에서 언급된 U자 플레이트나 미세 유체 장치를 이용한 방식이 가지는 문제점을 해결하고자, 줄기세포의 효능을 극대화하기 위한 다양한 제조 기술 연구의 필요성이 제기되었다. 특히 재생시키고자 하는 조직에 따라 최적의 세포상태, 생체재료 및 세포외 기질 등을 개별적으로 위치시킬 수 있는 3D 바이오프린팅 기술은 이러한 한계를 극복할 수 있는 최적의 기술로 판단된다. 바이오프린팅을 이용하여 제조하는 스페로이드는 제조과정을 거치는 즉시 3차원 sphere가 형성되며, 세포의 자가조립에 의한 형상제어가 아닌 동일한 볼륨의 바이오잉크를 분사하여 형성되는 방법이기 때문에 동일한 크기의 스페로이드를 동일한 조건으로 계속해서 제작할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 스페로이드는 분사하면서 x, y, z축의 헤드를 구동함으로써 스페로이드로 이루어진 3차원 형상의 구조를 제작할 수 있는 가능성이 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 세포 스페로이드 제조를 위한 방법을 도 1을 들어 설명하고자 한다.
알지네이트의 겔화제인 염화칼슘 용액(0.1M)과 온도에 따라 점도가 변하는 하이드로젤인 Pluronic F-127 용액(20 중량%)을 섞어 혼합용액을 제작한 후, 이를 페트리디쉬에 담고 25℃ 인 프린터 헤드 하단 스테이지에 비치한다. 특정위치에서 노즐을 용액 내부에 넣고 공압을 가해 스페로이드를 생성한다. 이후 노즐을 위로 올리게 되면 점성을 가지는 혼합 용액 내에 스페로이드만 남게되고, 노즐은 올라오게 된다. 이 후 동일한 위치에서 drop이 형성되어 서로 엉겨붙는 현상을 방지하기 위해 프린터 헤드를 원 위의 다른 위치로 이동하여 동일한 방식으로 스페로이드를 제작한다.
두 번째 스텝은 여러 개의 스페로이드를 제조하기 위한 디스펜서의 움직임 제어과정이다. 한번의 배치(batch)에서 제조하고자 하는 스페로이드의 개수를 정하고, 각 위치값을 지정하는 G-code를 생성한다. G-code를 자동적으로 생성하기 위해서 python을 이용하여 code generator를 제작하였다. 처음에 시작하고자 하는 반지름, 마지막 반지름과 스페로이드 개수를 삽입하면, G-code를 자동으로 생성하여 준다.
스페로이드 개수에 따라 디스펜서가 얼마나 움직여야 하는 지를 삼각함수를 이용하여 구해내고, 특정 위치에서 챔버 내에 스페로이드를 생성할 수 있도록 code를 구성하였다. 또한 효율적으로 스페로이드를 프린팅하기 위하여, 반원 궤도를 지난 후, 반지름을 원하는 만큼 줄여주고, 스페로이드의 개수도 이에 맞게 줄여서 나선 형태의 궤도를 돌면서 스페로이드를 생성한다.
이후 프린팅 과정이 원활하게 진행될 수 있을지에 대한 시뮬레이션을 통해 코드 정확성을 검증한 후 제조한다. 시뮬레이션은 G-code를 가상으로 확인해주는 CAMotics라는 프로그램을 사용하였으며, 초록색 실선으로 움직인 궤적을 표현해준다. 프린팅 코드는 좌표계 원점에서부터 시작하여 챔버가 있는 곳까지 간 후, 챔버 내에서 특정한 반지름과 스페로이드 수에 맞게 제작된 코드를 수행하여 준다. 원 내에서 균일하게 스페로이드를 만들 수 있도록 일정한 간격의 점을 계산한 후, 그 점으로 가게 되면 Z축 방향으로 내려가 챔버 내에서 공압ON/OFF로 스페로이드를 생성하고, 다시 올라온 후, 다음 위치로 향한다.
도 2는 스페로이드를 제작할 위치를 계산하는 방법을 설명하고 있다. 초기 반지름을 23mm로 설정하고, 스페로이드 개수를 90개 만들도록 설정하면 코드 내에서 반지름 23mm인 반원을 90등분하여 각 점에서 z축 방향으로 움직이며, 스페로이드를 생성한다. 반원의 궤도를 마친 후에는, 반지름을 0.3mm 줄이고 스페로이드 개수 역시 1개 줄여 반지름 22.7mm인 반원을 89등분하여 각 점에서 스페로이드를 생성하게 된다. 반 원이 지날 때마다 반지름과 스페로이드 개수를 줄이고, 최종 반지름에 다다를 때까지 스페로이드 생성을 수행한다.
본 발명은 스페로이드를 제조하는 기본 생산 메커니즘을 확립하고, 스페로이드를 구성하는 바이오잉크 조성물의 혼합 조건을 확립하였으며 사용 목적에 적합한 크기의 스페로이드를 제조하기 위한 3차원 바이오프린팅 공정 조건을 수립하였다.
본 발명에서 제안하는 스페로이드 제조 방식은 총 3가지 단계로 구성되며 공압 기반의 스페로이드 생성을 기초로 한다.
먼저, 바닥면 (x-y평면)에 놓인 염화칼슘 용액(0.1M)과 Pluronic F-127 용액(20 중량%)이 담긴 챔버 내 노즐을 위치시킬 수 있도록 z방향 움직임을 제어한다. 이후 디스펜서의 공압을 짧은 시간 on/off 함으로써 spherical shape의 droplet을 생성한다. 공압을 가하는 시간에 따라 스페로이드의 크기를 다르게 제조할 수 있다. 그 이후 노즐을 용액 밖으로 빼내어 스페로이드만 챔버 내에 잠기도록 한다.
스페로이드를 구성하는 소재 중 하나인 알지네이트 수용액은 염화칼슘 용액의 칼슘 이온과 만나면 젤화 (gelation) 되는 성질을 가지고 있어 이를 바탕으로 스페로이드의 형상을 유지할 수 있다.
세 번째 스텝은 스페로이드를 구성하는 재료의 특성에 따른 파라미터 설정 과정이다. 본 발명에서 제안하는 스페로이드는 체내 미세환경을 구현하기 위한 목적이므로 이의 제조를 위한 소재로써 탈세포화 된 세포외 기질과 세포의 혼합물을 사용한다.
이에, 본 발명에 따른 바이오 잉크는 세포, 탈세포화 된 세포외 기질, 및 알지네이트를 포함한다. 상기 알지네이트는 겔화 고분자로서 사용되는 것일 수 있다.
탈세포화 된 세포외 기질만 사용하게 되면 순간적인 가교를 유도하기 어려운 한계점으로 인해 알지네이트 하이드로젤을 혼합하여 사용하였다. 스페로이드의 형상은 알지네이트 하이드로젤의 비율이 탈세포화 된 세포외 기질보다 높을 경우 구형을 유지하기 용이하나, 세포 친화성 및 세포 부착성은 상대적으로 낮아진다. 이와 반대로, 알지네이트 비율이 낮을 경우 최종 혼합된 바이오잉크의 순간적인 가교가 이루어지지 않고, 탈세포화 된 세포외 기질의 점성이 알지네이트에 비해 높기 때문에 스페로이드의 외형을 구형으로 프린팅하기 어려운 문제가 있다. 여러 가지 조건을 검증한 결과, 탈세포화 된 세포의 기질 (세포를 혼합한 상태)과 알지네이트의 농도 비율이 1:0.5초과 내지 1:5, 예를 들어 약 1:1 내외일 때가 가장 적절한 조건임을 확인하였다.
본 발명에 따른 세포 스페로이드 제조방법에서, 3차원 인쇄기에 공압을 가하는 시간은 약 0.01-0.1초 사이이고 공압을 가하는 시간에 비례하여 스페로이드의 크기가 크게 제작된다. 스페로이드 크기는 주사기로 전달하기에 적절하도록 지름이 약 300-500 um로 제작을 한다. 스페로이드를 3차원 형상을 만드는 building block으로 사용하는 경우에는 크기의 제약은 없으나, 직경 기준 300 내지 500um 크기일 때가 프린팅이 용이하며 스페로이드 내 세포의 생존률이 높다.
본 발명의 3차원 인쇄법으로 제조된 세포 스페로이드는, 기존 미세유체기반 스페로이드 제조방법의 경우 한 위치에서만 계속해서 스페로이드가 제조되기 때문에 가교공정을 거치는 동안 스페로이드끼리 엉겨붙어서 동일한 크기로 제작이 불가능 하지만, 프린터 헤드가 지속적으로 이동하면서 스페로이드를 한 디쉬안에 골고루 분포시켜 만들면 다수의 스페로이드를 같은 크기로 가교공정할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 세포 스페로이드 제조를 위한 3차원 인쇄법에서 공압을 가하는 시간이 0.01 내지 0.1 초 조건에서 수행하여 스페로이드의 크기 300 내지 500 um를 제조할 수 있다. 또한, 3차원 인쇄법에 사용되는 인쇄기의 노즐 크기가 25 내지 28게이지, 예를 들면 27 게이지일 수 있다. 예를 들면, 상기 노즐 크기가 27 게이지이고, 30 내지 40 kPa 공압 조건에 인쇄를 수행하는 것일 수 있다. 노즐 사이즈가 커지거나 (게이지가 작아지거나) 공압조건이 높아지면, 스페로이드 크기는 점점 커지며, 반대 조건에서는 작아진다.
프린팅 헤드 (dispenser)에 가해지는 압력 (pneumatic pressure)이 너무 낮을 경우 표준화된 공정을 잡기 어렵고, 압력이 큰 경우 이식용 캡슐의 크기가 너무 커진다. 노즐 역시 크기가 작을수록 표준화된 공정을 잡기 어렵고, 크기가 클수록 이식용 캡슐의 크기가 커져 향후 카테터등의 주입형 (injectable) 스페로이드를 제조하기에 부적합하다고 판단된다. 안정적인 캡슐 제작 가능성을 확인하기 위해 약 5-100 kPa의 공압을 27 Gauge의 노즐 조건 하에서 확인해 보았고, 약 30-40 kPa 조건에서 생산 효율이 가장 좋았다.
본 발명에 따른 스페로이드 형태의 세포는 허혈성 혈관 질환 치료용 등 허혈설 혈관 질환 치료용도나 췌도세포 전달을 위한 구조체로 사용 가능하며 주사형태 혹은 3차원 구조형태 등 다양한 전달 방법 (delivery method)을 적용할 수 있으며, 체외 약물 시험용 모델(testing platform)로도 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일예는, 세포, 탈세포화된 세포외 기질, 및 알지네이트를 포함하는, 3차원 프린팅법을 이용한 세포 스페로이드 제조용 조성물에 관한 것이다. 상기 알지네이트는 겔화 고분자로서 사용되는 것일 수 있다.
상기 조성물의 상기 탈세포화된 세포외 기질 및 상기 알지네이트의 농도비는 1:0.5초과 내지 1:5, 1:0.5 초과 내지 1:4, 1:0.5 초과 내지 1:3.5, 1:0.5 초과 내지 1:3, 1:0.5 초과 내지 1:2.5, 1:0.5 초과 내지 1:2, 1:0.5 초과 내지 1:1.5, 1:0.5 초과 내지 1:1.4, 1:0.5 초과 내지 1:1.3, 1:0.5 초과 내지 1:1.2, 1:0.5 초과 내지 1:1.1, 1:0.5 초과 내지 1:1, 1:0.6 내지 1:5, 1:0.6 내지 1:4, 1:0.6 내지 1:3.5, 1:0.6 내지 1:3, 1:0.6 내지 1:2.5, 1:0.6 내지 1:2, 1:0.6 내지 1:1.5, 1:0.6 내지 1:1.4, 1:0.6 내지 1:1.3, 1:0.6 내지 1:1.2, 1:0.6 내지 1:1.1, 1:0.6 내지 1:1, 1:0.6 내지 1:5, 1:0.6 내지 1:4, 1:0.6 내지 1:3.5, 1:0.6 내지 1:3, 1:0.6 내지 1:2.5, 1:0.6 내지 1:2, 1:0.6 내지 1:1.5, 1:0.6 내지 1:1.4, 1:0.6 내지 1:1.3, 1:0.6 내지 1:1.2, 1:0.6 내지 1:1.1, 1:0.6 내지 1:1, 1:0.7 내지 1:5, 1:0.7 내지 1:4, 1:0.7 내지 1:3.5, 1:0.7 내지 1:3, 1:0.7 내지 1:2.5, 1:0.7 내지 1:2, 1:0.7 내지 1:1.5, 1:0.7 내지 1:1.4, 1:0.7 내지 1:1.3, 1:0.7 내지 1:1.2, 1:0.7 내지 1:1.1, 1:0.7 내지 1:1, 1:0.8 내지 1:5, 1:0.8 내지 1:4, 1:0.8 내지 1:3.5, 1:0.8 내지 1:3, 1:0.8 내지 1:2.5, 1:0.8 내지 1:2, 1:0.8 내지 1:1.5, 1:0.8 내지 1:1.4, 1:0.8 내지 1:1.3, 1:0.8 내지 1:1.2, 1:0.8 내지 1:1.1, 1:0.8 내지 1:1, 1:0.9 내지 1:5, 1:0.9 내지 1:4, 1:0.9 내지 1:3.5, 1:0.9 내지 1:3, 1:0.9 내지 1:2.5, 1:0.9 내지 1:2, 1:0.9 내지 1:1.5, 1:0.9 내지 1:1.4, 1:0.9 내지 1:1.3, 1:0.9 내지 1:1.2, 1:0.9 내지 1:1.1, 1:0.9 내지 1:1, 1:1 내지 1:5, 1:1 내지 1:4, 1:1 내지 1:3.5, 1:1 내지 1:3, 1:1 내지 1:2.5, 1:1 내지 1:2, 1:1 내지 1:1.5, 1:1 내지 1:1.4, 1:1 내지 1:1.3, 1:1 내지 1:1.2, 또는 1:1 내지 1:1.1 일 수 있다.
본 발명은 3차원 바이오프린팅 기술을 이용한 세포 스페로이드의 제조방법에 관한 것이며, 상기 세포 스페로이드는 중간엽줄기세포, 유도만능줄기세포 유래 세포 등을 유효성분으로 포함하는 혈관계, 내분비계 질환 예방 또는 치료용으로 사용되거나, 체외 약물 시험용 모델로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스페로이드 제조 과정 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 스페로이드를 생성하는 위치를 계산하는 방법을 보여주는 모식도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 G-code를 가상으로 확인해주는 CAMotics라는 프로그램을 이용하여 인쇄 시뮬레이션 결과를 보여주는 모식도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 조성물을 인쇄하여 제조한 스페로이드의 궤도를 나타낸 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 조성물을 구성하는 세포외기질과 알지네이트의 혼합 비율에 따른 세포 스페로이드 제작 결과를 보여주는 실험결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 다양한 노즐 및 공압 조건으로 인쇄를 수행한 결과를 나타내는 캡슐 사진이다.
도 6a은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 세포 스페로이드 내 세포의 생존능을 시간에 따라 보여주는 사진이며, 도 6b는 세포별로 구분하여 나타낸 것이다.
본 발명은 하기 실시예를 들어 더욱 자세히 설명할 것이나, 본 발명이 하기 예시적인 실시예로 한정되는 의도는 아니다.
실시예 1: 세포 스페로이드 제조
(1) 바이오잉크 제조
스페로이드 제조를 위한 바이오잉크는 세포, 탈세포화된 세포외 기질 및 알지네이트를 포함하였다. 세포 스페로이드를 제조하기 위해선 충분한 양의 세포를 확보하여야 한다. 바이오잉크에 포함된 탈세포화된 세포외 기질 및 세포가 섞인 세포 현탁액 (cell suspension)과, 알지네이트 용액의 부피비 비율은 1:1 이었다. 상기 탈세포화된 세포외 기질은 2.6 중량% 농도의 용액이었고, 상기 알지네이트 용액은 2중량% 농도의 용액을 사용하였다.
바이오잉크에 포함되는 세포로 심장전구세포 (CPC; cardiac progenitor cell), 내피전구세포 (EPC; endothelial progenitor cell), 또는 심장전구세포와 내피전구세포를 동일 개수 비율로 혼합한 세포를 사용하였다. 바이오잉크에 포함되는 탈세포화된 세포외 기질은 돼지 심장 조직에서 얻어진 탈세포화된 세포질 기질을 사용하였다. 세포 농도는 모두 107 cells/mL를 사용하였으며, 혼합 세포의 경우 심장전구세포 (CPC)와 내피전구세포 (EPC)를 동일 개수로 혼합하여 총 세포 개수가 107 cells/mL가 되도록 하였다
한 번 프린팅을 할 때에, 세포는 107 cells/mL 농도로 사용하였고, 탈세포화 된 세포외 기질 용액 200ul, 세포 배양 배지 60ul, 그리고 알지네이트 용액 260 ul을 사용하여, 총 520 ul 부피의 바이오 잉크를 제작하였다. 이 때, 탈세포화된 세포외 기질 용액 및 세포 배양 배지의 현탁액에서의 탈세포화된 세포외 기질의 농도는 2.0중량%로, 알지네이트 용액의 알지네이트 용도 2.0중량%와 동일하였다. 따라서, 탈세포화된 세포외기질 용액, 세포 배양 배지, 및 알지네이트 용액이 혼합된 혼합액에서의 탈세포화된 세포외 기질의 농도와 알지네이트의 농도는 1.0중량%로 동일하였다. 세포를 트립신을 이용하여 디쉬에서 떼어낸 후, 알지네이트와 탈세포화 된 세포외 기질이 섞인 바이오 잉크에 골고루 섞어주었다. 이 때, 기포가 생기지 않도록 주의하였으며, 탈세포화된 세포외 기질은 4˚C 이하에서 사용해야 실험 도중 겔화가 안되므로 아이스박스 내에서 잉크를 섞어주었다.
(2) 바이오잉크 프린팅
모든 물질이 골고루 섞인 바이오 잉크를 27G 노즐을 연결한 3ml 주사기에 넣고, 이를 프린터 노즐 부위에 연결했다. 챔버는 petri dish를 사용했으며, 염화칼슘 용액(0.1M)과 Pluronic F-127 용액(20중량%)의 혼합 용액을 5ml 주입한 후, PF-127 용액의 점도를 높이기 위해 온도를 25˚C로 맞추었다.
수조의 중심을 코드의 첫 부분에 입력하면 그 위치를 중심으로 하여 원을 그리며 세포가 들어있는 스페로이드를 제작하게 된다. bath의 중심으로 노즐이 이동하게 되고, 중심에서 반지름의 길이와 동일한 거리에 해당하는 위치에 도달하게 되면, 노즐을 아래로 내려 수조 내 용액에 노즐의 끝이 잠기게끔 하고, 공압을 주어 노즐 끝에 스페로이드를 맺히게 하였다. 그리고 다시 노즐을 올리면, PF-127의 점성으로 인해 스페로이드는 올라오지 못해 수조에 잠기게 되었다. 공압시간은 0.032초, 공압은 30kPa 이었다.
실시예 2: 공압시간 변화에 따른 스페로이드 제조
공압시간에 따른 효과를 알아보기 위해 다양한 조건으로 스페로이드를 제조하였으며, 공압시간의 변화에 따라 다양한 크기를 가지는 스페로이드를 제조할 수 있었다.
구체적으로, 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오 잉크를 제작하여 프린터 노즐에 연결하였다. 최소 공압 시간 0.032초로부터 공압을 가하는 시간을 증가시켜 스페로이드를 제작하였다. 코드 상에서 노즐 끝에 스페로이드가 맺히게 하기 위해 공압을 가하였을 때 지연시간을 설정하여 공압 시간을 증가시켰다. 공압 시간을 0.1초, 0.3초, 0.5초, 0.7초로 하여 스페로이드를 제작하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
공압 시간 (초) 0.032 0.1 0.3 0.5 0.7
스페로이드 직경 (um) 372.24 476.67 530.34 734.83 1047.06
그 결과, 공압 시간이 0.01 내지 0.2초 범위 (예를 들어, 0.032초)에서는 지름 300 내지 500um의 스페로이드가 제조되었는데, 공압을 가하는 시간을 0.7초 이상으로 증가한 경우 1000um 이상 크기를 가지는 스페로이드가 제작되었다.
실시예 3: 스페로이드 연속 제조
다수 개의 스페로이드를 연속하여 제조하기 위해, 분사 노즐이 동심원의 원주들을 따라 일정 간격으로 움직이면서 바이오잉크를 분사하였으며, 스페로이드를 연속으로 대량 제조할 수 있었다.
구체적으로, 다수 개의 스페로이드를 일정한 간격으로 제작하기 위해서는 분사 노즐이 원의 궤도를 따라 움직이는 게 가장 효율적일 것으로 생각되었으며, 이에 분사노즐이 원 궤도를 움직일 수 있도록 코드를 생성하였다. 또한, 분사 노즐이 하나의 원 궤도를 움직이고 스페로이드 제조를 완료하는 것이 아니라, 점차 반지름이 줄어드는 원 궤도를 이어서 동심원 형태를 따라 바이오잉크를 분사하여, 스페로이드의 대량 생산이 가능하게 하였다.
예를 들어, 처음에 원의 중심 위치에 노즐을 위치시킨 후, 초기 반지름 (23mm)과 제조할 스페로이드 개수 (90개), 최종 반지름 (5.6mm), 및 원주간 간격 (0.3mm) 을 코드 상에 대입 후 삼각함수를 이용하여 스페로이드가 위치해야 할 각 점을 도출하였다. 분사 노즐이 각 분사점에 도달할 경우, 실시예 1과 같이 노즐을 아래로 내린 후 공압을 분사하여 스페로이드를 제작하였다. 분사가 완료되면, 다시 노즐이 위로 상승하여 다음 위치와 현 위치의 차이를 이용해 다음 위치로 바로 이동을 한 후, 같은 방식으로 바이오잉크를 분사하여 스페로이드를 제작하였다. 이 과정을 계속 반복하여 반원의 궤도를 모두 돌게 되면, 초기 반지름에서 0.3mm 줄어든 반지름 22.7mm 원주 상에 스페로이드 개수를 한 개 줄여 89개의 스페로이드를 제조하도록 삼각함수를 사용하여 노즐이 위치해야 하는 점을 도출하였다. 반원을 돌면서 89개의 스페로이드를 모두 제조하면, 다시 반지름이 0.3mm 줄어든 22.4mm 원에 88개의 스페로이드를 생성하게끔 분사 위치를 도출하였다. 동심원의 가장 작은 반지름인 5.6mm에 도달할 때까지 위 과정을 반복하며, 그 결과 한 batch에서 3000개 이상의 스페로이드를 일괄하여 자동으로 제작할 수 있었다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 반원의 반지름과 제작할 스페로이드의 개수를 줄여가며 연속적으로 스페로이드를 제작할 수 있는 나선 형태의 궤도를 나타낸 도면이다. 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 G-code를 가상으로 확인해주는 CAMotics라는 프로그램을 이용한 인쇄 시뮬레이션 결과를 보여주는 모식도이며, 도 3b는 실제 프린팅을 한 스페로이드의 궤도 사진이다.
실시예 4: 탈세포화된 세포외기질(dECM) 및 알지네이트의 농도비에 따른 스페로이드 제조
바이오 잉크 조성을 조절하기 위해서, 실시예 1의 (1)과 실질적으로 동일한 방법으로 수행하되, 세포를 포함하지 않고, 탈세포화된 세포외 기질 및 알지네이트를 다양한 농도비로 포함하도록 바이오잉크를 제조하였다.
구체적으로, 세포를 사용하지 않고 탈세포화된 세포외 기질을 포함하는 현탁액과 알지네이트만 사용하였다. 현탁액 제조를 위해, 세포 배양 배지 120ul에 탈세포화된 세포외기질 용액 (농도: 2.6%) 400ul를 첨가하여 기포가 생기지 않도록 균일하게 섞었다. 상기 혼합에 의해, 현탁액의 탈세포화된 세포외 기질 농도는 2.0중량%가 되었다. 이를 5개의 그룹으로 나누어 e-tube에 100ul씩 담았다.
탈세포화된 세포외기질의 농도와 알지네이트의 농도가 1:3, 1:2, 1:1, 1:0.5, 및 1:0.33이 되도록, 현탁액과 알지네이트 용액의 혼합 부피비가 1:3, 1:2, 1:1, 1: 0.5, 및 1: 0.33가 되도록, 각각의 튜브에 알지네이트 용액 (농도: 2%)을 각각 300ul, 200ul, 100ul, 50ul, 또는 33.33ul씩 넣어 골고루 섞었다.
한 그룹씩 차례대로 바이오잉크를 주사기로 옮겨 프린터 노즐에 연결하였다. 바이오잉크를 미리 주사기로 옮겨놓으면 시간이 지남에 따라 조성이 불균일해지기 때문에, e-tube에 보관하다가 프린팅하기 직전에 주사기로 옮겨주었다. 모두 동일한 프린팅 조건 하에 프린팅을 하여 스페로이드의 형상이 균일한 비율을 찾았다. 각 실험 별로 스페로이드는 직선 궤도를 따라 8개씩 제작하여 평균적인 모양을 살펴보았다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 잉크 조성물을 구성하는 탈세포화된 세포외기질과 알지네이트의 농도 비율에 따른 세포 스페로이드 제작 결과를 보여주는 실험결과이다. 도 4에 나타나 있는 것과 같이, 탈세포화된 세포외기질과 알지네이트의 농도비가 1:3, 1:2, 1:1 일 때, 즉 알지네이트의 농도가 탈세포화된 세포외기질 농도 이상일 때 스페로이드의 형상이 균일하였다. 이 때, 알지네이트의 비율이 낮을수록 세포 친화도가 높아지므로, 탈세포화된 세포외기질과 알지네이트의 농도비 1:1 내지 1:2, 예를 들어 1:1의 농도비가 스페로이드 제조에 적절함을 알 수 있었다.
실시예 5: 다양한 공압 조건에 따른 스페로이드 제조
스페로이드 제조시의 공압 조건에 따른 변화를 알아보기 위해, 실시예 1의 (1)과 실질적으로 동일한 방법으로 수행하되, 세포를 포함하지 않고, 탈세포화된 세포외 기질 및 알지네이트를 포함하는 바이오잉크를 제조하여 사용하였다.
구체적으로, 실시예 4에서 얻은 dECM과 알지네이트의 비율 (혼합 농도비 1:1)을 가지는 바이오 잉크를 제작하였다. 2 중량% 농도의 알지네이트 260ul과 2.6 중량% 농도의 dECM 200ul 및 세포 배양 배지 60ul을 준비하여 27G 노즐이 연결된 주사기에 주입했다. 공압은 동일하게 0.032초씩 제공하였으며, 공압 크기를 5kPa, 10kPa 내지 100kPa를 10kPa 단위로 바꾸어가며 스페로이드를 제작하였다. 각 실험 별로 스페로이드를 100개씩 제작하여 평균적인 모양을 살펴보았다. 6 well plate에 2ml씩 염화캄슘 용액(0.1M)과 Pluronic F-127 용액(20 중량%)의 혼합 용액을 2ml씩 넣은 후, 한 well 당 100개씩 압력을 다르게 해주며 제작하였고, 총 2 batch 만에 모든 실험군을 제작하였다.
5kPa의 공압을 주었을 때는 압력이 약하다 보니 노즐에서 나오는 꼬리가 형성되어 스페로이드 형상이 균일하지 못하였고, 100kPa의 공압을 주었을 때는 스페로이드는 크기가 너무 컸다. 따라서, 30kPa 내지 40kPa의 공압을 주었을 때 300 내지 350um 크기의 균일한 스페로이드를 대량으로 생산 가능하였다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 다양한 공압 조건으로 인쇄를 수행하여 제조된 스페로이드를 나타낸 도면이다.
실시예 6: 세포생존력 평가
실시예 1에서 제작한 세포 스페로이드에서의 세포 생존능을 측정하였다. 구체적으로 세포는 3가지 종류로 수행하였으며, 즉, EPC 단독, CPC 단독, EPC 및 CPC을 동일 개수비로 혼합한 혼합세포를 사용하였다.
각 세포를 포함하는 스페로이드 제조 후, 스페로이드가 들어 있는 petri dish를 클린벤치로 옮겼다. 염화캄슘(0.1M)과 Pluronic F-127(20 중량%) 혼합 용액을 제거해주기 위해 디쉬를 냉각했다. 혼합 용액의 점도가 흘러갈 정도로 낮아지면 100um cell strainer를 이용하여 스페로이드만을 걸러주었다. 두 번의 세척을 거친 후, 6 well plate에 스페로이드가 포함된 cell strainer를 올렸다. 염화칼슘 농도가 5mM이 되도록 세포 배양 배지에 섞어주고, 각각의 well에 5ml씩 넣어 스페로이드가 충분히 담기도록 하였다. 그 후 하루에 한 번씩 세포 배양 배지를 갈아주었다. 생존능을 보기 위해, 체로 걸러낸 스페로이드를 live/dead assay 용액에 넣어 30분간 인큐베이터에 넣은 후 형광현미경으로 관찰하였다.
도 6a은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 세포 스페로이드 내 세포의 생존능을 보여주는 사진이며, 도 6b는 Day 1 일 차의 생존능을 세포별로 구분하여 나타낸 것이다. Day1과 Day7일 때에 생존능을 보면 대부분의 세포가 살아있는 것을 볼 수 있었다. 이를 통해 스페로이드 내 환경을 세포 친화적 니쉬 환경으로 조성하였음을 알 수 있었다.

Claims (17)

  1. 세포, 탈세포화된 세포외 기질, 및 알지네이트를 포함하는 바이오잉크를 준비하는 단계; 및
    상기 바이오잉크를 분사 노즐로 분사하여 인쇄하는 3차원 프린팅 기법으로 100 내지 500um의 직경을 가지는 복수개의 세포 스페로이드를 연속하여 제조하는 단계를 포함하며,
    상기 바이오잉크는 상기 탈세포화된 세포외 기질 및 상기 알지네이트를 1:1 내지 1:3의 농도비로 포함하며,
    상기 세포 스페로이드를 연속하여 제조하는 단계는, 나선형 궤적을 따라 움직이는 분사 노즐로 바이오잉크를 분사하여, 나선형 궤적에 따라 위치하는 2개 이상의 세포 스페로이드를 연속적으로 형성하는 것인,
    3차원 프린팅법을 이용한 세포 스페로이드의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바이오잉크의 인쇄는 30kPa 내지 40kPa의 공압으로 분사되어 수행되는 것인, 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 바이오잉크는 0.5 내지 5중량% 농도의 탈세포화된 세포외 기질 용액과, 0.5 내지 5중량% 농도의 알지네이트 용액을 포함하는 것인, 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 바이오잉크는, 탈세포화된 세포외 기질 용액과, 알지네이트 용액을 1:0.33 내지 1:3의 부피비로 포함하는 것인, 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 세포 스페로이드는 300 내지 500um의 직경을 가지는 것인, 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 바이오잉크는 27G 노즐을 이용하여 공압시간 0.01 내지 0.1초로 분사되어, 직경 300 내지 500 um 크기의 스페로이드가 제조되는 것인, 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 세포 스페로이드는 바이오잉크가 연속적으로 분사노즐로 분사 및 인쇄되어 2개 이상이 연속적으로 형성되며, 적어도 2개 이상의 동심원 원주에 위치하는 것인 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 세포 스페로이드를 연속하여 제조하는 단계는,
    상기 분사노즐의 나선형 궤적 중 가장 긴 반지름을 가지는 반원의 반지름, 상기 나선형 궤적 중 가장 긴 반지름을 가지는 반원의 원주에 위치하는 스페로이드의 개수, 상기 나선형 궤적 중 가장 짧은 반지름을 가지는 반원의 반지름, 및 상기 나선형 궤적의 원주 간 간격 정보를 결정하는 단계;
    상기 결정된 정보를 이용하여 상기 분사 노즐에 의한 바이오잉크의 분사 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 위치에서 상기 바이오잉크를 인쇄하여 복수개의 세포 스페로이드를 연속하여 제조하는 단계를 포함하는 것인, 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 분사 노즐은 100개 이상의 세포 스페로이드를 연속해서 제조하는 것인, 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 세포는 암세포(cancer cell), 줄기세포(stem cell), 전구세포, 조골세포(osteoblast), 근아세포(myoblast), 건세포(tenocyte), 신경아세포(neuroblast), 섬유아세포(fibroblast), 신경교아세포(glioblast), 배세포(germcell), 간세포(hepatocyte), 신장세포(renal cell), 지대세포(Sertoli cell), 연골세포(chondrocyte), 상피세포(epithelial cell), 심혈관세포, 각질세포(keratinocyte), 평활근세포(smooth muscle cell), 심장세포, 심장근세포(cardiomyocyte), 신경교세포(glial cell), 내피세포(endothelial cell), 호르몬 분비세포, 면역세포, 췌도세포, 췌장섬세포(pancreatic islet cell), 신경세포(neuron), 흉선세포(thymocyte), 지방세포(adipocyte), 폐포세포(alveolar cell), 치아속질세포(dental pulp cell), 난모세포(oocyte), 및 장세포로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인, 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 줄기세포는 중간엽줄기세포, 유도만능줄기세포, 유도만능 줄기세포 기반 인슐린 분비 세포 (insulin producing cells), 유도만능 줄기세포 기반 심장근 세포(cardiomyocyte), 및 유도만능 줄기세포 기반 내피세포로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상인, 제조방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 세포 스페로이드는 약물 시험용 모델인, 제조방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
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