KR20120032255A - 자기력을 이용한 세포 분리 장치 및 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

자기력과 상기 자기력에 반대 방향으로 작용하는 힘을 함께 발생시켜 타깃 세포(target cell)와 그 이외의 세포를 효율적으로 분리할 수 있는 세포 분리 장치 및 분리 방법이 개시된다. 개시된 세포 분리 장치 및 분리 방법에 따르면, 자기력과 상기 자기력에 반대 방향으로 작용하는 힘을 함께 발생시킴으로써, 타깃 세포는 자기력에 의해 이동하고 그 이외의 세포들은 타깃 세포의 이동 방향과 반대 방향으로 이동하게 되어 분리율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 원치 않는 다른 세포에 의한 위양성이 감소할 수 있다. 또한, 개시된 세포 분리 장치 및 분리 방법에서는, 세척 단계 없이도 타깃 세포를 충분히 분리할 수 있기 때문에, 세척에 의한 세포의 손실(cell loss)이나 세포 용해(cell lysis)를 방지할 수 있다.

Description

자기력을 이용한 세포 분리 장치 및 분리 방법 {Cell separation device and cell separation method using magnetic force }
개시된 발명은 자기력을 이용한 세포 분리 장치 및 분리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기력과 상기 자기력에 반대 방향으로 작용하는 힘을 함께 발생시켜 타깃 세포(target cell)와 그 이외의 세포를 효율적으로 분리할 수 있는 세포 분리 장치 및 분리 방법에 관한 것이다.
세포는 동물의 신체를 구성하는 기본 단위로서, 신체의 각 기관에 따라 그 형태가 다르다. 신체에 발생하는 다양한 질병을 진단하기 위하여, 지금까지는 조직 검사를 수행하는 것이 일반적이다. 그러나, 최근 세포 검사의 정확성이 향상되면서 간편하고 정확한 질병의 진단이 가능해졌다. 특히, 많은 환자들이 불필요한 조직 검사를 회피하면서, 보다 정확한 진단을 얻기 위해 세포 검사의 중요성이 강조되고 있다.
세포 검사를 위해서는 원하는 특정 타깃 세포를 추출할 필요가 있다. 고형인 조직(tissue)으로부터 타깃 세포를 분리하는 경우에는, 현미경 관찰을 통해 위치를 파악하여 타깃 세포를 분리할 수 있다. 그러나 액체(예컨대, 혈액) 내의 세포를 분리하는 경우에는, 다양한 세포들이 복합되어 있기 때문에 원하는 타깃 세포만을 분리하기가 어렵다. 혈액 내에는 신체의 질병과 관련된 다양한 세포나 물질들이 혼합되어 있기 때문에, 혈액과 같이 다양하고 다른 성질을 갖는 세포들이 혼합되어 있는 용액 내에서 원하는 타깃 세포만을 분리하거나 원하지 않는 세포을 제거하는 것은 세포 검사의 필수적인 요소이다.
특히, 최근에는 혈액 내 암세포를 연구하는 것이 중요해지고 있다. 악성 종양과 관련한 사망은 대부분 최초로 종양이 발생한 지점으로부터 떨어진 조직 및 기관으로의 전이(metastasis)에 기인한다. 따라서, 종양의 조기 발견 및 종양의 성장을 모니터링하는 것은 암 환자의 성공적인 치료에 중요한 요소이다. 지금까지 암의 진단은 대체로 조직병리학(histopathology)에 의한 진단 기법을 이용하였다. 조직병리학 진단 기법은 생검체로부터 얻어지는 조직 시료를 이용하여 종양을 진단하는 방법이다. 이러한 조직병리학에 의한 접근 방법은 종양 세포를 직접적으로 관찰할 수 있어야 한다. 그러나, 생검체 시료를 얻기 위하여 선택한 조직의 위치에서 종양이 존재하는 여부가 부정확할 수도 있다. 또한, 생검체로부터 얻어지는 특정 지점에 관한 데이터만 얻을 수 있으로, 다른 지점으로 종양이 전이되었는지 여부를 아는데 한계가 있다.
혈중 종양 세포(circulating tumor cell; CTC)는 최초로 종양이 검출되기 이전에도 환자에게서 발견될 수 있다고 알려져 있다. 따라서, 혈중 종양 세포는 암의 조기 진단 및 예측에 있어서 중요한 역할을 할 수 있다. 더욱이, 암은 대체로 혈액을 통해 전이된다는 점에서 혈중 종양 세포는 암의 전이 여부를 진단할 수 있는 표지가 될 수 있다. 또한, 수술을 통해 암 세포를 제거한 후에도 혈중 종양 세포가 발견되는 경우가 있으며, 이러한 경우 암이 재발할 가능성도 존재한다. 그러나, 이러한 혈중 종양 세포는 혈액 내에서 그 양이 매우 적고 세포 자체가 연약하여 이를 감지하고 그 수를 파악하기가 매우 어렵다. 따라서, 환자의 체내에 존재하는 혈중 종양 세포, 암 세포 또는 암 줄기 세포를 검출할 수 있는 높은 민감성을 갖는 진단 방법이 필요하다. 이를 위해서는, 생물학적 시료 중에 포함된 종양 세포를 효율적으로 분리하는 방법 및 이와 관련된 장치가 요구된다.
최근, 자기력을 이용한 자기 분리(magnetic separation) 기술이 의료 및 바이오 기술(medical & bio technology) 분야에서 다양한 형태로 이용되고 있다. 자기 분리 기술은, 측정 가능성(scalability), 효율성, 단순성, 까다롭지 않은 조건, 자동화의 용이성, 저렴한 비용 등으로 인해, 그에 대한 관심이 증대되고 있는 추세이다. 자기 분리 기술에서는, 원하는 타깃 물질에 대한 친화도가 높고 자석에 민감한 자성 입자를 사용하여 시료를 배양한 후, 강한 자석을 도입하여 중력이나 세척에 의해 원치 않은 물질을 분리한다. 즉, 자성 입자가 표지된 타깃 물질 또는 세포는 자기력에 의해 자석 쪽으로 끌려가고, 나머지 물질이나 세포는 중력이나 세척에 의해 제거된다. 이러한 자기력을 이용한 분리 방법은 지름이 약 10nm~20㎛에 이르는 미세 입자나 비드를 사용한다.
그러나, 기존의 자기 분리 기술의 경우, 자성 입자가 표지된 세포가 자기력에 의해 이동하면서 발생하는 흐름에 의해 다른 세포도 함께 이동하면서 원치 않는 세포가 함께 트랩되어, 분리율이 낮아 지고 위양성(false-positive)이 증가하게 될 수 있다. 또한, 비특이적 결합(non-specific binding)에 의한 세포를 제거하기 위해 세척 단계(washing step)를 거치게 되는데, 이때 타깃 세포가 함께 떨어져 나가거나 세척 과정 중 발생하는 전단 응력(shear stress)에 의해 세포막이 파괴되어 세포 손실이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
자기력과 상기 자기력에 반대 방향으로 작용하는 힘을 함께 발생시켜 타깃 세포와 그 이외의 세포를 효율적으로 분리할 수 있는 세포 분리 장치 및 분리 방법을 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 세포 분리 장치는, 곡률을 갖도록 곡선의 형태로 형성된 채널; 상기 채널의 일측 단부에 연결된 시료 유입구; 상기 채널의 타측 단부에 각각 연결된 제 1 시료 배출구와 제 2 시료 배출구; 및 상기 채널의 바깥쪽 둘레를 따라 배치된 적어도 하나의 자석;을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 채널은 원형 또는 타원형의 형태를 가질 수 있다.
상기 채널은 예컨대 한 중심점의 주위를 돌면서 그 중심점으로부터 점점 멀어지는 평면 곡선인 와선의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 채널의 안쪽 중심에 상기 시료 유입구가 연결될 수 있으며, 상기 채널의 바깥쪽 단부에 상기 제 1 및 제 2 시료 배출구가 연결될 수 있다.
상기 자석은 예컨대 상기 채널의 바깥쪽 둘레를 연속적으로 둘러싸는 하나의 긴 원형 자석을 포함할 수 있다.
상기 채널의 높이는 예컨대 상기 채널의 내부를 흐르는 시료에 포함된 세포들의 직경의 약 2배 내지 20배의 범위에 있을 수 있다.
상기 자석은 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 상기 곡선 형태의 채널을 따라 시료가 흐를 때 발생하는 관성력보다 크도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 세포 분리 장치는, 시료를 담는 챔버; 상기 챔버의 상부에 배치되는 자석; 및 상기 챔버의 상부에 연결되는 회전축;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 회전축은 상기 챔버 상부의 자석과 더 가까이 배치되며 상기 챔버의 바닥면과는 더 멀게 배치될 수 있고, 상기 자석은 상기 회전축을 중심으로 챔버가 회전할 때 발생하는 원심력보다 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 더 크도록 구성될 수 있다.
상기 세포 분리 장치는, 상기 자석을 시료에 의한 손상으로부터 보호하기 위하여 상기 자석의 표면에 형성된 보호 코팅을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료와 맞닿는 상기 자석의 표면은 비스듬한 경사면으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 유형에 따른 세포 분리 장치는, 중앙의 회전축을 중심으로 회전하는 디스크; 상기 디스크의 상부면에 배치된 것으로, 시료를 담는 적어도 하나의 챔버; 및 상기 챔버 내에 배치된 자석;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 자석은 상기 챔버 내에서 상기 디스크의 회전축과 가까운 쪽으로 배치될 수 있고, 상기 자석은 상기 회전축을 중심으로 디스크가 회전할 때 상기 챔버 내에 발생하는 원심력보다 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 더 크도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 챔버는 그의 길이 방향과 상기 디스크의 반경 방향이 서로 일치하도록 상기 디스크 위에 배치될 수 있다.
또한, 상기 디스크 위에서 방위각 방향을 따라 일정한 간격으로 다수의 챔버들이 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 세포 분리 장치는, 시료를 담는 챔버; 상기 챔버의 상부면을 관통하여 상기 챔버 내로 배치된 시료 공급관; 상기 챔버 내에서 상기 시료 공급관의 주위를 둘러싸도록 배치된 자석; 및 상기 챔버의 상부 측면에 연결된 시료 배출구;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 자석은 상기 시료 공급관을 중심으로 상기 챔버의 내부를 따라 시료가 회전할 때 발생하는 원심력보다 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 더 크도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 챔버는 상부면이 상대적으로 넓고 하부면이 상대적으로 좁은 원뿔형의 형태를 가질 수 있으며, 상기 챔버의 측면이 경사질 수 있다.
또한, 상기 시료 공급관의 일측 단부는 상기 챔버의 상부면 위로 돌출되어 시료 유입구의 역할을 할 수 있으며, 상기 시료 공급관의 타측 단부는 상기 챔버 내에서 상기 챔버의 하부면 부근에 배치될 수 있다.
상기 시료 공급관은 상기 챔버 내의 중심 영역에 배치될 수 있다.
상기 자석은 예를 들어 상기 시료 공급관을 둘러싸는 원통형의 자석일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 세포 분리 장치는, 원통형의 자석; 상기 자석의 주위를 나선형으로 둘러싸는 채널; 상기 채널의 일측 단부에 연결된 시료 유입구; 및 상기 채널의 타측 단부에 각각 연결된 제 1 시료 배출구와 제 2 시료 배출구;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 자석은 상기 나선형 채널의 내부를 따라 시료가 상기 자석의 주위를 회전할 때 발생하는 원심력보다 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 더 크도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 채널은 상기 자석의 주위에 복수 회에 걸쳐 감겨 있는 원통형의 관일 수 있다.
상기 채널의 직경은, 예컨대, 상기 채널의 내부를 흐르는 시료에 포함된 세포들의 직경의 20배보다 클 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따르면, 자성 입자로 표지되어 있는 타깃 세포를 포함하는 시료를 마련하는 단계; 상기 시료에 제 1 방향으로 작용하는 자기력을 인가하는 단계; 상기 시료에 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 작용하는 자기력 이외의 제 2의 힘을 인가하는 단계; 및 자성 입자로 표지되어 있는 타깃 세포를 제 1 방향으로 이동시키고, 나머지 세포들을 제 2 방향으로 이동시키는 단계;를 포함하는 세포 분리 방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 자기력은 상기 제 2의 힘보다 더 클 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2의 힘은 관성력, 딘 항력 및 원심력 중에서 적어도 하나일 수 있다.
개시된 세포 분리 장치 및 분리 방법에 따르면, 자기력과 상기 자기력에 반대 방향으로 작용하는 힘을 함께 발생시킴으로써, 타깃 세포는 자기력에 의해 이동하고 그 이외의 세포들은 타깃 세포의 이동 방향과 반대 방향으로 이동하게 되어 분리율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 원치 않는 다른 세포에 의한 위양성이 감소할 수 있다. 또한, 개시된 세포 분리 장치 및 분리 방법에서는, 세척 단계 없이도 타깃 세포를 충분히 분리할 수 있기 때문에, 세척에 의한 세포의 손실(cell loss)이나 세포 용해(cell lysis)를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 분리 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 세포 분리 장치에서 타깃 세포와 그 이외의 세포들이 분리되는 원리를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다.
도 5b는 도 5a에 도시된 세포 분리 장치에서 타깃 세포와 그 이외의 세포들이 분리되는 원리를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다.
도 9b는 도 9a에 도시된 세포 분리 장치에서 타깃 세포와 그 이외의 세포들이 분리되는 원리를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 자기력을 이용한 세포 분리 장치 및 분리 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 분리 장치(10)의 예시적인 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 분리 장치(10)는 곡률을 갖도록 곡선의 형태로 형성된 채널(11), 상기 채널(11)의 일측 단부에 연결된 시료 유입구(13), 상기 채널(11)의 타측 단부에 각각 연결된 제 1 시료 배출구(13)와 제 2 시료 배출구(14), 및 상기 채널(11)의 바깥쪽 둘레를 따라 배치된 적어도 하나의 자석(15)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 채널(11)은 도 1에 도시된 바와 같이 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다. 여기서, 곡선 형태의 채널(11)의 곡률 중심 영역을 채널(11)의 안쪽이라 할 수 있으며, 채널(11)을 기준으로 곡선 형태의 채널(11)의 곡률 중심 영역에 대한 반대쪽 영역을 채널(11)의 바깥쪽이라 할 수 있다. 채널(11)의 바깥쪽 둘레를 따라 배치된 자석(15)은 예를 들어 영구 자석일 수도 있으며, 또는 사용시에만 자기력을 발생시키는 전자석일 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세포 분리 장치(10)에서, 타깃 세포를 포함하는 미리 마련된 시료가 시료 유입구(13)를 통해 채널(11)에 제공될 수 있다. 시료는 예를 들어 피검사자의 신체로부터 채취한 혈액과 같은 액체 시료일 수 있다. 자기력에 의한 타깃 세포의 분리를 위해, 시료 내의 타깃 세포들은 미리 자성 입자들로 표지되어 있을 수 있다. 시료 유입구(13)를 통해 채널(11)에 제공된 시료는 상기 채널(11)의 내부를 흐르게 된다. 시료가 채널(11)의 내부를 흐르는 동안, 시료 내의 세포들에는 다음과 같은 세 가지 힘이 작용할 수 있다. 즉, 시료가 채널(11) 내부를 흐를 때 유체의 저항에 의해 발생하는 딘 항력(Dean drag force), 곡선 형태의 채널(11)을 따라 시료가 흐를 때 발생하는 관성력(inertial force) 및 자석(15)에 의해 발생하는 자기력(magnetic force)이 세포들에 작용할 수 있다.
딘 항력(Dean drag force)은 채널(11)의 높이가 시료 내의 세포들의 직경보다 약 2~20배 정도로 큰 경우에 작용하여 시료 내의 세포들이 채널(11) 내부의 양측 가장자리 부근을 따라 이동하게 한다. 딘 항력에 의해 채널(11) 내부의 중앙 영역에는 세포들이 거의 존재하지 않는다. 관성력은 곡선 형태로 휘어진 채널(11)을 따라 시료가 흐를 때 곡률 중심 방향을 향해 작용하여 세포들이 휘어진 채널(11) 내부에서 상대적으로 안쪽 가장자리를 따라 이동하게 한다. 채널(11)의 바깥쪽 둘레를 따라 배치된 자석(15)에 의해 발생하는 자기력은 곡률 중심 방향의 반대쪽 방향으로 작용하여 자성 입자로 표지된 세포들을 채널(11) 내부에서 상대적으로 바깥쪽 가장자리를 따라 이동하게 한다.
도 2는 상술한 힘들의 작용에 따라 타깃 세포와 그 이외의 세포들이 분리되는 원리를 개략적으로 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 채널(11) 내에서 액상의 시료(19)는 채널(11)의 좌측으로부터 우측으로 이동한다고 가정한다. 채널(11)의 좌측 부분을 보면, 딘 항력에 의해 시료(19) 내의 세포(16, 17)들이 채널(11) 내부의 양측 가장자리 부근을 따라 이동하고 있다. 채널(11) 내에는 자성 입자(18)들로 표지된 타깃 세포(17)와 그 이외의 세포(16)들이 혼합되어 있으며, 이들 세포(16, 17)들은 아직 서로 분리되어 있지 않다. 도 2에서는 딘 항력에 의한 세포들의 이동을 예시적으로 보이기 위해, 채널(11)이 직선 구간을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나 실제로 채널(11)이 직선 구간을 가질 필요는 없다.
도 2의 우측에 도시된 바와 같이, 채널(11)의 내부를 이동하는 세포(16, 17)들이 휘어진 곡선 구간을 만나면, 곡선의 곡률 중심을 향해 작용하는 관성력(FL)이 세포(16, 17)들에 작용하게 된다. 한편, 채널(11)의 바깥쪽 둘레에는 자석(15)이 배치되어 있어서, 곡률 중심 방향의 반대 방향으로 작용하는 자기력(FM)이 자성 입자(18)로 표지된 타깃 세포(17)들에 작용하게 된다. 그러나, 자기력(FM)은 자성 입자(18)로 표지되지 않은 나머지 세포(16)들에는 작용하지 않는다. 만약 자기력(FM)이 관성력(FL)보다 크다면, 자성 입자(18)로 표지된 타깃 세포(17)들은 도 2에 도시된 바와 같이 자기력(FM)에 의해 끌어당겨져서 채널(11) 내부의 상대적으로 바깥쪽 가장자리를 따라 이동하게 된다. 반면, 자기력(FM)에 의한 영향을 받지 않는 그 외의 세포(16)들은, 도 2에 도시된 바와 같이, 관성력(FL)에 의해 채널(11) 내부의 상대적으로 안쪽 가장자리를 따라 이동하게 된다. 따라서, 타깃 세포(17)와 그 이외의 세포(16)들은 채널(11) 내에서 서로 분리되어 이동하게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 채널(11)의 출구에는 제 1 시료 배출구(13)와 제 2 시료 배출구(14)가 각각 연결되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 시료 배출구(13)는 채널(11)의 상대적으로 안쪽 가장자리에 연결되어 있는 반면, 제 2 시료 배출구(14)는 채널(11)의 상대적으로 바깥쪽 가장자리에 연결되어 있다. 따라서, 제 2 시료 배출구(14)를 통해서는 채널(11) 내부의 상대적으로 바깥쪽 가장자리를 따라 이동하는 타깃 세포(17)가 배출될 수 있으며, 제 1 시료 배출구(13)를 통해서는 채널(11) 내부의 상대적으로 안쪽 가장자리를 따라 이동하는 나머지 세포(16)들이 배출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기력과 상기 자기력에 반대 방향으로 작용하는 제 2의 힘(예컨대, 관성력 및 딘 항력, 또는 이후에 설명할 원심력)을 시료가 이동하는 채널(11) 내에 함께 인가함으로써, 타깃 세포(16)는 자기력에 의해 이동하고 그 이외의 세포(17)들은 타깃 세포(16)의 이동 방향과 반대 방향으로 이동하게 될 수 있다. 따라서, 타깃 세포(16)의 분리율을 향상시킬 수 있으며, 원치 않는 다른 세포(17)들에 의한 위양성이 감소할 수 있다. 또한, 이러한 타깃 세포(16)의 분리율의 향상으로 인하여 추가적인 세척 단계가 요구되지 않기 때문에, 세척에 의한 세포의 손실이나 세포 용해를 방지할 수 있다.
도 1에는, 채널(11)의 바깥쪽 둘레를 따라 예시적으로 4개의 자석(15)이 배치된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 배치될 수 있는 자석(15)의 개수에는 제한이 없다. 채널(11) 내에서 자석(15)에 의해 발생하는 자기력이 미치지 않는 부분을 줄이기 위해 더욱 많은 자석(15)들이 채널(11)의 바깥쪽 둘레를 따라 배치될 수도 있다. 또한, 단지 하나의 긴 자석이 채널(11)을 둘러싸도록 배치되는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치(20)의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 3에 도시된 세포 분리 장치(20)는 채널(11)의 바깥쪽 둘레를 연속적으로 둘러싸는 하나의 긴 원형 자석(25)을 갖는다. 상기 세포 분리 장치(20)의 나머지 구성은 도 1에 도시된 세포 분리 장치(10)의 구성과 같다.
또한, 타깃 세포(16)와 원치 않는 다른 세포(17)들 사이의 분리를 더욱 확실하게 하기 위하여, 채널(11)의 길이를 충분히 길게 형성할 수도 있다. 도 1에는 원형의 채널(11)이 도시되어 있지만, 동일한 면적 내에 더욱 긴 길이를 갖도록 다른 형태의 채널이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치(30)의 구성을 개략적으로 도시하고 있다다. 도 4에 도시된 세포 분리 장치(30)는 한 중심점의 주위를 돌면서 그 중심점으로부터 점점 멀어지는 평면 곡선인 와선(spiral line)의 형태로 형성된 채널(31)을 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 실시예의 경우, 채널(31)이 와선의 형태로 형성되어 있기 때문에 도 1에 도시된 채널(11)에 비하여 동일 면적 내에 더욱 긴 길이를 가질 수 있다. 도 4의 실시예에서, 채널(31)의 안쪽 중심점에 시료 유입구(12)가 연결되어 있으며, 바깥쪽 단부에 제 1 및 제 2 시료 배출구(13, 14)가 연결되어 있다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치(40)의 예시적인 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 5a에 도시된 세포 분리 장치(40)는 시료(46)를 담는 챔버(41), 상기 챔버(41)의 상부에 배치되는 자석(44) 및 상기 챔버(41)의 상부에 연결되는 회전축(47)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 회전축(47)은 챔버(41) 상부의 자석(44)과 더 가까이 배치되며, 챔버(41)의 바닥면(43)과는 멀게 배치된다. 또한, 챔버(41)는 내부의 시료(46)가 새지 않도록 챔버(41)의 상부를 기밀시키는 커버(42)를 가질 수 있다. 이 경우, 자석(44)은 상기 커버(42)의 하부면에 부착될 수 있으며, 회전축(47)은 커버(42)의 상부면에 연결될 수 있다. 예를 들어, 회전축(47)이 챔버(41)에 대해 접힐 수 있도록 상기 회전축(47)은 커버(42)의 상부면에 힌지를 통해 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 자석(44)은 액상의 시료(46)와 직접 접촉할 수 있기 때문에, 시료(46)에 의해 예를 들어 녹이 스는 등의 손상을 입을 수 있다. 따라서, 자석(44)의 손상을 방지하기 위하여, 자석(44)의 표면에는 보호 코팅(45)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호 코팅(44)은 폴리머 또는 유리와 같이 시료(46)의 침투를 방지할 수 있는 재료로 이루어질 수 있다.
도 5a에 도시된 세포 분리 장치(40)의 동작 원리는 도 5b에 도시되어 있다. 도 5b를 참조하면, 챔버(41) 내에 시료(46)를 채운 후, 회전축(47)이 커버(42)에 대해 수직이 되도록 고정한 상태에서, 회전축(47)을 중심으로 하여 챔버(41)를 회전시킨다. 챔버(41)가 회전하게 되면, 챔버(41)의 바닥면(43)을 향해 작용하는 원심력(Fc)이 발생한다. 상기 원심력(Fc)의 작용에 따라 시료(46) 내의 세포(16, 17)들은 챔버(41)의 바닥면(43)을 향해 이동하려는 힘을 받게 된다. 한편, 챔버(41)의 상부에는 자석(44)이 배치되어 있으므로, 상기 챔버(41) 내에는 회전축(47)을 향해 챔버(41)의 상부로(즉, 원심력(Fc)과 반대의 방향으로) 작용하는 자기력(FM)이 존재한다. 상기 자기력(FM)의 작용에 따라 자성 입자(18)로 표지된 타깃 세포(17)들은 자석(44)을 향해 이동하려는 힘을 받게 된다. 만약 자기력(FM)이 원심력(Fc)보다 크다면, 자성 입자(18)로 표지된 타깃 세포(17)들은, 도 5b에 도시된 바와 같이, 자기력(FM)에 의해 끌어당겨져서 챔버(41) 상부의 자석(44)으로 이동하여 모이게 된다. 반면, 자기력(FM)에 의한 영향을 받지 않는 그 외의 세포(16)들은, 도 5b에 도시된 바와 같이, 원심력(Fc)에 의해 챔버(41)의 바닥면(43)으로 이동하여 모이게 된다. 본 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이 원심력(Fc)과 반대의 방향으로 작용하는 자기력(FM)을 이용함으로써 타깃 세포(17)와 그 외의 세포(16)들을 분리할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치(50)의 예시적인 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 6에 도시된 세포 분리 장치(50)는 도 5a에 도시된 세포 분리 장치(40)와 거의 동일한 구성을 가지며, 단지 자석의 형태만이 다르다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 세포 분리 장치(50)에서 자석(54)은 시료(46)와 맞닿는 표면이 비스듬한 경사면으로 형성되어 있다. 따라서, 자석(54)의 표면적이 더 넓어지므로 자성 입자(18)로 표지된 타깃 세포(17)들에 작용하는 자기력(FM)을 더 크게 할 수 있으며, 더 많은 타깃 세포(17)들이 자석(54)의 표면에 모이도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치(60)의 예시적인 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 7에 도시된 세포 분리 장치(60)는 중앙의 회전축(62)을 중심으로 회전하는 디스크(61), 상기 디스크(61)의 상부면(66)에 배치되며 시료(65)를 담는 적어도 하나의 챔버(63), 및 챔버(63) 내에 배치된 자석(64)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 챔버(63) 및 자석(64)의 구성은 도 5a 및 도 6에 도시된 실시예의 챔버(41) 및 자석(44, 54)의 구성과 동일한 것일 수도 있다. 즉, 도 5a 및 도 6에 도시된 실시예의 챔버(41)와 자석(44, 54)이 디스크(61) 위에 올려진 것일 수 있다.
챔버(63)는 그의 길이 방향과 디스크(61)의 반경 방향이 서로 일치하도록 디스크(61) 위에 배치될 수 있다. 그리고 자석(64)은 챔버(63) 내에서 디스크(61)의 회전축(62)과 가까운 쪽으로 배치될 수 있다. 도 7에는 단지 두 개의 챔버(63)만이 도시되어 있으나, 디스크(61) 위에서 방위각 방향을 따라 일정한 간격으로 다수의 챔버(63)들이 배치될 수도 있다. 이러한 구성에서, 디스크(61)가 회전하게 되면, 디스크(61)의 바깥쪽 방향으로 작용하는 원심력(Fc)이 발생한다. 한편 자석(64)이 챔버(63) 내에서 디스크(61)의 회전축(62)과 가까운 쪽으로 배치되어 있기 때문에, 자석(64)에 의해 발생하는 자기력(FM)의 방향은 원심력(Fc)의 방향과 반대이다. 따라서, 본 실시예에 따른 세포 분리 장치(60)는 도 5a 및 도 6에 도시된 세포 분리 장치(40, 50)와 동일한 원리에 따라, 시료(65) 내에 혼합된 타깃 세포와 그 외의 세포들을 서로 분리할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치(70)의 예시적인 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치(70)는 상부면이 상대적으로 넓고 하부면이 상대적으로 좁은 원뿔형의 챔버(71), 상기 챔버(71)의 상대적으로 넓은 상부면의 중심을 관통하여 챔버(71) 내의 중심 영역에 배치된 시료 공급관(72), 및 상기 챔버(71) 내에서 시료 공급관(72)의 주위를 둘러싸도록 배치된 자석(75)을 포함할 수 있다. 원뿔형의 챔버(71)는 경사진 측면을 가지며, 측면의 상부에는 시료 배출구(77)가 연결될 수 있다. 또한, 시료 공급관(72)의 일측 단부는 챔버(71)의 상부면 위로 돌출되어 있으며 시료 유입구(73)의 역할을 할 수 있다. 시료 공급관(72)의 타측 단부(74)는 상기 챔버(71) 내에서 챔버(71)의 상대적으로 좁은 하부면에 가깝게 배치될 수 있다. 도 8에서 자석(75)은 두 개의 막대 형태로 표시되어 있으나 이는 단순한 단면 표시이며, 실제로는 시료 공급관(72)을 둘러싸는 원통형의 자석일 수 있다.
이러한 구조에서, 시료 공급관(72)을 통해 챔버(71)로 시료(76)가 제공된다. 보다 구체적으로, 시료(76)는 시료 공급관(72) 상부의 시료 유입구(73)로부터 시료 공급관(72) 하부의 단부(74)를 통해 챔버(71) 내로 공급된다. 시료(76)는 챔버(71)의 상대적으로 좁은 하부로부터 상대적으로 넓은 상부까지 채워진 후, 챔버(71) 상부 측면의 시료 배출구(77)를 통해 빠져 나간다. 이 과정에서, 시료(76)는 시료 공급관(72)을 중심으로 원뿔형의 챔버(71) 내부를 따라 싸이클론(cyclone)과 같이 회전하게 된다. 따라서, 시료(76)에 포함되어 있는 세포들에는 챔버(71)의 바깥쪽 방향으로 원심력(Fc)이 작용하게 된다. 한편, 챔버(71) 중심에는 자석(75)이 배치되어 있어서, 자성 입자들로 표지된 타깃 세포에는 원심력(Fc)과 반대 방향의 자기력(FM)도 작용하게 된다. 만약 자기력(FM)이 원심력(Fc)보다 더 크다면, 자성 입자로 표지된 타깃 세포들은 자기력(FM)에 의해 끌어당겨져서 챔버(71) 중심의 자석(75) 주위에 모이게 될 것이다. 반면, 자기력(FM)에 의한 영향을 받지 않는 그 외의 세포들은 챔버(71)의 내부를 회전하다가 시료 배출구(77)를 통해 빠져 나갈 것이다. 따라서, 시료(76) 내에 혼합된 타깃 세포와 그 이외의 세포들의 분리가 가능하게 된다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세포 분리 장치(80)의 예시적인 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 9a를 참조하면, 본 실시예에 따른 세포 분리 장치(80)는 원통형의 자석(81), 상기 자석(81)의 주위를 나선형(helical)으로 둘러싸는 채널(82), 상기 채널(82)의 일측 단부에 연결된 시료 유입구(83), 및 상기 채널(82)의 타측 단부에 각각 연결된 제 1 시료 배출구(84)와 제 2 시료 배출구(85)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 채널(82)은 자석(81)의 주위에 복수 회에 걸쳐 감겨 있는 원통형의 관일 수 있다. 또한 본 실시예에서는, 시료(86, 도 9b 참조) 내의 세포들이 딘 항력의 작용으로 채널(82) 내부의 양 가장자리를 따라 이동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 채널(82)의 직경은 시료(86) 내의 세포들의 직경보다 적어도 20배 이상 클 수 있다.
이러한 구조에서, 시료(86)는 채널(82)의 상부측 단부에 연결되어 있는 시료 유입구(83)를 통해 채널(82) 내부에 제공된다. 그러면 시료(86)는 자연적으로 아래쪽으로 흐르게 된다. 채널(82)이 자석(81)의 주위에 나선형으로 감겨 있기 때문에, 채널(82)을 따라 흐르는 과정에서 시료(86)는 자석(81)의 주위를 회전하기 된다. 따라서 도 9b에 도시된 바와 같이, 시료(86)에 포함되어 있는 세포들에는 채널(82)의 바깥쪽 방향으로 회전에 의한 원심력(Fc)이 작용하게 된다. 한편, 채널(82)의 중심에는 자석(81)이 배치되어 있어서, 자성 입자들로 표지된 타깃 세포에는 원심력(Fc)과 반대 방향의 자기력(FM)도 작용하게 된다. 만약 자기력(FM)이 원심력(Fc)보다 더 크다면, 자성 입자로 표지된 타깃 세포들은 자기력(FM)에 의해 끌어당겨져서 채널(82) 내에서 자석(81)에 가까운 내측 가장자리를 따라 이동할 것이다. 반면, 자기력(FM)에 의한 영향을 받지 않는 그 외의 세포들은 원심력(Fc)에 의해 채널(82) 내에서 바깥쪽 가장자리를 따라 이동할 것이다. 따라서, 시료가 채널(82)의 하부측 단부로 배출될 때, 자성 입자로 표지된 타깃 세포들은 채널(82)의 내측 가장자리와 연결된 제 2 시료 배출구(85)를 통해 배출될 것이다. 그리고, 그 외의 세포들은 채널(82)의 바깥쪽 가장자리와 연결된 제 1 시료 배출구(84)를 통해 배출될 것이다. 본 실시예에 따르면, 상술한 방식으로 시료(86) 내에 혼합된 타깃 세포와 그 이외의 세포들의 분리가 가능하게 된다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 자기력을 이용한 세포 분리 장치 및 분리 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80.....세포 분리 장치
11, 31, 82.....채널 12, 73, 83.....시료 유입구
13, 14, 77, 84, 85.....시료 배출구
15, 25, 44, 54, 64, 75, 81.....자석
16, 17.....세포 18.....자성 입자
41, 63, 71.....챔버 47, 62.....회전축
61.....회전 디스크 72.....시료 공급관

Claims (24)

  1. 곡률을 갖도록 곡선의 형태로 형성된 채널;
    상기 채널의 일측 단부에 연결된 시료 유입구;
    상기 채널의 타측 단부에 각각 연결된 제 1 시료 배출구와 제 2 시료 배출구; 및
    상기 채널의 바깥쪽 둘레를 따라 배치된 적어도 하나의 자석;을 포함하는 세포 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널은 원형 또는 타원형의 형태를 갖는 세포 분리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널은 한 중심점의 주위를 돌면서 그 중심점으로부터 점점 멀어지는 평면 곡선인 와선의 형태를 갖는 세포 분리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 채널의 안쪽 중심에 상기 시료 유입구가 연결되어 있으며, 상기 채널의 바깥쪽 단부에 상기 제 1 및 제 2 시료 배출구가 연결되어 있는 세포 분리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석은 상기 채널의 바깥쪽 둘레를 연속적으로 둘러싸는 하나의 긴 원형 자석을 포함하는 세포 분리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널의 높이는 상기 채널의 내부를 흐르는 시료에 포함된 세포들의 직경의 2배 내지 20배의 범위에 있는 세포 분리 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석은 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 상기 곡선 형태의 채널을 따라 시료가 흐를 때 발생하는 관성력보다 크도록 구성되는 세포 분리 장치.
  8. 시료를 담는 챔버;
    상기 챔버의 상부에 배치되는 자석; 및
    상기 챔버의 상부에 연결되는 회전축;을 포함하며,
    상기 회전축은 상기 챔버 상부의 자석과 더 가까이 배치되며 상기 챔버의 바닥면과는 더 멀게 배치되어 있고,
    상기 자석은 상기 회전축을 중심으로 챔버가 회전할 때 발생하는 원심력보다 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 더 크도록 구성되는 세포 분리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 자석을 시료에 의한 손상으로부터 보호하기 위하여 상기 자석의 표면에 형성된 보호 코팅을 더 포함하는 세포 분리 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    시료와 맞닿는 상기 자석의 표면이 비스듬한 경사면으로 형성되어 있는 세포 분리 장치.
  11. 중앙의 회전축을 중심으로 회전하는 디스크;
    상기 디스크의 상부면에 배치된 것으로, 시료를 담는 적어도 하나의 챔버; 및
    상기 챔버 내에 배치된 자석;을 포함하며,
    상기 자석은 상기 챔버 내에서 상기 디스크의 회전축과 가까운 쪽으로 배치되어 있고,
    상기 자석은 상기 회전축을 중심으로 디스크가 회전할 때 상기 챔버 내에 발생하는 원심력보다 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 더 크도록 구성되는 세포 분리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 챔버는 그의 길이 방향과 상기 디스크의 반경 방향이 서로 일치하도록 상기 디스크 위에 배치되는 세포 분리 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 디스크 위에서 방위각 방향을 따라 일정한 간격으로 다수의 챔버들이 배치되어 있는 세포 분리 장치.
  14. 시료를 담는 챔버;
    상기 챔버의 상부면을 관통하여 상기 챔버 내로 배치된 시료 공급관;
    상기 챔버 내에서 상기 시료 공급관의 주위를 둘러싸도록 배치된 자석; 및
    상기 챔버의 상부 측면에 연결된 시료 배출구;를 포함하며,
    상기 자석은 상기 시료 공급관을 중심으로 상기 챔버의 내부를 따라 시료가 회전할 때 발생하는 원심력보다 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 더 크도록 구성되는 세포 분리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 챔버는 상부면이 상대적으로 넓고 하부면이 상대적으로 좁은 원뿔형의 형태를 가지며, 상기 챔버의 측면이 경사져 있는 세포 분리 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 시료 공급관의 일측 단부는 상기 챔버의 상부면 위로 돌출되어 시료 유입구의 역할을 하며, 상기 시료 공급관의 타측 단부는 상기 챔버 내에서 상기 챔버의 하부면 부근에 배치되는 세포 분리 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 시료 공급관은 상기 챔버 내의 중심 영역에 배치되어 있는 세포 분리 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 자석은 상기 시료 공급관을 둘러싸는 원통형의 자석인 세포 분리 장치.
  19. 원통형의 자석;
    상기 자석의 주위를 나선형으로 둘러싸는 채널;
    상기 채널의 일측 단부에 연결된 시료 유입구; 및
    상기 채널의 타측 단부에 각각 연결된 제 1 시료 배출구와 제 2 시료 배출구;를 포함하며,
    상기 자석은 상기 나선형 채널의 내부를 따라 시료가 상기 자석의 주위를 회전할 때 발생하는 원심력보다 상기 자석에 의해 발생하는 자기력이 더 크도록 구성되는 세포 분리 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 채널은 상기 자석의 주위에 복수 회에 걸쳐 감겨 있는 원통형의 관인 세포 분리 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 채널의 직경은 상기 채널의 내부를 흐르는 시료에 포함된 세포들의 직경의 20배보다 큰 세포 분리 장치.
  22. 자성 입자로 표지되어 있는 타깃 세포를 포함하는 시료를 마련하는 단계;
    상기 시료에 제 1 방향으로 작용하는 자기력을 인가하는 단계;
    상기 시료에 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 작용하는 자기력 이외의 제 2의 힘을 인가하는 단계; 및
    자성 입자로 표지되어 있는 타깃 세포를 제 1 방향으로 이동시키고, 나머지 세포들을 제 2 방향으로 이동시키는 단계;를 포함하는 세포 분리 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 자기력은 상기 제 2의 힘보다 더 큰 세포 분리 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2의 힘은 관성력, 딘 항력 및 원심력 중에서 적어도 하나인 세포 분리 방법.
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