KR20070033685A - 3D cell culture system using microfluidic technology - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로플루이딕스(microfluidics) 기반 3차원 미세세포 배양 및 분석 시스템(3-dimensional microfluidic cell chip)에 관한 것으로, 보다 구체적으로 졸-겔(sol-gel) 상변이가 일어나는 물질, 배지 및 시약 주입구, 졸-겔 상변이를 일으키는 물질 및 세포 주입구, 상변이 조절 유체 주입구, 주채널(main channel), 유체 배출구로 이루어진 미세 유체 세포 칩에 관한 것이다. 본 발명의 미세 유체 세포 칩은 미세 유체 세포 칩내로 배지 및 시약을 주입함으로써 세포배양과 동시에 다양한 세포기반분석이 가능하여 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설, 독성 등의 분석 및 스크리닝에 이용될 수 있다.The present invention relates to a three-dimensional microfluidic cell chip and a microfluidics-based three-dimensional microfluidic cell chip, and more specifically, sol-gel phase change material, media and reagents The present invention relates to a microfluidic cell chip comprising an inlet, a substance causing a sol-gel phase shift, and a cell inlet, a phase change control fluid inlet, a main channel, and a fluid outlet. The microfluidic cell chip of the present invention can be used for analysis and screening of drug absorption, distribution, metabolism, excretion, toxicity, etc. by injecting a medium and a reagent into the microfluidic cell chip, and at the same time as cell culture. have.
3차원 미세세포 배양 및 분석 시스템, 미세유체 세포 칩, 졸-겔(sol-gel) 상변이 3D microcell culture and analysis system, microfluidic cell chip, sol-gel phase change
Description
도 1은 상변이 조절 유체 주입구를 포함한 3차원적 미세세포 배양 시스템의 개요도이고,1 is a schematic diagram of a three-dimensional microcellular culture system including a phase change control fluid inlet,
도 1a는 상변이 조절 유체 주입구를 포함한 3차원적 미세세포 동시배양 시스템의 개요도이고,Figure 1a is a schematic diagram of a three-dimensional microcell co-culture system including a phase change control fluid inlet,
도 2는 상변이 조절 유체 주입구를 포함하지 않는 3 차원적 미세세포 배양 시스템의 개요도이고.2 is a schematic diagram of a three-dimensional microcell culture system that does not include a phase change control fluid inlet.
도 2a는 상변이 조절 유체 주입구를 포함하지 않는 3 차원적 미세세포 동시배양 시스템의 개요도이고,2A is a schematic diagram of a three-dimensional microcell co-culture system without a phase change control fluid inlet,
도 3은 도 1의 변형된 3 차원적 미세세포 배양 시스템의 개요도이고,3 is a schematic diagram of the modified three-dimensional microcell culture system of FIG.
도 4는 도 1의 변형된 3 차원적 미세세포 동시배양 시스템의 개요도이고,4 is a schematic of the modified three-dimensional microcell coculture system of FIG. 1,
도 5는 도 1의 변형된 3차원적 미세세포 동시배양 시스템의 개요도이고,5 is a schematic diagram of the modified three-dimensional microcell co-culture system of FIG.
도 6은 동맥경화를 모사한 3차원적 미세세포 배양 시스템의 개요도이고,6 is a schematic diagram of a three-dimensional microcellular culture system that simulates arteriosclerosis,
도 7은 도 2의 변형된 3차원적 미세세포 동시배양 시스템의 개요도이고,7 is a schematic diagram of the modified three-dimensional microcell co-culture system of FIG.
도 8은 대량발굴탐색(HTS; high throughput screening)을 위한 도 1의 3차원적 미세세포 배양 시스템의 어레이(array) 개요도이고,8 is an array schematic of the three-dimensional microcell culture system of FIG. 1 for high throughput screening (HTS), FIG.
도 9는 3차원 미세세포배양 시스템의 제작 단면도이다.9 is a cross-sectional view of a three-dimensional microcellular culture system.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1, 2 : 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 주입구 1, 2: injection material, medium and reagent inlet
3, 4 : 졸-겔 상변이가 일어나는 물질과 세포 주입구 3, 4: injection material and cell in which sol-gel phase change occurs
5 : 상변이 조절 유체 주입구 5: phase change control fluid inlet
6 : 측면에서 본 도식화된 주입구6: Schematic inlet viewed from the side
7 : 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 주입구와 주채널을 연결하는 통로7: Pathway connecting the main channel with the substance, medium, and reagent inlet for causing phase change
8 : 상변이 조절 유체 주입구와 주채널을 연결하는 통로 8: passage for connecting the phase change control fluid inlet to the main channel
9 : 졸-겔 상변이가 일어나는 물질과 세포 주입구와 주채널을 연결하는 통로 9: Pathway that connects the main channel with the cell injection port and the substance causing sol-gel phase change
10 : 측면에서 본 도식화된 배출구10: schematic outlet from the side
11~ 36: 유체 배출구 11 to 36: fluid outlet
37 : 주채널(Main Channel)의 좌쪽37: Left side of the main channel
38 : 주채널(Main Channel)의 중앙부38: center portion of the main channel
39 : 주채널(Main Channel)의 우쪽39: Right side of the main channel
40: 측면에서 본 도식화된 주채널40: Schematic main channel from the side
41~55: 졸-겔 상전이 물질의 띠 모양으로 형성된 겔 41-55: A gel formed into a strip of sol-gel phase change material
56: 주채널(main channel) 사등분의 첫 번째56: first of the main channel quadrant
57: 주채널(main channel) 사등분의 두 번째57: second quarter of main channel
58: 주채널(main channel) 사등분의 세 번째58: third of the main channel quadrant
59: 주채널(main channel) 사등분의 네 번째59: fourth of the main channel quadrant
61: 세포 A61: cell A
62: 세포 B62: cell B
66: HTS 상변이 유체조절 주입 포트66: HTS Phase Change Fluid Control Injection Port
67: HTS 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 A 포트67: Substance, medium, and reagent A port causing HTS phase change
68: HTS 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 B 포트68: Substance, Medium, and Reagent B Ports That Cause HTS Phase Mutations
69: HTS 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 C 포트69: Substance, medium, and reagent C port for HTS phase change
70: HTS 유체분배 채널70: HTS fluid distribution channel
71: 슬라이드 글라스71: slide glass
72: 투명 플레이트 72: transparent plate
본 발명은 마이크로플루이딕스(microfluidics) 기반 3차원 미세세포 배양 및 분석 시스템(3-dimensional microfluidic cell chip)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 졸-겔(sol-gel) 상변이가 일어나는 물질, 배지 및 시약 주입구, 졸-겔 상변이를 일으키는 물질 및 세포 주입구, 상변이 조절 유체 주입구, 주채널(main channel), 유체 배출구로 이루어진 미세 유체 세포 칩에 관한 것이다. The present invention relates to a three-dimensional microfluidic cell chip and a microfluidics-based three-dimensional microfluidic cell chip, and more specifically, a sol-gel phase change occurs, a medium, and The present invention relates to a microfluidic cell chip comprising a reagent inlet, a substance and cell inducing sol-gel phase change, a phase change control fluid inlet, a main channel, and a fluid outlet.
유전체학 및 단백체학 발전에 힘입어 생물학적 컨텐츠를 개발, 발굴하는데 이용되는 바이오융합 기술의 발전은 신약개발의 패러다임을 변화시켰다. 이 중, 세포기반 분석기술(cell-based assay)은 신약개발 과정에 있어서 가장 어려운 부분 중의 하나로 여겨지는 전 임상이전의 제2차 스크리닝 단계에 있어서, 저분자 화합물 라이브러리의 발굴, 독성 판별 등을 수행함으로써 신약 타겟의 검증에 소요되는 비용과 시간을 절약할 수 있는 중요한 분석기법이다. 기존의 생화학적 분석법은 단위 분자간의 반응에 대한 정보를 주는 반면, 세포기반 분석은 세포 내 총체적인 기능을 스크리닝할 수 있다는 장점이 있고 지난 5년 동안 세포기반 분석법은 전체 분석 시장 규모에 있어서 약 40%를 차지하였으며, 스크리닝 패러다임의 변화에 의해 수년 내에 71%에 이를 것으로 전망하고 있으므로(2002년 10월 san Diego에서 열린 IBC LIFE Science's Cell-based Assays Conference), 세포기반 분석기술의 향상을 위한 기술 플랫폼의 개발은 상당한 가치를 지닌다고 볼 수 있다. With the development of genomics and proteomics, the development of biofusion technologies used to develop and discover biological content has changed the paradigm of drug development. Among them, the cell-based assay is performed in the second screening stage before preclinical treatment, which is considered one of the most difficult parts in the new drug development process. It is an important analytical method that can save the cost and time required to verify the drug target. Conventional biochemical assays provide information on the response between unit molecules, while cell-based assays have the advantage of screening the overall function of cells, and cell-based assays have been around 40% of the total market size for the past five years. It is expected to reach 71% within a few years due to the change of screening paradigm (IBC LIFE Science's Cell-based Assays Conference held in San Diego in October 2002). Development can be seen as having significant value.
현재 가장 널리 사용되고 있는 세포기반 분석방법은 웰 플레이트(well plate)에서 세포를 배양하고 약물을 주입함으로써 세포의 활성도(viability) 등을 분석하여 약물의 효능 및 특성을 알아내는 것이다(DDT, 6: 357-366, 2001). 이러한 세포배양법은 플레이트의 표면 개선 및 바이오 센서를 통합하려는 시도(미국특허 4,224,413; 미국특허 6,852,525; J. Artif. Organs, 6: 130-137, 2003)들을 통하여 보다 더 세포배양에 적합하고 분석이 용이하도록 발전되어 왔다. 또한, 최근 바이오 메디컬 분야에서 사용되는 초소형 전자기계시스템인 DNA칩, 단백질칩, 일체형칩 등을 일컫는 바이오멤스(Bio-MEMS) 분야의 발전으로 미세한 세포배양환경을 제공할 수 있음에 따라, 미세유체채널(microfluidic channel) 내에서 세포배양을 하여 생체내의 환경과 유사하도록 만들어주는 세포배양법의 새로운 패러다임이 시도되고 있다(Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96: 5545-5548, 1999; Anal. Chem., 74: 1560-1564, 2002; Biotechnol. Prog., 20: 338-345, 2004; Biomed. Microdevices, 4: 161-166, 2002). 그러나 최근 논문보고에 따르면 2차원(monolayer) 세포배양시, 3차원적 세포배양을 했을 때보다 세포의 기능이 떨어지고 형태(morphology)도 현저히 달라진다는 보고들이 있었다(Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100: 1943-1948, 2003; Cell, 111: 923-925, 2002; Cancer Cell 2: 205-216, 2002). 이러한 관점에서 볼 때, 웰 플레이트(well plate) 방식의 세포기반 분석방법(monolayer cell culture assay)은 신약개발 및 다양한 생물학 실험에서 신빙성 있는 자료를 제시하는데 한계를 가지고 있기 때문에, 최근에는 세포기반 분석(cell-based assay)에 조직공학(tissue engineering) 기술이 이용되어야 할 필요성이 부각되고 있다. Currently, the most widely used cell-based assay method is to find out the efficacy and characteristics of drugs by culturing cells in well plates and injecting drugs to analyze the viability of the cells (DDT, 6: 357). -366, 2001). This cell culture method is more suitable for cell culture and easier to analyze through attempts to improve the surface of plates and integrate biosensors (US Pat. No. 4,224,413; US Pat. No. 6,852,525; J. Artif. Organs, 6: 130-137, 2003). Has been developed. In addition, micro-fluids can be provided through the development of the Bio-MEMS field, which refers to DNA chips, protein chips, and integrated chips, which are micro-electromechanical systems used in the biomedical field. New paradigms of cell culture have been attempted to culture cells in microfluidic channels to make them resemble the environment in vivo (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96: 5545-5548, 1999; Anal. Chem , 74: 1560-1564, 2002; Biotechnol.Prog., 20: 338-345, 2004; Biomed.Microdevices, 4: 161-166, 2002). However, according to a recent paper, there have been reports that in monolayer cell culture, the cell function and morphology are significantly different than in three-dimensional cell culture (Proc. Natl. Acad. Sci. USA). , 100: 1943-1948, 2003; Cell, 111: 923-925, 2002; Cancer Cell 2: 205-216, 2002). From this point of view, the well-layered monolayer cell culture assay has been limited in presenting reliable data in drug development and various biological experiments. There is a growing need for tissue engineering techniques to be used in cell-based assays.
조직공학은 1907년 Harrison의 개구리 배아로부터 신경섬유를 형성시킨 획기적 실험결과(Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 4: 140, 1907) 이후로 1980년대 후반까지 부착 의존성세포(anchorage dependent cell)에 적절한 지지대(scaffold)를 형성시켜 줌으로써 삼차원적으로 세포를 배양하는 기법이 점진적으로 발전되어 왔다(Tissue Engineering, 6: 641-650, 2000). 최근 합성 폴리머(synthetic polymer), 세라믹(ceramics), 거즈(gauze), 하이드로겔(hydrogel) 등 다양한 물질이 세포에 적합한 지지대로 개발되고 생체내의 조직을 모사하려는 시도(미국 특허 6,759,245; 미국 특허 6,465,000; 미국 특허 6,803,037; 대한민국특허 공개번호 10-2002- 0023441; 대한민국특허 공개번호 10-2005-0040187; 대한민국특허 공개번호 10-0483863)가 이루어져 조직배양된 피부와 연골은 임상 단계(Science, 284: 422, 1999)까지 이루어졌지만, 간이나 신장과 같은 매우 작고 다양한 세포층으로 이루어진 장기는 현재의 조직공학기술만으로는 생체모사를 하기 힘든 실정이므로 미세유체제어기술(microfluidics technology) 및 미세구조물제작기술과 같은 바이오 융합기술이 절실히 필요한 시점이다.Tissue engineering was based on the results of a breakthrough in the formation of nerve fibers from Harrison's frog embryos in 1907 (Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 4: 140, 1907) until the late 1980s. Techniques for culturing cells in three dimensions have been progressively developed by forming appropriate scaffolds (Tissue Engineering, 6: 641-650, 2000). Recently, various materials such as synthetic polymers, ceramics, gauze, hydrogels, etc. have been developed with support suitable for cells and attempts to mimic tissue in vivo (US Pat. No. 6,759,245; US Pat. No. 6,465,000; US Pat. No. 6,803,037; Korean Patent Publication No. 10-2002- 0023441; Korean Patent Publication No. 10-2005-0040187; Korean Patent Publication No. 10-0483863) and the tissue cultured skin and cartilage is clinical stage (Science, 284: 422, 1999), but the organs consisting of very small and diverse cell layers such as the liver and kidneys are difficult to simulate in vivo using current tissue engineering techniques. Therefore, bio-fusion technologies such as microfluidics technology and microstructure manufacturing technology This is a desperate need.
이에, 본 발명자들은 졸-겔(sol-gel) 상변이가 일어나는 물질을 사용하여 생체내 환경과 유사한 3차원적 미세 세포배양 시스템을 제작하여 상기 시스템을 이용하여 세포배양과 동시에 다양한 세포기반분석이 가능함을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have made a three-dimensional micro-cell culture system similar to the in vivo environment using a material that causes sol-gel phase variation, and the cell culture and various cell-based assays are simultaneously performed using the system. The present invention has been completed by confirming that it is possible.
본 발명의 목적은 생체내 환경의 모사를 극대화하여 세포기반 분석(cell-based assay)의 신빙성을 높이기 위한 것으로, 마이크로플루이딕스(microfluidics)를 이용하고 졸-겔(sol-gel) 상변이가 일어나는 물질을 사용하여 3차원적 미세 세포배양이 가능한 세포칩(cell chip)을 제작하는 방법과 이를 이용한 미세세포분석 시스템의 응용기술을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to maximize the simulation of the in vivo environment to increase the reliability of cell-based assays, using microfluidics and sol-gel phase mutations It is to provide a method of manufacturing a cell chip (cell chip) capable of three-dimensional micro-cell culture using the material and an application technology of the micro-cell analysis system using the same.
또한, 본 발명의 3차원적 미세세포 배양 시스템을 통하여 3차원 미세 세포배양환경(구조물)을 만들어 주고, 주입부를 통해 원하는 유체를 흘려줌으로써 신약개 발, 독성 실험 및 다양한 생물학적 실험을 세포배양과 동시에 수행할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, by creating a three-dimensional micro-cell culture environment (structure) through the three-dimensional micro-cell culture system of the present invention, by flowing the desired fluid through the injection portion, new drug development, toxicity experiments and various biological experiments at the same time as the cell culture It is aimed to provide a technique that can be performed.
본 발명은 미세 유체채널에서 3차원 겔을 형성시켜 세포배양 및 세포기반분석(cell-based assay)이 가능한 3차원 미세 세포배양 시스템을 제공한다. The present invention provides a three-dimensional microcellular culture system capable of cell culture and cell-based assay by forming a three-dimensional gel in the microfluidic channel.
또한, 본 발명은 상기 3차원 미세 세포배양 시스템을 이용한 세포기반 분석 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a cell-based analysis method using the three-dimensional micro-cell culture system.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 한 개 이상의 미세 유체채널에서 졸-겔(sol-gel) 상변이를 일으키는 물질과 상변이가 일어나는 물질/세포가 접촉하여 3차원 겔을 형성함에 따라 겔 내에 세포가 존재하게 되어 세포배양 및 세포기반분석(cell-based assay)이 가능한 3차원 미세 세포배양 시스템을 제공한다. The present invention provides a cell culture by allowing cells to exist in a gel as the substance causing the sol-gel phase change and the substance / cell in which the phase change occurs in contact with one or more microfluidic channels form a three-dimensional gel. And it provides a three-dimensional micro-cell culture system capable of cell-based assay (cell-based assay).
본 발명의 3차원 미세 세포배양 시스템의 기본 원리는 다음과 같다. 상변이가 일어나는 물질(유체)과 상변이를 일으키는 물질(유체)이 만나면 상변이가 일어나는 물질이 졸(sol) 상태에서 겔(gel) 상태로 바뀌게 되는데 이때, 상변이가 일어나는 물질에 세포를 함께 섞어 넣게 되면 졸이 겔이 되면서 그 속에 세포가 존재하게 되어(encapsulation) 인체와 흡사한 미세유체환경과 세포외 기질이 풍부한 3차원적 세포배양 조건이 이루어진다. 본 발명에서 졸-겔 상변이를 일으키는 물질과 상변이가 일어나는 물질을 이용하여 3차원 미세 세포배양 환경을 만든다는 데에 요지가 있고 본 발명에서 제시하는 8개의 도에서 약간의 구조의 변화는 이루어질 수 있다는 것을 명시한다. The basic principle of the three-dimensional microcellular culture system of the present invention is as follows. When a substance (fluid) causing a phase change meets a substance (fluid) causing a phase change, the substance causing the phase change is changed from a sol state to a gel state. When mixed, the sol becomes a gel and the cells are encapsulation (encapsulation) to achieve a three-dimensional cell culture conditions rich in microfluidic environment and extracellular matrix similar to the human body. In the present invention, it is important to create a three-dimensional micro-cell culture environment using a substance which causes sol-gel phase shift and a phase shift material, and a slight structural change can be made in the eight degrees shown in the present invention. State that it exists.
도 1은 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 주입구(1, 2), 졸-겔 상변이가 일어나는 물질과 세포 주입구(3), 상변이 조절 유체 주입구(5), 유체 배출구(11, 12, 13), 주채널(main channel)의 좌(37), 중(38), 우(39), 삼차원적 띠 모양을 이룬 겔(41), 세포(61)로 이루어져 있다. 먼저 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 주입구(1, 2)와 상변이 조절 유체 주입구(5) 각각에 상변이를 일으키는 물질과 상변이 조절 유체를 흘려주어 상변이 조절 유체가 상변이를 일으키는 유체를 주채널의 양 벽면쪽으로 포커싱(focusing)해 주도록 한다. 그 후에, 졸-겔 상변이가 일어나는 물질과 세포 주입구(3)에 상변이가 일어나는 물질/세포를 흘려주고 이 물질/세포가 유체 배출구(12)에 다다랐을 때 상변이 조절 유체 주입구(5)에 상변이 조절 유체를 점점 줄여나가다가 흘려주지 않으면 두 유체 즉, 상변이를 일으키는 물질과 상변이가 일어나는 물질/세포가 만나는 지점부터 졸(sol) 상태에서 겔(gel) 상태로 바뀌게 된다. 이 때 상변이가 일어나는 물질/세포 유체는 즉시 흘려보내지 않으면 상변이를 일으키는 물질은 상변이가 일어나는 물질/세포의 중앙 쪽으로 계속 확산(diffusion)되면서 겔이 형성되는데, 결국 주채널 중 영역(38)에 3차원 띠 모양의 겔(gel)이 형성됨과 동시에 그 속에 세포가 존재하게 된다. 이 경우 위에 언급된 유체들의 유속을 조절함으로써 띠 모양의 겔 두께를 조절할 수 있다. 1 is a phase inducing material, medium and reagent inlet (1, 2), sol-gel phase change occurs material and cell inlet (3), phase change control fluid inlet (5), fluid outlet (11, 12, 13), left (37), middle (38), right (39) of the main channel, consisting of a three-dimensional band-shaped
도 1a는 도 1과 비교할 때, 주입구 양단이 졸-겔 상변이가 일어나는 물질/세포 주입구(3, 4)이고 중간의 주입구가 졸-겔 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약의 주입구(1)인 경우이다. 상변이 조절 유체 주입을 통해서 졸-겔 상변이가 일어나는 물질/세포를 주채널의 양 벽면쪽으로 포커싱을 해주고 졸-겔 상변이를 일으키는 물질을 흘려준다. 그리고나서, 상변이 조절 유체를 천천히 줄여나가다가 흘려주지 않으면 위의 두 유체가 만나는 지점부터 졸(sol) 상태에서 겔(gel) 상태로 바뀌게 된다. 이 때 상변이가 일어나는 물질/세포 유체를 흘려주지 않으면 상변이를 일으키는 물질은 상변이가 일어나는 물질/세포의 안쪽으로 계속 확산(diffusion)되면서 겔이 형성되고, 결국 주채널 좌(37), 우(39)영역에 삼차원 띠 모양의 겔(gel)이 형성됨과 동시에 그 속에 세포가 존재하게 된다. FIG. 1A is an inlet (1) of a substance, a medium and a reagent in which both ends of the inlet are sol-gel phase transitions (3, 4) and the middle inlet is a sol-gel phase transition, as compared to FIG. If Phase change control fluid injection focuses the substance / cell on which the sol-gel phase change occurs to both walls of the main channel and flows the substance causing the sol-gel phase change. Then, if the phase change slowly decreases the control fluid and does not flow, from the point where the two fluids meet, the sol state changes from a sol state to a gel state. At this time, if the material / cell fluid in which the phase change occurs is not flowed, the material causing the phase change continues to diffuse into the inside of the material / cell in which the phase change occurs, and a gel is formed. In the (39) region, a three-dimensional band-shaped gel is formed and cells are present therein.
도 2는 도 1과 비슷한 체계로 세포배양이 이루어지는데 차이점은 상변이 조절 유체 주입구가 없다는 것이다. 이 구조에서는 양측의 주입구(1, 2)에 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약을 주입하고 중앙 주입구(3)에 상변이가 일어나는 물질/세포을 주입하여 유체를 흘려준다. 또한 상기 주입구(1, 2, 3)에 위의 유체들을 주입하고 또한, 배출구(17, 18, 19)에서 펌프를 이용하여 유체를 빨아당겨서 주채널의 중앙부(38)에 띠 모양의 겔(44)을 이루도록 할 수도 있다. 이 때, 세포(61)는 겔 속에 존재하게 된다. Figure 2 is a cell culture in a similar scheme to Figure 1, the difference is that there is no phase change control fluid inlet . In this structure, fluids are flowed by injecting a substance, a medium, and a reagent causing a phase change into the
도 2a는 도 2에서 상변이를 일으키는 물질 주입구(1)와 상변이가 일어나는 물질 주입구(3, 4) 자리를 바꾼 것으로 양측의 주입구(1, 2)에 상변이가 일어나는 물질/세포을 주입하고 중앙 주입구(1)에 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약을 주입하여 띠 모양의 겔(45, 46)을 형성시킨다. 형성된 겔들 속에는 각각 세포(61, 62)가 존재하게 된다. FIG. 2A shows that the
도 3은 도 1과 거의 같지만 배출구(23)가 하나인 것을 그 특징으로 하는데 이는 도 1 과 도 2의 구조에서 배출구 혹은 주입구가 약간 다르게 구성될 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 구조는 세포배양이 손쉬운 장점이 있다. Figure 3 is almost the same as Figure 1, but characterized in that the
도 4는 도 1의 졸-겔 상변이가 일어나는 물질/세포주입구가 변형된 구조로써, 주요 겔(gel) 형성시키는 과정은 도 1에서 기술한 것과 같다. 먼저 상변이를 일으키는 유체를 상변이 조절 유체로 주채널의 양 벽면쪽으로 포커싱(focusing) 해준다. 그 후에, 상변이가 일어나는 물질/세포를 흘려주고 이 물질/세포가 배출구(25)에 도달했을 때, 상변이 조절 유체를 점점 줄여나가다가 흘려주지 않으면 두 유체 즉, 상변이를 일으키는 물질과 상변이가 일어나는 물질/세포가 만나는 지점부터 졸(sol) 상태에서 겔(gel) 상태로 바뀌면서 띠 모양의 겔(48, 49)이 형성된다. 한편, 상변이를 일으키는 유체가 포커싱 되면, 먼저 상변이가 일어나는 물질/세포 주입구(3)로 상변이가 일어나는 물질/세포를 먼저 흘려주어 상변이를 일으키는 물질을 통해 띠 모양의 겔(48)을 형성시키고, 다시 포커싱 하고 다른 상변이가 일어나는 물질/세포 주입구(4)로 상변이가 일어나는 물질/세포를 흘려주어 또 다른 겔(49)을 형성시키는 방법을 사용할 수도 있다. 4 is a structure in which the substance / cell inlet in which the sol-gel phase variation of FIG. 1 occurs is modified, and a process of forming a main gel is the same as described in FIG. 1. First, the fluid causing the phase shift is focused to both walls of the main channel with the phase change control fluid. Thereafter, when the substance / cell flows out of the phase change and the substance / cell reaches the
도 5는 도 4의 변형된 구조로써, 도 4에서 한 쌍의 상변이를 일으키는 물질과 상변이가 일어나는 물질의 위치를 서로 바꿈으로써 다른 형태의 겔(50, 51) 모 양을 형성시킬 수 있다. 먼저, 상변이 조절 유체(5)로 주입구 3의 유체를 주채널의 벽면으로 포커싱시키고 주입구 1의 유체를 흘려주어서 띠 모양의 겔(50)을 형성시킨다. 다음으로 주입구 2의 유체를 상변이 조절 유체로 주채널의 벽면으로 포커싱시키고 주입구 4의 유체를 흘려준다. 그리고나서, 상변이 조절 유체(5)를 줄이면서 두 유체를 만나게 함으로써 또 다른 띠 모양의 겔(51)을 형성시킬 수 있다. FIG. 5 is a modified structure of FIG. 4, in which a pair of phase shifting materials and a phase shifting material are positioned in FIG. 4 to form different types of
도 6은 도 2a의 변형된 채널구조를 가진다. 3차원 세포배양 환경을 만드는 방법은 도 2a의 방법과 동일하며 채널 안쪽으로 좁혀진 구조를 만들어 줌으로써 동맥경화를 모사한 세포기반분석이 가능하다.FIG. 6 has a modified channel structure of FIG. 2A. The method of creating a three-dimensional cell culture environment is the same as that of FIG.
도 7은 도 2의 변형된 구조로써 졸-겔 상변이를 일으키는 물질(1, 2)과 졸-겔 상변이가 일어나는 물질/세포(3, 4)가 주채널 (56)~(59) 중, (56), (58) 위치에서 졸-겔 상변이가 일어나서 띠 모양의 3차원 세포환경(54, 55)이 형성된다.FIG. 7 is a modified structure of FIG. 2, in which the substances (1, 2) causing sol-gel phase transition and the substances / cells (3, 4) in which sol-gel phase transition occurs are shown in the
도 8은 도 1의 컴포넌트(component)가 다수 배열된 대량발굴탐색(HTS)을 위한 형태로써, 상변이 조절 유체 주입구(66), 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 주입구(67, 68, 69), 각 물질 및 유체를 전달해 주는 미세채널(70)로 구성되어 있다. 상기 유체 주입구와 미세채널을 통해 도 1의 구조에 유체를 공급해주는 것 외의 3차원 미세 세포배양 환경을 만들어주는 방식은 각각의 컴포넌트에서 상기한 내용과 동일하다. FIG. 8 is a form for mass exploration (HTS) in which a plurality of components of FIG. 1 are arranged, and includes a phase change control
본 발명에 의한 3차원적 미세 세포배양 시스템은 도 1 내지 도 8에 나타난 바와 같이 다양한 구조를 가질 수 있으며 폴리디메틸실록산 (poly(dimethylsiloxane), PDMS), 폴리메틸메타클릴레이트 (polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아크리레이트(polyacrylates), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리실릭 올레핀(polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimides), 폴리우레탄(polyurethanes) 등의 고분자 재질로 제작될 수 있다. 또한, 슬라이드 글라스, 크리스탈 및 유리 글라스로 제작된 광학적 측정이 용이한 플레이트에 접합될 수 있다. 한편, 세포배양의 조건을 극대화하기 위하여 Puramatrix™/세포에 Extracellular matrix(ECM)을 섞어 넣어서 세포의 활성도를 높일 수도 있다. Three-dimensional micro-cell culture system according to the present invention can have a variety of structures as shown in Figure 1 to 8, polydimethylsiloxane (poly (dimethylsiloxane), PDMS), polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate, PMMA) The polymer may be made of polyacrylates, polyacrylates, polycarbonates, polycyclic olefins, polyimides, and polyurethanes. In addition, the optical measurement made of slide glass, crystal and glass glass can be bonded to the plate which is easy. On the other hand, in order to maximize the conditions of cell culture, Puramatrix ™ / cells can be added to the extracellular matrix (ECM) to increase the activity of the cells.
또한, 본 발명은 상기 3차원 미세 세포배양 시스템을 이용한 세포기반 분석 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a cell-based analysis method using the three-dimensional micro-cell culture system.
도 1 및 도 2에서 띠 모양의 겔(41, 44)이 형성되고 나면 유체 주입구(1)에 신약개발물질 혹은 시약을 주입하고 신약개발물질 혹은 시약이 세포에 확산되도록 해주면 시약의 세포대사 물질이 (13)번의 유체 배출구로 빠져 나간다. (13)번 배출구와 질량분석기(MS, mass spectrometry)를 튜브로 연결하면 세포의 대사물질을 바로 분석할 수 있는데, 이는 기존의 세포대사 분석에서 행해지는 채취된 샘플에 대한 단백질 분리정제, 배지 분리정제 등의 수고를 덜 수 있기 때문에 시간과 노동을 줄일 수 있는 큰 장점을 지닌다. 또한, 띠 모양 속에 있는 세포의 활성도(viability)를 형광시약, Trypan-blue 등으로 측정함으로써 독성 실험을 수행할 수 있다. 또한 (1)에 약물 및 신약후보물질, (2)에 PBS (phosphate buffered saline) 혹은 배지를 주입하여 주채널에 약물 및 신약후보물질의 농도 그레디언트 (gradient)를 형성함으로써 약물 농도에 따른 세포의 활성도를 알 수 있다. 추가적으로, (1)과 (2)에 서로 다른 약물 및 신약후보물질을 주입하면 주채널에서 두 약물이 만나게 되고 이를 통해 약물간의 반응을 통한 독성검사도 수행 할 수 있게 된다. 1 and 2, after the band-shaped
도 1a에서 (42), (43)번과 같은 띠 모양의 겔을 형성하게 되고 그 속에는 (61), (62)번과 같은 세포가 존재하게 되는데 띠 모양의 겔 형성은 유속 및 유체를 제어해 줌으로써 두 겔 사이의 거리 및 겔의 크기를 자유자재로 만들 수 있기 때문에 거리에 따른 세포간의 영향(cell-cell interaction)을 알아 볼 수 있는 실험이 가능하다. In FIG. 1A, a band-like gel such as (42) and (43) is formed, and cells such as (61) and (62) are present therein. The band-shaped gel formation controls the flow rate and fluid. The distance between the two gels and the size of the gel can be set freely, so that experiments can be made to examine the cell-cell interaction according to the distance.
도 2a에서 (48), (49)번과 같은 겔을 형성시키면 이는 두 세포주가 떨어져 있지 않고 붙어서 자라는 동시배양이 가능하다. 그리고 (1), (2)번의 주입구에 다른 약물을 주입함으로써 각각의 약물에 대한 독성실험 뿐만 아니라, 약물간의 영향에 따른 독성도 알 수 있다. Forming gels such as (48) and (49) in FIG. 2A enables simultaneous cultures in which two cell lines are not separated but grow together. In addition, by injecting other drugs into the inlet of (1) and (2), not only the toxicity test for each drug, but also the toxicity according to the effects between drugs can be seen.
도 5에서 (50)(51)번과 같은 겔 모양이 형성되면 두 세포주를 같은 환경에서 동시배양을 하면서 (1)과 (2) 주입구에 다른 약물을 주입했을 때, 약물간의 영향에 따른 독성을 규명할 수 있다.In Figure 5, the gel form as shown in (50) (51) is formed when the two cell lines are co-cultured in the same environment while (1) and (2) injecting other drugs into the inlet, the toxicity according to the effects between the drugs I can figure it out.
도 6은 주채널의 중간지점에 폭을 줄임으로써 혈관의 동맥경화를 모사한 것으로 (52), (53)번의 띠 모양이 형성되면 (1)번의 유체의 유속에 따라 전단응력(shear stress)이 세포에 미치는 영향, 유속 변화에 따른 세포의 활성도 등 다양한 혈관관련 실험을 수행할 수 있다. 또한 우리 인체의 다양한 혈관의 치수 및 질환 에 맞게 채널을 디자인 할 수 있기 때문에 혈관질환 연구를 위한 기본 플랫폼으로써 유용하게 사용될 수 있다.6 is a simulation of arteriosclerosis of blood vessels by reducing the width at the mid-point of the main channel. When the bands of (52) and (53) are formed, the shear stress is reduced according to the flow rate of the fluid of (1). Various blood vessel related experiments can be performed such as the effect on the cell and the activity of the cell according to the flow rate. In addition, since the channel can be designed according to the dimensions and diseases of various blood vessels in our body, it can be usefully used as a basic platform for vascular disease research.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1> 3차원 미세 세포배양 시스템의 제작Example 1 Preparation of 3D Micro Cell Culture System
본 발명에 의한 미세 세포배양 시스템의 제작방법은 다음과 같다. 도 9에 나타난 바와 같이. 미세 세포배양 시스템은 미세채널 패턴이 있는 구조물층(72)과 투명플레이트 층(71)이 적층된 구조를 갖는다. 구조물층(72)은 투명하고 탄성을 갖는 PDMS(polydimethylsiloxane)을 이용한 몰딩(molding)방법으로 제작하였다(Anal. Chem. 70, 4974-4984, 1998). 몰딩(molding)을 위한 주형(master)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 기판 위에 감광물질(photoresist)를 패터닝하는 방법을 이용하였다. 감광물질로는 SU-8을 사용하여 폭 300 μm, 높이 50 μm인 마이크로채널(40)을 제작하였다. 이 주형에 경화제와 10:1의 비율로 섞은 pre-PDMS(Sylgard 184, Dow Corning)를 붓고 50℃에서 2시간동안 경화시켰다. 경화 과정을 거친 후 실리콘 웨이퍼에서 PDMS를 떼어내고 그 기판에 구멍을 내어 세포 및 여러 유체물질을 흘려줄 주입구(6)와 배출구(10)를 제작하였다. 이렇게 형성된 플라스틱층과 투명 플레이트(71)를 플라즈마 클리너에서 공기 플라즈마(air plasma)를 이용해 약 10초간 반응하여 산화시키고(Sens. Actuator B Chem., 980-985, 2005), 산화가 된 플레이트와 플라스틱층을 접합시켜서 두 층으로 이루어진 3차원 미세 세포배양 시스템을 완성하였다. Method for producing a micro-cell culture system according to the present invention is as follows. As shown in FIG. 9. The micro cell culture system has a structure in which a
<실시예2> 3차원 미세 세포배양 시스템을 이용한 세포배양법Example 2 Cell Culture Method Using 3D Micro Cell Culture System
졸-겔 상변이가 일어나는 물질로 다양한 펩타이드 스캐폴드(peptide scaffold)의 물질들이 존재하나 본 발명에서는 시판되는 Puramatrix™ (BD Biosciences)를 사용하였고 상변이 조절 유체를 3차 증류수로, 졸-겔 상변이를 일으키는 물질로 세포 배지를 사용하였다. 도 1의 주입구 (1, 2)에 배지(media)를 넣고 주입구(3)에 Puramatrix™와 세포를 섞은 유체를 주입하고, 주입구 (5)에는 3차 증류수를 넣었다. 3차 증류수를 먼저 흘려주고 나서 배지를 흘려주면 주채널의 좌(37), 우(39)의 벽면으로 배지가 벽면으로 붙게 되면서 포커싱이 된다. 그러고 나서 Puramatrix™/세포를 흘려주면 주채널의 중앙으로 층류(laminar flow)를 형성하면서 각 배출구(11, 12, 13)로 흘러나가게 된다. Puramatrix™/세포가 (12)번 배출구에 도달하게 되면 3차 증류수의 유속을 줄여서 배지와 Puramatrix™/세포를 접근시키다가 3차 증류수 공급을 중단하면 양쪽 가에 있는 배지와 Puramatrix™/세포가 만나고 이때 Puramatrix™가 두 유체가 만나는 계면에서부터 졸에서 겔 상태로 바뀌게 되는데 이 때 Puramatrix™/세포를 더 이상 흘려주지 않는다. 양가에 있는 배지는 점점 Puramatrix™/세포의 중앙부로 확산되면서 완전히 Puramatrix™/세포 유체는 겔 상태로 바뀌어 (41)과 같은 띠 모양의 겔이 형성된다. 또한 겔 속 에는 세포(61) 또한 쌓여(encapsulation)있게 되어서 3차원으로 세포배양이 된다. 도 2에서는 상변이 조절 유체가 없다는 것이 다른 점인데 이는 졸-겔 상변이 일으키는 물질 및 일어나는 물질의 농도를 조절함에 따라 겔로 변이되는 시간을 변화시킬 수 있다. 이 구조 역시 유체의 특성은 층류 (laminar flow)로 흘러가기 때문에 계면에서부터 겔로 변하게 되고 시간이 지남에 따라 배지가 확산됨으로써 (44)와 같은 띠 모양의 겔이 형성된다. 띠 모양 및 넓이는 유체를 조절함으로써 원하는 크기로 만들어 진다. There are various peptide scaffolds as sol-gel phase change material, but in the present invention, commercially available Puramatrix ™ (BD Biosciences) was used, and the phase change control fluid was used as tertiary distilled water and sol-gel phase change. Cell medium was used as the substance causing this. In the inlet (1, 2) of FIG. 1, a medium (media) was injected into the inlet (3), and a fluid mixed with Puramatrix ™ was injected, and the inlet (5) was filled with tertiary distilled water. When the distilled water is first flowed and then the medium is flowed, the medium adheres to the wall of the left 37 and the right 39 of the main channel, thereby focusing. Puramatrix ™ / cells are then flowed to each outlet (11, 12, 13) forming a laminar flow into the center of the main channel. When Puramatrix ™ / cell reaches outlet (12), the flow rate of the tertiary distilled water is reduced to access the medium and Puramatrix ™ / cell, and when the tertiary distilled water is stopped, the media on both sides meets Puramatrix ™ / cell. Puramatrix ™ changes from sol to gel at the interface where the two fluids meet, at which point Puramatrix ™ / cells no longer flow. The bilateral medium gradually diffuses into the center of the Puramatrix ™ / cell and the Puramatrix ™ / cell fluid completely turns into a gel, forming a strip of gel like (41). In addition, in the gel, the
<실시예 3> 3차원 미세 세포배양 시스템을 이용해 정제과정을 생략한 세포 대사(metabolism)분석Example 3 Analysis of Cell Metabolism Without the Purification Process Using a Three-Dimensional Microcellular Culture System
상기 <실시예 2>에서와 같이, 도 1 및 도 2에서 띠 모양의 겔(41, 44)이 형성되고 나면 유체 주입구(1)에 신약개발물질 혹은 시약을 주입하고 유체 주입구 (2)에는 PBS(phosphate buffered saline)을 주입한다. 펌프를 통해 두 유체의 유속을 조절해 (37)번 영역의 유압과(39)번 영역의 유압을 조절할 수 있는데 이를 통해서 신약개발물질 혹은 시약이 (39)번 영역에는 미치지 못하고 세포에만 확산되도록 해주면 시약의 세포대사 물질이 (39)번 영역에 흐르는 PBS와 함께 (13)번의 유체 배출구로 빠져 나간다. (13)번 배출구와 질량분석기를 튜브로 연결하면 세포의 대사물질을 바로 분석할 수 있다. 이는 기존의 세포대사 분석에서 행해지는 채취된 샘플에 대한 단백질 분리정제, 배지 분리정제 등의 수고를 덜 수 있기 때문에 시간과 노동을 줄일 수 있는 큰 장점을 지닌다.As in <Example 2>, once the band-shaped
<실시예 4> 3차원 미세 세포배양 시스템을 이용한 독성실험 및 약물간의 반응(drug-drug interaction) 검사<Example 4> Toxicity test and drug-drug interaction test using three-dimensional microcellular culture system
상기 <실시예 2>에서와 같이, (38)번 영역에 세포를 포함한 띠 모양의 겔이 형성되면 유체 주입구(1) 혹은 (2)에 원하는 약물 및 신약후보물질을 흘려주고 띠 모양 속에 있는 세포의 활성도(viability)를 형광시약, Trypan-blue, 등으로 측정함으로써 독성 실험을 수행할 수 있다. 또한 (1)에 약물 및 신약후보물질, (2)에 PBS를 주입하여 주채널에 약물 및 신약후보물질의 농도 그레디언트(gradient)를 형성함으로써 약물 농도에 따른 세포의 활성도를 알 수 있다. 추가적으로, (1)과 (2)에 서로 다른 약물 및 신약후보물질을 주입하면 주채널에서 두 약물이 만나게 되고 이를 통해 약물간의 반응을 통한 독성검사도 수행 할 수 있게 된다. 개개의 약물에서는 독성이 나타나지 않았는데 두 약물의 조합에 의해서 독성을 띠게 되었다면, 띠 모양의 겔 내에서 중간 영역에 위치한 세포만 활성도가 현저히 감소되는 경향성을 보이게 될 것이다. As in <Example 2>, when a band-shaped gel including cells is formed in the area (38), a desired drug and a new drug candidate are flowed into the fluid inlet (1) or (2), and the cells are in the band-like shape. Toxicity experiments can be performed by measuring the viability of the fluorescence reagent, Trypan-blue, and the like. In addition, by injecting drugs and drug candidates in (1) and PBS in (2), the gradients of the drug and drug candidates are formed in the main channel to determine cell activity according to drug concentrations. In addition, when different drugs and new drug candidates are injected into (1) and (2), the two drugs meet in the main channel, and thus the toxicity test through the reaction between drugs can be performed. If the individual drugs were not toxic and were toxic by the combination of the two drugs, only cells located in the middle region in the band-like gel would tend to show a significant decrease in activity.
<실시예5> 3차원 미세 세포동시배양 시스템을 이용한 세포배양법 및 이를 이용한 다양한 독성실험방법Example 5 Cell Culture Method Using Three-Dimensional Microcellular Simultaneous Culture System and Various Toxicity Test Methods Using the Same
본 실시예는 도 1a, 2a, 4 및 5에 관련된 내용으로써 도 1a에 대해 먼저 기술한다. (1)번 주입구에 졸-겔 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약을 넣고 (3), (4)번의 주입구에 Puramatrix™/세포를 넣고, (5)번에 3차 증류수를 주입한 다. 3차 증류수를 흘려주면서 (3), (4)번을 흘려줘서 주채널의 양 벽면쪽으로 Puramatrix™/세포를 포커싱하고나서 (1)번의 배지를 흘려준다. 그리고 나서 3차 증류수 공급을 중단하면 배지와 Puramatrix™/세포가 만나서 (42), (43)번과 같은 띠 모양의 겔을 형성하게 되고 그 속에는 (61), (62)번과 같은 세포가 존재하게 된다. 띠 모양의 겔 형성은 유속 및 유체를 제어해 줌으로써 두 겔 사이의 거리 및 겔의 크기를 자유자재로 만들 수 있기 때문에 거리에 따른 세포간의 영향(cell-cell interaction)을 알아 볼 수 있는 실험이 가능하다. 도 2a는 양쪽 유체 주입구(3), (4)에 Puramatrix™/세포를 주입하고 (1)번에 배지를 주입하여 상기 <실시예 2>에 기술한 과정대로 (37), (39)번 영역에 띠 모양의 겔(45), (46)을 형성한다. 도 4는 (1), (2)번에 배지, (3), (4)번에 Puramatrix™/세포를 주입하고 (5)번에 3차 증류수를 주입한다. 3차 증류수를 흘려줄 때 (1), (2) 번의 유체를 주채널의 벽면으로 포커싱 시킨다. 그리고나서 (3), (4)번의 유체를 흘려주고 3차 증류수 공급을 중단하여 배지와 Puramatrix™/세포를 만나게 해서 (57), (58) 영역에 (48), (49)번과 같은 겔을 형성시킨다. 이는 앞서 기술한 동시 배양법과는 달리 두 세포주가 떨어져 있지 않고 붙어서 자라는 동시배양법이 된다. 그리고 (1), (2)번의 주입구에 다른 약물을 주입함으로써 각각의 약물에 대한 독성실험 뿐만 아니라, 약물간의 영향에 따른 독성도 알 수 있다. 마지막으로 도 5는 3차 증류수(5)를 흘려주고 Puramatrix™/세포(3)를 흘려줘서 주채널의 벽면부에 포커싱을 해주고나서 배지(1)를 흘려준다. 그리고나서 서서히 3차 증류수 공급을 중단하면, (50)번과 같은 띠 모양의 겔을 형성하게 된다. 다시 3차 증류수를 흘려주고 Puramatrix™/세포(4)를 흘려주면서 배지(1), (2)를 흘려준다. 이번에도 역시 3차 증류수를 서서히 끊어주면 Puramatrix™/세포와 배지가 만나서 (58)번 영역에 (51)번과 같은 겔 모양이 형성된다. 이렇게 구현된 동시배양법은 두 세포주를 같은 환경에서 동시배양을 하면서 (1)과 (2) 주입구에 다른 약물을 주입했을 때, 약물간의 영향에 따른 독성을 규명할 수 있다는 점이 다른 동시세포 배양법과 비교할 때 장점으로 들 수 있다. This embodiment is first described with reference to FIGS. 1A, 2A, 4, and 5 with reference to FIG. 1A. Into the inlet (1), the substance, medium, and reagent causing the sol-gel phase change are added to the inlet of (3) and (4), and the third distilled water is injected into (5). Flow (3) and (4) into the 3rd distilled water, focusing Puramatrix ™ / cell on both walls of the main channel, and then (1). The third distilled water supply is then stopped and the medium and Puramatrix ™ / cells meet to form a strip of gel like (42) and (43), with cells like (61) and (62) inside. Done. The band-shaped gel formation allows the distance between the two gels and the size of the gel to be freely controlled by controlling the flow rate and the fluid, so that experiments can be made to examine the cell-cell interaction according to the distance. Do. FIG. 2A illustrates the injection of Puramatrix ™ / cell into both
<실시예 6> 3차원 미세 세포동시배양 시스템을 이용한 혈관질환 관련 실험 Example 6 Experiment Related to Vascular Disease Using 3D Microcellular Simultaneous Culture System
도 6은 도 2의 주채널 구조를 약간 변형한 것으로 도 1의 주채널을 도 6과 같은 형태로 변형하여 같은 효과를 볼 수 있다. 도 6의 구조는 주채널의 중간지점에 폭을 줄임으로써 혈관의 동맥경화를 모사한 것으로, 상기 <실시예 2>에서 기술한 방식대로 수행하였을 경우 (52), (53)번의 띠 모양이 형성된다. (1)번의 유체의 유속에 따라 전단응력(shear stress)이 세포에 미치는 영향, 유속 변화에 따른 세포의 활성도 등 다양한 혈관관련 실험을 수행할 수 있다. 또한 우리 인체의 다양한 혈관의 치수 및 질환에 맞게 채널을 디자인 할 수 있기 때문에 혈관질환 연구를 위한 기본 플랫폼으로써 유용할 것이라 여겨진다. 6 is a slight modification of the structure of the main channel of FIG. 2, and the same effect can be obtained by modifying the main channel of FIG. The structure of FIG. 6 simulates the arteriosclerosis of blood vessels by reducing the width at the midpoint of the main channel, and the bands of (52) and (53) are formed when it is performed in the manner described in <Example 2>. do. Various blood vessel related experiments, such as the effect of shear stress on cells and the activity of cells according to the flow rate, can be performed according to the flow velocity of (1). In addition, since the channel can be designed according to the dimensions and diseases of various blood vessels in our body, it will be useful as a basic platform for vascular disease research.
<실시예 7> HTS (high-throughput screening)용 3차원 미세 세포동시배양 시스템 <Example 7> 3D micro-cell simultaneous culture system for high-throughput screening (HTS)
도 8에서와 같이, 대량발굴탐색(HTS)을 위하여 도 1의 동일한 컴포넌트(component)가 다수 배열된 형태로 미세세포배양시스템을 구성할 수 있다. 즉, 도 8에서와 같이 상변이 조절 유체 주입구(66)에는 3차 증류수를, 상변이를 일으키는 물질, 배지 및 시약 주입구(67, 68, 69)에는 각각 약물 A, B, C를 미세채널(70)을 통해 주입하게 되면 독립된 세포배양 시스템 8개에 대해 약물처리 및 분석실험을 병렬로 수행할 수 있다. 미세제작기술을 이용하면 24, 96, 384, 1536개의 독립된 세포배양시스템을 같은 방식으로 운영할 수 있다. 상기 유체 주입구(66)와 미세채널(70)을 통해 도 1의 구조에 유체를 공급해주는 것 외의 3차원 미세 세포배양 환경을 만들어주는 방식은 각각의 컴포넌트에서 상기한 내용과 동일하다. As shown in FIG. 8, the microcellular culture system may be configured in a form in which a large number of identical components of FIG. 1 are arranged for mass excavation (HTS). That is, as shown in FIG. 8, third distilled water is used in the phase change control
본 발명에 의한 졸-겔(sol-gel) 상변이가 일어나는 물질을 이용한 3차원 미세 세포배양 시스템은 마이크로플루이딕스 기술이 접목된 미세유체채널 내에서 기존의 평면적 세포배양법과 다른 3차원적 세포배양을 동시에 가능하게 함으로써 생체 내의 환경에 가까운 조건 조성으로 세포의 본래기능을 유지시켜줄 수 있는 신개념의 세포배양 시스템이다.The three-dimensional micro-cell culture system using a sol-gel phase change according to the present invention is a three-dimensional cell culture different from the conventional planar cell culture method in the microfluidic channel incorporating the microfluidics technology It is a new concept cell culture system that can maintain the original function of the cell by the condition composition close to the environment in vivo by enabling at the same time.
본 발명의 3차원 미세 세포배양 시스템은 기존의 세포배양법에 비해 수 천 배 적은 양의 배지, 샘플 또는 세포만으로 최적의 조건에서 세포배양 및 분석(cell based assay)이 가능하고, 특히 극미량의 신약후보물질 혹은 시료가 있을 때에도 그 물질에 대한 세포기반분석이 가능하기 때문에 신약개발 및 높은 감도의 세포분석이 필요한 경우에 매우 유용할 것이라 기대된다.The three-dimensional micro-cell culture system of the present invention is capable of cell culture and analysis under optimal conditions using only a few thousand times the amount of medium, sample, or cells compared to conventional cell culture methods, and particularly, a very small amount of new drug candidates. Cell-based analysis of the substance is possible even when there is a substance or sample, which is expected to be very useful when drug development and high sensitivity cell analysis are required.
또한, 활발히 이루어지고 있는 줄기세포 분야의 연구에서 가장 어려운 부분 이 세포의 배양조건이 까다롭다는 것이다. 배양조건의 미세한 차이가 줄기세포의 분화정도에 크게 영향을 미치게 되는데, 이를 해결하기 위해서 현재 사이토카인의 첨가와 배양용기를 세포외 기질(extracellular matrix)로 코팅을 하는 등 다양한 세포배양의 조건이 제시되고 있다. 이런 관점에서 본 발명은 인체와 흡사한 미세유체환경과 세포외 기질이 풍부한 3차원적 세포배양환경을 제공하여 줄기세포의 배양에 도움을 줄 수 있을 것이라 판단된다.In addition, the most difficult part of the active stem cell research is that the culture conditions of the cells are difficult. Minor differences in culture conditions significantly affect the differentiation of stem cells.To solve this problem, various cell culture conditions, such as the addition of cytokines and coating the culture vessels with an extracellular matrix, are suggested. It is becoming. In this regard, the present invention is believed to be able to help stem cell culture by providing a three-dimensional cell culture environment rich in microfluidic environment and extracellular matrix similar to the human body.
혈관질환은 여러 가지 질병의 원인이 되기 때문에 혈관과 연관된 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나 조직공학 분야에서조차도 다양한 인체내의 혈관의 크기를 모사하기가 힘든 실정이기 때문에 혈관질환과 관련된 in vitro 실험의 새로운 플랫폼(platform)이 필요한 상황이다. 본 발명에서는 바이오멤스(Bio-MEMS) 기술과 마이크로플루이딕스(microfluidics)기술의 기반으로 생체내의 혈관크기 뿐만 아니라 동맥경화, 뇌경색 등 다양한 질병까지도 모사하여 원하는 세포를 배양할 수 있기 때문에 혈관질환에 관한 연구에 기본 플랫폼으로 제시될 수 있다.Because vascular diseases cause various diseases, many researches related to blood vessels are ongoing. However, even in the field of tissue engineering, it is difficult to simulate the size of blood vessels in various human bodies. Therefore, a new platform for in vitro experiments involving vascular diseases is needed. In the present invention, based on Bio-MEMS technology and microfluidics technology, it is possible to culture not only the size of blood vessels in vivo but also various diseases such as arteriosclerosis and cerebral infarction. Can be presented as a base platform for research.
본 발명에서는 적어도 한 가지 이상의 세포를 3차원적으로 배양하는 것이 가능하기 때문에 미세환경에서 동시배양을 통한 세포끼리의 커뮤니케이션(cell communication or cell-cell interaction) 효과를 확인할 수 있고, 시료 주입구가 한 개 이상이기 때문에 신약개발에서 중요하게 다루어지는 약물끼리의 영향(drug-drug interaction) 역시 알아볼 수 있는 시스템이다. In the present invention, since it is possible to culture at least one or more cells three-dimensionally, it is possible to confirm the effect of cell communication or cell-cell interaction through simultaneous culture in a microenvironment, and having one sample inlet. As such, the drug-drug interaction, which is important in the development of new drugs, can also be identified.
마지막으로, 본 발명에서 제시하는 3차원적 미세세포 배양기를 다중 배열(array arrangement)하면 신약개발을 위한 대량발굴탐색(high throughput screening)이 가능하여 소량의 샘플로 빠른 시간 내에 원하는 결과를 수득할 수 있을 것이다.Finally, by arranging the three-dimensional micro-cell incubator proposed in the present invention, high throughput screening for new drug development is possible, so that the desired result can be obtained in a short time with a small amount of samples. There will be.
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