KR20070022212A - Biochip electroporator and its use in multi-site, single-cell electroporation - Google Patents
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Abstract
유전 물질 또는 생물학적으로 흥미있는 분자를 세포로 도입하는 것은 실험 과 이용 목적으로 흥미있는 과정이고, 이를 위해 전기천공은 널리 이용되는 방법이지만, 단일 부착 세포의 전기천공은 아직 미흡하다. 본 발명은 발달의 단계에서 기판에 부착되는 세포의 어떤 종류라도 전기천공할 수 있는 장치를 개시하는데, 여기서 세포를 전기천공하기 위해 전기 신호가 구동되어 배양 중인 단일 부착 세포에 인가된다. 또한, 상기 방법은 본 발명의 장치를 이용하여 단일 부착 세포를 전기천공하는 방법을 개시한다. The introduction of genetic material or biologically interesting molecules into cells is an interesting process for experimentation and use. For this purpose, electroporation is a widely used method, but electroporation of single adherent cells is still insufficient. The present invention discloses a device capable of electroporating any kind of cell attached to a substrate at a stage of development, where an electrical signal is driven and applied to a single adherent cell in culture to electroporate the cell. The method also discloses a method of electroporating single adherent cells using the device of the present invention.
전기천공, 생체칩, 미소전극 Electroporation, Biochip, Microelectrode
Description
본 발명은 발달 단계에서 기판에 부착하는 어떤 세포라도 각각 전기천공할 수 있는 방법과 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and an apparatus that can each electroporate any cell that adheres to a substrate at a development stage.
전기천공(electroporation)은 유전 물질 또는 생물학적으로 흥미있는 분자를 세포 내로 도입하는 데 이용하는 방법으로 널리 이용된다. 세포에 전기 신호를 적용하여 세포막 내에 소공(pores)의 개구(opening)를 생성함으로써, 세포외 용액내 에 있는 분자가 세포로 들어가게 된다.Electroporation is widely used to introduce genetic material or biologically interesting molecules into cells. By applying an electrical signal to the cell to create openings of pores in the cell membrane, molecules in the extracellular solution enter the cell.
많은 전기천공 방법이 확립되었다. 이러한 방법은 다음의 두 종류로 분류될 수 있다:Many electroporation methods have been established. These methods can be divided into two categories:
(i) 세포군의 전기천공법(i) electroporation of cell populations
(ii) 단세포의 전기천공법(ii) single cell electroporation
세포군의 전기천공Electroporation of Cell Population
상기 첫 번째 전기천공법 중에서 가장 많이 이용되고 대표적인, 현탁액(suspension)내 세포군 전기천공은 트립신 등의 효소를 이용하여 배양 기판에서 세포를 제거한 후에 통상적으로 수행하는 것이다. 그 후에, 세포를 전기천공 배지에 현탁하고 두 개의 큰 금속 전극 사이에(전형적으로 2 또는 4 mm의 간격) 높은 전압(1000V 이상)을 인가한다. 세포 혼탁액은 알맞은 배양기로 이송하고, 여기서 세포는 자유로이 가라앉아 배양될 기판 바닥에 부착된다.Most commonly used and representative of the first electroporation method, cell group electroporation in suspension is usually performed after removal of cells from the culture substrate using an enzyme such as trypsin. Thereafter, the cells are suspended in electroporation medium and a high voltage (more than 1000 V) is applied between two large metal electrodes (typically 2 or 4 mm apart). The cell suspension is transferred to a suitable incubator where the cells are free to settle and attach to the bottom of the substrate to be cultured.
이 방법은 몇 가지 문제점이 있다.This method has some problems.
- 각 세포 전역에 활성 전압 강하를 제어할 수 없다. 높은 압력을 인가하는 중에는 전극에 가까운 많은 세포가 파괴되고, 다른 세포는 전극 사이의 전기장 내에 그들의 위치와, 균일하지 않은 인가 전기장의 위치 변화에 따라 다른 정도로 전기천공된다. Cannot control the active voltage drop across each cell During the application of high pressure many cells close to the electrode are destroyed, and other cells are electroporated to different degrees according to their position in the electric field between the electrodes and the change in the position of the non-uniform applied electric field.
- 상기 방법은 세포군에만 이용할 수 있다.The method can only be used for cell populations.
- 부착 기판으로부터 세포를 분리하여야 하므로, 공정 중에 세포를 압박하여 손상을 입힌다. -Cells must be separated from the attached substrate, causing damage to the cells during the process.
단세포의 전기천공Single Cell Electroporation
단세포를 전기천공하는 방법은 미국 특허 제 6,300,108호(Rubinsky et al.)에 개시되었다.Methods for electroporating single cells are disclosed in US Pat. No. 6,300,108 to Rubinsky et al.
상기 방법은 실리콘 미소 칩 내에 통합된 세포 크기의 전기천공 배양기를 이용한다. 우선, 세포를 배양기에 도입하고, 실리콘 기판 내에 있는 개구 상에 배치한 후, 전기천공하고 유전성 구성물을 침투시킨다.The method utilizes a cell sized electroporation incubator integrated into a silicon microchip. First, cells are introduced into the incubator and placed on openings in the silicon substrate, followed by electroporation and penetration of the dielectric construct.
상기 방법은 다음의 몇 가지 문제점이 있다.This method has several problems.
- 시스템 설치가 복잡할 뿐만 아니라, 일련의 많은 "단세포 전기천공장치"를 하나의 미소 칩에 통합하는 것은 아직 달성되지 않았고 본 기술 분야의 현 상태로서도 비용이 많이 들 것이다.Not only is the system installation complex, the integration of a series of many "single cell electroporators" into one microchip has not yet been achieved and will be costly as is the state of the art.
- 세포막을 기판에 확장하여 부착할 수 없으므로, 부착이 필요한 모든 종류의 세포가(세포 대부분 경우) 발생하고 발달하는 것은 불가능하다.Since the cell membrane cannot be extended to attach to the substrate, it is impossible to develop and develop all kinds of cells (most of the cells) that need to be attached.
- 세포를 미소 반응기(microchamber)에 배치하여야 하는데, 이는 어려운 공정이고 세포 배양에 통상적으로 이용하는 프로토콜과 거리가 멀다. Cells should be placed in a microchamber, which is a difficult process and is far from the protocol commonly used for cell culture.
상술한 바와 같이, 상기 문제점을 극복하기 위해 전기천공 장치가 필요한 것은 명백하다. As mentioned above, it is obvious that an electroporation apparatus is needed to overcome the above problem.
본 출원인은 상술한 모든 문제점들을 해결하기 위해서 기판에 부착하는 어떤세포라도 각각 전기천공하는 장치를 발견하였다.The Applicant has found an apparatus for each electroporation of any cell adhering to a substrate in order to solve all the above problems.
따라서, 본 발명의 목적은 파형 생성기와, 일련의 미소전극 및 미리 선택된 생체칩의 단일 미소전극에 신호를 이송하는 것을 인가하는 제어 시스템을 포함하는 전기천공 장치를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide an electroporation apparatus comprising a waveform generator and a control system for applying a signal transfer to a series of microelectrodes and a single microelectrode of a preselected biochip.
본 발명의 또 다른 목적은 고체 기판상에 장착되는 적합한 절연층 상에 포함되는 일련의 미소전극; 상기 미소전극을 스위치 시스템과 전기적으로 연결하는 수단; 상기 고체 기판상에 일련의 미소전극을 포함하는 상기 절연층에 의해 형성되는 표면상에 상기 일련의 미소전극과 접촉하여 세포가 발달하여 부착될 수 있는 세포 배양기를 포함하는 생체칩(13)을 제공하는 것이다.Another object of the invention is a series of microelectrodes included on a suitable insulating layer mounted on a solid substrate; Means for electrically connecting the microelectrode with a switch system; It provides a
본 발명의 또 다른 목적은 상기 장치를 이용하여 세포를 전기천공하는 방법이며, 상기 방법은 적어도 하나의 부착 세포와 동일한 장치로 얻은 전기천공된 세포를 추가로 전기천공하는 것을 포함한다.Another object of the invention is a method of electroporating a cell using the device, the method comprising further electroporation of the electroporated cells obtained with the same device as the at least one adherent cell.
본 발명의 특성과 이점뿐만이 아니라, 상기 목적은 하기 발명의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.In addition to the features and advantages of the present invention, the above object will be better understood from the following detailed description of the invention.
본 발명의 특성은 하기 상세한 설명과, 이를 설명하기 위해 제시되고, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 바람직한 실시예로부터 명백하게 될 것이다. The nature of the invention will be apparent from the following detailed description and the preferred examples which are presented to illustrate it and which do not limit the scope of the invention.
본 발명은 전기적 파형 생성기와, 일련의 미소전극과 신호를 생체칩의 미리 선택된 미소전극으로 이송하는 것을 인가하는 제어 시스템을 포함하는 생체칩을 포함하는 장치를 통해 현행 방법의 문제점을 극복할 수 있다.The present invention can overcome the problems of the current method through an apparatus comprising an electrical waveform generator and a biochip comprising a series of microelectrodes and a control system for transferring a signal to a preselected microelectrode of the biochip. .
바람직하게는, 상기 제어 시스템은 파형 생성기 내에 다양한 파형을 설계할 수 있고 스위치 시스템을 이용하여 미소전극을 선택할 수 있는 소프트웨어 프로그램을 구비하는 개인 컴퓨터로 구성된다.Preferably, the control system consists of a personal computer having a software program capable of designing various waveforms in a waveform generator and selecting a microelectrode using a switch system.
도 1은 개인 컴퓨터 (10), 스위치 시스템 (11), 신호 생성기 (12) 및 생체칩 (13)을 나열하는 본 발명에 따른 장치를 도식적으로 나타낸다.1 diagrammatically shows an apparatus according to the invention listing a
상기 개인 컴퓨터 (10)는 오퍼레이터가 전기천공 공정을 완전히 제어할 수 있도록 인가하고, 생체칩으로 운반될 신호 파형의 형상과 타이밍을 프로그래밍하는 소프트웨어 프로그램을 구비한다. The
본 발명에 따른 장치에 이용되는 전기적 파형 생성기 (12)는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 통상적인 장치이고, 스위치 시스템 (11)은 본 기술분야의 당업자에 의해 쉽게 설계되고 실행될 수 있다.The
일련의 미소전극, 고체 기판상에 있는 적합한 절연층, 상기 일련의 미소전극을 스위치 시스템으로 전기적 연결하는 수단, 및 세포가 발달하여 상기 고체 기판상에 일련의 미소전극을 포함하는 상기 절연층에 의해 형성되는 표면상에 상기 일련의 미소전극과 접촉하여 부착될 수 있는 세포 배양기를 포함하는 생체칩(13)은 하기 바람직한 실시형태에 따라 상세하게 설명될 것이다.By a series of microelectrodes, a suitable insulating layer on a solid substrate, means for electrically connecting said series of microelectrodes to a switch system, and said insulating layer, wherein said cells are developed and comprise a series of microelectrodes on said solid substrate. A
도 2a 및 도 2b는 바람직한 실시 형태로써 본 발명에 따른 생체칩의 구조를 나타낸다. 상기 구조는 참조 번호가 두 방향에서 동일하거나 대응되는 요소를 일컫는 두 도면을 참조하여 설명될 것이다. 2A and 2B show a structure of a biochip according to the present invention as a preferred embodiment. The structure will be described with reference to two figures in which reference numerals refer to the same or corresponding elements in both directions.
도 2a는 생체칩이 유전체 지지대 (21)상에 장착되는 것을 나타내는데, 이를 차례로 살펴보면, 상기 유전체 지지대 (21)상에는 중심부에 위치하는 개구 (26)를 포함하는 세포 배양기 (24)가 장착되고, 고체 기판 (27)상에 전기천공될 세포에 상응하는 크기를 가진 일련의 미소전극을 포함하는 절연층에 의해 형성되는 기저면이 장착되고, 상기 개구 (26)을 부여하는 세포 배양기 (24)에 위치하는 고체 기판 (27)상에 장착되는 절연층 상에 통합되는 상기 일련의 미소전극 (20)이 장착된다. 상기 개구 (26)의 바닥은 일련의 미소전극과 접촉하고 부착하여 세포가 발달하는 생체칩(13)의 상면이다. 상기 일련의 미소전극은 전도성 표지 물질 (28)을 통해 전도성 패드(29)와 전기적 연결되고, 차례로, 상기 전도성 패드(29)는 배선 연결(23)을 통해 개구 (26)을 둘러싸는 세포 배양기(24)의 외부에 미치는 한 쌍의 외부 병렬 커넥터 (22)와 연결된다.Figure 2a shows that the biochip is mounted on the
도 1에 도시한 바와 같이, 생체칩 (13)은 커넥터 (22)에 플러그로 접속되는 전선 등의 연결 수단을 통해 스위치 시스템 (11)과 전기적으로 연결된다. As shown in FIG. 1, the
본 발명의 바람직한 실시 형태에서 유전체 지지대 (21)는 베트로나이트(vetronite)로 구성된다. 유리 또는 세라믹 등의 대응(equivalent) 물질은 제외되지 않는다.In a preferred embodiment of the present invention, the
본 발명의 바람직한 실시 형태에서 생체칩 (13)의 고체 기판은 예를 들면, 알맞은 측면 치수로, 바람직하게는 약 10 mm를 갖는 사각형 등의 적합한 형태를 갖고, SiO2의 유전체층으로 덮이는 실리콘 기판 등의 반도체 기판으로 구성된다. 이러한 장치에 이용할 수 있는 물질은 실리콘만이 아니다. 예를 들면, 유리 또는 다른 투명성 기판도 이용할 수 있다. 그러나, 실리콘은 각 장치의 변수를 정확하게 조절하는 미소 전기공학계에서 유도된 통합 및 반복형 제조 기법이라는 이점을 지닌다.In a preferred embodiment of the present invention, the solid substrate of the
어떤 경우에는, 투명 기판이 바람직하고 이는 세포 관찰을 위해 역상 현미경을 이용한다. In some cases, a transparent substrate is preferred, which uses a reversed phase microscope for cell observation.
절연층 (27)으로 덮이는 고체 기판에 통합되는 치수가 큰(약 1 평방 mm) 두 개의 전극 (25)는 기준 접지(ground reference)의 역할을 한다. 한편, 전기천공 전류와 배선에 대한 냉각 단자(cold terminal)로 작용하고, Ag/AgCl로 구성되는 상기 전극을 접지 전위 기준점으로 포함할 수도 있다. Two
전기천공되는 세포에 상응하는 크기를 갖고 고체 기판을 덮는 절연층에 포함되는 일련의 미소전극(20)에서, 각 미소전극은 스위치 시스템 (11)과 각각 연결되어 있기 때문에 개별적으로 분리되어 가동되므로, 전기천공 공정을 매우 정확하고 시기 적절하게 조절할 수 있다. 미소전극은 전도성 또는 전기용량성 형태를 이용할 수 있다. In the series of
도 2b는 20 개의 미소전극 (20)의 배열을 나타낸다(축척 없음). 여기서, 활성 영역(신호를 세포로 운반하는 영역)을 포함하는 각 미소전극의 길이는 20 ㎛이고, 폭은 20 ㎛이다. 이러한 배열은 많은 활성(stimulating) 위치인, 미소전극의 상대적으로 우수한 균형과, 미소전극의 외부 공급원에 필요한 생체칩의 미소전극 의 상호 연결을 부여한다. 전기천공될 세포의 형태에 따라, 더 많은 수와 밀도의 미소전극을 얻을 수 있다.2B shows the arrangement of twenty microelectrodes 20 (no scale). Here, each microelectrode including the active region (the region carrying the signal to the cell) is 20 mu m in length and 20 mu m in width. This arrangement gives a relatively good balance of the microelectrodes, which are many stimulating positions, and the interconnection of the microelectrodes of the biochip required for an external source of microelectrodes. Depending on the type of cells to be electroporated, more and more microelectrodes can be obtained.
생체칩 상의 세포 부착을 돕기 위해, 세포 배양을 시작하기 전에, 세포 배양기 (24)의 개구 (26) 표면에 유착 분자(예를 들면, 폴리-L-리신)를 도포할 수 있다. 기판을 도장하는 데 많은 유착 분자를 이용할 수 있고, 세포막과, 배양기의 개구에 포함되는 절연층 (27)로 덮이는 반도체 기판 사이에 수십 나노미터의 거리를 두고, 우수한 세포 부착이 가능하다. To aid cell adhesion on the biochip, adhesion molecules (eg, poly-L-lysine) may be applied to the surface of the
세포 크기에 상응하는 크기를 갖는 한, 미소전극은 다른 형상과 치수를 갖을 수 있다. 미소전극은 보통 평면 형태이거나, 일반적으로 표면상에 있는 세포막의 우수한 부착력을 보장하도록 설계된다(보통 총 세포막의 적어도 10 퍼센트가 미소전극과 접촉되어야 함). 미소전극의 치수는 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위에 있다. 상기 미소전극은 필요한 전류/전압 AC 및/또는 DC 신호를 세포로 보낼 수 있는 생체에 적합한 전도성 물질로 구성된다. As long as they have a size corresponding to the cell size, the microelectrodes can have other shapes and dimensions. Microelectrodes are usually planar or generally designed to ensure good adhesion of the cell membrane on the surface (usually at least 10 percent of the total cell membrane should be in contact with the microelectrode). The dimensions of the microelectrodes range from 1 μm to 50 μm. The microelectrode is made of a conductive material suitable for a living body capable of sending the necessary current / voltage AC and / or DC signals to the cell.
전도성 미소전극은 수 개의 생체 적합성 금속 및 합금 중에서 선택되는 물질로 구성될 수 있고, 단일층 또는 다중층일 수 있다.The conductive microelectrode may be composed of a material selected from several biocompatible metals and alloys, and may be a single layer or multiple layers.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 생체칩에 이용되는 바람직한 전도성 미소전극의 바람직한 실시 형태를 나타낸다. 상기 미소전극은 SiO2 절연층 (32)으로 보호되는 실리콘 기판 (31) 상에 구체화된다. 미소전극과 이들에 연결되는 표지물질 (38)은 금층 (37)으로 덮이는, 두 개의 티타늄 니트라이드(TiN) 층 (33) 사이에 알루미늄 층(34)이 삽입되는 "샌드위치 형태"에 의해 이루어진다. 이러한 용액은 티타늄 니트라이드의 우수한 열적 경비 절감 및 생체 적합성과, 알루미늄의 낮은 전기저항을 접목시켜 몇 가지 이점을 지닌다. 미소전극은 SiO2 절연층 (35)에 의해 분리된다. 세포(미소전극을 연결하는 표지물질 (38)을 포함하는)에 직접 노출되지 않는 칩 부분은 실리콘 니트라이드(Si3N4)층 (36)으로 덮어, 미소전극의 활성 영역만이 노출되도록 한다. 이러한 목적으로 SiO2 또는 유기성 중합체 등의 다른 물질을 이용할 수 있다.3 shows a preferred embodiment of the preferred conductive microelectrode used in the biochip of the device according to the present invention. The microelectrode is SiO 2 It is embodied on the
본 발명의 또 다른 실시 형태에서, 전도성 형태의 미소전극은 얇은 절연 물질을 도입하여 미소전극 자체의 활성 영역을 보호할 수 있다. 도 6과 관련하여, 미소전극은 전도층 (61)(금속 또는 반도체 또는 상술한 TiN/Al/TiN의 샌드위치 형상, 이와 동등한 물질과 물질의 혼합물로 구성될 수 있는)과, 전도성 결합을 통해 세포를 전기천공하는 얇은 절연층 (64)(일반적으로, 25 nm 보다 두께가 얇은)을 이용하여 절연성 기판 (60) 상에 형성된다. 미소전극은 절연 물질 (62)에 의해 분리되고 부동화층 (63)에 의한 비노출 영역으로 보호된다.In another embodiment of the present invention, the microelectrode of the conductive type can introduce a thin insulating material to protect the active region of the microelectrode itself. With reference to FIG. 6, the microelectrode comprises a conductive layer 61 (which may be composed of a metal or semiconductor or sandwich form of TiN / Al / TiN described above, equivalent material and mixture of materials), and a cell through conductive coupling. Is formed on the insulating
본 발명에 따른 생체칩의 미소전극의 다른 실시 형태에 따르면, 금속 산화막 반도체(Metal Oxide Semiconductor: MOS) 기법을 이용하여 미소전극을 실행하여, 높은 전극 밀도를 획득할 수 있고, 각 전극은 반도체 메모리 세포와 유사한 방식으로 지정(address)될 수 있다. According to another embodiment of a microelectrode of a biochip according to the present invention, a microelectrode may be implemented by using a metal oxide semiconductor (MOS) technique to obtain a high electrode density, and each electrode may be a semiconductor memory. It may be addressed in a manner similar to a cell.
도 4과 관련하여, 일련의 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)는 p-형 기판 (40)과, 각 트랜지스터의 드레인(drain)과 소스(source)로 구성되는 두 개의 n-도핑 영역 (41, 42) 내에 임플란트하는 통상적인 미소전극 기법으로 실리콘 기판 (40) 상에 구체화된다. 상기 MOSFETs의 게이트 (43)은 n+ 도핑 폴리실리콘에서 실행되고 모든 장치에 행 방향으로 공통된다(워드 라인). 상기 모든 장치의 드레인 (41)은 금속 접촉 플러그(통상 텅스텐으로 실현되는)와 금속선 (44)을 함께 이용하여 열 방향으로 연결된다(비트 라인). 상기 금속은 격리 산화물 (45)로 둘러싸인다. 트랜지스터의 소스 (42)는 금속(대개 텅스텐) 플러그 (46)을 통해 활성 미소전극으로 작용하는 얇은 금층 (47)으로 연결된다. 노출되지 않은 칩의 영역은 패시베니션층 (48)로 보호된다.Referring to FIG. 4, a series of metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) include a p-
p-형 영역을 n-형 영역으로, n 도핑을 p 도핑으로 전환하는 것은 통합의 측면에서 유사한 결과로 상술한 nMOSFET 대신에 pMOSFET을 실행할 수 있다. Switching the p-type region to the n-type region and n doping to p doping can implement a pMOSFET instead of the nMOSFET described above with similar results in terms of integration.
이러한 방법으로, 두 개의 미소전극 사이의 최소 거리는 1 ㎛ 정도로 낮을 수 있으므로, 단세포에 닿아 높은 공간 분해능으로 전기천공할 수 있다.In this way, the minimum distance between the two microelectrodes can be as low as 1 μm, so that they can reach the single cell and be electroporated with high spatial resolution.
도 5는 상술한 일련의 미소전극의 도식도를 나타낸다. 미소전극 (50)은 드레인 (52)가 워드 라인 (53)으로 연결되고, 게이트는 비트 라인 (55)로 연결되는 MOSFETs의 소스 (51)에 연결된다. MOSFET의 게이트는 문턱 전압 VTH 보다 높은 전압 VG을 유지한다면, 드레인은 VD으로 유지되고 소스는 열리게 되고, 나중 소자의 전압은 VD-VTH이다. 이러한 메카니즘은 배열되는 위치를 한정하는 워드 라인 (53)과 비트 라인 (55)의 전압들을 조절함으로써 선택된 MOSFET의 소스 (51)과 연결되는 미소전극 (50)의 전압을 제어하는 데 이용될 수 있다.5 shows a schematic of the series of microelectrodes described above. The
본 발명의 전기천공 장치는 특정한 교착 분자를 필요로 하지 않고 세포 피복, 배치 및 배양에 대한 공정과 독립적이다. The electroporation device of the present invention is independent of the process for cell coating , batching and culturing without the need for specific deadlock molecules.
본 발명에 따른 장치를 통해 하기 이점을 갖는 전기천공이 수행된다.With the device according to the invention electroporation is carried out with the following advantages.
- 부착 세포 상에서 전기천공Electroporation on adherent cells
- 동일한 배지 내에서 다수의 상이한 단세포 상에 전기천공 Electroporation on multiple different single cells in the same medium
- 각 표적 세포에 대해 임의 선택된 전기천공 시기(timing) -Randomly selected electroporation timing for each target cell
- 각 세포/미소전극의 전기적 결합(coupling)을 통해 막을 거슬러 증가하는 전압을 조절함으로써 각 표적 세포에 대해 조절되는 전기천공 정도(즉, 소공수, 소공 크기, 지속 시간)The amount of electroporation controlled (ie pore count, pore size, duration) for each target cell by regulating the voltage increasing across the membrane through electrical coupling of each cell / microelectrode
- 상이한 미소전극들을 커버할 수 있을 정도로 충분히 큰 세포일 경우에, 상이한 미소전극을 이용하여 동일한 세포의 다른 위치에서 전기천공In the case of cells large enough to cover different microelectrodes, electroporation at different locations of the same cell using different microelectrodes
이러한 특성 때문에, 본 발명에 따른 방법은 세포막에 침투할 수 없는 분자의 고속 스크리닝(high throughput screening)에 매우 유용하다. 제약, 유전적 구성물 및 단백질은 동일한 미소 칩 상의 많은 단세포에서 개별적으로 시험할 수 있다. 다른 분자의 운반 및 조합의 시기는 각 표적 세포에 맞출 수 있다.Because of this property, the method according to the invention is very useful for high throughput screening of molecules that cannot penetrate the cell membrane. Pharmaceuticals, genetic constructs and proteins can be tested individually in many single cells on the same microchip. The timing of delivery and combination of different molecules can be tailored to each target cell.
신약의 "발견" 단계에서만이 아니라, 기초 조사(예를 들면, 유전자 기능의 스크리닝)에서도 본 발명에 따른 방법을 이용할 수 있다. 실험 결과물의 실질적 증가와 실험 비용의 감소가 예상된다. 세포 전기천공의 우수한 효능과 제어 때문에, 상기 방법은 형질감염된 세포로부터 제약의 "생산" 단계와 유전자 치료에서도 유용하게 될 것이다. The method according to the invention can be used not only at the "discovery" stage of a new drug, but also at basic examination (eg screening of gene function). Substantial increases in experimental results and reductions in experimental costs are expected. Because of the good efficacy and control of cell electroporation, the method will be useful in the "production" phase of pharmaceuticals and gene therapy from transfected cells.
상술한 전기천공으로 획득할 수 있는 전기천공법은 실질적으로 다음의 단계를 포함한다.The electroporation method obtainable by the above-mentioned electroporation substantially includes the following steps.
- 부착 단계에 이를 때까지 세포를 배양하는 단계;Culturing the cells until the attachment step;
- 상기 세포의 적어도 하나의 단세포에서 전기천공될 배지에 적어도 하나의 화합물을 첨가하는 단계;Adding at least one compound to the medium to be electroporated in at least one single cell of said cell;
- 적어도 하나의 단세포를 선택하고 선택된 단세포가 부착되는 적어도 하나의 미소전극을 선택하는 단계; 및Selecting at least one single cell and selecting at least one microelectrode to which the selected single cell is attached; And
- 상기 적어도 하나의 단세포를 적어도 하나의 화합물로 전기천공하기에 적합한 적어도 하나의 전기 신호를 생성하고, 상기 생성된 전기 신호를 상기 선택된 단세포가 부착되는 미소전극에 보내는 단계Generating at least one electrical signal suitable for electroporation of the at least one single cell with at least one compound and sending the generated electrical signal to the microelectrode to which the selected single cell is attached
도 1은 본 장치를 도식적으로 나타낸다.1 diagrammatically shows the apparatus.
도 2는 본 발명에 따른 생체칩을 나타내는 데, 여기서 2a는 단면도이고, 2b는 평면도이다. Figure 2 shows a biochip according to the present invention, where 2a is a sectional view, 2b is a plan view.
도 3은 본 발명에 따른 전도성 미소전극의 단면도를 나타낸다.3 is a cross-sectional view of a conductive microelectrode according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 일련의 MOSFET 전도성 미소전극의 평면도 및 단면도를 나타낸다.4 shows a plan view and a cross-sectional view of a series of MOSFET conductive microelectrodes according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 일련의 MOSFET 전도성 미소전극을 도식적으로 나타낸다.5 diagrammatically shows a series of MOSFET conductive microelectrodes according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 전기용량성 미소전극의 단면도를 나타낸다.6 shows a cross-sectional view of a capacitive microelectrode according to the invention.
도 7 및 8은 전기천공 구동 신호의 두 개의 특정 파형을 나타낸다. 시간 및 진폭 등의 변수는 하기 실시예에서 설명된다. 7 and 8 show two specific waveforms of the electroporation drive signal. Variables such as time and amplitude are described in the examples below.
이제부터, 본 발명에 따른 장치를 이용하는 방법으로 수행하는 네 가지 실험은 다음 실시예에서 설명될 것이다.Now, four experiments performed by the method using the apparatus according to the present invention will be described in the following examples.
실시예Example 1 : One : CosCos -7 세포를 올리고뉴클레오티드로 형질감염(-7 cells transfected with oligonucleotides ( transfectiontransfection ))
본 실험의 목표는 각 표적 세포를 이중-가닥의 DNA 올리고뉴클레오티드로 형질감염시키는 것이다.The goal of this experiment is to transfect each target cell with double-stranded DNA oligonucleotides.
형광 물질로 표지한 올리고뉴클레오티드를 이용하고, 전기천공 후에 이들의 표적 세포로의 침투 여부는 세포내 형광성의 존재로 감지된다. Using oligonucleotides labeled with a fluorescent material, their penetration into target cells after electroporation is detected by the presence of intracellular fluorescence.
Cos-7 세포는 통상적인 배지를 이용하여 계속 배양한다. 2일 동안 배양한 후에, 트립신화하고, 배지에서 재혼탁하고, 칩 표면의 약 35,000 세포/cm2 의 밀도로 본 발명에 따른 생체칩 세포 배양기 상에서 평판 배양(plating)한다.Cos-7 cells continue to be cultured using conventional media. After incubation for 2 days, trypsinized, resuspended in medium and plated on a biochip cell incubator according to the invention at a density of about 35,000 cells / cm 2 of the chip surface.
평판 배양하기 전에, 칩 표면을 조심스럽게 세척하고, 린스하고, 건조하고, 자외선으로 멸균하였다. 그 후에 2시간 동안 수용액 20 ㎍/ml로부터의 흡착에 의해 생체칩을 폴리-L-리신으로 도막하고 건조하였다. 세포는 37℃, 5% 이산화탄소로 인큐베이트하였다.Prior to plate incubation, the chip surface was carefully washed, rinsed, dried and sterilized by UV light. The biochips were then coated with poly-L-lysine and dried by adsorption from 20 μg / ml aqueous solution for 2 hours. Cells were incubated with 37 ° C., 5% carbon dioxide.
이중-가닥 DNA 올리고뉴클레어티드 87 - 113쌍과 각각이 형광 염료(NED 또는 FAM)로 표지되는 하나의 잔기를 포함하도록 합성하였다. 상기 올리고뉴클레어티드는 합성 중에 물에 용해되어 최종 농도는 약 40 ng/㎕ 이었다. 전기천공하기 전에 올리고뉴클레오티드 용액을 HBS 2x에서 1 : 1로 희석하였다. 상기 배지를 제거한 후에, 올리고뉴클레어티드 용액의 약 60 ㎕을 전기천공하기 직전에 배양기에 도포하였다.Double-stranded DNA oligonucleotides 87-113 pairs were synthesized with one residue each labeled with a fluorescent dye (NED or FAM). The oligonucleotide was dissolved in water during synthesis and the final concentration was about 40 ng / μl. The oligonucleotide solution was diluted 1: 1 in HBS 2 × before electroporation. After removing the medium, about 60 μl of the oligonucleotide solution was applied to the incubator just before electroporation.
하나의 미소전극과 접촉하여 발달하는 각 세포를 현미경으로 관찰하여 확인하였다. 세포와 접촉하는 미소전극 중의 하나를 제어 시스템으로 선택한 후에, 적합한 전기천공 신호를 보내어 각 표적 세포에 대해 동일한 수행을 반복하였다.Each cell developing in contact with one microelectrode was confirmed by observing under a microscope. After selecting one of the microelectrodes in contact with the cells as the control system, the same run was repeated for each target cell by sending the appropriate electroporation signal.
개인 컴퓨터에 의해 구동되는 파형 생성기는 본 발명에 따른 생체칩에 운반되는 전기 신호를 생성한다. 상기 신호는 50Ω 동축 케이블을 통해, 신호를 생체칩의 미리 선택된 단일 미소전극으로 이송하는 것을 인가하는 스위치 시스템으로 보내진다. 외부 병렬 커넥터는 인쇄 회로를 통해 생체칩과 연결된다. 기준접지는 이전의 스위치 접지를 배양된 세포가 존재하는 전해질 용액에 담긴 Ag/AgCl 전극과 연결하여 이루어진다.A waveform generator driven by a personal computer generates an electrical signal carried to a biochip in accordance with the present invention. The signal is sent via a 50 ohm coaxial cable to a switch system that applies the transfer of the signal to a single preselected microelectrode of the biochip. The external parallel connector is connected to the biochip through a printed circuit. The reference ground is made by connecting the previous switch ground with the Ag / AgCl electrode in the electrolyte solution in which the cultured cells are present.
도 7은 전기천공 신호의 파형을 도시한다. 500 ms의 주기로 반복되는 25개의 구형 펄스의 5 열(지속 시간: 1 ms, 상승/하강 시간: 10 ㎲)은 Cos-7 세포의 성공적인 형질감염에 적합한 것으로 알려졌다. 7 shows the waveform of an electroporation signal. Five rows of 25 spherical pulses repeated in a 500 ms cycle (duration: 1 ms, rise / fall time: 10 ms) are known to be suitable for successful transfection of Cos-7 cells.
전기천공 세포를 표준 생리 용액으로 세척하였고, 형광 현미경으로 관찰하였다. 각 표적 세포의 성공적인 형질 감염은 세포 형광성 존재로 확인하였다. 형질감염 후, 세포의 형태를 관찰하여 세포 생존을 24 시간 동안 모니터링하였다.Electroporated cells were washed with standard physiological solution and observed by fluorescence microscopy. Successful transfection of each target cell was confirmed by the presence of cell fluorescent. After transfection, cell survival was monitored for 24 hours by observing the morphology of the cells.
표적 세포의 약 80%는 성공적으로 형질감염되었고, 높은 생존율(50 - 80%)은 6 - 10 V 진폭과 1 - 10 ㎲ 상승/하강 시간의 펄스로 획득되었다.About 80% of the target cells were successfully transfected and high survival rates (50-80%) were obtained with pulses of 6-10 V amplitude and 1-10 Hz rise / fall time.
세포내 형광 강도로부터 판단하는 형질감염 정도는 진폭과 직접 관련하고, 상승 시간과 역관계에 있다. 이와는 반대로, 세포 생존율은 전압 진폭에 따라 감소하였고, 상승 시간에 따라 증가하였다. 열 사이의 주기는 중요하다. 이는 주기가 500 ms 보다 클 경우에는, 형질 감염이 일어나지 않고, 주기가 500 ms 보다 작을 경우에는, 세포 생존율이 실질적으로 감소하였기 때문이다. 형질감염과 세포 생존의 가장 높은 비율의 절충점으로, 본 발명자는 통상적으로 9 V 진폭과 10 ㎲ 상승 시간을 갖는 펄스를 이용하였다.The degree of transfection determined from intracellular fluorescence intensity is directly related to amplitude and inversely related to rise time. In contrast, cell viability decreased with voltage amplitude and increased with rise time. The cycle between rows is important. This is because no transfection occurs when the cycle is larger than 500 ms, and the cell viability is substantially reduced when the cycle is smaller than 500 ms. As a compromise of the highest rate of transfection and cell survival, we typically used pulses with 9 V amplitude and 10 Hz rise time.
실시예Example 2 : 2 : CosCos -7 세포를 DNA 플라스미드 벡터로 형질감염-7 cells transfected with DNA plasmid vector
본 발명에 따른 방법으로 수행되는 또 다른 실험의 목표는 각 표적 세포를 DNA 플라스미드 벡터로 형질감염시키는 것이다.The goal of another experiment carried out by the method according to the invention is to transfect each target cell with a DNA plasmid vector.
본 발명에 따른 장치를 이용하여 각 Cos-7 표적 세포를 녹색 형광성 단백질(GFP)에 대한 플라스미드 벡터로 형질감염하였다. 세포질 내 GFP의 합성은 형광 현미경으로 관찰하였고, 성공적인 형질감염을 나타내었다. Each Cos-7 target cell was transfected with a plasmid vector for green fluorescent protein (GFP) using the device according to the invention. Synthesis of GFP in the cytoplasm was observed under fluorescence microscopy, indicating successful transfection.
플라스미드 벡터를 이용하는 형질감염은 유전자 기능을 조사하기 위해 실험실에서 흔히 이용되는 방법이다.Transfection with plasmid vectors is a commonly used method in laboratories to investigate gene function.
상기 Cos-7 표적 세포는 이전의 실험과 동일하였다.The Cos-7 target cells were the same as in the previous experiment.
GFP 코딩 유전자를 포함하는 Cos-7 세포 5 kB를 이용하였다. DNA를 증폭하고 정화한 후에, 물에서 50 ㎍/ml로 용해하였다. 전기천공하기 전에 DNA 용액을 HBS 2x에서 1 : 1로 희석하였다. 상기 배지를 제거한 후에, DNA 용액의 약 60 ㎕ (25 ㎍/ml)을 전기천공하기 직전에 배양기에 도포하였다.5 kB of Cos-7 cells containing GFP coding genes were used. After amplifying and clarifying the DNA, it was dissolved at 50 μg / ml in water. DNA solution was diluted 1: 1 in HBS 2 × before electroporation. After removing the medium, about 60 μl (25 μg / ml) of DNA solution was applied to the incubator just before electroporation.
표적 세포는 이전의 실시예와 마찬가지로 선택하였다. 이용되는 전기천공 신호의 파형은 열 당 펄스수가 50으로 상승하는 점만을 제외하고 이전 실험과 동일하였다. 48 시간 후에, 형질감염된 표적 세포는 GFP를 발현하는 두 개의 세포에 서 복제 주기 분열(splitting)을 겪었다. GFP 발현의 전형적인 세포질 패턴은 두 개의 세포 모두에서 나타난다. 복제와 본질적인 세포의 운동성 때문에, 두 개의 세포는 모세포만으로 덮이는 미소전극으로부터 다소 이동하였다.Target cells were selected as in the previous example. The waveform of the electroporation signal used was the same as the previous experiment except that the number of pulses per column rose to 50. After 48 hours, the transfected target cells underwent replication cycle splitting in two cells expressing GFP. Typical cytoplasmic patterns of GFP expression are seen in both cells. Because of replication and intrinsic cell motility, the two cells migrated somewhat from the microelectrode, which was covered only with the parental cells.
실시예Example 3 : 3: 플르오레세인Fluorescein (fluoroscein)(fluoroscein) 을of 포함하는 쥐 해마 뉴런의 전기천공 Electroporation of Rat Hippocampal Neurons
세 번째 실험에서는, 본 발명에 따른 방법으로 수행되는 장치를 이용하여 플 르오레세인(fluoroscein)을 포함하는 쥐 해마 뉴런을 전기천공하였다.In a third experiment, mouse hippocampal neurons containing fluoroscein were electroporated using a device performed by the method according to the invention.
잉태 18 일이 된 위스터 쥐(Wistar rats)의 해마로부터 뉴런을 분리하였다 (Banker and Cowan, 1977). 뉴런은 신경교세포를 제거하기 위해 미리 2회 평판 배양하고, 10%(부피) 소태아 혈청(10106078, Gibco)과 1% (부피) 페니실린(15140114, Gibco)이 보충된 글루타맥스(glutamax I)을 포함하는 DMEM (no. 61965026, Gibco, Eggenstein, Germany)에서 현탁하였다(Brewer etal., 1993; Vassanelli and Fromherz, 1998). 최종 농도는 350,000 세포수/mm 이었다.Neurons were isolated from the hippocampus of 18-day-old Wistar rats (Banker and Cowan, 1977). Neurons were plated twice in advance to remove glial cells, and glutamax I supplemented with 10% (volume) fetal bovine serum (10106078, Gibco) and 1% (volume) penicillin (15140114, Gibco). In DMEM (no. 61965026, Gibco, Eggenstein, Germany) containing (Brewer et al., 1993; Vassanelli and Fromherz, 1998). The final concentration was 350,000 cell number / mm.
액체 음식 세제 1% 용액으로 칩 표면을 조심스럽게 세척하고, 밀리-큐 워터(milli-Q water; Millipore, Bedford, MA)로 린스하고, 건조하고 자외선 멸균하였다. 칩은 20 ug/ml 수용액으로부터 1 시간 동안 흡착하여 폴리-L-리신(분자량: 300,000이상; Sigma, Heidelberg, Germany)으로 도막한 후 건조하였다. 본 발명자는 세포 현탁액 350 ㎕을 배양기에 도포하였다. 5% 소태아 혈청이 보충된 글루타맥스 I을 포함하는 LeibovitzL-15 배지(100 ui)(31415029, Gibco)을 첨가하였다. 세포 밀도는 100,000 세포수/cm2이었다. 칩은 37℃, 10% 이산화탄에서 2 시간 동안 유지하였다. 그 후 배지를 제거하고, 2% (부피) B27- 배지(17504036, Gibco)와 1% (부피) 글루타맥스 I (35050038, Gibco) 450 ㎕가 보충된 뉴로계 배지(neurobasal medium; Gibco, 21103049)를 이용하여 세포를 혈청이 없는 배지에서 4 - 7일 동안 배양하였다(Brewer etal., 1993; Evans etal., 1998; Vassanelli and Fromherz, 1998). 최소 6일, 최대 12일 동안 배지에서 존속한 뉴런으로 전기천공을 수행하였 다. The chip surface was carefully washed with a 1% solution of liquid food detergent, rinsed with milli-Q water (Millipore, Bedford, Mass.), Dried and UV sterilized. The chip was adsorbed from a 20 ug / ml aqueous solution for 1 hour, coated with poly-L-lysine (molecular weight: 300,000 or more; Sigma, Heidelberg, Germany) and dried. We applied 350 μl of cell suspension to the incubator. LeibovitzL-15 medium (100 ui) (31415029, Gibco) containing Glutamax I supplemented with 5% fetal bovine serum was added. Cell density was 100,000 cells / cm 2 . The chip was kept at 37 ° C., 10% carbon dioxide for 2 hours. The medium was then removed and neurobasal medium (Gibco, 21103049) supplemented with 450 μl of 2% (volume) B27- medium (17504036, Gibco) and 1% (volume) Glutamax I (35050038, Gibco) Cells were cultured in medium without serum for 4-7 days (Brewer et al., 1993; Evans et al., 1998; Vassanelli and Fromherz, 1998). Electroporation was performed with neurons that survived in the medium for a minimum of 6 days and a maximum of 12 days.
플르오레세인을 표준 생리 용액(10 uM)으로 용해하였고, 전기천공하기 직전에 반응기에 도포하였다. 표준 생리 용액으로 2회 세척한 후에, 형광 현미경으로 관찰하였다. Fluorescein was dissolved in standard physiological solution (10 uM) and applied to the reactor just before electroporation. After washing twice with standard physiological solution, fluorescence microscopy was observed.
삼각형 모양 열의 전압을 미소전극에 인가하여 쥐 한 마리의 해마 뉴런을 전기천공하였다. 여기서, 각 삼각 파형은 4 V과 같은 진폭이었고, 하나의 삼각 존속시간은 상승/하강 시간과 같은 1 ms 이었다(도 8 참조). One hippocampal neuron was electroporated by applying a triangular column voltage to the microelectrode. Here, each triangular waveform was an amplitude equal to 4 V, and one triangular duration was 1 ms equal to the rise / fall time (see FIG. 8).
Cos-7 세포 및 수많은 세포주와는 반대로, 뉴런은 흥분성 세포이고, 전기천공 중에 전기적 활성의 원치않는 자극이 제한되어야 한다. 본 발명자는 i) 열 당 펄스 수를 감소하고(Cos-7 세포에서 이용된 25 또는 50 대신 10개의 펄스 수), ii) 열 사이의 간격을 증가하고(500 ms 대신 5 s) 및 iii) 삼각형 전압을 이용하여, 원치않는 자극을 감소하였다. In contrast to Cos-7 cells and numerous cell lines, neurons are excitatory cells and unwanted stimulation of electrical activity during electroporation should be limited. The inventors have found that i) decrease the number of pulses per column (10 pulses instead of 25 or 50 used in Cos-7 cells), ii) increase the spacing between rows (5 s instead of 500 ms) and iii) triangles. The voltage was used to reduce unwanted stimuli.
실시예Example 4 : 기천공 중에 전기생리적 활성 ( 4: Electrophysiological activity during perforation ( CosCos -7 세포 및 쥐 해마 뉴런)-7 cells and rat hippocampal neurons)
표적 세포를 조각 집게 전극(patch-clamp electrode)과 접촉하였다. 전체 세포 배치를 정한 후에, 세포의 세포내 전위를 모니터링하였다. 적합한 전기천공 신호를 대응되는 미소전극에 인가하여, 세포내 과도 전압을 0 mV 까지 유도하였다(세포 전위는 약 -70 mV인 음의 값이다). 전기천공 소공 형성과, 접지된 외부 전해질과 계속되는 전기적 상호 작용 때문에, 과도 전압은 서서히 감소하였고, 세포는 1 - 2분 이내에 휴지 전위로 완전히 회복하였다. 이는 소공을 재봉(resealing) 하는 데 필요한 시간인 것으로 여겨진다. 또한, 소공 형성은 외부 전해질로부터 세포내로의 플르오레세인(작은 형광 염료) 침투에 의해 확인되었다.Target cells were contacted with a patch-clamp electrode. After defining the total cell layout, the intracellular potential of the cells was monitored. Appropriate electroporation signals were applied to the corresponding microelectrodes to induce intracellular transient voltages up to 0 mV (cell potential is negative, about −70 mV). Due to the electroporation pore formation and continued electrical interaction with the grounded external electrolyte, the transient voltage slowly decreased and the cells fully recovered to rest potential within 1-2 minutes. This is believed to be the time required to reseal the pores. Pore formation was also confirmed by penetration of fluorescein (small fluorescent dye) into the cell from the external electrolyte.
본 발명에 따른 장치로 수행하는 전기천공과 이에 적합한 전기천공 신호는 전체 조각 집게 기록 세션 중에(통상적으로 20 - 30 분) 세포 손상에 대한 어떠한 전기생리학적 신호 없이 반복할 수 있다. The electroporation and suitable electroporation signals performed with the device according to the invention can be repeated without any electrophysiological signal for cell damage during the entire fragment recording session (typically 20-30 minutes).
예측한 바와 같이, 전기천공에 의해 유도되는 세포내 과도 전압의 진폭과 휴지 전위로의 회복 시간은 인가되는 전기천공 신호에 따라 변한다.As expected, the amplitude of the intracellular transient voltage induced by electroporation and the recovery time to rest potential vary with the applied electroporation signal.
여기 상술한 결과는 본 발명에 따른 장치와 방법에 의해 다양한 화합물로 많은 종류의 세포를 효과적으로 전기천공하여, 본 발명의 목적을 수행할 수 있음을 증명한다. 본 발명의 범위 내에서 본 발명의 실시 형태뿐만이 아니라, 추가적 실행 또는 응용을 고려할 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게 자명할 것이다.The above-described results demonstrate that the apparatus and method according to the present invention can effectively electroporate many kinds of cells with various compounds, thereby accomplishing the object of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that, within the scope of the present invention, not only embodiments of the present invention, but additional implementations or applications may be considered.
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