KR20080096719A - 생물 세포 물질을 통한 프로브의 손상이 없는 이동을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

생물 세포 물질을 통한 프로브의 손상이 없는 이동을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

생물 세포들(21)로부터 형성이 된 세포 물질(20)을 통하여 프로브(10, 91)를 이동시키기 위한 방법이 개시되고, 그리고 프로브(10)는 손상이 없이 세포들(21)을 이동시킨다. 상기 방법을 실행하기 위한 프로브(10, 91) 및 적어도 하나의 이러한 형태의 프로브를 구비한 세포 조작 장치가 또한 개시된다.
프로브, 압전 구동, 해밀턴 주사기, 섬유 결합소, 실란화

Description

생물 세포 물질을 통한 프로브의 손상이 없는 이동을 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICES FOR NON-TRAUMATIC MOVEMENT OF A PROBE THROUGH BIOLOGICAL CELL MATERIAL}
본 발명은 조작 및/또는 시험 장치를 이동시키기 위한 방법에 관한 것이고, 구체적으로 생물 세포 물질(Cell Material)로부터 형성된 생물 세포 물질을 통과하는 프로브, 이러한 방법을 수행하기에 적합한 조작 및/또는 시험 장치, 이러한 형태의 적어도 하나의 조작 및 시험 장치를 가지는 세포 조작 장치 및 인용된 방법의 응용 예들에 관한 것이다.
의료, 생명공학 및 생화학 분야에서, 생물 세포가 시험되거나 또는 처리되거나 또는 생물 세포를 시험하거나 또는 처리하기 위한 수많은 방법들이 존재한다. 예를 들어, 약학적 세포 치료를 위하여 세포가 동물 또는 인간 환자로부터 취해지고, 치료되고, 처리되고, 수집되고, 분류되고 및/또는 환자 내 특이 세포들 또는 세포 그룹들을 추후에 회복을 시키기 위하여 환자 체외에서 배양된다. 특별한 장점들이 줄기 세포를 이용하는 약학적 세포 치료로부터 기대되고 이는 줄기 세포들이 신체의 거의 모든 세포 형태로 분화하는 능력을 가지고 그리고 이로 인하여 각각의 세포 치료 및 체외 조직의 재생을 위한 후보(candidate)를 표현하기 때문이다. 성인 또는 배아 줄기 세포들은 적당한 조건 아래에서 거의 모든 세포 성능을 가질 수 있고 그리고 이로 인하여 또한 서로 다른 조직을 생산하거나 또는 재생하기 위하여 사용될 수 있다고 현재 가정이 된다. 생물 세포를 취급하면서 안정성 및 재생산에 대한 강한 관심이 존재한다.
생물 세포의 시험 및 조작, 특히 약학적 세포 치료 및 조직 처리와 관련된 기본적인 목적은 예를 들어 조직 또는 세포 복합체 내에 미리 규정된 위치에서 개개의 미리 선택 가능한 세포들 또는 세포 그룹들이 삽입이 되거나 또는 제거될 수 있거나 또는 미리 규정된 처리 방법들이 ㎛ 범위의 정확성을 가지고 수행될 수 있어야 한다는 것이다. 이러한 목적들은 세포 또는 조직을 해치거나 또는 손상시키지 않고 높은 재생성, 제어 가능성 및 정확성을 가지고 실행될 수 있어야 한다. 현재까지 이러한 요구들은 만족스럽게 충족이 되지 않았다. 예를 들어 동물 실험에서 예를 들어 질병을 가진 조직 내 세포 주입을 위하여 동일하게 수행된 실험에도 불구하고 상반되는 결과가 나타났다. 조직 재생의 양성 진행(positive course)은 방법 조건에 민감하게 의존하고, 특히 주입 형태, 도입된 세포 또는 물질의 수 및 주입에 사용된 주입 도구에 민감하게 의존한다. 실행으로부터 공지된 수많은 실험에서 세포 또는 조직 형태의 바람직한 재생 또는 새로운 형성이 발생하지 않았고, 오히려 예를 들어 종양의 유도가 발생했다. 줄기 세포들의 제어되지 않는 세포 재생과 같은 종양의 유도는 주입 위치에서 물리적, 화학적 또는 기계적 외부 영향을 통하여 조장이 된다. 이러한 영향들은 공지의 주입 기술을 사용하여 반복적으로 설정 될 수 없거나 또는 적어도 탐지될 수 없다.
현재까지, 캐뉼러(cannulas) 또는 피하 주사기들이 주입 도구로서 사용되어 왔다. 예를 들어 도 9는 확대도로서 공지의 주입 캐뉼러(10´)의 끝 부분을 도시한 것이다. 주입 캐뉼러(10´)는 속이 빈 캐뉼러 몸체(11´)를 가지고, 그리고 그것의 노는 끝(free end)(12´)은 경사가 지고 그리고 팁을 형성하도록 하는 가능한 기초가 된다. 조직 내부로 가능한 가장 직선 형태에 가깝고 그리고 가장 재생 가능한 주입 채널을 형성하도록 하기 위하여, 채널 몸체(11´)는 가능한 얇은 형태로 실행이 되고 그리고 끝(12´)은 뾰족하고 날카롭게 실행이 된다. 정확한 적용을 위한 공지의 주입 캐뉼러(10´)는 서브 밀리미터 범위 내에서 극단적으로 작은 직경을 가지고 그리고 끝(12´)은 서브-마이크로미터 팁에 이르지만, 조직 내부로의 손상이 없는 삽입은 기본적으로 공지의 캐뉼러의 적용에서 배제가 된다. 팁이 현재 사용되고 있는 가장 높은 속도로 조직 내에서 세포에 도달하는 순간, 세포들은 예를 들어 분쇄되거나 찢어지는 것과 같이 기계적으로 손상이 된다.
피하 조직 내부로 내시경들 또는 보조 장비들을 삽입하는 것에 의하여 피하 내시경 검사를 실행하는 것이 일반적으로 의학 기술로부터 공지되어 있다. 그러나 피하 내시경 검사는 항상 조직 및 혈관에 대한 상해와 연결이 되고 그리고 이로 인하여 세포 물질의 생명 공학적 처리를 위하여 적당하지 아니하다.
세포 치료에서 인용된 문제들 및 조직 공학에 있어 현재 부분적으로 만족스럽지 못한 결과들은 생명 공학 및 의료 분야에서 이러한 방법들의 가장 중요한 제한 사항들 및 광범위한 적용의 지연을 나타낸다.
본 발명의 목적은 외부 몸체를 이동시키기 위한 향상된 방법, 특히 생물 세포로부터 형성된 세포 물질을 통한 조작 및/또는 시험 장치(또는 프로브)를 제공하는 것이고, 이러한 것들을 사용하여 공지의 주입 방법의 문제들이 극복되고 그리고 이러한 것들은 기본적으로 세포 기술들에 있어서 위에서 열거된 요구 조건을 충족시키기에 적당하다. 특히 본 발명의 목적은 조작 및/또는 검사 장비를 세포 조직 또는 세포 그룹들 내부로 삽입하는 향상된 방법을 제공하는 것이고, 이러한 방법을 사용하여 세포들 또는 다른 물질들이 세포 물질 내로 삽입이 가능하고 그리고 세포들 또는 세포 구성요소들이 세포 물질로부터 제거가 되는 것이 가능하고, 및/또는 조치들이 세포 물질 내에서 실행이 가능하다. 본 발명의 목적은 또한 이러한 형태의 방법을 실행하기 위한 향상된 조작 및/또는 검사 장치들 그리고 적어도 하나의 이러한 형태의 장치가 구비된 주입 장치들을 제공하는 것이고, 이러한 장치를 사용하여 공지의 주입 도구들의 불리한 점들이 극복이 된다. 본 발명의 추가적인 목적은 세포 물질 내부로 프로브의 삽입의 신규한 적용을 상술하는 것이다.
이러한 목적들은 청구항 1, 16 또는 34에 따른 특징을 가지는 방법, 프로브 및 세포 조작 장치에 의하여 이루어진다. 본 발명의 유리한 실시 형태 및 적용은 종속항으로부터 유래한다.
본 발명은 외부 몸체를 이동시키기 위한 향상된 방법, 특히 생물 세포로부터 형성된 세포 물질을 통한 세포의 손상이 없는 조작 및/또는 시험 장치(또는 프로브)를 제공하며, 조작 및/또는 검사 장비를 세포 조직 또는 세포 그룹들 내부로 삽입하는 향상된 방법을 제공한다.
본 발명은 생체 외 세포 배양, 생명 공학에서 조직 처리, 약물학을 위한 조직 모델을 제공하는 것 및 의료 치료에 적용될 수 있다.
방법과 관련하여, 본 발명은 조작 및/또는 검사 장치(아래에서 “프로브”라고 명함)가 손상이 없이 세포를 이동시키는 그러한 방법으로 생물 세포를 가지는 세포 물질을 통하여 프로브를 움직이는 일반적인 기술 지침에 기초한다. 프로브는 세포들이 프로브의 표면에 의하여 서로 서로 별개로 밀려나거나 또는 분리되는 그러한 방법으로 세포 물질 내에서 구동이 되고, 이로 인하여 공간이 프로브를 위하여 제공이 되고, 이동 또는 분리 과정에서 세포들은 그들의 물리적 또는 화학적 상태가 변화되지 않는 상태로 유지가 된다. 프로브의 이동 과정에서 프로브 몸체와 직접적으로 접촉하는 세포들 또는 세포 물질 내에 보다 깊게 위치하는 세포들이 변형되거나 또는 그들의 공간적 위치를 변화시키지만 메신저 물질 또는 물질 분비물 형태로서 임의의 화학적 신호들을 방출하지 않는다면, 세포들의 손상이 없는 이동이 특별히 제공이 된다.
이와 같은 경우, 세포 물질(Cell material)은 일반적으로 접착 접촉(adhesion contacts)(거대 세포 화학적 결합, 반데르 발스 결합이 존재하지 않는 상태)을 통한 세포들의 집적으로 이해된다. 예들 들어 세포 물질은 각각의 세포들의 복합체 또는 집합체, 조직(동일하게 분화된 세포들의 결합) 또는 기관이 된다. 각각의 세포들의 비-액체 형태의 복합체는 합성 기질 또는 캐리어 물질과 같은 추가적인 합성 성분들을 포함할 수 있다. 이로 인하여 본 발명의 보다 넓은 범위의 적용이 유리하게 초래된다. 프로브는 일반적으로 세포 물질과 관련하여 범위가 제한되는, 적절하게는 고정된 표면을 가지는 물질로 이루어진 외부 몸체 또는 물체가 된다. 프로브는 특히 세포 물질 내부(예를 들어 뇌)로 삽입이 될 수 있는 주입 모세관 또는 전기 라인과 같은 조작 및/또는 검사 장치를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여, "세포물질(cell material)"이란 용어는 다음과 같은 의미로 사용된다. 세포물질(cell material)이란, 일반적으로 다수의 생물학적 세포들이 접착 접촉(adhesion contact)에 의해 서로 연결되어 있는 것을 의미하며, 생물학적 세포들의 그룹과 생물학적 조직, 혹은 생물학적 기관을 포함할 수 있는 의미를 가진다.
본 발명은 특히 발명자들의 아래와 같은 사고들에 기초한다. 첫째로 예를 들어 현재 차이를 가져오는 결과들을 가지는 조직 또는 세포 복합체 내부로 주입된 세포들의 반응은 세포 물질 내에 존재하는 세포들이 주입 도구의 삽입에 의하여 손상이 되거나 또는 파괴가 되고 그리고 이로 인하여 손상된 효과들이 초래되기 때문에 발생이 된다는 것이 인지가 되었다. 세포 또는 조직이 손상 되는 경우, 예를 들어 섬유 모세포 유입(fibroplastic immigration), 섬유 결합소 분비 또는 그와 같은 화학적 신호들(분자 메신저 물질들의 방출) 또는 세포로 수송되는 과정들이 발 생이 된다. 손상된 세포들의 반응은 손상된 세포 또는 추가물질들에 영향을 미친다. 예를 들어, 줄기 세포는 손상되지 않는 세포 물질 내에 있는 줄기 세포들에 비하여 세포 손상의 환경 내에서는 다르게 행동한다. 두 번째로, 본 발명자들은 현재의 기대와는 상반이 되게 심지어 접촉 형태로 결합된 세포들이 손상이 없이 공간적으로 이동이 될 수 있다는 것을 발견하였다. 이것은 세포 물질 내부로 프로브의 기계적 삽입을 허용한다. 만약 전진 속도(advance velocity)가 충분히 낮아서 세포들 사이의 접촉 접착이 자연적인 방법 즉 세포들에게 영향을 주지 않거나 또는 파괴하지 않고 변화시키는 환경 내에서 재-형성이 가능한 방법으로 분리가 된다면 프로브가 세포 물질을 통하여 이동하는 경우 세포들은 손상되지 않는 상태로 유지가 된다.
위에서 언급된 요구들은 세포들의 손상이 없는 치환을 사용하여 샘플을 이동시키는 것으로 충족이 될 수 있다. 사용될 표적 조직도 그리고 각각의 세포들 또는 물질들도 손상이 되거나 또는 약화가 되지 않는다. 세포들의 물리적, 화학적 그리고 기계적 상태는 완전하게 특징이 지워질 수 있다. 세포들과 외부 몸체의 표면 사이의 손상을 유발하는 접촉이 방지되고, 표면 접착으로 인한 세포 신호들이 억제된다. 손상이 없는 이동을 통하여, 세포 조작이 극단적으로 주의가 깊게 실행이 된다. 프로브는 세포 물질 내 특정 위치로 정확하게 유도될 수 있다. 공지의 주입 캐뉼러에 존재하는 샘플의 크기의 제한이 극복이 된다는 것이 또한 특별한 이점이 된다. 본 발명에 따라 세포 물질을 통하여 이동되는 도구는 세포 물질 내부로 도입된 세포들 또는 추가물의 수 및 형태의 정확하고 그리고 재생 가능한 탐지를 허용한 다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따라, 프로브는 생물 세포의 자연적 세포 이동을 위한 생리학적 결합 속도(세포들의 결합 속도)에 의하여 결정된 생리학적 기준 속도보다 더 작거나 또는 동일한 전진 속도로 이동이 된다. 자연 세포 이동(세포 운동(cell locomotion))은 세포 기관들(예를 들어 막 기관, 막 융기와 같은)의 접착 접촉을 재배열하는 것에 의하여 고정된 표면 사이에서의 완전한 세포의 위치 또는 세포 물질 내에서 변화를 포함하고, 이러한 것은 예를 들어 M.Abercrombie 등에 의하여 공개된 “The Locomotion Of Fibroblasts In Culture"("Expreimental Cell Research", Vol. 67, 1971, pages 359-367) 및 L.P. Cramer에 의하여 공개된 ”Organization and polarity of actin filament networks in cells: implications for the mechanism of myosin-based cell motility"("Biochem. Soc. Symp. "Vol.65, 1999, pages 173-205)에 기술되어 있다.
본 발명과 관련하여, "생리학적 기준 속도(physiological reference rate)"란 용어는 "세포 이동(cell locomotion)"에 의해 설명될 수 있다. 접착 접촉되어 있는 세포들이 재배열하는 과정에서, 세포 이동이 일어날 수 있으며, 세포 이동 속도는 세포의 접착 접촉의 재배열 속도에 의존한다. 이러한 재배열 속도를 "생리학적 결합 속도(physiological binding rate)"라 한다. 세포들의 생리학적 결합 속도에 의해 생리학적 기준속도가 정해진다.
전진 속도를 설정하는 경우, 프로브는 자연적으로 제공된 복합체 내에서 세포들을 통하여 손상이 없는 유리한 이동이 가능하다. 전진 속도는 세포 조직 내에 서 영구적으로 발생하는 세포 이동에 적합하다. 예를 들어 면역 세포의 특정 형태들(예를 들어 매크로파지)은 심지어 존재하는 세포들을 이동시키는 것에 의하여 조밀한 조직을 통하여 이동할 수 있는 것으로 알려져 있다. 발명자들은 만약 인용된 전진 속도가 설정이 되는 경우 이러한 위치 이동이 또한 놀랍게도 면역 세포들보다 현저하게 크고 그리고 서브-밀리미터로부터 센티미터의 범위로 거시적인 크기를 가지는 프로브를 사용하여 실행이 된다는 것을 발견하였다. 프로브 이동 과정에서, 세포들(예를 들어 인테그린 및 카드헤린 계열의 막-관련 거대 분자들) 사이에서 실행되는 거대 분자 결합이 분리되고 그리고 예를 들어 프로브 표면에 재결합이 된다.
생리학적 기준 속도는 그 자체로 공지되어 있거나(예를 들어, G. Fuhr 등에 의한 “Biol. Chem.", 1998, Vol.379, pages 1161-1173 참조) 또는 동물 또는 인간 세포들에 대해 측정이 가능하다. 관계된 결합 속도는 예를 들어 인공 표면 위에서 각각의 세포들의 접착 형태의 동역학을 측정하는 것에 의하여 유도가 가능하다.
만약 프로브가 영구적으로 작용하는 전진 힘(advance force)에 의하여 영향을 받는다면, 요구되는 전진 속도에서 프로브의 이동은 유리하게 심지어 힘의 가장 약한 적용을 이용하여 실행 될 수 있다. 이러한 것은 낮은 출력을 가지는 구동 장치들의 사용을 허용한다. 만약 전진 힘이 기계적 압력에 의하여 형성된다면, 전진 힘의 프로브에 대한 전달을 위한 이점이 초래될 수 있다. 만약 전진 힘이 전기장 또는 자기장 내 힘에 의하여 형성이 된다면, 전진 힘들은 원격 작동을 통하여 작용이 될 수 있기 때문에 주입 장치의 구성을 위하여 유리하다.
본 발명의 특별한 실시 형태에 따르면, 전진 힘은 세포 사이의 힘들에 의하여 형성이 될 수 있다. 프로브는 세포 물질 내에 존재하는 접착 결합의 효과에 의하여 외부 구동이 없는 상태로 세포를 통하여 이동을 할 것이다. 예를 들어, 만약 프로브가 표면 처리로 인하여 다른 한쪽 면에 비하여 한쪽 면이 접착 결합을 형성하는 보다 강한 경향을 가진다면, 프로브는 접착 결합의 발생을 위하여 앞쪽으로 구동이 될 수 있고, 이것은 또한 필요하다면 프로브의 형태 및/또는 다른 위에서 언급한 전진 힘들에 의하여 지지가 될 수 있다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 프로브는 프로브의 직사각형(oblong)의 정렬에 평행하게 이어지는 방향으로 이동이 된다. 이러한 경우, 이점들이 세포의 손상이 없는 이동과 관련하여 초래될 수 있다. 이동은 단지 프로브의 앞쪽 면에서만 발생해야 하고, 그리고 이것은 나머지 표면과 비교하여 매우 작은 영역 섹터를 나타낸다. 더욱이, 이러한 실시 형태는 주사기, 캐뉼러 또는 모세관을 사용하는 공지의 주입 기술들에게 비견되는 이점을 가진다. 프루부는 세포들 또는 세포 부유액의 조작을 위하여 자체적으로 이용 가능한 장치들과 결합이 될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 펌프 또는 그와 같은 것으로서 자체적으로 공지된 액체 수송 장치들이 유리하게 사용이 될 수 있다.
대안으로, 프로브의 측 방향 이동이 제공될 수 있고, 이러한 측 방향 이동에서 이동 방향은 예를 들어 프로브의 사각형 형태로부터 벗어나도록 설정이 된다. 프로브의 측 방향 이동은 일반적으로 또한 세포 물질 내에서 프로브의 반지름 방향으로의 팽창(팽창 운동)을 포함한다.
세포가 주입하는 경우 세포 물질이 생리학적으로 손상되지 않는 상태로 있는 것으로 발견이 되기 때문에 만약 적어도 하나의 세포가 프로브를 이용하여 세포 물질 내부로 공급이 된다면, 생명 공학 및 의료 분야에서 의도된 적용들을 위한 특별한 이점들이 초래될 수 있다. 적어도 하나의 세포가 손상되지 않는 세포 물질의 내부로 삽입이 된다. 특별히 줄기 세포는 줄기 세포의 조직-특이적 분화를 발생시키기 위하여 조직 내로 이식이 될 수 있다. 퇴화 또는 종양 형성이 억제될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 유리하게 또한 냉동 상태에서 생물 세포의 주입을 허용한다. 냉동 보존 후 하나 또는 그 이상의 세포가 냉동 상태로 세포 내로 삽입이 되고 그리고 삽입된 장소에서 해동이 된다. 세포 과정들이 해동 과정에서 세포 물질 내에서 생리학적 조전 아래에서 즉시 개시가 된다.
본 발명의 대안적인 실시 형태에 따르면, 적어도 하나의 세포가 프로브를 사용하여 세포로부터 분리가 된다. 프로브는 생체 검사 도구를 형성한다. 이러한 실시 형태에서, 이점들은 변형이 되지 않은 생리학적 세포를 획득하기 위하여 초래된다.
본 발명에 따른 손상이 없는 세포의 이동의 원리는 또한 센서들의 통합을 허용하는 크기를 가지는 프로브의 사용을 가능하도록 한다. 그러므로 본 발명의 변형된 형태에 따르면, 세포 물질의, 주입된 세포의 또는 추출된 세포의 특성들은 프로브를 사용하여 탐지가 될 수 있다.
만약 프로브의 전진 속도가 0.1 ㎛/h로부터 1 ㎜/h의 범위, 적절하게는 1 ㎛/h로부터 500 ㎛/h 범위로 선택이 된다면, 본 발명의 특별한 이점들이 초래된다. 인테그린 및 카드헤린 과들(families)의 막-관련 거대 분자에 의하여 중재되는 것으로 공지된 거대 분자 결합의 형성 결합 속도 및 파괴는 이러한 속도 범위가 된다. 적절한 속도 범위는 섬유 모세포(fibroplasts), 매크로파지, 림프구, 연골세포 또는 특히 종양 세포의 속도들에 해당한다. 만약 전진 속도가 이보다 더 낮게 설정이 된다면, 프로브의 위치가 유리하게 +/- 1 ㎛에 이르는 높은 정확성을 가지도록 설정이 될 수 있다. 인용된 범위의 전진 속도들은 조직 내 및 조직 위 세포의 활성 내인성 이동 속도들에 해당한다. 이로 인하여 프로브의 이동은 프로브 표면의 직접적인 환경 내에서 세포의 영구적 형성 및 재구성을 발생시키고, 그리고 세포들의 이동은 영구적으로 작용하는 전진 힘에 의하여 촉진이 된다.
프로브의 서로 다른 이동 형태들, 특히 순수한 전진 또는 후퇴를 가지는 이동, 불연속적인 이동 또는 섹션들로 분해가 되는 이동, 진동성, 균일한 또는 가속된 이동은 유리하게 적용 형태에 따라 실행이 될 수 있다.
만약 본 발명에 따른 방법이 동물 또는 인간 유기체 외부(in-vitro, 생체조건 외)에 위치하는 세포 물질 위에서 실행이 된다면 특별한 이점들이 초래가 된다. 세포 물질은 전진 힘의 작용에 반대되는 힘을 적용시키는 고정된 캐리어 위에서 적당한 조건들 아래에서 위치가 설정이 될 수 있다. 세포 물질 및 프로브는 높은 정확성을 가지고 위치가 정해질 수 있다.
대안으로 세포 물질은 살아 있는 유기체 내에서 복합체에 위치할 수 있다. 예를 들어 프로브는 조직 내부의 검사 프로브, 생체 검사 도구 또는 주입 도구로서 삽입이 될 수 있다. 낮은 전진 속도로 인하여 삽입은 영향을 받는 조직이 예를 들 어 유기체의 환경 부분을 이용하여 하나의 위치에 또는 캐리어 위에 고정된 상태로 유지되는 상태로 이루어진다. 마취제의 사용이 부동을 위하여 적절하게 사용이 되지만, 그러나 방법의 손상이 발생하지 않는 점과 관련하여 절대적으로 필요한 것은 아니다.
본 발명의 추가적인 과제는 적어도 부분적으로 세포 물질 내부로 삽입이 되도록 하는 목적을 위하여 설계가 되는 조작 및/또는 검사 장치, 특별히 프로브 또는 검사, 생체 검사 및/또는 주입 도구가 된다. 프로브는 세포 물질을 통하여 이동 가능한 프로브 몸체를 가지고 그리고 세포 물질을 통한 프로브의 이동 과정에서 이동 방향과 관련하여 앞쪽 끝, 전면 끝 또는 전방 이동 또는 분리시키는 부분을 형성하는 적어도 하나의 앞쪽 면 위에 둥근 형태의 또는 평평한 형태의 표면을 가진다. 앞쪽 면은 바늘(pikes), 계단(steps), 모서리(edges), 날(blades) 및 그와 같은 것들이 없는 형태를 가진다. 전방 면은 구, 타원, 토로이드 또는 이들의 중의 표면의 섹터로서 기술이 될 수 있는 수학적으로 연속이 되는 곡선 형태를 가진다. 적어도 하나의 앞쪽 면 위에서 둥근 형태의 또는 평평한 형태의 표면을 제공하는 것은 본 발명에 따른 방법에 의하여 세포 물질 내부로 프로브를 삽입하는 경우 전진 힘이 앞쪽 면의 전체 둥근 부분에 걸쳐서 균일하게 작용하기 때문에 손상이 방지가 될 수 있다는 이점을 가진다. 바늘 또는 계단에 의하여 발생이 되는 각각의 세포에 대한 국지적 압력의 증가가 본 발명에 따른 도구를 사용하여 배제가 될 수 있다. 그러므로 프로브는 기본적으로 손상이 세포 물질을 통한 절단을 유도하는 것에 의하여 필연적으로 제공되는 주사기 바늘과 같은 공지의 주입 도구들과는 차 이를 가진다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따라, 프로브 앞쪽 면은 둥근 형태의 각각의 영역에서 10 ㎛보다 더 큰 곡률의 국지적 반지름을 가진다. 그러므로 둥근 형태의 또는 평평한 형태의 표면은 공지된 방법에 따라 처리되는 세포 물질의 형태, 특히 조직 내 세포의 형태들에 비하여 더 크다. 그러므로 프로브의 이동 과정에서 손상의 가능성이 감소가 된다. 특별한 이점들이 20 ㎛보다 더 큰, 적절하게는 0.1 ㎜보다 더 큰 곡률의 국지적 반지름을 이용하는 것에 의하여 초래될 수 있다. 세포 배양에 있어서 적용을 위하여, 곡률 반지름은 5 ㎜보다 작게, 적절하게는 2 ㎜보다 작게 된다.
대안으로 곡률 반지름이 매우 크고, 이로 인하여 앞쪽 면이 기본적으로 평평해 질 수 있다.
본 발명의 추가적인 적절한 실시 형태에 따르면, 둥근 형태의 표면은 표면에 대한 세포의 고착적인 접착을 촉진시키는 물질(결합 물질)에 의하여 형성이 된다. 결합 물질은 프로브 몸체, 적어도 프로브 몸체의 앞쪽 또는 적어도 프로브 몸체의 앞쪽에 대한 코팅을 형성한다. 예를 들어 결합 물질은 섬유 결합소 또는 콜라겐으로 만들어진다. 본 발명의 이러한 실시 형태는 세포 물질을 통한 프로브의 위치를 변경시키는 이동 과정에서 생리학적 결합 속도의 상승과 관련하여 이점을 가질 수 있다. 결합 물질은 대안으로 거칠기로 인하여 서브-㎛ 범위의 특성 구조 크기를 가질 수 있고, 이로 인하여 프로브에 대한 세포 물질의 결합이 촉진이 된다. 적어도 하나의 표면의 둥근 형태와 마찬가지로, 접착-촉진 물질의 사용은 또한 공지의 주 입 바늘과 관련하여 본 발명에 따른 도구의 필수적이고 그리고 기본적인 차이를 나타낸다.
본 발명의 유리한 변형 형태에 따라, 적어도 하나의 기능적인 부분이 프로브 몸체와 통합이 된다. 기능적 부분은 일반적으로 프로브의 특정한 기술적인 기능을 위하여 설계된 프로브 몸체의 구조적인 구성 요소를 나타낸다. 기능적인 부분은 유리하게 프로브 몸체와 결합이 되고, 이로 인하여 손상이 없는 위치 이동이 방해를 받지 않는다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 기능적인 부분은 세포 물질의 내부로 또는 외부로 수용 및/또는 유도하는 세포들 또는 첨가물들에게 적합한 공동(cavity)을 포함한다. 프로브 몸체에 형성된 공동은 도구 몸체의 표면에 형성되는 한쪽 면 위에 적어도 하나의 입구를 가진다. 다른 한편으로 공동의 외부 샘플 저장소에 대한 연결이 제공이 될 수 있다.
추가로 기능적인 부분은 세포 물질 내 또는 프로브 몸체의 내부에 있는 세포 또는 물질의 물리적 또는 화학적 성질들을 탐지하기에 적합하도록 프로브 몸체에 있는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 만약 적어도 하나의 센서가 프로브 몸체의 공동에 위치한다면, 주입 또는 생체 검사를 감시하기 위한 이점들이 초래될 수 있다.
기능적인 부분들은 추가적으로 프로브의 둥근 형태의 앞쪽 면 내부까지 이르는 적어도 하나의 전기 도체를 포함한다. 예를 들어 전기 도체는 프로브 내부에 융해되고 측정 전극을 형성할 수 있다. 또한 적어도 하나의 광섬유가 예를 들어 세포 물질 내 분광 측정을 위하여 제공될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시 형태에 따르면, 프로브 몸체는 둥근 형태의 앞쪽 면으로 된 제1 끝 및 저장 장치에게 연결이 된 제2 끝을 가지는 선형 축(모세관, 튜브, 속이 빈 바늘)을 따라 직선, 직사각형에 의하여 형성이 된다. 제1 끝은 모세관 변의 둥근 형태(환형으로 둥근 형태) 또는 프로브 몸체의 끝(구형으로 둥근 형태)을 포함할 수 있다. 이러한 설계에서, 프로브 몸체는 적절하게 노는 끝(free-end)을 가지는 주사기 바늘이 되고 그리고 주사기 바늘은 노는 끝에서 둥근 형태로 된다. 본 발명의 이러한 실시 형태는 공지의 주입 도구와의 양립 가능성으로 인하여 이점들을 가질 수 있다.
만약 본 발명에 따른 프로브가 노는 끝에서 수용 도구를 가진다면, 추가적인 이점들이 세포 물질(예를 들어 세포 배지)에서 각각의 세포들을 수용하거나 또는 침착시키는 경우에 발생할 수 있다. 수용 도구는 적어도 하나의 세포를 위한 기질 또는 캐리어로서 사용되는 수용 표면을 가지고 그리고 오목하거나 또는 볼록한 형태를 가진다. 오목한 수용 표면은 다른 프로브 부분들 또는 세포 물질과 같은 환경으로부터 수용 도구의 범위를 정하는 것과 관련하여 이점을 가질 수 있다. 볼록한 수용 표면의 이점은 본 발명에 따른 세포 물질을 통한 프로브의 위치 이동에게 최적으로 적용된다는 점이다.
만약 본 발명의 변형 발명에 따라 수용 도구가 모세관-형태의 프로브 또는 홈 형상의 리세스를 가지는 프로브에 설치된다면, 수용 도구의 환경에 부양액 또는 배지 액체를 제공하는 것 및 그 위에 적어도 하나의 세포를 위치시키는 것이 유리 하게 보다 용이하게 만들어진다.
만약 수용 도구가 이동 가능하도록 프로브에 설치가 된다면 모세관 또는 홈-형상의 리세스로부터 세포를 침적시키기 위한 추가적인 이점이 초래된다.
대안으로, 프로브 몸체는 전체적인 표면이 위에서 언급한 것과 같은 앞쪽 면과 같이 둥근 형태로 된 몰딩이 된 몸체에 의하여 형성이 될 수 있다. 프로브 몸체는 이로 인하여 세포 물질을 통하여 유리하게 이동이 될 수 있는 한편 추가적인 외부 장치에 기계적으로 연결이 되지 않고 세포 물질에 의하여 완전하게 봉합이 된다. 예를 들어 프로브 몸체는 완전하게 구형으로 만들어 질 수 있다. 이러한 실시 형태의 변형에 따라, 프로브 몸체는 막대-형태의 홀더(holder)를 가지는 구형의 수용 도구에 의하여 형성이 될 수 있고, 이러한 형태를 사용하여 전진 힘이 유리하게 구동 장치로부터 수용 도구로 전달이 될 수 있다.
만약 본 발명이 예를 들어 세포 배지를 가지는 수용 또는 침적 세포를 위하여 사용이 된다면, 프로브가 적어도 하나의 스페이서(spacer)를 구비하는 것이 유리할 수 있고, 이를 사용하여 프로브 몸체는 세포 캐리어 위에 설치가 될 수 있다. 세포 캐리어 위에 프로브를 위치시키는 것의 정확성 및 안정성은 이로 인하여 유리하게 증가될 수 있다.
만약 프로브 몸체가 적어도 하나의 힘 구성 요소(15)를 구비한다면, 이점들이 외부 전진 힘으로부터 유도된 동작을 실행시킬 수 있다. 만약 힘 구성 요소가 기계식 홀더(mechanical holder)라면, 힘 전달의 신뢰성 및 안정성과 관련하여 유리하다. 만약 힘 구성 요소가 자기 장치를 포함한다면, 세포 물질 내에서 접촉이 없는 유리한 조작이 가능해진다.
본 발명의 추가적인 과제는 세포 조작 장치, 특히 세포 물질을 처리하기 위한 주입, 생체 검사 및/또는 검사 장치와 같은 작동 장치가 되고, 세포 조작 장치는 본 발명에 따른 적어도 하나의 프로브 및 적어도 하나의 프로브를 이동시키기 위한 적어도 하나의 구동 장치를 포함한다. 세포 조작 장치는 프로브가 높은 정확성 및 반복성을 가진 구동 장치를 사용하여 세포 내에서 조작이 될 수 있다는 특별한 이점을 가진다. 만약 구동 장치가 압전기 구동을 포함한다면, 프로브 이동의 제어 가능성을 위한 이점을 가진다. 대안으로, 구동 장치는 자기 구동에 의하여 형성이 될 수 있고, 그리고 이를 통하여 전진 힘의 접촉이 없는 전달과 관련하여 이점을 가진다. 추가로, 구동 장치는 스프링 구동을 포함할 수 있고, 이로 인하여 조작 장치의 특별히 간단한 구성과 관련하여 이점을 가진다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 세포 조작 장치는 구동 장치를 제어하기 위한 위치 장치, 적어도 하나의 위치를 탐지하기 위한 탐지 장치 및/또는 세포 물질을 수용하기 위한 캐리어 장치를 구비한다.
본 발명의 적절한 응용들은 생체 외 세포 배양, 생명 공학에서 조직 처리, 약물학을 위한 조직 모델을 제공하는 것 및 의료적 치료가 된다.
본 발명의 추가적인 상세한 사항들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련하여 아래에서 설명이 된다.
세포 물질을 통한 프로브의 본 발명에 따른 이동이 조직 샘플 내부로 세포의 주입의 실시 예로서 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 좌측 부분(A)에서, 본 발명에 따른 프로브(10)가 개략적인 절단도로서 예시되어 있다. 프로브(10)는 속이 빈 바늘 또는 피펫 팁에 의하여 형성이 되는 프르부 몸체(11)를 포함한다. 프로브 몸체(11)의 노는 끝(12)은 본 발명에 따라 둥근 형태의 표면을 가지는 앞쪽 면(13)을 나타낸다. 끝 부분(12)에 입구(32)를 가지는 속이 빈 채널(31)은 기능 부분(30)으로서 프로브 몸체(11)의 내부로 연장된다. 프로브 몸체(11)의 반대편 끝 부분은 압전 구동 장치(50)에게 연결이 된다.
초기 위치(A)에서, 프로브(10)는 캐리어(80) 위에 위치하는 세포 물질(20)로부터 일정한 거리에 위치한다. 세포 물질(20)은 예를 들어 접착 접촉을 통하여 서로 연결이 된 50 내지 500 개의 서로 접한 세포들(21)로 만들어진 세포 그룹 또는 회전 타원체형이 된다. 세포 물질에서 줄기 세포를 세포-특이적 분화로 자극하기 위하여 줄기 세포는 아래에서 기술되는 절차를 사용하여 세포 물질(20) 내부로 주입이 된다.
도 1의 중간 부분 도면(B)을 참조하면, 프로브(10)는 세포 물질(20) 내부로 위치가 이동이 되고, 그에 의하여 세포 물질의 세포들(21)이 치환된다. 끝(12)이 세포 물질(20) 위에 안착이 되는 순간, 접착 접촉이 세포들(20)과 형성된다. 구동 장치(50)의 영구적으로 작용하는 전진 힘의 효과 아래에서, 접촉 접착은 연속적으로 재배열이 되고, 이로 인하여 먼저 제1 끝 및 전진시키는 추진을 이용하여 또한 프로브 몸체(11)의 결합 부분이 세포들(21)에 의하여 둘러싸여 진다. 세포 물질을 통한 프로브의 이동 과정에서, 도구 표면은 세포들(21)에 의하여 위쪽으로 연속적으로 성장이 된다.
끝이 캐리어(80)로부터 미리 정의된 거리(예를 들어 세포 그룹의 두께의 반)에 위치하는 경우, 전진 운동이 정지가 된다. 줄기 세포(22)는 저장 장소(도시되지 않음)로부터 세포 물질(20) 내부로 속이 빈 채널(31)을 통하여 이동이 된다. 이러한 운동은 예를 들어 부양액을 사용하여 흐름(flushing)을 통하여 수행이 된다.
세포 물질 내부로 줄기 세포를 주입한 후, 프로브(10)는 다시 당겨진다. 수축 운동은 또한 주입된 줄기 세포(22) 주위로 치환된 공간이 다시 채워질 때까지 도 1의 부분 이미지(C) 세포들(21)이 손상이 없이 자체적으로 재배열이 될 수 있도록 충분히 낮은 속도로 실행이 된다.
도 1에 도시된 설계의 대안으로, 구동 장치(50)는 캐리어(80)에 부착이 될 수 있고 그리고 상대적인 운동이 캐리어 측에서 세포 물질(20)과 프로브(10) 사이에 발생이 될 수 있는 한편, 프로브(10)는 고정되게 설치가 된다.
본 발명에 따른 프로브(10)의 서로 다른 실시 형태에서 노는 끝(13)의 추가적인 상세한 사항이 도 2에 도시되어 있다. 부분 이미지(A)는 원뿔 형태로 테이퍼가 진 프로브 몸체(11)를 도시한 것이다. 세포 물질에서 세포들의 치환은 이러한 형태에 의하여 유리하게 된다. 앞쪽 면들(13)은 위에서 기술된 원칙에 따라 둥근 형태로 된다. 프로브 몸체(11)는 유리 또는 불활성 금속(예를 들어 백금) 또는 불활성 플라스틱 물질(예를 들어 폴리이미드)로 만들어진다. 특징적인 크기 a(입구(32)에서 속이 빈 채널(31)의 내부 지름) 및 b(끝(12)에서 프로브 몸체(11)의 외부 지름)는 a = 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 그리고 b = 10.5 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위에서 공지된 방법에 따라 선택이 된다. a = 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위에 있는 보다 작은 크 기는 특별히 작은 세포들 또는 합성 입자들의 주입을 위하여 선택되거나, 또는 a = 100 ㎛ 내지 5 ㎜의 보다 큰 크기는 예를 들어 배아 줄기 세포의 주입을 위하여 선택 될 수 있고, 그리고 크기 b는 프로브 몸체(11)의 벽 두께에 따라 대응하여 보다 크게 선택이 될 수 있다.
프로브(10)는 센서를 구비할 수 있다. 부분 이미지(A)에 도시된 것처럼, 임피던스 센서(33)가 끝(12) 위에 제공이 된다. 임피던스 센서(33)는 두개의 반원형 전극들(임피던스 전극들)을 포함하고, 상기 전극들은 예를 들어 증기 침적을 통하여 앞쪽 면(13)의 표면에 부착이 된다. 대안으로 임피던스 전극들은 끝(12)에서 프로브 몸체(11)의 바깥쪽에 부착이 될 수 있다. 대안으로, 임피던스 전극들은 끝(12)에서 프로브 몸체의 외부에 부착될 수 있다. 임피던스 센서(33)의 전극들은 프로브 몸체(11)를 따라 전기 연결 라인(도시되지 않음)을 통하여 제어 장치로 연결이 된다. 세포(22)가 속인 빈 채널(33)을 통하여 흐르면서, 임피던스 신호가 임피던스 전극들 사이에서 임피던스를 부-정합하는 것(detuning)에 의하여 발생이 되고, 임피던스 신호는 그 자체로서 공지된 방법에 의하여 통과하는 세포의 수, 크기 및 전기적 특성에 관한 정보를 제공한다.
부분 이미지(B)에 도시되어 있는 것처럼, 임피던스 센서(33)는 대안으로 또는 추가적으로 속이 빈 채널(31)의 내부에 제공이 될 수 있다. 추가로, 부분 이미지(B)는 프로브 몸체(11)의 끝(12)에서 일정한 지름을 가지도록 형성이 된 불룩한 앞쪽 면(13)을 보여준다.
부분 이미지(C)에 도시된 것처럼, 프로브 몸체(11)는 끝을 향하여 원뿔 형태 로 팽창이 될 수 있다. 도 2의 부분 이미지(C)는 프로브 몸체(11)의 끝(12) 위에 접착-촉진 코팅(14)을 개략적으로 예시한다. 이러한 결합 코팅은 적절하게 단지 프로브(11)의 둥근 형태의, 이동시키는 앞쪽 면 위에만 제공이 되는 한편, 나머지 프로브 몸체(11)의 표면은 적절하게 이동되는 세포들 사이에 미끄러짐을 촉진하기 위하여 접착-감소 코팅이 된다. 결합 코팅은 예를 들어 섬유 결합소를 포함한다. 생물 거대 세포들(예를 들어 폴리헤마와 같은)을 이용한 실란화(silanization) 또는 코팅은 접착 감소를 위하여 제공될 수 있다. 속이 빈 채널의 내부 표면이 또한 이러한 방법으로 접착을 감소시키기 위하여 코팅이 될 수 있다.
모세관 형태의 프로브 몸체의 단면적 형태는 적절하게 둥근 형태가 된다. 대안으로 평평한 타원 형태가 제공될 수 있고, 이러한 타원 형태는 이동 방향에 있어 측 방향 이동을 위한 적절한 방향이 프로브 몸체(11)의 길이방향의 축에 대하여 수직이 되는 것을 허용한다.
부분 이미지 (D)에서 도시된 본 발명의 실시 형태에서, 모세관-형태의 프로브 몸체가 노는 끝(12) 위에서 대각선 방향으로 절단이 되고, 이로 인하여 주걱 형태의(scoop-shaped) 수용 도구(15)가 형성이 된다. 모세관(11)의 속이 빈 채널(31)의 내부 벽은 노는 끝(12)에서 수용 표면(16)을 형성하고, 그리고 수용 표면(16)은 수직의 가장 자리들(17)에 의하여 측면으로 범위가 정해진다. 의도된 사용을 위하여, 프로브(10)는 캐리어(80)(예를 들어 배지 캐리어의 바닥) 또는 그 위에 위치한 세포 물질(20) 위에 설치가 된다. 프로브(10)는 요구되는 세포(21)가 수용 도구(15)로 전이가 될 때까지 세포 물질(20) 내로 전진이 된다(겹-화살표 참조). 세 포 전이는 세포(21)의 자연적인 생래적 이동에 의하여 촉진이 될 수 있다. 세포(21)가 프로브(10)에 의하여 수용이 되는 순간, 세포는 캐리어(80)로부터 제거가 되어 표적 기질로 이동이 된다.
부분 이미지 (E)에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 프로브(10)의 프로브 몸체(11)는 프로브 축의 끝에 설치가 된 수용 도구(15)를 포함한다. 수용 도구(15)는 구형의 형태를 가지고 그리고 구형의 형태의 표면은 캐리어(80)로부터 전이가 되어야 할 세포(21)를 위한 수용 표면을 형성한다. 수용 도구(15)는 예를 들어 15 ㎛의 지름을 가지다.
도 2b의 부분적인 이미지(F)에 도시된 것처럼, 구형의 수용 도구(15)는 모세관 형태의 프로브 몸체(11)와 결합이 될 수 있다. 수용 도구(15)는 프로브 축(19)을 이용하여 속이 빈 채널(31) 내에서 이동이 가능하다. 세포(21)를 수용하기 위하여, 프로브(10)는 캐리어 위쪽으로 배양 액(81) 내에 침지가 되고 그리고 그 위에 위치한 세포 물질(20)을 향하여 이동이 된다. 수용 도구(15)는 구동 장치(아래 참조)를 이용하여 전진이 되고, 그리고 세포 물질(20)은 손상이 없이 치환이 될 수 있다. 세포(21)는 전진 운동을 통하여 수용 도구(15)로 전이가 되고 그리고 자연적인 세포 운동에 의하여 지원이 되는 것이 가능하다. 부분 이미지(F)는 또한 프로브(10)의 노는 끝(12)의 모든 부분들의 둥근 형태의 모양을 예시하고, 이로 인하여 본 발명에 따른 방법에 완전하게 상응하도록 프로브(10)는 세포 물질을 통하여 손상이 없이 이동이 될 수 있다.
나머지 프로브 몸체(11)와 관련하여 치환이 가능한 수용 도구(15)의 추가적 인 변형들이 도 2b의 부분 이미지(G) 및 부분 이미지(H)에 예시되어 있다. 수용 도구(15)는 실린더형의 플런저(plunger) 또는 입방형의 슬라이드로서 형성되고, 상기 형태는 모세관(11)의 속이 빈 채널(31)(부분 이미지(G)) 또는 프로브 몸체(11)의 홈-형상의 리세스(34)의 입구(부분 이미지(H))에서 치환이 가능하도록 설치가 된다. 특히 부분 이미지(F) 내지 부분 이미지(H)에서 도시된 본 발명에 따른 프로브(10)의 실시 형태는 액체 물방울(a liquid droplet)(81)이 프로브(10)에 대한 세포 물질을 위한 보호로서 프로브(10) 위에 형성이 될 수 있다는 이점을 가진다. 본 발명에 관해, 홈 형상의 리세스라는 용어는 도2b의 (H)에 기재된 것과 같이 프로브 몸체(11) 내부에 "홈 모양을 한 오목한 부분"을 의미한다.
프로브(10)의 노는 끝의 셀-형태의(shell-shaped) 또는 스푼- 형태의 설계가 부분 이미지(I)에 제시된다. 내부에 적어도 하나의 세포(21)를 위한 수용 표면(16)이 제공되는 속이 빈 구 형태의 일부 형상의 수용 도구(15)가 프로브 몸체(11)의 끝에 형성이 된다. 세포들(21)이 수용될 수 있는 입구(17)는 수용 도구(15)의 바닥에 위치한다. 수용은 캐리어(80)와 관련하여 프로브(10)가 이동하는 것에 의하여 실행이 되고, 그리고 세포들(21)의 자연적인 세포 이동에 의하여 지원이 되는 것이 가능하다. 변형된 설계로서, 입구(17)가 없어질 수 있고 그리고 대신 세포 물질이 상부를 통하여 수용 도구(15)에 수용이 될 수 있다.
도 2b의 부분 이미지(J)는 스페이서(18)를 도시한 것이고, 상기 스페이서(18)는 캐리어(80) 위에 위치시키는 것이 용이하도록 하기 위하여 노는 끝(12) 또는 프로브 몸체(11)의 또 다른 위치에 본 발명에 따른 임의의 프로브들에 제공이 될 수 있다. 특별한 이점은 원하지 않는 방법으로 세포가 손상되는 경우가 없이 본 발명에 따른 세포 물질을 통한 프로브(10)의 위치 이동이 또한 스페이서(18)를 이용하여 실행이 될 수 있다는 점이다.
부분 이미지(I) 및 부분 이미지(J)에서 도시된 수용 도구(15)의 지름은 예를 들어 0.2 ㎜가 된다. 입구(17)의 지름은 예를 들어 1 ㎛ 내지 0.5 ㎜가 된다.
부분 이미지(K) 및 부분 이미지(L)는 본 발명이 개별적인 세포들을 수용하기 위하여 사용될 수 있을 뿐만 아니라 세포 단층들(mono layers) 또는 세포 배지들(20)과 같은 세포 물질을 전이시키기 위하여 사용될 수 있다는 것을 예시한다. 예를 들어, 부분 이미지(K)에 도시된 것처럼, 부분 이미지(D)와 유사하게 형성이 된 주걱 형태의 수용 도구(15)가 제공이 되며, 또한 예를 들어 관 형태의 또는 상자 형태의 프로브 몸체의 끝 부분이 제공이 된다. 수용 표면(16)의 너비는 예를 들어 10 ㎛ 내지 50 ㎜가 된다. 측 방향 가장 자리(17)는 캐리어(80)로부터 수용이 된 세포 물질이 주변 환경으로부터 범위가 한정이 되도록 만든다. 부분 이미지(L)는 한 층의 세포들(세포 층(24))을 파괴가 없이 그리고 생화학적 처리가 없이 다층 세포 시스템 또는 조직 복합체로부터 들어올리기 위하여 프로브(10)를 세포 시스템 또는 복합체의 내부로 삽입하는 것을 도시한 것이다. 도구는 세포의 인용된 생리학적 기준 속도로 전진이 된다(화살표 참조).
도 3은 본 발명의 변형된 형태를 도시한 것으로서, 변형된 형태에서는 프로브(10) (위쪽이 확대되어 예시가 된)는 기계적 연결이 없이 세포 물질(20)에 의하여 완전하게 외부적으로 둘러싸인다. 세포 물질(20)은 캐리어(80) 위에 위치하고, 상기에서 자기 장치(51)가 구동 장치로서 통합이 된다. 프로브(10)는 결합 표면에서 둥근 형태의 영역들(13)을 가지는 원뿔 형태의 프로브 몸체(11)를 가진다. 둥근 형태의 영역들은 이러한 경우에 다수 개의 앞쪽 면들을 가진다. 영구 자석이 힘 장치로서 프로브 몸체(11)에 통합이 된다. 예를 들어 자기장 생성을 위하여 코일 장치를 포함하는 자기 장치(51)를 사용하여 적당하게 형성된 자기장들을 생성하기 위하여 프로브(10)가 세포 물질(20)을 통하여 지시가 된 방법으로 이동이 된다. 추가로 세포 상호간의 힘의 영향 아래에서 프로브(10)의 이동이 제공될 수 있다.
도면 참조 번호(31)는 예를 들어 활성 성분으로 채워진 프로브 내 공동(a cavity)을 나타낸다. 활성 성분은 세포 물질(20) 내 필요한 위치에서 프로브 몸체(11)의 입구 또는 투과성을 가진 벽을 통하여 유출이 될 수 있다. 도면 참조 번호(33)는 프로브(10)에 통합된 센서를 나타낸다. 센서(33)는 예를 들어 pH 센서, 글루코 센서 또는 생물학적 연관 성질(바이오센서)을 위한 또 다른 센서를 포함한다.
본 발명에 따르면, 도 3에 도시된 프로브(10)는 일시적으로 예를 들어 공동(31)을 활성 성분으로 다시 채우기 위하여 외부 저장소와 일시적으로 연결이 될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 예를 들어 위에서 언급한 원리에 따라 모세관 형태의 프로브가 세포 물질(20)을 통하여 프로브(10)까지 이동이 되어 그들에게 결합이 된다. 유사하게, 전력 저장소를 가지는 전기 자극 장치가 기능 유닛으로 프로브(10)에 설치될 수 있고, 그리고 전기 자극 장치는 필요에 따라 전기 라인을 통하여 외부 전압 공급원에게 연결이 된다. 이러한 연결은 본 발명에 따른 위치 이동에 따라 전기 배선을 삽입하는 것에 의하여 실행이 된다.
도 4의 블록 다이어그램에서 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 세포 조작 장치는 적어도 하나의 프로브(10) 및 프로브(10) 위에 전진 힘을 작용하기 위한 적어도 하나의 구동 장치(50)를 포함한다. 구동 장치(50)는 예를 들어 피에조결정들(piezocrystals)을 포함하고, 이를 사용하여 프로브는 100 ㎚보다 더 작은 정확성을 가지도록 서로 다른 공간적 방향으로 그 자체로서 공지된 마이크로 조작 장치 시스템과 유사하게 위치가 설정이 될 수 있고 그리고 이동이 될 수 있다. 프로브(10)의 작동 경로는 0.1 ㎜ 및 수 센티미터가 될 수 있다.
구동 장치(50)는 위치 설정 장치(60)와 연결이 된다. 위치 설정 장치(60)는 기계적으로 안정된 구성 요소가 되고, 그리고 위치 설정 장치(60)는 표적 세포 시스템(세포 물질)에 대하여 마이크로미터의 정확성을 가지고 고정이 될 수 있고 그리고 생산이 되어야 할 표적 세포 시스템의 내부로 또는 외부로 프로브의 요구되는 느린 운동을 허용한다. 위치 설정 장치(60)의 목적은 조작이 지속되는 동안(몇 시간, 며칠, 심지어 몇 주) 표적 세포 시스템에 대하여 전체적인 주입 시스템의 안정된 위치를 보장하는 것이다. 이것은 배지 시스템 위에 조절 가능한 3점 설치(three-point mounting)(도 5 참조) 또는 예를 들어 뇌 내부로 세포 주입을 위한 두개골의 뼈의 고정 장치(anchoring)를 통하여 이루어질 수 있다.
대안으로, 만약 구동 장치(50)가 세포 물질의 캐리어(80)를 이동시키기에 적합하다면, 위치 설정 장치((60)는 또한 캐리어(80)에 연결이 될 수 있다(파선으로 된 화살표 참조). 예를 들어 캐리어(80)는 배지 접시(도 5 참조) 또는 배양 시스템의 기 질이 된다.
추가로, 위치 설정 장치(60)는 제어 장치(61) 및 측정 및 디스플레이 장치(62)와 연결이 된다. 제어 장치(61)는 전체 시스템을 제어하기 위하여 사용이 되고 그리고 프로세서 또는 컴퓨터를 포함한다. 현재 그리고 계획된 위치가 센서를 통하여(구동 장치 위의 스트레인 게이지(strain gauge), 원자력 현미경 검사로 레이저 빔을 사용하는 4-사분면 탐지 또는 유사한 방법) 이루어진다. 정보가 소프트웨어를 사용하여 처리되고 실지로 일어나고 그리고 계획된 운동들이 이용 매개 변수들과 함께 모니터 위에 표현되는 방법으로 제시된다. 이러한 목적을 위하여 현미경 검사의 확대 및 줌 기능을 가진 카메라 시스템이 제공이 될 수 있다.
프로브(10)는 적절하게 샘플 저장소(40)에게 적절하게 연결이 되고, 샘플 저장소(40)는 저장소(40)로부터 프로브(10) 내부로 샘플을 이동시키기 위한 수송 시스템(41)을 포함한다. 예를 들어, 세포 물질 내부로 주입이 되어야 할 샘플은 세포 부양액이 된다. 수송 시스템(41)은 정밀 주입 펌프와 같이 그 자체로 공지가 된 전달 장치가 된다. 주입이 되는 세포를 수용하기 위한 샘플 저장소(40)는 해밀턴 주사기 또는 저-사각-공각(low dead volume)을 가지는 3-방식 시스템을 통하여 연결된 컨테이너가 될 수 있다. 수송 시스템(41)은 예를 들어 기계적 압력을 통하여 주입 도구(프로브(10)) 내부로 세포 부양액에 압력을 가한다. 이 경우 매우 작은 부피들이 이동이 된다(수 ㎛/minutes 속도). 이것은 프로그램이 가능한 주입 펌프에 의하여 이루어질 수 있다.
생명 공학(조직 공학)을 위한 생체 외 시스템의 실시 예로서 세포조작 장치 의 추가적인 상세한 사항들이 도 5에 도시되어 있다. 목표는 미세모세관(프로브(10))을 사용하여 하나 또는 그 이상의 세포들(22)을 세포 저장소(40)로부터 세포 조직 복합체(20) 내부로 주입하는 것이다. 프로브(10)는 채널 시스템을 통하여 해밀톤 주사기(세포 부양액(22))를 위한 수송 시스템(41))에게 연결이 되어 처리 장치 또는 컴퓨터 제어 장치(도시되지 않음)를 통하여 처리가 된다. 전체 시스템이 조직 복합체(20)에 대하여 움직이지 않는 작동 플랫폼(61) 위에 위치하며, 이는 작동 플랫폼(61)이 위치 설정 장치(60)를 통하여 배지 접시(80)에 고정된 상태로 연결이 되기 때문이다.
작동 플랫폼(61)의 기본적인 조절은 위치 설정 장치(60)를 사용하여 실행이 된다. 특정된 방법으로 연장되거나 또는 축소될 수 있고 그리고 이로 인하여 프로브(10)를 조직 복합체(20)의 내부로 및/또는 외부로 삽입하거나 및/또는 밀어 넣을 수 있는 압전 튜브(piezotube)가 프로브(10)를 위한 추진 시스템 또는 구동 장치(50)로 사용이 된다. 내부로 정확하게 하나의 세포가 도입이 되는 표적 세포 영역(23)(점선으로 된 링)이 도시되어 있다. 주입된 세포의 수를 탐지할 수 있는 단일 세포 탐지 시스템(33)(본 명세서에서는 광학 시스템으로 도시)이 모세관 프로브(10)의 축 위에 위치한다.
도 5에 대응하는 세포 조작 장치는 아래와 같은 방법으로 구동이 된다. 제1 단계에서, 위치 설정 장치가 표적 조직(20)과 고정된 연결이 만들어지도록 한다. 이것은 위치 설정 장치를 배지 접시(80) 또는 유기체 또는 골격 프레임의 적당한 부분의 표면 위에 고정시키는 것에 의하여 실행이 된다. 제2 단계로, 미세주입 도 구(10)가 작동 플렛폼(61)에 부착이 되고 그리고 대략적으로 사전-조정이 이루어지고, 이로 인하여 도구의 팁이 표적 세포 또는 세포 시스템(20)의 앞쪽에 짧은 거리를 두고 위치하게 된다. 다음 단계로, 프로브(10)의 모세관이 영양분 용액, 생리학적 용액 또는 다른 적당한 유체로 채워지고 그리고 접촉이 이루어질 때까지 세포 조직에 이르도록 유도가 된다. 다음으로 표적 영역(23)에 도달할 때까지 미세 주입 도구의 프로그램이 된 전진이 예를 들어 1 ㎛/h 내지 수백 ㎛/h에 이르는 속도보다 더 작은 속도에 해당하도록 이루어진다. 이 시점 또는 더 이른 시점 중 어느 하나에서, 주입이 되어야할 세포가 저장소로부터 미세주입 도구 내부로 흘러 들어가고 그리고 탐지되고, 수가 계산되고, 그리고 가능한 형태로 세포들이 주입된 부분을 통과하면서 특징이 만들어진다. 위에서 언급된 낮은 속도로 모든 세 개의 공간 방향으로 주입 도구를 움직이는 것에 의하여 시스템은 새로운 표적 영역 내부로 유도가 될 수 있고, 이로 인하여 세포들이 미리 결정 가능한 방법으로 조직 내에 3-차원적으로 위치가 설정이 될 수 있다. 완전한 주입 후, 미세 주입 도구가 다시 표적 조직으로부터 제거가 된다. “생리학적 기준 속도”로 또한 언급이 되는 낮은 속도가 주입 도구의 팁에서 조직 세포들이 세포 접착 접촉을 분리하는 것을 허용하고, 이로 인하여 세포들은 질서 정연한 방법으로 이동이 되지만, 손상이 발생하지 않는다.
도 6은 모세관 형태의 프로브(10)의 반지름 방향의 팽창 운동의 실시 예를 도시한 것이고, 그리고 프로브 몸체(11)는 탄성 소재(예를 들어 플라스틱, 또는 고무와 같은) 또는 탄성 팽창 가능한 소재(예를 들어 금속 또는 플라스틱으로 만들어 진 얇은 판들 또는 서로에 대하여 대체 가능한 그러한 것들)로 만들어진다. 프로브(10)의 속이 빈 채널(31) 내 압력을 증가시키는 것에 의하여, 채널(31)의 지름이 팽창되고, 그리고 세포가 손상이 없이 이동이 된다. 프로브 몸체(11)의 지름은 위에서 기술된 전진 속도에서 증가가 된다.
도 7은 본 발명에 따라 사용된 조작 도구(90)를 형성하는 다수 개의 프로브들(91)의 예시적인 실시 형태를 도시한 것이다. 프로브들은 조작 도구(90)의 구성 요소들(91)을 형성하고 있으며, 그리고 구성 요소들(91)의 각각은 베이스 부분(도시되지 않음)에게 부착이 된 구동 장치(92)를 사용하여 개별적으로 대체가 가능하다. 각각의 형성 구성 요소(91)는 상단(93)을 가지는 사각 입방 형상을 가진다. 상단들(93)의 전체 수는 세포 물질(20)로부터 개별적인 세포들을 제거하기 위하여 사용되는 조작 도구(90)의 표면을 형성한다. 형성 장치들(91)은 도구 몸체를 형성한다. 상단들(93)은 0.01 ㎜ 내지 5 ㎜의 범위에서 공지의 크기를 가진다. 상단들(93)은 평평한 형태(“무한” 곡률 반지름)가 될 수 있고 둥근 가장 자리를 가지는 것도 가능하다. 형성 구성 요소들(91)은 예를 들어 위치 모터 또는 압전 구동을 이용하여 베이스 부분과 관련하여 이동이 된다. 도구 표면은 구성 요소(91)의 선택된 전진에 의존하여 형성이 된다. 각각의 형성 구성 요소들(91)은 세포를 제거하기 위하여 구동 장치(92)로부터 분리가 가능할 수 있다.
본 발명에 따라 세포 물질로부터 세포들(21)을 제거하기 위하여, 이러한 세포 물질은 도구 표면, 즉 상단들(93)의 전체에 먼저 위치하게 된다. 이러한 목적을 위하여, 예를 들어 배지 용기에서 배양 매개체로부터 성장이 제공된다. 단지 개별 적인 세포들(21)만이 명확성을 위하여 도 7에 도시되어 있다. 세포 물질로부터 제거되어야 할 세포들이 이후에 관찰이 되고 그리고 선택이 된다. 선택된 세포에 대응하는 형성 구성 장치들(91)이 전진을 한다. 이러한 전진은 위에서 언급한 생리학적 속도로 발생하고, 이로 인하여 선택된 세포들의 손상이 없는 이동 및 분리가 발생한다. 이후 세포를 가지는 형성 구성 장치는 조작 도구(90)로부터 분리가 될 수 있다. 본 발명에 따라 세포 물질 위에 세포(21)를 침적시키는 것은 예정된 단계 순서를 사용하여 유사하게 제공이 될 수 있다.
도 7은 또한 형성 구성 요소들(91)의 각각의 상단들(93)이 특별한 위치에서 세포 물질을 축가로 변형시키기 위하여 서로 다르게 만들어질 수 있다는 것을 예시한다. 예를 들어, 미소구조들(93a 참조)이 상단(93)의 접착 능력을 향상시키기 위하여 제공될 수 있거나 또는 둘러싼 세포 물질로부터 세포의 향상된 분리를 위하여 형성 구성 요소(91)의 내부에 형성된 자루(bulge)와 같은 추가적인 구조 구성 요소들이 제공될 수 있다. 추가로 모든 또는 개별적인 형성 구성 요소들(91)이 접착-촉진 코팅(93c)을 가질 수 있다.
대안으로, 도 7에 도시된 조작 도구(90)는 도 8에서 이미지 순서로 도시된 것처럼 추적 진단 도구(impression tool)로 사용될 수 있다. 부분 이미지(A)에서 도시된 시작 상황에서, 세포 물질(20)이 캐리어(80) 위에 위치하고, 그리고 캐리어(80)를 통하여 도구가 본 발명에 따른 방법에 대응하도록 유도가 된다. 다수 개의 대체가능한 형성 구성요소들(91)을 가지는 조작 도구(90)가 세포 물질의 초기 여분의 표면 위쪽에 설치가 된다. 조작 도구(90)는 이러한 경우 아래쪽으로 겨냥하 고 있는 상단들(93)이 세포 물질(20)에 접촉할 때까지 세포 물질(20)을 향하여 이동이 된다. 이후 부분 이미지(B)에 도시된 것처럼, 조작 도구(90)의 표면이 각각의 형성 구성 요소들(91)의 표적이 된 진행을 통과하도록 조정이 된다. 추진 이동이 생물 세포의 위에서 언급된 생리학적 기준 속도로 실행이 된다. 각각의 형성 구성 요소들(91)이 손상이 없이 세포 물질 내에서 세포들을 이동시킨다.
이후 부분 이미지(C)에 도시된 것처럼, 조작 장치(90)가 제거된다. 도구의 표면 형태는 세포 물질(20)에서 보충적인 구조로서 유지된다. 세포 물질(20)로부터 조작 도구(90)를 분리하는 것을 보다 용이하도록 하기 위하여, 형성 구성 요소들(91)의 상단들(93)에 세포의 접착을 억제하기 위한 코팅이 제공될 수 있다. 코팅은 예를 들어 폴리머 폴리헤마(polymers Polyhema) 또는 PTFE를 사용하여 행해진다. 최종적으로 세포 물질 내에 융기가 된 갭들(gaps)은 부분 이미지(D)에 도시된 것과 같이 다른 세포 또는 합성 기질 물질(25)로서 채워질 수 있다.
형태 및 세포 또는 세포 물질 내부로 공급이 가능한 첨가물들(25)의 선택은 조직 처리의 범위에서 구체적인 물체에 따라 실행이 된다. 예를 들어 도 8에 도시된 순서를 사용하여, 미리 규정된 구조를 가지는 상피 세포들이 조직 세포와 접촉하도록 만들어진다.
위에서 기술된 본 발명의 특징, 청구항 및 도면들은 다양한 실시 형태로 본 발명의 실행하기 위하여 개별적으로 또는 조합된 형태 양쪽으로 중요성을 가진다.
본 발명은 생체 외 세포 배양, 생명 공학에서 조직 처리, 약물학을 위한 조 직 모델을 제공하는 것 및 의료 치료에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 실시 형태에 해당하는 세포 주입의 순서를 도시한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 프로브의 서로 다른 실시 형태를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 프로브의 변형된 실시 형태를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 세포 조작 장치의 개략적인 예시를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 세포 조작 장치의 실시 형태의 추가적인 상세한 사항들의 예시를 도시한 것이다.
도 6은 프로브의 반지름 방향의 팽창의 예시를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 프로브의 추가적인 변형된 실시 형태를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 방법의 실시 형태에 해당하는 세포 형성의 순서를 도시한 것이다.
도 9는 공지의 주입 주사기의 팁을 도시한 것이다.

Claims (23)

  1. 세포 물질로 이동 가능한 프로브 몸체(11)를 가지고, 대상물질을 프로브의 빈채널을 통해 세포 물질(20) 내부로 삽입하는 프로브에 있어서, 프로브 몸체(11)는 하나 이상의 앞쪽 면(13, 93) 위에 둥근 형태의 표면을 가지고, 상기 표면은 세포 물질(20)로 프로브 몸체(11)가 이동하는 방향을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 프로브.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 둥근 형태의 표면은 10 ㎛보다 큰 곡률 반지름을 가지는 것을 특징으로 하는 프로브.
  3. 청구항 1에 있어서, 프로브 몸체(11)는 입구(32)를 가지고 프로브 몸체의 표면에 형성된 공동(31) 또는 하나 이상의 홈-형태의 리세스(34)를 가지는 하나 이상의 기능 부분(30)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 프로브.
  4. 청구항 3에 있어서, 프로브 몸체(11)는 하나 이상의 세포의 세포수, 세포크기, pH, 또는 전기적 특성을 탐지하기 위한 센서(33)를 가지는 하나 이상의 기능 부분(30)을 포함하는 프로브.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 센서는 프로브 몸체(11)의 공동(31)에 설치가 되는 것을 특징으로 하는 프로브
  6. 청구항 1에 있어서, 프로브 몸체(11)는 둥근 표면을 가지는 제1 끝 부분(12) 및 대상 물질을 저장하는 외부 저장 장치(40)와 연결되어 있는 제2 끝 부분을 가지는 모세관을 포함하는 프로브.
  7. 청구항 6에 있어서, 모세관(11)은 제1 끝부분에 대상 물질을 수집하기 위한 오목한 내부 수용 표면(16)을 가지는 수용 도구(15)를 포함하는 프로브.
  8. 청구항 6에 있어서, 대상 물질을 수집하기 위한 볼록한 내부 수용 표면(16)을 가지는 수용 도구(15)가 모세관(11)에 설치되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  9. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 수용 도구(15)는 홈 형상의 리세스(34)에 설치가 되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  10. 청구항 6에 있어서, 대상물질은 수집하기 위한 수용 도구(15)는 모세관(11) 또는 홈 형상의 리세스(34)내에서 전진 이동이 가능하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  11. 청구항 1에 있어서, 프로브 몸체(11)는 표면이 둥근 형태의 표면에 의하여 형성이 되는 몰딩이 된 몸체를 가지는 것을 특징으로 하는 프로브.
  12. 청구항 11에 있어서, 프로브 몸체(11)는 수용 도구(15)를 형성하는 구형으로 몰딩이 된 몸체인 것을 특징으로 하는 프로브.
  13. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 기능 부분(30)은 대상 물질을 수집하기 위한 내부 수용 표면(16)을 가지는 셀-형태의 수용 도구(15)를 포함하는 프로브.
  14. 청구항 13에 있어서, 내부 수용 표면(16)은 관통 입구(17)를 가지는 것을 특징으로 하는 프로브.
  15. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 스페이서(18)가 프로브 몸체(11)의 끝 부분(12)에 제공이 되고 그리고 스페이서(18)를 사용하여 프로브 몸체(11)가 캐리어(80) 위에 위치가 되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  16. 청구항 1에 있어서, 프로브 몸체(11)는 외부 전진 힘을 작동하기에 적합한 하나 이상의 기계식 홀더 또는 자기적 요소를 포함하는 힘 구성 요소(15)를 가지는 것을 특징으로 하는 프로브.
  17. 세포 물질을 처리하기 위한 세포 조작 장치에 있어서,
    - 청구항 1에 따른 하나 이상의 프로브(10, 91) 및
    - 하나 이상의 프로브(10)를 이동시키기 위한 하나 이상의 구동 장치(50, 92)를 포함하는 세포 조작 장치.
  18. 청구항 17에 있어서, 프로브를 이동시키는 구동 장치(50, 92) 또는 세포 물질(20)의 캐리어(80)를 위치시키는 위치 설정 장치(60)를 가지며, 상기 위치 설정 장치는 조절 가능한 3점 설치에 의해 위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 세포 조작 장치.
  19. 청구항 17 또는 청구항 18에 있어서, 하나 이상의 프로브(10) 또는 세포 물질(20)의 스트레인 게이지 혹은 원자력 현미경 검사를 통해 하나 이상의 세포(21)의 위치를 탐지하기 위한 센서를 포함하는 세포 조작 장치.
  20. 청구항 17에 있어서, 캐리어(80)는 세포물질이 위치할 수 있는 기질의 노출된 한 표면을 이용하여 세포 물질을 수용하고, 구동 장치는 캐리어와 관련하여 하나 이상의 프로브를 이동시키는 것을 특징으로 하는 세포 조작 장치.
  21. 청구항 17에 있어서, 구동 장치(50, 92)는 압전 구동 또는 자기 구동이 되는 것을 특징으로 하는 세포 조작 장치.
  22. 청구항 17에 있어서, 구동 장치(50)는 0.1 ㎛/h 내지 1 ㎜/h의 범위에 있는 속도로 프로브(10)를 이동시키는 것을 특징으로 하는 세포 조작 장치.
  23. 청구항 17에 있어서, 구동 장치(92)는 개별적으로 대체가 가능한 다수 개의 프로브(91)를 한쪽 면에 구비하는 것을 특징으로 하는 세포 조작 장치.
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