KR20120102180A - An in-vitro method for the toxicity assessments of nano-materials - Google Patents

An in-vitro method for the toxicity assessments of nano-materials Download PDF

Info

Publication number
KR20120102180A
KR20120102180A KR1020110019857A KR20110019857A KR20120102180A KR 20120102180 A KR20120102180 A KR 20120102180A KR 1020110019857 A KR1020110019857 A KR 1020110019857A KR 20110019857 A KR20110019857 A KR 20110019857A KR 20120102180 A KR20120102180 A KR 20120102180A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
nanoparticles
nanomaterial
cell layer
analysis
Prior art date
Application number
KR1020110019857A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101616589B1 (en
Inventor
윤태현
이송희
권동욱
박종훈
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020110019857A priority Critical patent/KR101616589B1/en
Priority to US13/278,716 priority patent/US9074980B2/en
Priority to EP11008532A priority patent/EP2479551A2/en
Publication of KR20120102180A publication Critical patent/KR20120102180A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101616589B1 publication Critical patent/KR101616589B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/02Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
    • C12Q1/025Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms for testing or evaluating the effect of chemical or biological compounds, e.g. drugs, cosmetics
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N15/1434Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers using an analyser being characterised by its optical arrangement
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/5005Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving human or animal cells
    • G01N33/5008Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving human or animal cells for testing or evaluating the effect of chemical or biological compounds, e.g. drugs, cosmetics
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/52Use of compounds or compositions for colorimetric, spectrophotometric or fluorometric investigation, e.g. use of reagent paper and including single- and multilayer analytical elements

Abstract

PURPOSE: A method for analyzing nano material risk is provided to minimize the effect by non-homogeneity of nanoparticles of a solution and to accurately evaluate the nano material risk. CONSTITUTION: A method for evaluating nano material risk in vitro comprises: a step of attaching a cell layer on the surface of a substrate; a step of exposing nano materials to the cell layer and dyeing using a normal and inverted exposure device; a step of analyzing the cell layer; and a step of quantitating cell apoptosis degree. The cell layer is formed on a microfluidic cell chip, a multiwell, or slide glass. The normal and inverted exposure device includes the microfluidic chip or wellplate exposing device made of polymer materials of [poly(dimethylsiloxane)](PDMS), polymethylmethacrylate(PMMA), polyacrylates, polycarbonates, polycyclic olefins, polyimides, or polyurethanes.

Description

인비트로 나노 물질 위해성 평가 방법{An in?vitro Method for the Toxicity Assessments of Nano?Materials}An in? Vitro Method for the Toxicity Assessments of Nano? Materials}

본 발명은 나노 물질 위해성 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 역립 노출기구를 이용하면서, 선택적으로 세포별 이미지 분석법(Image Cytometry) 또는 유세포 분석법(Flow Cytometry)을 이용하여, 종래 나노 물질 위해성 평가법의 오류를 개선한, in vitro 에서의 정확한 나노 물질 위해성 평가 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a nanomaterial risk assessment method, and more particularly, using a reverse exposure mechanism, and optionally by using a cell-specific image cytometry (Flow cytometry) or flow cytometry, improved error, in in vitro An accurate method for assessing nanomaterial risk.

나노 크기의 입자(이하 나노물질)에 인체가 노출될 때에 발생할 수 있는 나노물질의 위해성은 최근 나노기술의 급격한 발달에 따라 새로운 문제로 대두되고 있다. 호흡에 의한 흡입, 구강에 의한 흡입, 및 피부 노출의 빈도가 점차 증가하고 있는 점을 고려하여 볼 때, 나노기술 및 나노물질의 안정성에 대하여 정확하고 과학적인 정보가 시급히 요청되고 있다The risk of nanomaterials that can occur when the human body is exposed to nanoscale particles (hereinafter referred to as nanomaterials) is emerging as a new problem due to the recent rapid development of nanotechnology. Given the increasing frequency of inhalation by breath, inhalation by mouth, and skin exposure, accurate and scientific information on the stability of nanotechnology and nanomaterials is urgently required.

나노물질의 위해성은 매우 작은 크기와, 나노물질 특유의 벌크물질과 크게 다른 입자의 물리화학적 특성으로 인해 발생한다. 석면과 유리섬유와 같은 침상구조를 갖는 물질들의 암 유발 가능성과 같은 유해성에 대해서는 이미 오래전부터 잘 알려져 왔다. 나노물질의 경우 석면과 유리섬유와는 다르게 형상적 특성뿐만 아니라 매우 작은 크기로 인한 유해성이 더 주목을 받고 있다. 높은 표면 반응력과 세포막 투과능은 나노물질들이 쉽게 생체에 유입될 수 있도록 하고, 세포수준의 스트레스 유발가능성을 높이고 더 나아가 석면처럼 생체에 축적되어 지속적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 보고되고 있다. 나노물질은 마이크로사이즈의 물질과는 달리 인체 내에 더욱 깊숙한 곳까지 침투하여 침착이 가능하므로 심혈관계 질환에 영향을 미칠 수 있고, 특히 코 신경을 통해 침투된 나노물질은 혈액에 의해 체내에서 이동가능하여 뇌 손상에까지 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단된다. The risk of nanomaterials is due to their very small size and the physicochemical properties of particles that differ significantly from the bulk material specific to nanomaterials. Hazards such as the likelihood of causing cancer of needle-like materials such as asbestos and fiberglass have been known for a long time. Unlike asbestos and glass fibers, nanomaterials are attracting more attention because of their small size as well as their shape characteristics. It is reported that high surface reaction force and cell membrane permeability allow nanomaterials to easily enter the living body, increase the possibility of causing stress at the cellular level, and furthermore, accumulate in the living body like asbestos and have a lasting effect. Nanomaterials can affect cardiovascular disease because they can penetrate deeper into the body and deposit them, unlike micro-sized materials. Especially, nanomaterials penetrated through the nasal nerves can be moved in the body by blood. It may also affect brain damage.

생체를 대상으로 한 나노물질의 위해성 연구의 대부분은 주사로 인한 주입이나 세포배양을 통해 이루어지며 주로 금속, 금속산화물, 탄소 나노물질 등을 대상으로 한다. 일반적으로 나노입자는 주사보다는 호흡기, 구강, 피부에 의해서도 인체에 유입되는 것으로 알려져 있다. Most of the risk studies of nanomaterials in vivo are carried out through injection or cell culture, mainly targeting metals, metal oxides, and carbon nanomaterials. In general, nanoparticles are known to enter the human body by respiratory, oral, and skin rather than injection.

나노물질의 잠재적인 유해 영향을 미연에 방지하고 대비책을 마련하기 위한 국제협력활동이 적극적으로 추진되어야 하며, 무분별한 나노기술 개발 및 적용 그리고 부적절한 폐기 등 잠재적 위험성을 최소화 또는 감소하기 위한 제도적 장치 마련이 동시에 이루어져야 하는 시점에 와 있다. International cooperation activities should be actively promoted to prevent and prepare for potential harmful effects of nanomaterials, while at the same time institutional arrangements to minimize or reduce potential risks such as indiscriminate nanotechnology development and application and inappropriate disposal. It's time to get it done.

그러나, 나노입자 등이 인체나 환경에 미치는 위해성이 심각할 것으로 인식되고 있는 것과는 달리 실제 나노물질에 의한 인체와 생태계 노출, 독성 및 유해 영향평가 기법조차 제대로 구축되어 있지 않은 실정이다.However, contrary to the fact that nanoparticles and the like are considered to be seriously harmful to humans or the environment, even actual exposure of humans and ecosystems by nanomaterials, toxicity and harmful effects assessment methods are not properly established.

현재까지는, 일반적으로 기존 화학물질에 사용되고 있는 위해성 평가 방법을 나노물질에 적용하는 경우가 많다. 그러나, 작은 크기의 입자일수록 그 표면적이 넓어져 생체조직에 대한 반응성과 그에 따른 독성이 증가하므로 나노크기의 특성을 고려한 나노 물질의 새로운 물리화학적 성질과 이로 인한 독성에 대한 조사가 무엇보다도 중요하다. To date, risk assessment methods commonly used in conventional chemicals are often applied to nanomaterials. However, the smaller the size of the particles, the larger the surface area of the responsiveness and subsequent toxicity increases in biological tissues, it is important to investigate the new physicochemical properties of the nanomaterials and their toxicity considering the characteristics of the nano-size.

그러므로 나노 물질의 위험성 평가를 하기 위해서는 나노 입자의 독특한 특성과 문제점, 거동, 노출 및 독성의 잠재적인 영향에 대한 연구가 필요하다.
Therefore, the risk assessment of nanomaterials requires the study of the unique properties and problems of nanoparticles, their potential effects on behavior, exposure and toxicity.

이에, 본 발명자는 나노입자의 세포독성 평가 시 기존의 보고된 나노독성평가의 문제점들을 보완하기 위하여, 역립(inverted) 노출기구를 이용하여 응집 및 침전으로 인한 수용액상 나노입자의 불균질성에 의한 영향을 최소화하고, 세포별 이미지 분석법(Image Cytometry)을 이용하여 나노입자의 광학적 또는 촉매반응성에 의해 야기된 기존 세포사멸분석법의 오류를 최소화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have used the inverted exposure mechanism to compensate for the problems of the previously reported nanotoxicity evaluation in assessing the cytotoxicity of the nanoparticles. Minimized, and confirmed that the error of the conventional cell death assay caused by the optical or catalytic reactivity of the nanoparticles by using cell-specific image analysis (Image Cytometry), and completed the present invention.

본 발명의 목적은 정립ㆍ역립 노출방법 및 세포별 이미지 분석법을 이용하여 in vitro에서 나노물질의 위해성을 평가하는 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for evaluating the risk of nanomaterials in vitro using a method of upright and inverted exposure and image analysis by cell.

본 발명의 다른 목적은 정립ㆍ역립 노출방법 및 유세포 분석법을 이용하여 in vitro에서 나노물질의 위해성을 평가하는 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for evaluating the risk of nanomaterials in vitro using a method of upright and inverted exposure and flow cytometry.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법을 이용하기 위한, 나노 물질의 위해성 평가용 유세포 분석 플랫폼 또는 시스템을 제공하는 데 있다.
It is another object of the present invention to provide a flow cytometry platform or system for risk assessment of nanomaterials for using the method.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은In order to solve the above problems, the present invention

기판의 표면에 세포층을 부착하는 단계;Attaching a cell layer to the surface of the substrate;

정립 및 역립 노출장치를 이용하여 상기 세포층에 나노물질을 노출하고 염색하는 단계; Exposing and staining the nanomaterials in the cell layer using upright and inverted exposure apparatuses;

상기 세포층에 대하여 분석을 수행하는 단계; 및Performing an analysis on the cell layer; And

상기 분석 결과에 의해 세포사멸 정도를 정량화하는 단계를 포함하는, in vitro 나노물질 위해성 평가방법을 제공한다. .
It provides an in vitro nanomaterial risk assessment method comprising the step of quantifying the degree of apoptosis by the analysis result. .

이 때, 상기 세포층은 미세유체 세포칩, 멀티 웰 또는 슬라이드 글라스에 형성되어 있을 수 있고, 단일 또는 다층의 세포층으로 형성하여 사용할 수 있다.In this case, the cell layer may be formed in a microfluidic cell chip, a multi well or a slide glass, and may be used by forming a single or multiple cell layers.

그리고 상기 정립 및 역립 노출장치를 이용은 나노물질의 세포배지에서의 비균질성으로 인한 농도보정을 포함한다. 즉, 정립 및 역립 노출장치를 이용하여 상기 세포층에 나노물질을 노출하면서, 나노물질의 세포배지에서의 비균질성으로 인한 농도보정을 수행한다. 이 때, 세포배지내 나노물질의 안정성을 반영하는 공지된 수식(이론,실험식)을 변형ㆍ사용하여 노출된 나노물질의 농도를 보정할 수 있다.The use of the upright and inverted exposure apparatus includes concentration correction due to heterogeneity in the cell medium of the nanomaterial. That is, while exposing the nanomaterial to the cell layer by using the upright and inverted exposure apparatus, concentration correction due to inhomogeneity in the cell medium of the nanomaterial is performed. At this time, the concentration of the exposed nanomaterials can be corrected by modifying and using known formulas (theoretical and experimental formulas) reflecting the stability of the nanomaterials in the cell medium.

한편, 상기 정립 및 역립 노출장치는 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane),PDMS),폴리메틸메타클릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아크리레이트(polyacrylates), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리시클릭 올레핀(polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimides) 및 폴리우레탄(polyurethanes) 등으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 고분자 재질로 제작된 미세유체 칩 또는 wellplate용 노출기구를 포함할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서는 투명한 폴리카보네이트(polycarbonates)로 제작한 wellplate용 노출기구를 사용하였다.On the other hand, the upright and reverse exposure apparatus is polydimethylsiloxane (poly (dimethylsiloxane), PDMS), polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylates (polyacrylates), polycarbonates (polycarbonates), polycyclic olefins ( Polycyclic olefins, polyimides (polyimides) and polyurethanes (polyurethanes) and the like may include a microfluidic chip or wellplate exposure mechanism made of at least one polymer material selected from the group consisting of, in one embodiment of the present invention Exposure apparatus for wellplates made of transparent polycarbonates was used.

이 때, 상기 역립 노출장치는 배양된 세포층이 바닥을 향하도록 장착하는데, 예를 들어, 다리가 위를 향하고, 상판은 바닥면에 닿게 하며, 세포층이 바닥을 향하도록 장착할 수 있다.
In this case, the inverted exposure apparatus is mounted so that the cultured cell layer faces the bottom, for example, the legs face upward, the top plate touches the bottom surface, and the cell layer faces the bottom.

또한, 분석 대상이 되는 상기 나노물질은 금나노, 은나노, SWCNT(single-walled carbon nanotube), MWCNT(multi-walled carbon nanotube),풀러린(fullerene, C60), 철 나노입자, 카본블랙, 이산화티타늄, 산화알루미늄, 산화세륨, 산화아연, 이산화규소, 폴리스틸렌, 덴드리머, 나노클레이 등으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서는 이산화티타늄을 사용하였다.
In addition, the nanomaterials to be analyzed include gold nano, silver nano, single-walled carbon nanotube (SWCNT), multi-walled carbon nanotube (MWCNT), fullerene (fullerene, C 60 ), iron nanoparticles, carbon black, titanium dioxide , At least one selected from the group consisting of aluminum oxide, cerium oxide, zinc oxide, silicon dioxide, polystyrene, dendrimer, nanoclay, and the like, and titanium dioxide was used in one embodiment of the present invention.

또한, 상기 염색은 흡광염색법 또는 형광염색법을 이용하여 이루어질 수 있고, 흡광염색은 MTT(3-(4,5-dimethyl thiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide)), MTS(5-(3-caroboxymethoxyphenyl)-2H-tetra-zolium inner salt), WST(4-[3-(4-Iodophenyl)-2(4-nitrophenyl)-2H-5-tetrazolio]1,3-benzene disulfonate) 및 트립판 블루(trypanblue)로 이루어진 군으로부터 선택되는 흡광염료를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 형광염색은 유기형광 염료, 무기나노입자 또는 형광단백질을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 비표지(label-free) 방식으로 염색할 수도 있다.
In addition, the dyeing may be carried out by using an absorbing dye method or a fluorescent dye method, the absorbing dye is MTT (3- (4,5-dimethyl thiazol-2-yl) -2,5-diphenyl tetrazolium bromide)), MTS (5 -(3-caroboxymethoxyphenyl) -2H-tetra-zolium inner salt), WST (4- [3- (4-Iodophenyl) -2 (4-nitrophenyl) -2H-5-tetrazolio] 1,3-benzene disulfonate) and It may be performed using a light absorbing dye selected from the group consisting of trypanblue, the fluorescent dye may be performed using an organic fluorescent dye, inorganic nanoparticles or fluorescent protein. It can also be stained in a label-free manner.

특히, 상기 세포층에 대한 분석은 세포 이미지 분석 또는 유세포 분석 방법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 나노물질에 노출되고 염색된 세포층에 대하여 세포 이미지 분석(Image Cytometry)을 수행하는 것이 좋다. In particular, the analysis of the cell layer is preferably carried out by cell image analysis or flow cytometry methods. More preferably, it is preferable to perform cell image analysis (Image Cytometry) on the cell layer exposed and stained with the nanomaterial.

이 때, 상기 세포 이미지 분석은 MTT 분석을 포함한 형광 및 흡광법을 이용할 수 있는데, 일 구체예로써, 상기 세포 이미지 분석은 MTT 분석에 의해 세포 내 포마잔(formazan)이 형성되어 있는 채로 명시야(bright field) 이미지를 수득하여 분석한다.At this time, the cell image analysis may use fluorescence and absorption method including MTT analysis, in one embodiment, the cell image analysis is a bright field (formazan) formed in the cell by the MTT analysis (formazan) ( bright field) images are obtained and analyzed.

한편, 유세포 분석을 사용하는 경우에는 기존의 방법에서 다소 변형하여 산란광의 변화를 이용한 나노입자의 흡수(uptake) 구별법과 형광 신호의 "조합"을 통해 직접적인 나노입자의 독성을 평가하는 것이 바람직하다. On the other hand, in the case of using flow cytometry, it is desirable to evaluate the toxicity of the nanoparticles directly through a method of distinguishing the uptake of the nanoparticles using a scattered light change and a "combination" of the fluorescence signal by modifying the conventional method.

즉, 상기 유세포 분석결과는 산란광 데이터 및 형광신호 데이터인 것을 특징으로 하고, 이 때, 상기 산란광 데이터는 나노 물질을 흡수(uptake)한 세포를 구별하는데 이용되고, 상기 형광신호 데이터는 상기 나노 물질을 흡수한 세포에 대한 세포사멸 정도를 평가하는데 이용된다.
That is, the flow cytometry results are scattered light data and fluorescence signal data, wherein the scattered light data is used to distinguish cells that have taken up the nanomaterial, and the fluorescence signal data is used to identify the nanomaterial. It is used to assess the degree of apoptosis on the cells that have taken up.

이와 같이, 본 발명은 역립 노출기구의 이용으로 사용자가 쉽게 이용할 수 있도록 변형되었을 뿐만 아니라, 나노 물질의 응집 또는 침전 등에 의한 오류를 줄일 수 있다. 나아가, MTT 분석, 세포별 이미지 분석, 유세포 분석기 등을 활용한 다양한 나노입자의 in vitro 세포분석법과의 결합이 가능하므로, 현재 활용되고 있는 다양한 세포영향 평가방법에 광범위하게 적용될 수 있다
As described above, the present invention is not only modified to be easily used by the user by using the reverse exposure mechanism, but also can reduce errors due to aggregation or precipitation of nanomaterials. Furthermore, since it can be combined with in vitro cell analysis of various nanoparticles using MTT analysis, cell-specific image analysis, flow cytometry, etc., it can be widely applied to various cell effect evaluation methods currently used.

본 발명은 나노물질의 위해성 평가에 있어서 기존의 화학물질 위해성 평가시 사용하던 평가법의 프로토콜을 그대로 사용함에 있어서 생길 수 있는 다양한 문제점 및 오류를 해결하고 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 기반한 나노물질 위해성 평가 플랫폼을 제작하여, 특히, in vitro 에서의 나노물질의 위해성 평가에서 보다 정확하고 재현성있는 평가를 가능하게 할 수 있을 것이다.
The present invention solves various problems and errors that may occur in using the protocol of the evaluation method used in the conventional chemical risk assessment in risk assessment of nanomaterials. Thus, a nanomaterial risk assessment platform based on the method of the invention can be constructed, in particular, in The risk assessment of nanomaterials in vitro may enable more accurate and reproducible assessments.

도 1은 혈관 내에 나노입자가 노출되었을 때 예상되는 다양한 세포전달과정을 그린 모식도이다.
도 2는 MTT assay 결과에 영향을 미치는 요인들을 정리한 도면이다.
도 3은 이산화티타늄 나노물질만으로도 MTT 포마잔이 형성되는 것을 보여주는 그래프이다.
도 4는 역상 나노물질 노출 장치의 도면이다.
도 5는 정립 및 역립 나노물질 노출장치에 나노물질을 노출 한 후 UV-A를 조사하는 모식도이다.
도 6은 마이크로 플레이트 리더기를 이용한 흡광도 분석결과이다.
도 7은 이미지 분석을 통하여 수득한, 세포 각각의 흡광도를 분석하여 integrated density에 대한 세포 분포도이다.
도 8은 나노입자에 대하여 흡광도를 이용한 세포사멸반응을 분석하는 방법에 대한, 본 발명의 새로운 프로토콜에 대한 그림이다.
도 9는 정립 및 역립 나노물질 노출장치의 세포에 노출된 이산화티타늄 나노입자의 농도에 따라, 세포의 생존율에 관한 그래프이다.
도 10은 마이크로 플레이트 리더기 분석 및 나노입자의 영향을 제거한 이미지 분석을 통해 세포사멸반응을 비교해 본 도면이다.
1 is a schematic diagram illustrating various cell transfer processes expected when nanoparticles are exposed to blood vessels.
2 is a diagram summarizing the factors affecting the MTT assay results.
3 is a graph showing that MTT formazan is formed only by using titanium dioxide nanomaterial.
4 is a diagram of a reversed-phase nanomaterial exposure apparatus.
5 is a schematic diagram of irradiating UV-A after exposing nanomaterials to the upright and inverted nanomaterial exposure apparatuses.
6 is a result of absorbance analysis using a microplate reader.
7 is a cell distribution chart for integrated density by analyzing absorbance of each cell obtained through image analysis.
8 is a diagram of a novel protocol of the present invention for a method for analyzing apoptosis using absorbance for nanoparticles.
Figure 9 is a graph of the survival rate of the cell, according to the concentration of titanium dioxide nanoparticles exposed to the cells of the upright and inverted nanomaterial exposure apparatus.
FIG. 10 is a diagram illustrating apoptosis reaction through microplate reader analysis and image analysis to remove the influence of nanoparticles.

본 발명에서 사용되는 용어에 대한 정의는 이하와 같다.
Definitions of terms used in the present invention are as follows.

"나노물질(Nano materials)"이란 입자의 크기가 3차원 중 적어도 1개의 차원 길이가 100 nm보다 작은 나노입자와 나노구조물질을 말한다. 본 발명에서는 특히, 상기 나노물질을 나노입자와 병용하여 사용하고 있다."Nano materials" refers to nanoparticles and nanostructured materials in which the size of the particles is less than 100 nm in dimension dimension of at least one of the three dimensions. In the present invention, in particular, the nanomaterial is used in combination with nanoparticles.

"나노입자(Nanoparticles)"란 1~100 nm 범위의 직경을 가진 입자를 말한다."Nanoparticles" refers to particles having a diameter in the range of 1-100 nm.

"나노구조물질(Nanostructured material)"이란 나노크기의 입자를 포함하는 구조의 물질 또는 나노 입자가 응집된 것을 말한다."Nanostructured material" refers to agglomerated materials or nanoparticles of a structure comprising nanosized particles.

"나노 물질 위해성"이란 나노 크기의 입자상 또는 액상의 물질이 가지는 위험성, 리스크, 유해성, 독성 등을 총칭하여 일컫는 용어로서, 엄밀하게 설명하면, 유해성(hazard)이란 장해를 야기할 수 있는 물질이나 행동을 일컬으며 위해의 근원을 말하며, 위해도(risk)란 유해물질의 특정농도나 용량에 노출된 개인 혹은 집단에게 유해한 결과가 발생할 확률(probability) 또는 가능성(likelihood)으로 정의됩니다. OECD에서는 위해도를 「위해도(Risk) = 유해성(Hazard)×노출량(Exposure)」으로 정의하고 있다."Nano-material hazard" is a term used to collectively refer to the dangers, risks, hazards, and toxicities of nano-sized particulate or liquid substances. Strictly speaking, "hazards" are substances or behaviors that can cause obstacles. Refers to the source of a hazard, and risk is defined as the probability or likelihood of a harmful outcome to an individual or group exposed to a specific concentration or dose of a hazardous substance. The OECD defines risk as `` Risk = Hazard × Exposure ''.

일반적으로 작은 입자일수록, 비표면적이 넓어지면서 생체조직에 대한 반응성이 증가하고 그와 함께 독성도 증가할 수 있어 문제되고 있다. 특히, 동물세포에 침투 가능한 일부 나노물질은 세포막이나 뇌혈막을 통과할 수도 있다고, 이러한 성질은 의도하지 않은 세포나 조직에 영향을 미칠 수 있는 것이다. 따라서, 이러한 나노물질의 위해성을 연구하여 안전관리 지침 등의 마련이 요구되고 있는 실정이다. 문헌 보고에 의하면 탄소류, 실리카류, TiO2, 은나노 입자 등의 순서로 나노물질 위해성 검토가 이루어지고 있다.In general, the smaller the particles, the wider the specific surface area, the increased the responsiveness to the biological tissue and at the same time the toxicity is also a problem. In particular, some nanomaterials that can penetrate animal cells may pass through cell membranes or cerebrovascular membranes, which can affect unintended cells or tissues. Therefore, it is required to prepare safety management guidelines by studying the risks of these nanomaterials. According to the literature report, the risk of nanomaterials is examined in the order of carbons, silicas, TiO2, silver nanoparticles and the like.

"조직 또는 세포 샘플"은 대상 또는 환자의 조직으로부터 얻은 유사한 세포의 집합체를 의미한다. 조직 또는 세포 샘플의 공급원은 신선한, 동결된 및/또는 보존된 장기 또는 조직 샘플 또는 생검 또는 흡인물로부터의 고형 조직; 혈액 또는 임의의 혈액 구성분; 대상의 임신 또는 발생의 임의의 시점의 세포일 수 있다. 조직 샘플은 또한 1차 또는 배양 세포 또는 세포주일 수 있다. "Tissue or cell sample" means a collection of similar cells obtained from a tissue of a subject or patient. Sources of tissue or cell samples may include solid tissue from fresh, frozen and / or preserved organ or tissue samples or biopsies or aspirates; Blood or any blood component; Cells at any time of pregnancy or development in the subject. Tissue samples may also be primary or cultured cells or cell lines.

"세포사멸(apoptopsis)"은 넓은 의미로 사용되고, 일반적으로 세포질 압축, 형질막 미세융모의 상실, 핵의 분할, 염색체 DNA의 분해 또는 미토콘드리아 기능의 상실을 포함하는 하나 이상의 특징적인 세포 변경이 수반되는 포유동물의 규칙에 따르거나 조절된 세포 치사를 의미한다."Apoptopsis" is used in a broad sense and is generally accompanied by one or more characteristic cellular alterations, including cytoplasmic compression, loss of plasma membrane microvilli, splitting of the nucleus, degradation of chromosomal DNA or loss of mitochondrial function. Cell death according to or regulated by mammalian rules.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
Throughout this specification, the terms “comprises” and “comprising”, unless otherwise indicated in the context, include a given step or element, or group of steps or elements, but any other step or element, or step or element It should be understood that this group is not excluded.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
All technical terms used in the present invention, unless defined otherwise, are used in the meaning as commonly understood by those skilled in the art in the related field of the present invention. Also, preferred methods or samples are described in this specification, but similar or equivalent ones are also included in the scope of the present invention.

이하 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

현재 사용되고 있는 나노물질에 대한 in vitro 세포기반 독성 평가는 petri dish나 multiwell plate의 바닥면에 세포를 배양한 상태에서 나노물질을 노출한 후 세포의 성장 또는 사멸 정도를 다양한 형광 및 흡광 염료를 이용한 분광 분석방법을 이용하여 나노물질의 세포독성을 측정함으로써 이루어진다. 그러나, 나노입자에 노출된 세포의 변화를 마이크로플레이트 리더나 유세포 분석기를 이용하여 측정 분석 할때 아래와 같은 문제점이 있다.In vitro cell-based toxicity evaluation of nanomaterials in use is based on spectroscopy using various fluorescence and absorbing dyes to determine the extent of cell growth or death after exposure to nanomaterials in the culture of cells on the bottom of a petri dish or multiwell plate. By measuring the cytotoxicity of the nanomaterials using analytical methods. However, when measuring changes of cells exposed to nanoparticles using a microplate reader or flow cytometer, there are the following problems.

(1) 나노입자의 응집 및 침전으로 인한 배지 내 나노입자의 불균일성이 평가의 정확도를 떨어뜨린다.(1) The nonuniformity of the nanoparticles in the medium due to the aggregation and precipitation of the nanoparticles lowers the accuracy of the evaluation.

산업적으로 널리 사용되고 있는 일반적인 제조나노입자들을 세포배지 (예, RPMI-1640, DMEM)에 분산시켰을시 나노입자는 세포배지의 높은 이온세기에 의해 대부분 응집되어 침전이 일어난다. 이러한 제조나노입자를 wellplate 바닥면에 세포를 배양하여 독성물질을 노출하는 기존의 in vitro 기반 평가 방법으로 세포독성을 평가했을시 나타나는 독성평가 결과는 나노입자의 독성이 아닌 침전된 마이크론 크기 입자의 독성평가결과가 될 수 있다. When the nanoparticles widely used industrially are dispersed in a cell medium (eg, RPMI-1640, DMEM), the nanoparticles are mostly aggregated due to the high ionic strength of the cell medium and precipitation occurs. Toxicity results obtained when the prepared nanoparticles were cultured on the bottom of the wellplate and evaluated for cytotoxicity by the existing in vitro-based evaluation method of exposing the toxic substances. It can be an evaluation result.

이렇게 응집후 침전된 입자의 의한 세포독성과 실제 나노입자가 유발하는 세포독성은 그 독성 기작이 상이할 수 있으며, 실제 나노입자에 의한 독성에 비하여 wellplate 바닥면으로 갈수록 높은 농도가 분포하는 나노입자의 불균일성으로 인하여 실제 나노입자의 독성보다 과대하게 평가할 가능성이 많으므로, 이러한 오류 원인들을 분명히 구별돼야 할 것이다. The cytotoxicity caused by the particles precipitated after aggregation and the cytotoxicity induced by the actual nanoparticles may be different in virulence mechanisms, and the higher concentration of the nanoparticles is distributed toward the bottom of the wellplate than the toxicity by the nanoparticles. Since the heterogeneity is likely to overestimate the toxicity of the actual nanoparticles, these sources of error should be clearly distinguished.

또한, 응집 및 침전이 일어난 상태에서는 용액상에서 나노입자가 비균질한 상태로 분포하므로 투여한 나노입자의 농도에 비하여 세포 주변에는 과도한 나노입자 농도가 존재하게 된다. 이로 인한 나노입자 독성의 과대평가도 현재 사용되고 있는 나노입자의 위해성 평가 시스템에서 커다란 오류 중 하나이다.
In addition, in the state in which aggregation and precipitation occurs, the nanoparticles are distributed in a non-homogeneous state in the solution phase, so that there is an excessive concentration of nanoparticles around the cells compared to the concentration of the nanoparticles administered. This overestimation of nanoparticle toxicity is also one of the major errors in the nanoparticle risk assessment system currently in use.

(2) 나노입자의 광학적 또는 촉매특성으로 인한 오류가 발생한다.(2) Errors occur due to optical or catalytic properties of nanoparticles.

제조나노입자가 침전된 상태에서 일반적인 분광분석법으로 세포사멸을 평가했을때, 침전된 나노입자의 흡광, 발광, 산란 등으로 인한 오류신호들로 인하여 잘못된 세포독성결과를 유발할 수 있다. When apoptosis was assessed by a general spectroscopic method in the precipitated nanoparticles, false signals due to absorption, luminescence, and scattering of the precipitated nanoparticles may cause false cytotoxic results.

이러한 오류의 한 예로서 MTT assay가 있다. MTT assay는 탈수소 효소작용에 의하여 노란색의 수용성 기질인 MTT tetrazolium을 청자색을 띄는 비수용성의 MTT formazan 으로 환원시키는 미토콘드리아의 능력을 이용하는 검사법으로써 다양한 화학물질의 독성을 시험하는 데에 널리 이용된다. 이 기술은 최소한의 물리적 처리로 재현성 있는 광학 농도를 얻을 수 있기 때문에 세포활성을 측정하는 방법으로서 광범위하게 사용된다. 하지만 세포 밖의 무생물적인 요인들이 tetrazolium salts의 환원과정에 영향을 미치는 경우 분석결과에 치명적인 오류가 발생할 수 있다. An example of this error is the MTT assay. The MTT assay is a test that takes advantage of mitochondria's ability to reduce the yellow water-soluble substrate MTT tetrazolium to a blue-violet, water-insoluble MTT formazan by dehydrogenase activity, and is widely used to test the toxicity of various chemicals. This technique is widely used as a method of measuring cell activity because a reproducible optical concentration can be obtained with minimal physical processing. However, if the extracellular non-biological factors influence the reduction of tetrazolium salts, fatal errors can occur in the assay results.

예를 들자면, 세포 배양액의 pH, 부가물(혈청, 콜레스테롤, 아스코르브산 염)의 변화에 따라 흡광 측정값도 달라지는 현상들이 발생되기도 한다.(Marquis et al, Analyst, 2009, 134, 425-439) 또한 최근에 몇몇 나노물질에 관한 연구들은 MTT와 같은 세포독성 염색물질과 SWCNTs 및 다른 탄소에 기반한 물질들과의 상호작용에 의해 세포사멸 측정에 오류가 발생할수 있음을 보고한바 있다. MTT와 SWCNTs의 상호작용은 환원된 MTT formazan이 SWCNTs의 표면에 부착되어 용매에 의하여 녹아나오지 않는 성질에 의해 유도됨이 최근 보고되었다.(Worle-Knirsch et al, Nano Lett 2006, 6, 1028-33) 그리고 Laaksonen et al. 등은 PSi 나노입자 표면에서의 산화 반응은 MTT의 환원 반응의 원인이 되며, 직접적으로 MTT를 환원시킬 수 있다. 따라서 MTT 검색법을 이용하여 PSi 입자 성분의 화합물에 대한 독성시험을 수행하는 것은 정량적인 결과를 얻는 데에 한계점이 있다. (Laaksonen et al. Chem. Res. Toxicol. (2007)) 이러한 기존 MTT법의 오류는 대부분 세포외부에 존재하는 무생물적인 요인들에 의한 MTT의 MTT-formazan으로의 환원 등의 상호작용이 주 원인이다.
For example, changes in the absorbance measurements may occur depending on the pH of the cell culture and changes in adducts (serum, cholesterol, ascorbate) (Marquis et al, Analyst, 2009, 134, 425-439). In addition, recent studies on nanomaterials have reported that cytotoxic staining, such as MTT, and SWCNTs and other carbon-based materials can lead to errors in apoptosis measurement. It has recently been reported that the interaction of MTT with SWCNTs is caused by the reduced MTT formazan attached to the surface of SWCNTs and not dissolved by the solvent (Worle-Knirsch et al, Nano Lett 2006, 6, 1028-33). ) And Laaksonen et al. The oxidation reaction on the surface of PSi nanoparticles is responsible for the reduction of MTT, and can directly reduce MTT. Therefore, conducting toxicity tests on compounds of PSi particle components using the MTT screening method has limitations in obtaining quantitative results. (Laaksonen et al. Chem. Res. Toxicol. (2007)) Most of the errors of the existing MTT method are mainly due to the interaction of MTT with MTT-formazan due to non-biological factors existing outside the cell. .

실제로, 마이크로플레이트 리더 장치를 활용하여 세포의 활성도(viability)를 분석하기 위해 MTT(Tetrazolium-based colorimetric) 분석법이 약물의 효능 및 독성 분성 등 다양한 생물학 시험에 널리 이용되고 있다. 그러나 이 방법은 시료전체의 흡광도의 측정에 기반하므로 앞에서 언급한 다양한 오류가 발생할 수 있다.
Indeed, Tetrazolium-based colorimetric (MTT) assays have been widely used in a variety of biological tests, such as drug efficacy and toxicity fractions, to analyze the viability of cells using microplate reader devices. However, this method is based on the measurement of the absorbance of the entire sample, so the various errors mentioned above can occur.

상기 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명에서는 "역립 나노물질 노출장치"를 이용한 multiwell plate 내에서 "변형된 MTT(Tetrazolium-based colorimetric) 분석법 및 영상처리법"을 적용하여 표면에 부착되어 있는 세포의 고사(Apoptosis) 및 괴사(Necrosis)등의 과정에 의한 세포의 사멸과정의 진행정도를 세포별로 이미지화함으로써, 기존 MTT 법등에 수반될수 있는 오류를 배제하고 분석이 가능하게 하였다. 이는 보다 차별적인 결과 해석을 통하여 기존의 분석방법이나 기기에서 제시하지 못하는 다양한 정보를 제공할 수 있게 한다.
In order to solve the above problems, in the present invention, "modified tetrazolium-based colorimetric (MTT) analysis and image processing" in a multiwell plate using an "inverted nanomaterial exposure apparatus" is applied to the surface dead cells ( By imaging the progress of the cell death process by apoptosis and necrosis, each cell can be analyzed to eliminate the errors that might be associated with the existing MTT method. This makes it possible to provide various information that cannot be presented by existing analysis methods or devices through more discriminating result interpretation.

일 관점에서, 본 발명은 정립 및 역립 노출기구를 이용하여 응집 및 침전으로 인한 수용액상 나노입자의 불균질성에 의한 영향을 최소화하여 in vitro 세포들에 대한 나노 물질의 직접적인 독성영향만을 선택적으로 평가할 수 있는 세포기반 분석법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention can selectively evaluate the direct toxicity effect of nanomaterials on in vitro cells by minimizing the effect of heterogeneity of aqueous phase nanoparticles due to aggregation and precipitation using upright and inverted exposure mechanisms. It relates to cell-based assays.

즉, 정립(normal) 노출기구뿐만 아니라 "역립(inverted) 노출 기구"도 함께 이용하여 세포에 나노물질을 노출시키는 것을 일 특징으로 한다.In other words, the nanomaterial is exposed to the cells by using not only a normal exposure mechanism but also an "inverted exposure mechanism".

용액상에서 나노입자가 응집 및 침전을 일으키는 경우, 예를 들어, 200 nm 이상의 수용액상 크기를 갖는 나노입자는 용액 내에서 응집 및 침전이 일어나서 상기 나노입자가 매우 비균질한 상태로 분포하므로, 투여한 초기 나노입자의 농도에 비하여 well plate 바닥면의 세포 주변에는 과도한 나노입자 농도가 존재하게 된다. When nanoparticles cause aggregation and precipitation in the solution phase, for example, nanoparticles having an aqueous phase size of 200 nm or more occur due to aggregation and precipitation in the solution and thus the nanoparticles are distributed in a very heterogeneous state. Compared to the concentration of nanoparticles, there is an excessive concentration of nanoparticles around the cells at the bottom of the well plate.

도 1은 생체내, 특히 혈관 내에 나노입자가 노출되었을 때 예상되는 다양한 세포전달과정을 그린 모식도이다. 1 is a schematic diagram illustrating various cell transfer processes expected when nanoparticles are exposed in vivo, particularly in blood vessels.

일반적인 화학물질의 경우엔 응집이나 침전 현상이 없으므로 확산에 의한 세포내 전달이 주요 과정이지만 응집이나 침전 현상이 일어나는 나노물질의 경우엔 침전으로 인한 나노물질 농도의 비균질성 및 수동적인 세포내 전달이 나노물질 독성 평가에 있어서 중요한 오류의 원인이 된다. 또한 생체 내 혈관등의 기관들에서 조건과 비교하여도 세포가 상하좌우에 입체적으로 분포되어 있어 종래의 바닥면의 세포만을 고려한 시험법에 비균질 나노입자를 적용했을 때는 왜곡된 독성결과가 나타날 수 있다.In the case of general chemicals, intracellular delivery by diffusion is the main process because there is no aggregation or precipitation phenomenon, but in the case of nanomaterials where aggregation or precipitation occurs, the heterogeneity of concentration of nanomaterials due to precipitation and passive intracellular delivery are nanomaterials. It is a significant source of error in toxicity assessment. In addition, compared to the conditions in organs such as blood vessels in vivo, cells are three-dimensionally distributed in the top, bottom, left and right, so that the heterogeneous nanoparticles may be distorted when the non-homogeneous nanoparticles are applied to a conventional method considering only cells on the bottom surface. .

따라서 도 1에서 도시한 바와 같이 일반적인 in vitro 시험시에 세포는 응집된 수백 나노 또는 마이크론 크기의 입자들의 침전에 의한 수동적인 입자의 세포 내 도입이 주요한 Uptake 과정이 된다. 그러나 실제로 나노입자의 고유한 독성은 잘 분산된 상태에서의 나노입자가 확산(diffusion)과정에 의하여 동물세포 주변으로 접근하고 이들 나노입자의 능동적인 세포내 도입이 보다 중요한 나노입자 독성 기작이다. 따라서, 많은 경우의 (제조) 나노물질의 독성 평가시에 응집된 수백 나노 또는 마이크론 크기의 입자들의 침전에 의한 수동적인 입자의 세포내 도입과정이 나노입자의 능동적인 세포내 도입에 의한 독성 영향을 가리는(screening) 효과를 보이고 실제 나노입자의 독성보다 과다한 독성 평가 결과를 나타내는 오류를 보여주게 된다. Therefore, as shown in FIG. 1, in the general in vitro test, the cell is a major uptake process in which the passive particle is introduced into the cell by precipitation of aggregated hundreds of nano or micron-sized particles. However, in fact, the intrinsic toxicity of nanoparticles is a mechanism of nanoparticle toxicity in which nanoparticles in a well-dispersed state are approached to animal cells by a diffusion process, and active intracellular introduction of these nanoparticles is more important. Therefore, in many cases (manufacture) the toxicity of the nanoparticles by passive particle introduction into the cell by the precipitation of aggregated hundreds of nano or micron-sized particles in the toxicity evaluation of the nanomaterial (manufacture) They show screening effects and errors that result in too much toxicity evaluation than actual nanoparticle toxicity.

또한, 실제 생체 내 기관에서 세포는 바닥면에만 존재하지 않고 상하좌우에 고루 분포되어 있기 때문에 생체 내 비균질한 나노입자가 노출 되었을 때는 상,좌우면에 존재하는 세포의 독성과 바닥면에 존재하는 세포는 각각 다른 독성결과를 나타내는 오류도 발생한다. 그러므로 종래의 in vitro 독성평가법을 이용하여 응집 및 침전이 일어나는 비균질한 나노입자의 독성평가를 수행하면 왜곡된 독성결과를 얻을 수 있다. In addition, since the cells are not only present on the bottom surface but are evenly distributed in the upper and lower left and right in vivo in vivo organs, when the inhomogeneous nanoparticles are exposed in vivo, the cells on the upper and left and right sides and the cells present on the bottom surface are exposed. Will also produce errors that indicate different toxicity results. Therefore, if the toxicity evaluation of heterogeneous nanoparticles in which aggregation and precipitation occur using the conventional in vitro toxicity evaluation method, the distorted toxicity results can be obtained.

본 발명에서는 이러한 문제를 개선하기 위하여 세포를 상ㆍ하면에 배치하여 비균질한 나노입자를 노출하는 입체적인 in vitro 독성평가 방법을 특징으로 하고 있다.In order to solve this problem, the present invention is characterized by a three-dimensional in vitro toxicity evaluation method in which cells are placed on the upper and lower surfaces to expose heterogeneous nanoparticles.

세포를 상ㆍ하면에 배치하여 나노입자 독성평가를 수행하면 나노입자의 비균질 정도에 따른 상ㆍ하면의 세포독성 또는 독성기작을 비교하거나 침전에 의해 생기는 나노입자의 농도구배에 따른 독성을 제거한 실질적인 나노입자의 독성만을 구별하여 평가할 수 있게 되는 것이다. When nanoparticle toxicity evaluation is performed by placing cells on the upper and lower surfaces, the actual nanoparticles can be compared with the cytotoxicity or toxicity mechanisms of upper and lower surfaces according to the inhomogeneity of the nanoparticles, or the nanoparticles are removed from the concentration gradient of nanoparticles caused by precipitation. Only the toxicity of the particles can be distinguished and evaluated.

즉, 정립 및 역립 노출장치를 이용은 나노물질의 세포배지에서의 비균질성으로 인한 농도보정을 포함하는 것으로, 이 때, 세포배지내 나노물질의 안정성을 반영하는 공지된 수식(이론,실험식) 등을 사용하여 노출된 나노물질의 농도를 보정할 수 있다.
In other words, the use of the upright and inverted exposure apparatus includes concentration correction due to inhomogeneity in the cell medium of the nanomaterial. Can be used to correct the concentration of exposed nanomaterials.

또한, 본 발명에서는 선택적으로, 나노입자의 광학적 또는 촉매특성으로 인한 세포활성 측정 시 오류 문제를 해결하기 위해, 세포별 이미지 분석법 또는 유세포 분석법을 추가로 도입하여 이용할 수 있다. 특히, 세포별 이미지 분석법(Image Cytometry)을 함께 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
In addition, in the present invention, in order to solve the error problem when measuring the cell activity due to the optical or catalytic properties of the nanoparticles, it is possible to further introduce and use the cell-specific image analysis or flow cytometry. In particular, it is more preferable to use the cell-specific image analysis (Image Cytometry) together.

도 2 와 도 3에 도시된 바와 같이 나노입자의 광학적 또는 촉매특성으로 인해 오류신호를 낼 수 있다. As shown in FIGS. 2 and 3, an error signal may be generated due to the optical or catalytic properties of the nanoparticles.

도 2은 MTT assay 결과에 영향을 미치는 요인들을 정리한 도면이다. 요인들은 크게 세 가지로 MTT시약과 세포의 반응에 의한 포마잔 형성, 나노입자에 의한 MTT 포마잔 형성, 나노입자에 의해서 빛의 산란이 일어나 잘못된 신호가 나오는 경우가 있다. 그 중 세포에 의한 결과 값만을 얻어 세포 사멸도를 측정하려는 것이 본 발명의 목표이다.2 is a diagram summarizing the factors affecting the MTT assay results. There are three major factors: formazan formation by the reaction of MTT reagent and cells, MTT formazan formation by nanoparticles, and scattering of light by nanoparticles. It is an object of the present invention to obtain only a result value by the cells and to measure cell death.

도 3은 이산화티타늄 나노물질만으로도 MTT 포마잔이 형성되는 것을 증명하는 실험에 대한 도면이다. 0번부터 6번까지 총 7개의 시료를 준비하여 실험을 하였을때, (a)는 시료마다의 MTT시약에 의해 보라색 포마잔이 형성되어 그에 따른 흡광도가 나타나는 것을 보여주고 있고, (b)는 색깔변화가 일어나 보라색빛을 띄는것을 보여준다. 마지막으로 (c)는 시료에 따른 자외선/가시선 분광광도계의 흡광 스펙트럼을 나타내고 있는 도면이다3 is a diagram for an experiment that demonstrates the formation of MTT formazan with only titanium dioxide nanomaterial. When a total of seven samples from 0 to 6 were prepared and tested, (a) shows purple formazanes formed by MTT reagents for each sample, and absorbance according to them was shown. Changes appear purple. Finally, (c) shows the absorption spectrum of the ultraviolet / visible spectrophotometer according to the sample.

이처럼, 나노입자의 광학적 또는 촉매특성으로 인해서도 나노물질 위해성 평가에 오류가 발생될 수 있다. As such, errors may occur in the nanomaterial risk assessment due to the optical or catalytic properties of the nanoparticles.

앞에서 언급한 역립 나노물질 노출장치에서 나노입자를 노출하면 침전된 나노입자의 의한 영향을 제거할 수 있으나, 이러한 세포외 나노입자에 의하여 발생하는 나노입자의 광학적 또는 촉매특성으로 인한 오류는 제거할수 없기 때문에, 보다 정확한 평가를 위해서는 이러한 나노입자의 광학적 또는 촉매특성으로 인한 오류도 제거하는 것이 더욱 바람직하다. Exposure of the nanoparticles in the above-mentioned inverted nanomaterial exposure apparatus can eliminate the effects of precipitated nanoparticles, but errors due to the optical or catalytic properties of the nanoparticles caused by these extracellular nanoparticles cannot be eliminated. Therefore, it is more desirable to remove errors due to the optical or catalytic properties of these nanoparticles for more accurate evaluation.

따라서 본 발명에서는 역립 나노입자 노출장치의 사용에 더하여, 나노입자의 촉매특성으로 인한 방해를 제거하기 위하여 세포별 이미지 분석법 또는 유세포 분석법을 이용하는 것이 바람직하다.Therefore, in the present invention, in addition to the use of the inverted nanoparticle exposure apparatus, it is preferable to use cell-specific image analysis or flow cytometry to remove the interference caused by the catalytic properties of the nanoparticles.

세포별 이미지 분석법은 기존에 나노입자의 방해를 모두 포함하여 흡광도를 측정하는 방법과 달리 각각의 세포의 흡광도만을 측정하는 방법으로 나노입자와 세포간의 상호작용에 의한 값만을 선택적으로 얻을 수 있어 나노입자의 방해를 제거할 수 있다.Unlike conventional methods for measuring absorbance by including all interferences of nanoparticles, the cell-specific image analysis method measures only the absorbance of each cell. Can remove the interference.

그리고, 유세포 분석법을 사용하는 경우에는 이하와 같이 다소 변형된 유세포 분석법을 사용하는 것이 바람직하다.And, in the case of using flow cytometry, flow cells somewhat modified as follows Preference is given to using the assay.

우선, 전면 산란광 (Forward Scatter; FS) 및 측면 산란광 (Side Scatter; SS) 분석을 통해 나노물질(나노입자)가 부착된 세포를 구별한다. 한 종류의 세포를 기준으로 일정 범위에 존재하는 전면 산란광과 측면 산란광이 나노입자가 세포에 흡수(uptake)됨에 따라서 빛이 많이 굴절되어 측면 산란광 (Side scatter; SS)이 커진다는 점에서 나노입자가 부착된 세포와 그렇지 않은 세포의 분리가 가능하다. 그리고, 나노입자(NPs)가 부착된 세포만을 구별해 낸 다음, 그 세포에 대한 형광 신호 데이터를 따로 분리하여 분석하는 방법으로 수행한다.First, the forward scattered light (FS) and the side scattered light (SS) are analyzed to distinguish the cells to which the nanomaterials (nanoparticles) are attached. The front scattered light and the side scattered light in a range of one type of cell are absorbed by the nanoparticles (uptake) in the cell, so the light is refracted a lot, so the side scattered light (Side scatter (SS)) increases Separation of adherent and non-attached cells is possible. Then, only the cells to which the nanoparticles (NPs) are attached are distinguished, and the fluorescence signal data for the cells is separated and analyzed.

이러한 변형된 유세포 분석법을 사용함으로써, 간접적인 요인을 제외하고 나노입자에 의해 유발된 직접적인 요인에 의한 세포 변화를 측정하여 in vitro에서 세포독성을 평가할 수 있다
Using this modified flow cytometry, cytotoxicity can be assessed in vitro by measuring cellular changes caused by direct factors induced by nanoparticles, except indirect factors.

따라서, 본 발명은 Therefore,

기판의 표면에 세포층을 부착하는 단계;Attaching a cell layer to the surface of the substrate;

정립 및 역립 노출장치를 이용하여 상기 세포층에 나노물질을 노출하고 염색하는 단계; Exposing and staining the nanomaterials in the cell layer using upright and inverted exposure apparatuses;

상기 세포층에 대하여 분석을 수행하는 단계; 및Performing an analysis on the cell layer; And

상기 분석 결과에 의해 세포사멸 정도를 정량화하는 단계를 포함하는, in vitro 나노물질 위해성 평가방법에 관한 것이라고 할 수 있다.It can be said that the in vitro nanomaterial risk assessment method comprising the step of quantifying the degree of apoptosis by the analysis results.

특히, 상기 세포층에 대한 분석은 세포 이미지 분석 또는 유세포 분석 방법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 나노물질에 노출되고 염색된 세포층에 대하여 세포 이미지 분석(Image Cytometry)을 수행하는 것이 좋다.
In particular, the analysis of the cell layer is preferably carried out by cell image analysis or flow cytometry methods. More preferably, it is preferable to perform cell image analysis (Image Cytometry) on the cell layer exposed and stained with the nanomaterial.

즉, 본 발명의 구체적인 일례로서, 다음을 포함하는, in vitro 나노물질 위해성 평가방법 및 시스템에 관한 것이다:That is, as a specific example of this invention, it contains the following in A method and system for risk assessment of nanomaterials in vitro :

기판의 표면에 세포층 부착하는 단계;Attaching a cell layer to the surface of the substrate;

정립 및 역립 노출장치를 이용하여 상기 세포층에 나노물질을 노출하고 염색하는 단계; Exposing and staining the nanomaterials in the cell layer using upright and inverted exposure apparatuses;

상기 세포층에 대하여 세포별 이미지 분석(Image Cytometry)을 수행하는 단계; 및 Performing image cytometry for each of the cell layers; And

상기 분석 결과에 의해 세포사멸 정도를 정량화하는 단계.
Quantifying the degree of apoptosis by the assay result.

또한, 본 발명은 구체적인 다른 예로서, 다음을 포함하는, in vitro 나노물질 위해성 평가방법 및 시스템에 관한 것이다:In addition, the present invention is another specific example, including, in A method and system for risk assessment of nanomaterials in vitro :

기판의 표면에 세포층 부착하는 단계;Attaching a cell layer to the surface of the substrate;

정립 및 역립 노출장치를 이용하여 상기 세포층에 나노물질을 노출하고 염색하는 단계; Exposing and staining the nanomaterials in the cell layer using upright and inverted exposure apparatuses;

상기 세포층에 대하여 유세포 분석(Flow Cytometry)을 수행하는 단계; 및 Performing flow cytometry on the cell layer; And

상기 분석 결과에 의해 세포사멸 정도를 정량화하는 단계.
Quantifying the degree of apoptosis by the assay result.

상기 방법들에 있어서, 우선, 분석대상 세포를 배양하여 세포층을 형성한다.In the above methods, first, the cells to be analyzed are cultured to form a cell layer.

예를 들어, 단일 또는 다층의 세포층을 배양하여 사용할 수 있다. 이 때, 단일 세포층을 형성하기 위해서는 멀티 웰 플레이트, 슬라이드 글라스 또는 미세 유체 세포칩 등의 표면에 분석대상 세포를 배양하고 표면에 부착되지 못하고 배지에 부유하는 세포는 배지를 흘려주어 제거함으로써 단일 세포층을 형성할 수 있다. For example, single or multiple cell layers can be cultured and used. In this case, in order to form a single cell layer, the cells to be analyzed are cultured on a surface of a multi-well plate, a slide glass, or a microfluidic cell chip, and cells floating on the medium that do not adhere to the surface are removed by flowing a medium to remove the single cell layer. Can be formed.

이 때, 상기 세포 배양에 필요한 조건 및 방법 등은 당업계에 공지된 통상적인 방법을 이용할 수 있다. At this time, the conditions and methods required for the cell culture can be used a conventional method known in the art.

특히, 미세 유체 세포칩을 사용하는 경우에는, 상기 미세 유체 세포칩 내로 배지 및 시약을 주입함으로써 세포배양과 동시에 다양한 세포기반 분석이 가능한 장점이 있다.
In particular, when using a microfluidic cell chip, by injecting a medium and a reagent into the microfluidic cell chip, there is an advantage that can be various cell-based analysis at the same time as cell culture.

다음으로, 본 발명에서는 정립 및 역립 노출장치를 이용하여 상기 세포층에 나노물질을 노출시켜 세포사멸을 유도한다.Next, the present invention induces cell death by exposing the nanomaterial to the cell layer using the upright and inverted exposure apparatus.

나노 물질은 시간이 지남에 따라 세포 내에 확산(diffusion)되어 다양한 농도를 가지게 되고, 세포층 내의 세포들은 상기 나노 물질에 일정시간 노출됨으로써 세포사멸 과정을 거치게 된다,The nanomaterials are diffused into cells over time to have various concentrations, and the cells in the cell layer undergo apoptosis by being exposed to the nanomaterials for a predetermined time.

이러한 세포의 사멸과정은 세포고사, 괴사 등으로 나누어지는데 정상상태에서의 세포분열과 반대로 유해 물질에 의해 노출로 인한 손상 받은 세포는 퇴화하는 방향으로 변화가 일어나기 때문에, 정상세포와 대비하여 다른 대사과정 즉, 그 중에서도 세포가 퇴화되는 죽음의 과정을 알아보면서 세포의 유해성물질에 대한 반응 기작을 확인할 수 있다.여기서 세포의 죽음의 과정을 두 가지로 분류하면, 세포의 손상이 심해서 세포에서는 부종이 일어나고 용해가 일어나 세포 내용물이 밖으로 분출되는 '세포괴사(Necrosis)'라 불리는 세포 죽음의 과정이 일어난다. 또한 다른 세포의 죽음과정은 '세포고사(Apoptosis)'로 특징적으로 세포의 초기의 수축이며, 조직에서는 이웃하고 있는 세포들과 세포-세포 결합이 파괴되는 것을 의미한다. 세포고사 과정에서 세포의 부피는 작아지고 세포질 내의 내막, 리보솜, 사구체와 다른 세포 소기관 등은 수축된다.The process of cell death is divided into apoptosis and necrosis. In contrast to normal cell division, damaged cells caused by exposure to harmful substances change in the direction of degeneration, so that metabolic processes differ from normal cells. In other words, it is possible to check the reaction mechanism of the cell's harmful substances by examining the process of death in which the cell degenerates. If the process of cell death is classified into two types, the cell is severely damaged and edema occurs in the cell. Lysis occurs, leading to a process of cell death called 'necrosis', in which cell contents are ejected out. The death process of other cells is also called 'apoptosis', which is the initial contraction of cells, which means that cell-cell bonds are destroyed in neighboring cells. In the process of apoptosis, the cell volume becomes smaller and the lining, ribosomes, glomeruli and other cell organelles in the cytoplasm contract.

위해성이 염려되는 나노 물질(나노 입자)로는 표 1에 기재되어 있는 이하와 같은 물질을 예로 들 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에서는 이산화티타늄 나노입자를 사용하였다. Examples of nanomaterials (nanoparticles) that are concerned about risks include the following materials listed in Table 1, in which one embodiment of the present invention uses titanium dioxide nanoparticles.

이러한 나노 물질의 노출에 따른 위험성(독성)를 파악하고 이해하기 위해서는 무엇보다도 나노 물질의 물리 화학적 특성의 이해와 물리적 거동을 파악하고 세포 생리학적인 생체 내 작용의 이해가 필요하다.
In order to understand and understand the risks (toxicity) of exposure to these nanomaterials, it is necessary to understand the physical and chemical properties and physical behavior of nanomaterials, and to understand the cellular physiological in vivo.

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명에서, 세포층의 상기 나노 물질로의 노출은 정립(normal) 및 역립(inverted) 노출장치를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the exposure of the cell layer to the nanomaterial is characterized in that it is carried out using a normal and inverted exposure apparatus.

정립 및 역립 노출장치는 세포층을 나노물질에 노출시키는 데 있어서 세포층의 상ㆍ하면을 각각 고루 노출시킬 수 있는 장치라면 특별한 제한이 없다. The upright and inverted exposure apparatus is not particularly limited as long as it can expose the upper and lower surfaces of the cell layer evenly in exposing the cell layer to nanomaterials.

예를 들어, 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane), PDMS), 폴리메틸메타클릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아크리레이트(polyacrylates), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리시클릭 올레핀(polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimides), 폴리우레탄(polyurethanes) 등의 고분자 재질로 제작된 미세유체 칩 또는 wellplate용 노출기구를 사용해도 무방하다. 특히, wellplate용 정립 및 역립 노출장치를 제조하는 방법을 도 4에 도식적으로 나타내었다. For example, polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylates, polycarbonates, polycyclic olefins, polyimides Exposure mechanisms for microfluidic chips or wellplates made of polymer materials such as polyimides and polyurethanes may be used. In particular, a method of manufacturing a wellplate upright and reverse exposure apparatus is shown schematically in FIG. 4.

상기 나노물질 노출용 정립 및 역립 노출장치를 이용하여 기판에 배양된 세포층의 상ㆍ하면에 나노 물질을 노출시킨다. 이 때, 상기 역립 노출장치는 배양된 세포층이 바닥을 향하도록 장착하는데, 예를 들어, 노출장치의 다리가 위를 향하고, 상판을 바닥면에 닿게 놓은 후 세포 배양기판의 세포 부착면(세포층)이 바닥을 향하도록 장착할 수 있다. The nanomaterials are exposed on the upper and lower surfaces of the cell layer cultured on the substrate by using the upright and reverse exposure apparatus for exposing the nanomaterials. At this time, the inverted exposure apparatus is mounted so that the cultured cell layer faces the bottom, for example, the legs of the exposure apparatus face upward, the top plate is placed on the bottom surface, and then the cell attachment surface (cell layer) of the cell culture substrate. It can be mounted facing this floor.

이러한 상기 정립 및 역립 노출장치를 이용은 나노물질의 세포배지에서의 비균질성으로 인한 농도보정을 포함하는 것이 바람직하다. The use of such upright and inverted exposure devices preferably includes concentration correction due to heterogeneity in the cell medium of the nanomaterial.

즉, 정립 및 역립 노출장치를 이용하여 상기 세포층에 나노물질을 노출하면서, 나노물질의 세포배지에서의 비균질성으로 인한 농도보정을 수행하는 것이 더욱 바람직하다. 이 때, 세포 배지내 나노물질의 안정성을 반영하는 공지된 수식(이론,실험식) 등을 변형ㆍ사용하여 노출된 나노물질의 농도를 보정할 수 있다.That is, it is more preferable to perform concentration correction due to inhomogeneity in the cell medium of the nanomaterials while exposing the nanomaterials to the cell layer using the upright and inverted exposure apparatus. At this time, the concentration of the exposed nanomaterials can be corrected by modifying and using known formulas (theoretical and experimental formulas) that reflect the stability of the nanomaterials in the cell medium.

상기 농도 보정에 사용되는, 나노물질의 안정성을 반영하는 공지된 수식(이론,실험식) 등은 나노물질의 무게, 밀도 등 물리 화학적 특성을 고려하여 당업계에 알려진 방법을 적절히 변형하여 사용할 수 있다. 예를 들어, Justin G. Teeguarden et al .의 "Particokinetics In Vitro: Dosimetry Considerations for In Vitro Nanoparticle Toxicity Assessments "[TOXICOLOGICAL SCIENCES 95(2), 300?312 (2007)] 등의 공지된 논문을 참조하여 나노물질의 세포배지에서의 비균질성으로 인한 농도보정을 수행할 수 있다.
Known formulas (theoretical, empirical formula) and the like used in the concentration correction, reflecting the stability of the nanomaterial can be used by appropriately modifying methods known in the art in consideration of physicochemical properties such as the weight, density of the nanomaterial. For example, Justin G. Teeguarden et al . Concentration correction due to inhomogeneity of nanomaterials in cell media with reference to known papers such as "Particokinetics In Vitro: Dosimetry Considerations for In Vitro Nanoparticle Toxicity Assessments" [TOXICOLOGICAL SCIENCES 95 (2), 300-312 (2007)]. Can be performed.

이처럼, 정립 및 역립 노출장치를 이용하여 세포층을 상ㆍ하면에 배치하여 비균질한 나노입자를 입체적으로 노출시킴으로써, 나노입자의 비균질 정도에 따른 상하면의 세포독성 또는 독성기작을 비교하거나 침전에 의해 생기는 나노입자의 농도구배에 따른 독성을 제거한다.In this way, the cell layer is placed on the upper and lower surfaces using the upright and inverted exposure apparatus to expose the heterogeneous nanoparticles in three dimensions, thereby comparing the upper and lower cytotoxicity or toxic mechanisms according to the degree of inhomogeneity of the nanoparticles or by generating the nanoparticles. Eliminate toxicity due to the concentration gradient of the particles.

그러므로, 본 발명은 다른 관점에서, 정립 및 역립 노출기구를 이용하여 상기 나노입자의 응집 및 침전 정도 등 콜로이드로서의 특성에 따라 나노 물질의 불균질한 농도를 측정하는 방법을 포함할 수도 있다.
Therefore, in another aspect, the present invention may include a method for measuring heterogeneous concentrations of nanomaterials according to colloidal properties, such as the degree of aggregation and precipitation of the nanoparticles, using upright and inverted exposure mechanisms.

다음으로, 상기 정립 및 역립 노출기구를 이용하여 나노물질에 노출시킨 세포층을 염색한다. Next, the cell layer exposed to the nanomaterial is stained using the upright and inverted exposure mechanisms.

흡광염색법 또는 형광염색법을 사용할 수 있는데, 본 발명의 일 구체예에서는 흡광염색법을 이용하였다. Absorption staining or fluorescence staining may be used. In one embodiment of the present invention, the light absorbing staining method is used.

흡광염색에 사용되는 흡광염료로는 MTT(3-(4,5-dimethyl thiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide)), MTS(5-(3-caroboxymethoxyphenyl)-2H-tetra-zolium inner salt), WST(4-[3-(4-Iodophenyl)-2(4-nitrophenyl)-2H-5-tetrazolio]1,3-benzene disulfonate) 및 트립판 블루(trypanblue)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있다. 또한, 형광염색에 사용되는 형광염료로는 DCF, DiOC6, Hoechest 33432 등의 유기 형광염료; 또는 양자점(QD) 등의 무기나노입자; 또는 GFP, RFP, YFP 등의 형광단백질 등을 사용할 수 있다. Absorption dyes used for absorbing dye include MTT (3- (4,5-dimethyl thiazol-2-yl) -2,5-diphenyl tetrazolium bromide)) and MTS (5- (3-caroboxymethoxyphenyl) -2H-tetra- zolium inner salt), WST (4- [3- (4-Iodophenyl) -2 (4-nitrophenyl) -2H-5-tetrazolio] 1,3-benzene disulfonate) and trypanblue Can be used. In addition, fluorescent dyes used for fluorescent dyeing include organic fluorescent dyes such as DCF, DiOC6, Hoechest 33432; Or inorganic nanoparticles such as quantum dots (QD); Or fluorescent proteins such as GFP, RFP, and YFP.

이 때, 흡광염색을 사용하는 경우는, 이후 세포별 이미지 분석(Image Cytometry)을; 형광염색을 사용하는 경우는, 이후 유세포 분석(Flow Cytometry)을 사용하는 경우가 일반적이다.At this time, in the case of using absorbance staining, thereafter cell image analysis (Image Cytometry); In the case of using fluorescent staining, flow cytometry is generally used.

뿐만 아니라, 상기 염색은 비표지(label-free) 방식으로 이루어질 수도 있다.
In addition, the dyeing may be done in a label-free manner.

이와 같이, 본 발명에서는 상기 정립 및 역립 노출기구를 통한 나노 물질에의 노출 및 염색이 이루어진 세포층에 대하여 세포별 이미지 분석 또는 유세포 분석을 추가로 실시할 수 있고, 이의 분석 결과에 의해 세포사멸 정도를 정량화할 수 있다.As described above, the present invention may further perform cell-specific image analysis or flow cytometry on the cell layer in which the nanomaterials are exposed and stained through the upright and inverted exposure mechanisms, and the degree of apoptosis is determined by the analysis result. Can be quantified.

예를 들어, MTT 분석을 포함하는 형광 및 흡광법을 이용하여 세포별 이미지 분석을 수행할 수 있다.For example, cell-specific image analysis may be performed using fluorescence and absorption methods including MTT analysis.

즉, 역립 나노물질 노출장치를 이용한 multiwell plate 내에서 변형된 MTT(Tetrazolium-based colorimetric) 분석법 및 영상처리법을 적용하여 표면에 부착되어 있는 세포의 고사(Apoptosis) 및 괴사(Necrosis)등의 과정에 의한 세포의 사멸과정의 진행정도를 분석한다.That is, by applying modified MTT (Tetrazolium-based colorimetric) analysis and image processing in a multiwell plate using an inverted nanomaterial exposure apparatus, apoptosis and necrosis of cells adhered to the surface Analyze the progress of the cell death process.

MTT 분석법은 탈수소 효소작용에 의하여 노란색의 수용성 기질인 MTT 테트라졸리움(tetrazolium)을 청자색을 띄는 비수용성의 MTT 포마잔(formazan) (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)- 2,5-diphenyl-tetrazolium bromide)으로 환원시키는 세포내 미토콘드리아의 활성을 측정하는 검사법으로써 다양한 화학물질의 독성을 시험하는 데에 널리 이용된다. The MTT assay is a water-soluble MTT formazan (3- (4,5-dimethylthiazol-2-yl) -2,5 which is blue-purple to MTT tetrazolium, a yellow water-soluble substrate by dehydrogenase action. As a test to measure the activity of mitochondria in cells reduced to -diphenyl-tetrazolium bromide, it is widely used to test the toxicity of various chemicals.

이 때, 상기 세포층의 촬영은 광학이미지 취득을 위한 가시광선영역에서의 광원으로서 텅스텐 램프(tungsten lamp), LED 광원 및 레이저 광원으로 이루어진 군으로부터 선택되는 광원; 대물렌즈로부터 모아진 세포영상을 검출하는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라: 단일세포층을 포함하는 세포 배양시스템을 배치시키기 위한 세포배양 플랫폼; 사용되는 흡광염료에 적용되는 최대 흡광 영역에서의 이미지를 얻기 위해 광원에서 파장을 선택적으로 통과시키기 위한 장치: 및 상기 CCD 카메라로부터 얻어진 이미지를 분석하여 세포별 흡광인자, 세포의 개수 및 형태인자값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 세포사멸 인자를 추출하고 세포사멸과정을 정량화 할 수 있는 영상처리 프로그램을 포함하는 세포 영상 분석 장치를 이용하여 실시할 수 있다.At this time, the imaging of the cell layer is a light source selected from the group consisting of a tungsten lamp (tungsten lamp), LED light source and laser light source as a light source in the visible light region for optical image acquisition; CCD (Charge Coupled Device) camera for detecting the collected cell image from the objective lens: a cell culture platform for placing a cell culture system comprising a single cell layer; A device for selectively passing a wavelength at a light source to obtain an image in the maximum absorption region applied to the absorbing dye used, and analyzing the image obtained from the CCD camera to the cell-specific absorbance factor, number of cells and shape factor values. One or more apoptosis factors selected from the group consisting of can be carried out using a cell image analysis device comprising an image processing program that can quantify the cell death process.

특히, 상기 흡광염료로서 MTT를 사용할 경우 최대 흡광 영역에서의 이미지를 얻기 위해 선택적으로 통과되는 파장은 550nm ± 60nm의 파장영역이고, MTS 포마잔을 흡광염료로 사용할 경우 최대 흡광 영역에서의 이미지를 얻기 위해 선택적으로 통과되는 파장은 490nm ± 60nm의 파장영역이며, 트립판 블루를 흡광염료로서 사용할 경우 최대 흡광 영역에서의 이미지를 얻기 위해 선택적으로 통과되는 파장은 590nm ± 80nm의 파장영역인 것이 바람직하다. 또한, 상기 흡광염료로서 MTT를 사용하는 경우 산화?환원반응에 의한 포마잔(formazan) 결정의 형성을 유도하기 위한 최적 시간을 10 ~ 240 분으로 부여하는 것이 바람직하다. 트립판 블루를 사용하는 경우 노출된 염료에 의한 염색이 이루어지는 최적 시간을 3분 이내로 부여하여 이미지를 분석할 수 있다.In particular, when MTT is used as the light absorbing dye, a wavelength selectively passed to obtain an image in the maximum light absorbing region is a wavelength region of 550 nm ± 60 nm, and when MTS formazan is used as the light absorbing dye, an image in the maximum light absorbing region is obtained. For example, the wavelength selectively passed is 490 nm ± 60 nm, and when trypan blue is used as the light absorbing dye, the wavelength selectively passed to obtain an image in the maximum absorption range is preferably 590 nm ± 80 nm. In addition, when MTT is used as the light absorbing dye, it is preferable to give an optimal time of 10 to 240 minutes to induce formation of formazan crystals by oxidation / reduction reaction. When trypan blue is used, the image can be analyzed by giving an optimal time to dyeing with the exposed dye within 3 minutes.

상기 세포사멸 정도의 정량화 단계는 촬영된 이미지로부터 각 세포가 차지하는 면적(area) 및 원형성(Circularity)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 형태인자값 또는 흡광인자로서 세포별 평균 흡광도(Mean Absorbance) 및 세포별 총 흡광도(Integrated Absorbance)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 세포별 흡광도를 분석하여 정량화할 수 있다.The quantification step of the degree of apoptosis is the mean absorbance and the cell-specific mean absorbance and cell-specific factors as a form factor value or an absorbance factor selected from the group consisting of area and circularity occupied by each cell from the photographed image. One or more cell-specific absorbances selected from the group consisting of total absorbance can be analyzed and quantified.

원형성 = 4π x (세포면적 / 세포둘레2)Circularity = 4π x (cell area / cell circumference 2 )

세포별 평균 흡광도(Mean Absorabnce) = 세포 영역 내 각 픽셀들의 흡광도값의 평균Mean Absorabnce by Cell = Mean Absorbance of Each Pixel in Cell Area

세포별 총 흡광도 (Integrated Absorbance) = 세포별 평균 흡광도 x 세포가 차지하는 영역의 픽셀 수Integrated Absorbance per cell = average absorbance per cell x number of pixels in the area occupied by the cell

세포사멸 정도를 정량화 하는 단계에서 이미지 분석을 통해 얻어진 세포별 흡광도를 포함하는 변수들을 개별적으로 단일 변수분석하여 용량-반응 곡선을 얻고 세포 사멸 진행 정도의 정량화를 실시할 수 있다. 이러한 세포별 흡광 이미지 분석을 이용한 분석과 관련하여는 한국 특허출원 10-2009-0133151호를 참조할 수 있다.
In the step of quantifying the degree of apoptosis, a single-variable analysis of variables including the absorbance of each cell obtained through image analysis can be performed to obtain a dose-response curve and to quantify the progress of cell death. Regarding the analysis using the absorbance image analysis for each cell, reference may be made to Korean Patent Application No. 10-2009-0133151.

또 다른 방법으로, 본 발명은 유세포 분석을 통한 산란광 데이터 및 형광신호 데이터를 수집하여 활성산소종의 발생정도를 측정하여 세포사멸 정도를 분석할 수도 있다. In another method, the present invention may collect scattered light data and fluorescence signal data through flow cytometry to analyze the degree of apoptosis by measuring the incidence of reactive oxygen species.

특히, 앞서 설명한 바와 같이, 이하와 같은 변형된 유세포 분석 방법을 사용하는 것을 특징으로 한다.In particular, as described above, it is characterized by using the following modified flow cytometry method.

- 전면 산란광 (Forward Scatter; FS) 및 측면 산란광 (Side Scatter; SS)을 통해 나노입자(NPs)가 부착된 세포를 구별한다. 한 종류의 세포를 기준으로 일정 범위에 존재하는 전면 산란광과 측면 산란광이 나노입자가 세포에 흡수(uptake)됨에 따라서 빛이 많이 굴절되어 측면 산란광 (Side scatter; SS)이 커진다는 점에서 나노입자가 부착된 세포와 그렇지 않은 세포의 분리가 가능하다.-Forward Scatter (FS) and Side Scatter (SS) To distinguish cells with attached nanoparticles (NPs). The front scattered light and the side scattered light in a range of one type of cell are absorbed by the nanoparticles (uptake) in the cell, so the light is refracted a lot, so the side scattered light (Side scatter (SS)) increases Separation of adherent and non-attached cells is possible.

- 그리고, 상기 산란광 데이터 분석 결과와 형광 신호의 결합을 통하여 오직 나노입자에 대한 세포변화를 측정, 분석한다. The cell change of the nanoparticles is measured and analyzed only by combining the scattered light data analysis result and the fluorescence signal.

상기 유세포 분석 결과를 정량화함에 있어서, 세포의 측방산란(SS) 세기가 대조군(Control) 세포 대비 일정한 비율 이상으로 측정된 세포들의 전방산란(FS) 및 이하의 형광 방출 신호를 연계하여 세포 내 나노입자의 도입에 따라 유도된 세포 사멸 및 다양한 기전변화를 측정하고 이를 기반으로 나노입자 용량-반응 관계를 나노입자의 직접적인 유해성을 객관적으로 평가하는 것이다.
In quantifying the flow cytometry results, intracellular nanoparticles are linked by forward scattering (FS) and fluorescence emission signals of cells whose lateral scattering (SS) intensity is measured at a certain ratio or more relative to control cells. Cell death induced by the introduction of and various mechanism changes are measured and based on this, the nanoparticle dose-response relationship is to objectively assess the direct harmfulness of nanoparticles.

이 때, 사용할 수 있는 유세포 분석 장치는, 상업적으로 판매되는 유세포 분석기 (Flow Cytometry 또는 Fluorescence Activated Cell Sorter)를 이용할 수도 있고, 미세유체 유세포 분석 기구 (microfluidic flow cytometry)를 이용할 수도 있다.At this time, the flow cytometry apparatus that can be used may use a commercially available flow cytometer (Flow Cytometry or Fluorescence Activated Cell Sorter), or may use a microfluidic flow cytometry.

특히, 미세유체 유세포 분석 기구는 일 예로써,In particular, the microfluidic flow cytometry instrument is one example.

자외선 및 가시광선영역에서의 광원으로서 텅스텐 램프(tungsten lamp), 수은 및 할로젠 램프, LED 광원 및 레이저 광원 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 광원; Light sources selected from the group consisting of tungsten lamps, mercury and halogen lamps, LED light sources, laser light sources, and the like as light sources in the ultraviolet and visible light region;

세포로부터 산란 또는 형광방출되는 광신호를 검출하는 PMT(photomultiplier tube) 또는 CCD(Charge Coupled Device) 로 이루어진 검출 장치; 세포층을 포함하는 세포 배양시스템을 배치시키기 위한 세포배양 플랫폼; A detection device comprising a photomultiplier tube (PMT) or a charge coupled device (CCD) for detecting an optical signal scattered or fluoresced from a cell; A cell culture platform for placing a cell culture system comprising a cell layer;

사용되는 형광 염료에 적용되는 최대 흡광 또는 형광 영역에서의 이미지를 얻기 위해 광원에서 파장을 선택적으로 통과시키기 위한 장치; A device for selectively passing wavelengths in the light source to obtain an image in the maximum absorption or fluorescent region applied to the fluorescent dye used;

상기 장치로부터 얻어진 Data를 분석하여 세포별 전방(FS) 및 측방(SS) 산란세기, 형광세기, 세포의 개수 및 형태인자값으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 세포사멸 인자를 추출하고 세포사멸과정을 정량화 할 수 있는 Data처리 프로그램을 포함할 수 있다. 이러한 미세유체 유세포 분석 기구와 관련하여는 한국 특허출원 10-2009-0076436호를 참조할 수 있다.
Analyze the data obtained from the device to extract one or more apoptosis factors selected from the group consisting of cell forward (FS) and lateral (SS) scattering intensity, fluorescence intensity, number of cells and shape factor values, and apoptosis process It can include data processing programs that can be quantified. Regarding such microfluidic flow cytometry apparatus, reference may be made to Korean Patent Application No. 10-2009-0076436.

본 발명의 방법은, 나노 물질의 노출에 따른 위험성(독성)를 정확히 파악하고 이해할 수 있게 함으로써, 나노 물질의 생산, 환경, 건강에 미칠 수 있는 유해성에 대한 안전지침을 확보하는 등에 유용하다.
The method of the present invention is useful in securing safety guidelines for harmful effects on the production, environment, and health of nanomaterials by making it possible to accurately grasp and understand the dangers (toxicities) of exposure to nanomaterials.

실시예Example

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

실시예Example 1: 정립( 1: Formulation NormalNormal ) 및 ) And 역립Upright (( InvertedInverted ) ) 나노물질Nanomaterial 노출장치의 제작 Manufacture of exposure device

도 4에 제시된 도면과 같이 투명한 Poly carbonate과 아크릴본드를 이용하여 제작하였다. As shown in FIG. 4, a transparent poly carbonate and an acrylic bond were prepared.

1.5 cm x 1.5 cm x 0.2 cm 크기의 정사각형 상판에 1.5 cm x 0.8 cm x 0.3 cm 크기의 직사각형 두 개를 다리로 붙여 책상모양의 구조물을 제작하였다. 세포배양 기판은 1.5 cm x 1.5 cm 크기의 Poly styrene판을 이용하였다. 나노물질 노출장치와 세포배양 기판은 비눗물로 세척 후 70% ethanol에 담가 30분간 sonication하여 세척하였다.
A 1.5 cm x 1.5 cm x 0.2 cm square top plate was attached to two 1.5 cm x 0.8 cm x 0.3 cm rectangles to form a desk-shaped structure. As a cell culture substrate, a poly styrene plate having a size of 1.5 cm x 1.5 cm was used. The nanomaterial exposure apparatus and the cell culture substrate were washed with soapy water and soaked in 70% ethanol for 30 minutes.

실시예Example 2 : 세포 배양 및 세포층 형성 2: cell culture and cell layer formation

12-multiwell plate내에 플라즈마처리된 1.5 cm x 1.5 cm 크기의 정사각형 polystyrene판을 놓은 후 polystyrene판 가장자리에 나노물질 노출장치를 올려 고정시켰다. Plasma-treated 1.5 cm x 1.5 cm square polystyrene plates were placed in a 12-multiwell plate and the nanomaterial exposure apparatus was fixed on the edges of the polystyrene plates.

세포배양 용기에서 배양된 암세포 주(Hela cell line, Korea Biological Resource Center, Korea)를 바닥면으로부터 104 ~ 105 cells/mL을 갖는 현탁액으로 추출하여 multiwell plate에 주입하였다. 주입된 세포는 polystyrene판 표면 위에 단일 층의 부착 세포군을 형성하였다. Cancer cell lines (Hela cell line, Korea Biological Resource Center, Korea) cultured in cell culture vessels were extracted into suspensions having 10 4 to 10 5 cells / mL from the bottom surface and injected into multiwell plates. The injected cells formed a single layer of adherent cell population on the surface of the polystyrene plate.

이 때, Dulcecoo's modified Eagle's medium(DMEM, Gibco, Grand Island, NY, USA, with 10% fetal bovine serum(Gibco, Grand Island, NY, USA)), 1% Penicillin-Streptomcyin (Gibco, Grand Island, NY, USA)))배지를 사용하였으며 약 24시간 동안 배양하였다.
At this time, Dulcecoo's modified Eagle's medium (DMEM, Gibco, Grand Island, NY, USA, with 10% fetal bovine serum (Gibco, Grand Island, NY, USA)), 1% Penicillin-Streptomcyin (Gibco, Grand Island, NY, USA))) medium was used and incubated for about 24 hours.

실시예Example 3 : 정립 및  3: formulation and 역립Upright 노출장치를 이용하여  Using the exposure device 나노물질Nanomaterial 처리 process

정립 및 역립 나노물질 노출장치에 동물세포가 부착된 세포배양 기판을 각각 위와 아래를 향하게 하여 장착 후 고정시켰다.The cell culture substrates to which the animal cells are attached to the upright and inverted nanomaterial exposure apparatuses were fixed up and down respectively.

정립 나노물질 노출은 세포가 배양된 상태에서 배지를 제거하였고. 역립 나노물질 노출은 나노물질 노출장치의 다리가 위를 향하고, 상판을 바닥면에 닿게 놓은 후 세포배양기판의 세포 부착면이 바닥을 향하도록 장착하였다.Sizing nanomaterial exposure removed the medium while the cells were incubated. The inverted nanomaterial exposure was mounted so that the legs of the nanomaterial exposure apparatus were facing upward, the top plate was placed on the bottom surface, and the cell attachment surface of the cell culture substrate was facing the bottom.

그리고, 상기 세포층이 고정된 나노물질 노출장치를 multiwell plate내에 설치하고 나노물질을 노출시켰다. 즉, 나노물질(TiO2)이 포함된 세포배양액을 노출하였는데, 이 때 용액은 역립나노물질 노출장치에서 세포배양기판까지 잠길 정도의 부피(3ml)로 넣어주었다. Then, the nanomaterial exposure apparatus in which the cell layer was fixed was installed in a multiwell plate and the nanomaterial was exposed. That is, the cell culture solution containing the nano-material (TiO 2 ) was exposed, at which time the solution was put in a volume (3ml) so as to be locked to the cell culture substrate from the inverted nanomaterial exposure apparatus.

정립 나노물질 노출은 multi well plate 아래면에서 UV-A를 1시간 20분 노출시켰고, 역립 나노물질 노출은 multi well plate 상단에서 UV-A를 1시간 20분 노출시켰다(도 5).Upright nanomaterial exposure exposed UV-A for 1 hour and 20 minutes at the bottom of the multi well plate, and reverse nanoparticle exposure exposed UV-A for 1 hour and 20 minutes at the top of the multi well plate (FIG. 5).

그리고, 상기 UV-A 노출 후 플레이트를 37℃ 온도 및 5% 이산화탄소 농도의인큐베이터에 넣고, UV-A노출시간을 포함하여 총 20시간 동안 나노입자(TiO2)를 노출하였다.
After the UV-A exposure, the plate was placed in an incubator at 37 ° C. and 5% carbon dioxide concentration, and exposed to nanoparticles (TiO 2 ) for a total of 20 hours, including UV-A exposure time.

비교예Comparative example 1 : 기존의 마이크로 플레이트 리더기를 이용한 분석법과 세포별 이미지 분석법의 비교 1: Comparison of Cellular Image Analysis and Conventional Microplate Readers

마이크로플레이트 리더는 Microplate Well 내에서 반응한 물질의 정성, 정량 분석에 이용되는 장비로써 적절한 용매, 용해 또는 분산된 시료에 자외선, 가시광선, 적외선 영역 등의 빛을 통과시켜 흡광, 발광, 형광도 등을 측정하여 세포 생리 및 분자생물학, 면역학 분야에서 사용되는 것으로, 광원으로부터 유래한 빛은 여러 가지 필터와 단색화 장치를 통해 특정 파장의 빛으로 만들어진 시료에 96개 혹은 그 이상의 경로를 통해 조사되어, 각각의 well에 담긴 시료의 성분 및 농도에 따라 발생한 형광 또는 투과된 빛이 검출기를 통하여 분석된다. 이와 같은 방법으로 측정된 결과를 바탕으로 세포의 증식능력과 세포 생존능력을 관찰할 수 있다. Microplate Reader is a device used for qualitative and quantitative analysis of reacted materials in Microplate Well. Absorption, emission, fluorescence, etc It is used in the field of cell physiology, molecular biology, and immunology, and light from light sources is irradiated through 96 or more paths to samples made of light of specific wavelengths through various filters and monochromators. Fluorescent or transmitted light generated according to the composition and concentration of the sample contained in the well of the sample is analyzed by the detector. Based on the results measured in this way, the proliferation and cell viability of cells can be observed.

우선, 본 발명자들은 상기의 플레이트 리더로 세포사멸 정도를 분석한 결과를 살펴보았다. 마이크로 플레이트 리더기를 이용한 경우는 전체적인 흡광도를 분석하는 것이다.First, the inventors looked at the results of analyzing the degree of cell death with the plate reader. In the case of using a microplate reader, the overall absorbance is analyzed.

그 결과를 도 6에 도시하였다.The results are shown in FIG.

나노입자와 사멸한 세포와 생존해 있는 세포를 세포의 면적과 그에 따른 흡광도에 대해서 분산형 그래프로 나타내었는데, 살아있지 않아도 나노입자에 의해 흡광도가 발생하는 것을 알 수 있었고, 이러한 현상들이 기존의 흡광도를 이용하여 세포사멸과정을 보는 방법에 오류를 발생시킬 수 있는 요인이 됨을 알 수 있다.
The scattered graphs of the cell area and the resulting absorbance of the nanoparticles, dead cells and surviving cells are shown in the scatter graph. It can be seen that the absorbance is generated by the nanoparticles even if they are not alive. It can be seen that this is a factor that can cause an error in how to view the cell death process using.

다음으로, 세포별 이미지 분석법(image cytometry)를 이용하여 세포사멸 정도를 분석하였다. 즉, 이미지 분석을 통하여 세포 각각의 흡광도를 분석하여 integrated density에 대한 세포에 분포도를 살펴보았다. Next, the degree of apoptosis was analyzed by using cell cytometry. In other words, the absorbance of each cell was analyzed through image analysis to examine the distribution of cells in integrated density.

그리고, 그 결과를 도 7에 도시하였다.And the result is shown in FIG.

사멸의 기준을 판단하는 기준선(파선)을 중심으로 왼쪽은 사멸을, 오른쪽은 생존을 나타내는 도면이다. 관찰 결과, 나노입자를 제외한 세포만을 대상으로 사멸과정을 분석하였을 때 나노입자의 농도가 올라감에 따라 사멸정도가 커지는 것으로 보아 나노입자의 효과를 제거한다면 더 좋은 결과를 얻을 수 있다는 것을, 도 7을 통해 알 수 있다.It is a figure which shows the death on the left side and the survival on the right side centering on the baseline (broken line) which judges the criterion of death. As a result, when the killing process was analyzed only for cells excluding the nanoparticles, as the concentration of the nanoparticles increases, the degree of death increases. This can be seen through.

즉, 세포별 이미지 분석법은, 기존에 나노입자의 방해를 모두 포함하여 흡광도를 측정하는 방법과 달리, 각각의 세포의 흡광도만을 측정하는 방법으로 나노입자와 세포간의 상호작용에 의한 결과값 만을 선택적으로 얻을 수 있기 때문에, 분광학적 특성으로 인한 나노입자의 방해를 제거할 수 있는 것이다.
In other words, in the cell-specific image analysis, unlike the conventional method of measuring absorbance including all interferences of nanoparticles, the absorbance of each cell is measured by selectively measuring only the result of the interaction between the nanoparticles and the cells. As a result, the interference of nanoparticles due to spectroscopic characteristics can be eliminated.

실시예Example 4.  4. 세포사멸정도Apoptosis 분석( analysis( 나노물질Nanomaterial 위해서 평가) To evaluate)

본 발명의 방법에 따라서 변형된 MTT 분석 및 대조군으로 기존의 MTT 분석을 수행하였다. 기존의 방법과 본 발명에서 제시한 변형된 방법의 과정은 도 8에 각각 나타내었다.
Existing MTT assays were performed with modified MTT assays and controls according to the method of the present invention. The process of the existing method and the modified method presented in the present invention are shown in FIG. 8, respectively.

기존의 MTT 분석을 수행을 위해, 세포를 96 well에 적당한 양으로 배양 시키고 독성물질의 처리 후 각 well에 배지로 10배 희석된 비수용성의 노란색 MTT 용액 100 μL를 첨가하였다. 세포 내 formazan결정이 생성되도록 37℃ 온도 및 5% 이산화탄소 농도의 인큐베이터에 보관하고, 약 4시간 후 여분의 배지를 제거한 후 세포 내 형성된 비수용성의 formazan을 용해시키기 위해 각 well에 DMSO를 200 μL씩 첨가한 후 마이크로플레이트 리더를 이용하여 595 nm에서 흡광도를 분석하였다.In order to perform the conventional MTT assay, cells were cultured in an appropriate amount in 96 wells, and 100 μL of a non-aqueous yellow MTT solution diluted 10-fold in medium was added to each well after treatment with toxic substances. Store in an incubator at 37 ° C and 5% carbon dioxide concentration to produce intracellular formazan crystals, remove excess media after about 4 hours, and 200 μL of DMSO in each well to dissolve the insoluble formazan formed in the cells. After addition the absorbance was analyzed at 595 nm using a microplate reader.

그리고, 본 발명의 방법에 따라서 MTT 분석을 수행하였다. And MTT analysis was performed according to the method of the present invention.

multi well plate 내에서 적절하게 배양된 세포에 나노 물질의 처리 20시간 후 나노물질을 제거하고, 배지로 10배 희석된 MTT용액을 1.5 ml씩 노출하였다. MTT formazan 결정에 의한 흡광도 값은 명시야 이미지에서 유효한 화소의 값을 갖는 범위 내에서 이루어져야 하기 때문에 결정 생성 시간을 최적화 하기 위해, 총 30분간 formazan 결정의 형성 시간을 주었다. After 20 hours of nanomaterial treatment, cells were appropriately cultured in multi well plates, and nanomaterials were removed, and 1.5 ml of MTT solution diluted 10-fold with medium was exposed. Since the absorbance values of MTT formazan crystals should be within the range of effective pixel values in bright field images, the formation time of formazan crystals was given for 30 minutes in order to optimize the crystal generation time.

결정 생성 후 기존의 MTT 검색법과는 달리 유기용매(예, DMSO)로 formazan의 결정을 녹이는 과정은 필요 없으며, 영상 획득 및 처리를 위한 현미경을 이용하여 세포 내 formazan이 형성되어 있는 채로 명시야(bright field) 이미지를 획득하였다. Unlike the conventional MTT retrieval method, it is not necessary to dissolve the crystals of formazan with an organic solvent (for example, DMSO), and the bright field remains in the formazan cell by using a microscope for image acquisition and processing. field) images were acquired.

MTT formazan의 약 550 nm에서 최대 흡광 파장을 갖기 때문에 광학 이미지를 얻을 때 단파장의 광원을 얻기 위해 530 nm에서 최대 투과도와 45 nm의 띠나비를 갖는 대역 여파기 필터(bandpass filter)를 사용하였다.
Because of the maximum absorption wavelength at about 550 nm of MTT formazan, a bandpass filter having a maximum transmittance at 45 nm and a band width of 45 nm was used to obtain a short wavelength light source when obtaining an optical image.

상기 방법에 따라 세포의 생존율을 측정하였다.Cell viability was measured according to the above method.

우선 실시예 3에서 정립 및 역립 나노물질 노출장치의 세포에 노출된 이산화티타늄 나노입자의 농도에 따른 세포의 생존율도 함께 확인하여 도 9에 도시하였다.First, the cell survival rate according to the concentration of the titanium dioxide nanoparticles exposed to the cells of the upright and inverted nanomaterial exposure apparatus in Example 3 was also confirmed and shown in FIG. 9.

도 9(a)그래프는 평균 300 nm의 수용액상 크기를 갖는 이산화티타늄 나노입자에 대하여 실험을 실시한 도면이고, 도 9(b)그래프는 평균 70 nm의 수용액상 크기를 갖는 이산화티타늄 나노입자에 대하여 실험을 실시한 도면이다. FIG. 9 (a) is a graph showing experiments on titanium dioxide nanoparticles having an aqueous solution size of 300 nm on average, and FIG. 9 (b) is graph of titanium dioxide nanoparticles having an aqueous solution size of 70 nm on average. It is a figure which carried out experiment.

(a)의 결과에서는 큰 입자가 많아 침전되는 입자가 생길 시에는 정립과 역립에 위치한 세포독성이 각각 차이를 나타냈다. 즉, 역립 노출 장치의 사용이 유의미함을 알 수 있다.반면 (b)에서는 침전이 많이 일어나지 않아 정립 및 역립에서 세포독성이 크게 차이를 보이지 않았다.In the results of (a), when the large particles were precipitated, the cytotoxicity of the upright and inverted particles was different. That is, it can be seen that the use of the inverted exposure device is significant. On the other hand, in (b), precipitation did not occur much, and there was no significant difference in the cytotoxicity between the upright and inverted particles.

즉, 나노물질의 침전이 일어나는 경우의 세포 독성에 따른 오류는, 정립과 역립 노출장치를 함께 사용하는 본 발명의 방법에 의해서 현저히 줄일 수 있음을 알 수 있었다.In other words, it can be seen that the error according to the cytotoxicity when the precipitation of nanomaterials occurs can be significantly reduced by the method of the present invention using the formulation and the reverse exposure apparatus.

다만, MTT 포마잔이 생기지 않더라도 나노입자 자체의 산란에 의해서 흡광도가 발생하는 오류는 발견되었다(도 9(a)).
However, even if MTT formazan does not occur, an error in which absorbance occurs due to scattering of the nanoparticles itself was found (FIG. 9 (a)).

따라서, 상기 나노입자의 영향을 제거한 이미지 분석을 통해 흡광도를 이용하여 세포사멸반응을 측정하였다. Therefore, apoptosis was measured by using absorbance through image analysis to remove the effect of the nanoparticles.

즉, 마이크로 플레이트 리더기를 사용하여 나노입자에 대한 세포사멸반응을 관찰하는 것에 대한 문제점이 많다는 비교예 1 및 상기 오류를 인식하고, 이미지 분석을 통해 상기 나노입자의 분광학적 영향을 제거하고자 하였다.That is, to recognize the comparative example 1 and the error that there are many problems in observing apoptosis reaction to the nanoparticles using a microplate reader, and to remove the spectroscopic effects of the nanoparticles through image analysis.

도 10은 나노입자에 의해서 흡광도측정에 오류가 생기는 것을 보여주는 도면이다. (a)는 정립 나노물질 노출장치에서의 세포사멸결과와 이미지분석으로 얻은 세포사멸결과를 비교한 결과이고, (b)는 역립 나노물질 노출장치에서 세포사멸결과와 이미지분석으로 얻은 세포사멸결과를 비교한 결과이다.10 is a diagram showing that an error occurs in the absorbance measurement by the nanoparticles. (a) shows the result of apoptosis obtained from image analysis and apoptosis result in the upright nanomaterial exposure apparatus, and (b) shows the result of apoptosis and apoptosis result obtained from image analysis. The result is a comparison.

즉, 도 10에 나타난 바와 같이 이미지 분석을 통하여 분석한 것이 마이크로 플레이트 리더기를 이용하여 분석한 것과 차이가 나는 것을 알 수 있었다.
That is, as shown in Figure 10 it can be seen that the analysis through the image analysis is different from the analysis using a microplate reader.

그러므로, 상기 결과를 조합해보면, 역립 나노물질 노출장치를 사용하면서, 이에 더하여 이미지 분석 결과를 분석함으로써 나노입자 자체의 산란에 의한, 즉, 나노입자의 광학적 또는 촉매반응성에 의해 야기된 기존 세포사멸분석법의 오류를 줄일 수 있음을 알 수 있다.Therefore, in combination with the above results, conventional cell death assays caused by scattering of nanoparticles themselves, i.e., by optical or catalytic reactivity of nanoparticles, by using an inverted nanomaterial exposure apparatus and further analyzing image analysis results It can be seen that the error can be reduced.

즉, 상기 결과들은 역립 나노물질 노출 방법과 세포 이미지분석기법을 이용한 세포사멸 측정법을 적용하여 세포의 사멸정도를 정량화함으로서 나노물질의 고유한 물리화학적 특성에 의해 유발된 여러 가지 측정 오류원인들을 제거하고, 나노입자와 세포간의 상호작용으로 생긴 세포의 반응만을 선택적으로 측정 분석할 수 있음을 보여준다.In other words, the results are applied to the apoptosis measurement method using the inverted nanomaterial exposure method and cell image analysis technique to quantify the degree of cell death to remove various causes of measurement error caused by the intrinsic physicochemical properties of the nanomaterial. In addition, it shows that only the response of cells generated by the interaction between nanoparticles and cells can be selectively measured and analyzed.

Claims (18)

기판의 표면에 세포층을 부착하는 단계;
정립 및 역립 노출장치를 이용하여 상기 세포층에 나노물질을 노출하고 염색하는 단계;
상기 세포층에 대하여 분석을 수행하는 단계; 및
상기 분석 결과에 의해 세포사멸 정도를 정량화하는 단계를 포함하는, in vitro 나노물질 위해성 평가방법.
Attaching a cell layer to the surface of the substrate;
Exposing and staining the nanomaterials in the cell layer using upright and inverted exposure apparatuses;
Performing an analysis on the cell layer; And
, In vitro nanomaterials risk assessment comprises the step of quantifying the degree of cell death by the analysis result.
제1항에 있어서, 상기 세포층은 미세유체 세포칩, 멀티 웰 또는 슬라이드 글라스에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the cell layer is formed on a microfluidic cell chip, a multi-well or a slide glass.
제1항에 있어서, 상기 세포층은 단일 또는 다층의 세포층인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the cell layer is a single or multiple cell layer.
제1항에 있어서, 상기 정립 및 역립 노출장치를 이용은 나노물질의 세포배지에서의 비균질성으로 인한 농도보정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein using the upright and inverted exposure apparatus comprises concentration correction due to heterogeneity in the cell medium of the nanomaterial.
제1항에 있어서, 상기 정립 및 역립 노출장치는 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane),PDMS),폴리메틸메타클릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아크리레이트(polyacrylates), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리시클릭 올레핀(polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimides) 및 폴리우레탄(polyurethanes)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 고분자 재질로 제작된 미세유체 칩 또는 wellplate용 노출기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
According to claim 1, wherein the upright and inverted exposure apparatus is polydimethylsiloxane (poly (dimethylsiloxane), PDMS), polymethyl methacrylate (polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylates (polyacrylates), polycarbonates, And a microfluidic chip or wellplate exposure apparatus made of at least one polymer material selected from the group consisting of polycyclic olefins, polyimides, and polyurethanes.
제1항에 있어서, 상기 정립 및 역립 노출장치는 미세유체칩 또는 wellplate용 노출기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1 wherein the upright and inverted exposure apparatus comprises an exposure mechanism for a microfluidic chip or wellplate.
제1항에 있어서, 상기 역립 노출장치는 배양된 세포층이 바닥을 향하도록 장착하여 나노물질에 노출시키고, 상기 노출된 나노물질의 농도보정에 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the inverted exposure device is mounted so that the cultured cell layer faces the bottom, and is exposed to the nanomaterial, and the method is used to correct the concentration of the exposed nanomaterial.
제1항에 있어서, 상기 나노물질은 금나노, 은나노, SWCNT(single-walled carbon nanotube), MWCNT(multi-walled carbon nanotube),풀러린(fullerene, C60), 철 나노입자, 카본블랙, 이산화티탄, 산화알루미늄, 산화세륨, 산화아연, 이산화규소, 폴리스틸렌, 덴드리머, 나노클레이로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 나노물질인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the nanomaterial is gold nano, silver nano, single-walled carbon nanotube (SWCNT), multi-walled carbon nanotube (MWCNT), fullerene (fullerene, C 60 ), iron nanoparticles, carbon black, titanium dioxide And at least one nanomaterial selected from the group consisting of aluminum oxide, cerium oxide, zinc oxide, silicon dioxide, polystyrene, dendrimer, and nanoclays.
제1항에 있어서 상기 염색은 흡광염색법 또는 형광염색법을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method as claimed in claim 1, wherein the dyeing is carried out by using an absorption dyeing method or a fluorescent dyeing method.
제1항에 있어서 상기 염색은 비표지(label-free) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1 wherein the dyeing is in a label-free manner.
제9항에 있어서, 상기 흡광염색은 MTT(3-(4,5-dimethyl thiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide)), MTS(5-(3-caroboxymethoxyphenyl)-2H-tetra-zolium inner salt), WST(4-[3-(4-Iodophenyl)-2(4-nitrophenyl)-2H-5-tetrazolio]1,3-benzene disulfonate) 및 트립판 블루(trypanblue)로 이루어진 군으로부터 선택되는 흡광염료를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 9, wherein the absorbance dye is MTT (3- (4,5-dimethyl thiazol-2-yl) -2,5-diphenyl tetrazolium bromide)), MTS (5- (3-caroboxymethoxyphenyl) -2H-tetra -zolium inner salt), WST (4- [3- (4-Iodophenyl) -2 (4-nitrophenyl) -2H-5-tetrazolio] 1,3-benzene disulfonate) and trypanblue The method characterized in that it is carried out using the absorbing dye selected.
제9항에 있어서, 상기 형광염색은 유기형광 염료, 무기나노입자 또는 형광단백질을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 9, wherein the fluorescent dye is performed using an organic fluorescent dye, an inorganic nanoparticle, or a fluorescent protein.
제1항에 있어서, 상기 세포층에 대한 분석은 세포 이미지 분석 또는 유세포 분석 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the analysis of the cell layer is performed by cell image analysis or flow cytometry.
제13항에 있어서, 상기 세포층에 대한 분석은 세포 이미지 분석(Image Cytometry) 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 13, wherein the analysis of the cell layer is performed by a cell image analysis method.
제14항에 있어서, 상기 세포 이미지 분석은 MTT 분석을 포함하는 형광 및 흡광법을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. The method of claim 14, wherein said cell image analysis uses fluorescence and absorption methods including MTT analysis.
제15항에 있어서, 상기 세포 이미지 분석은 MTT 분석에 의해 세포 내 포마잔(formazan)이 형성되어 있는 채로 명시야(bright field) 이미지를 수득하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 15, wherein the cell image analysis is performed by obtaining a bright field image with intracellular formazan formed by MTT analysis.
제13항에 있어서, 상기 유세포 분석은 산란광 데이터 및 형광신호 데이터를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 13, wherein the flow cytometry uses scattered light data and fluorescence signal data.
제17항에 있어서, 상기 산란광 데이터는 나노 물질을 흡수(uptake)한 세포를 구별하는데 이용되고, 상기 형광신호 데이터는 상기 나노 물질을 흡수한 세포에 대한 세포사멸 정도를 평가하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.18. The method of claim 17, wherein the scattered light data is used to distinguish cells uptake of the nanomaterial, and the fluorescence signal data is used to evaluate the degree of apoptosis for the cells that absorbed the nanomaterial. How to.
KR1020110019857A 2011-01-20 2011-03-07 An invitro Method for the Toxicity Assessments of NanoMaterials KR101616589B1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110019857A KR101616589B1 (en) 2011-03-07 2011-03-07 An invitro Method for the Toxicity Assessments of NanoMaterials
US13/278,716 US9074980B2 (en) 2011-01-20 2011-10-21 Method for the toxicity assessments of nano-materials
EP11008532A EP2479551A2 (en) 2011-01-20 2011-10-25 A method for the toxicity assessments of nano-materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110019857A KR101616589B1 (en) 2011-03-07 2011-03-07 An invitro Method for the Toxicity Assessments of NanoMaterials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120102180A true KR20120102180A (en) 2012-09-18
KR101616589B1 KR101616589B1 (en) 2016-04-29

Family

ID=47110762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110019857A KR101616589B1 (en) 2011-01-20 2011-03-07 An invitro Method for the Toxicity Assessments of NanoMaterials

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101616589B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101535918B1 (en) * 2011-05-11 2015-07-13 한양대학교 산학협력단 A Method for the Toxicity Assessments of Nano-Materials using Selective Plane Illumination Microcopy
WO2016003079A1 (en) * 2014-07-01 2016-01-07 한국화학연구원 Lung model device for inhalation toxicity testing
WO2016003080A1 (en) * 2014-07-01 2016-01-07 한국화학연구원 Real-time inhalation toxicity testing device using lung model

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008010843A2 (en) * 2005-12-09 2008-01-24 The Regents Of The University Of California Assessing the toxic potential of nanomaterials
KR20100083987A (en) * 2009-01-15 2010-07-23 한국과학기술원 An apparatus and method for analyzing toxicity of nano-materials, and an apparatus and system for measuring effect of pharmaceutical nano-materials using the same
KR20110018798A (en) * 2009-08-18 2011-02-24 한양대학교 산학협력단 Microfluidic cell chip, cell image analyzing apparatus and method for quantitative analysis of cell using the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008010843A2 (en) * 2005-12-09 2008-01-24 The Regents Of The University Of California Assessing the toxic potential of nanomaterials
KR20100083987A (en) * 2009-01-15 2010-07-23 한국과학기술원 An apparatus and method for analyzing toxicity of nano-materials, and an apparatus and system for measuring effect of pharmaceutical nano-materials using the same
KR20110018798A (en) * 2009-08-18 2011-02-24 한양대학교 산학협력단 Microfluidic cell chip, cell image analyzing apparatus and method for quantitative analysis of cell using the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
최인홍(연세대학교) 등. 나노물질의 주요 표적장기에 대한 invitro 독성평가기술개발연구. 2007. 식품의약품안전청 시행 용역연구개발과제 보고서, 07142나노독764, 나노물질의 독성평가 기술개발. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101535918B1 (en) * 2011-05-11 2015-07-13 한양대학교 산학협력단 A Method for the Toxicity Assessments of Nano-Materials using Selective Plane Illumination Microcopy
WO2016003079A1 (en) * 2014-07-01 2016-01-07 한국화학연구원 Lung model device for inhalation toxicity testing
WO2016003080A1 (en) * 2014-07-01 2016-01-07 한국화학연구원 Real-time inhalation toxicity testing device using lung model
US10338059B2 (en) 2014-07-01 2019-07-02 Korea Research Institute Of Chemical Technology Lung model device for inhalation toxicity testing

Also Published As

Publication number Publication date
KR101616589B1 (en) 2016-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9074980B2 (en) Method for the toxicity assessments of nano-materials
Ember et al. Raman spectroscopy and regenerative medicine: a review
Kast et al. Emerging technology: applications of Raman spectroscopy for prostate cancer
Sivandzade et al. Analysis of the mitochondrial membrane potential using the cationic JC-1 dye as a sensitive fluorescent probe
Sirenko et al. High-content assays for characterizing the viability and morphology of 3D cancer spheroid cultures
Kuimova et al. Chemical imaging of live cancer cells in the natural aqueous environment
Tuchin Advanced optical flow cytometry: methods and disease diagnoses
EP2558870B1 (en) System and method for rapid determination of a medical condition
JP2013068631A (en) Method and apparatus for analyzing individual cells or particulates using fluorescent quenching and/or fluorescent bleaching
Owen et al. Progress in Raman spectroscopy in the fields of tissue engineering, diagnostics and toxicological testing
CN102007369A (en) 3d imaging of live cells with ultraviolet radiation
Semenov et al. The oxidation-induced autofluorescence hypothesis: red edge excitation and implications for metabolic imaging
CN103443625B (en) The internal focus reference beads of imaging cells instrument
Managò et al. Raman microscopy based sensing of leukemia cells: A review
US20160178618A1 (en) 3d tissue model for spatially correlated analysis of biochemical, physiological and metabolic micro-environments
KR20120102180A (en) An in-vitro method for the toxicity assessments of nano-materials
Nivetha et al. Development of thin skin mimicking bilayer solid tissue phantoms for optical spectroscopic studies
Seyedi et al. Fluorescence emission quenching of RdB fluorophores in attendance of various blood type RBCs based on Stern-Volmer formalism
Nowakowska et al. Reliable cell preparation protocol for Raman imaging to effectively differentiate normal leukocytes and leukemic blasts
KR101272884B1 (en) Method for quantitative analysis of cell-death process using absorption-based image cytometry
Coman et al. Raman mapping: Emerging applications
Cong et al. Plasmon-enhanced four-wave mixing imaging for microdroplet-based single-cell analysis
KR101469703B1 (en) A Method for the Toxicity Assessments of Nano-Materials Using Flow Cytometry
KR101535918B1 (en) A Method for the Toxicity Assessments of Nano-Materials using Selective Plane Illumination Microcopy
CN106092989B (en) A method of heparin is quantified by counting quantum dot reunion ratio

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190415

Year of fee payment: 4