KR20130027957A

KR20130027957A - 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치

Info

Publication number: KR20130027957A
Application number: KR1020110091504A
Authority: KR
Inventors: 강치중; 이남주; 송가람
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-18

Abstract

두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치에 관한 발명이다. 상기 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치는, 장치 본체 상기 장치 본체의 일측에 마련되고 천공 대상 세포가 놓이는 스테이지 서로 이격되고 상기 스테이지의 주변에 배치되며, 그 사이에 걸리는 전기장에 의해 상기 세포를 천공시키는 제1 및 제2 탐침 상기 제1 및 제2 탐침에 각각 연결되어 상기 제1 및 제2 탐침 간의 상대 거리를 조절하는 제1 및 제2 거리조절부 및 상기 제1 및 제2 탐침에 각각 연결되어 상기 제1 및 제2 탐침으로 직류 전압을 공급하여 상기 제1 및 제2 탐침 사이에 상기 전기장이 형성되도록 하는 전압 공급기를 포함한다.

Description

두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치{LOCALIZED ELECTROPORATION APPARATUS USING ELECTRICAL FIELD BETWEEN TWO PROBES}

본 발명은, 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 두 탐침 간 전기장을 이용하여 전기천공 작업을 진행함으로써 두 탐침 간 일정한 거리를 유지시키면서 그에 대응되는 전기장을 걸어줄 수 있어 세포에 대한 전기천공의 효율을 향상시킬 수 있는, 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치에 관한 것이다.

전기천공법(localized electroporation)은 전기적인 충격을 이용하여 일시적으로 세포막에 구멍을 만들어 DNA나 단백질과 같은 유전 물질을 세포 내로 주입하는 기술이다.

다시 말해, 전기천공법은 세포막을 투과하지 못하는 유전자 조합, 단백질 등 상대적으로 큰 물질을 전기 펄스를 이용하여 세포막 천공을 통해 세포 내로 도입되게 하는 유전자도입법이다.

기존의 큐벳방법은 다른 유전자도입법에 비해 효율이 높지만 수 킬로볼트(kV) 펄스에 의한 전극 주변 세포의 손상과 불균일한 전기장에 의해 무작위로 이루어지는 유전자도입이라는 단점을 가지고 있다.

특히, 세포가 액상 부유 상태에서 작업이 이루어지므로 이후 배지에 옮겨 세포 배양을 해야 하는 단점이 있다. 또한 전극 크기 등 특성 상 개별 세포에 적용할 수 없다.

이에 비해 탐침을 이용한 전기천공법은 배양 조건에서 직접 사용할 수 있고 탐침을 세포에 수 마이크로미터 이내로 근접시킬 수 있어 수 볼트(V) 정도의 낮은 전압을 적용할 수 있다. 따라서 기존의 방법을 이용한 경우 발생할 수 있는 세포막의 손상을 막을 수 있다.

그러나 수 볼트(V) 정도의 낮은 저전압 펄스를 가해 전기장을 만들 경우, 세포 위 탐침을 일정 높이로 유지시키면서 일정한 전기장을 걸어주는 것이 쉽지 않다.

이처럼 세포와 탐침 사이의 거리를 일정하게 유지하기가 쉽지 않아 일정한 전기장을 만들기가 어렵기 때문에 재현성에 문제가 있으므로 이에 대한 대안이 요구된다.

Localized electroporation and molecular delivery into single living cells by atomic force microscopy, D. Nawarathna et. al. Appl. Phys. Lett. 93, 153111 (2008) Baker's yeast transformation studies by atomic force microscopy, A. Suchodolskis et. al. Advan. Sci. Lett. 4, 171 (2011) Effective delivery of DNA into tumor cells and tissues by electroporation of polymerDNA complex, Jeong-Hun Kang et. al. Cancer 265, 281 (2008)

본 발명의 목적은, 두 탐침 간 전기장을 이용하여 전기천공 작업을 진행함으로써 두 탐침 간 일정한 거리를 유지시키면서 그에 대응되는 전기장을 걸어줄 수 있어 세포에 대한 전기천공의 효율을 향상시킬 수 있으며, 특히 종래보다 재현성이 향상될 수 있는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 장치 본체; 상기 장치 본체의 일측에 마련되고 천공 대상 세포가 놓이는 스테이지 서로 이격되고 상기 스테이지의 주변에 배치되며, 그 사이에 걸리는 전기장에 의해 상기 세포를 천공시키는 제1 및 제2 탐침; 상기 제1 및 제2 탐침에 각각 연결되어 상기 제1 및 제2 탐침 간의 상대 거리를 조절하는 제1 및 제2 거리조절부; 및 상기 제1 및 제2 탐침에 각각 연결되어 상기 제1 및 제2 탐침으로 직류 전압을 공급하여 상기 제1 및 제2 탐침 사이에 상기 전기장이 형성되도록 하는 전압 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치에 의해 달성된다.

상기 제1 및 제2 탐침은 수평 방향을 따라 상호 이격 배치될 수 있다.

상기 제1 및 제2 거리조절부는 나사 조절 방식에 의해 상기 제1 및 제2 탐침의 수평 방향 이동 거리를 미세조절하는 제1 및 제2 미세조절부일 수 있다.

상기 제1 및 제2 탐침에 연결되어 상기 제1 및 제2 탐침을 상기 장치 본체에 고정시키는 제1 및 제2 탐침 고정부를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 탐침 모두는 단부팁을 제외한 외표면에 절연막 코팅층이 형성될 수 있다.

상기 스테이지의 상부에 배치되어 상기 제1 및 제2 탐침 간의 거리를 확인하는 광학현미경을 더 포함할 수 있다.

상기 전기천공장치는 광학적 프로브 스테이션일 수 있다.

본 발명에 따르면, 두 탐침 간 전기장을 이용하여 전기천공 작업을 진행함으로써 두 탐침 간 일정한 거리를 유지시키면서 그에 대응되는 전기장을 걸어줄 수 있어 세포에 대한 전기천공 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 제1 및 제2 탐침을 절연시키는 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 제1 및 제2 탐침에 대한 절연 구조도이다.
도 4는 전기천공법을 통해 형광 DNA를 살아있는 세포 속에 넣은 후 광학현미경으로 관찰한 것으로서, (a)는 위상 이미지, (b)는 형광 이미지, 그리고 (c)는 같은 위치의 (a)와 (b)를 겹쳐놓은 이미지이다.
도 5는 기존 접촉식 프로브 스테이션에 본 발명의 일 실시예에 따른 두 탐침을 적용하고 두 탐침 사이에 전극을 걸어 전기장을 만드는 개요도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치의 개략적인 구성도, 도 2는 제1 및 제2 탐침을 절연시키는 과정을 도시한 도면, 도 3은 제1 및 제2 탐침에 대한 절연 구조도, 그리고 도 4는 전기천공법을 통해 형광 DNA를 살아있는 세포 속에 넣은 후 광학현미경으로 관찰한 것으로서, (a)는 위상 이미지, (b)는 형광 이미지, 그리고 (c)는 같은 위치의 (a)와 (b)를 겹쳐놓은 이미지이다.

이들 도면을 참조하되 주로 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치는, 장치 본체(1), 스테이지(10), 제1 및 제2 탐침(21,22), 제1 및 제2 거리조절부(31,32), 전압 공급기(40), 그리고 광학현미경(50)을 포함할 수 있다.

이러한 전기천공장치는 별도의 장치로 제작될 수도 있지만, 본 실시예에서는 광학적 프로브 스테이션으로 적용하고 있다. 즉 광학적 프로브 스테이션에 제1 탐침(21)과 제2 탐침(22)을 마련함으로써 세포에 대한 전기천공 작업을 진행하도록 하고 있는 것이다.

하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니므로 본 실시예의 전기천공장치가 반드시 광학적 프로브 스테이션일 필요는 없다.

장치 본체(1)는 장치의 외관을 이룬다. 도 1은 개념적인 도면이므로 전압 공급기(40)가 장치 본체(1)의 외측에 배치된 것처럼 도시되었지만 장치 본체(1)의 내부에 전압 공급기(40)가 마련될 수도 있다.

스테이지(10)는 천공 대상 세포가 놓이는 장소로서, 정반 형태로 제작될 수 있다.

제1 및 제2 탐침(21,22)은 스테이지(10)의 주변에 위치하되 서로 이격 배치되며, 그 사이에 걸리는 전기장에 의해 세포가 천공되도록 한다.

이때, 스테이지(10)의 바닥과 탐침(21,22)들 간의 상하 간의 전기장이 아닌 X축으로 수평하게 전기장이 걸리도록 제1 및 제2 탐침(21,22)은 수평 방향을 따라 상호 이격 배치된다. 따라서 세포, 특히 단위세포에 대한 전기천공을 쉽고 빠르게 진행할 수 있다. 또 제1 및 제2 탐침(21,22) 간의 수평 방향 이격 거리를 미리 조절해 놓은 후에 고정시키게 되면, 그 사이에 배치되는 세포에 대한 전기천공의 재현성이 매우 높아질 수 있다.

제1 및 제2 탐침(21,22)은 모두 동일한 구조를 갖는다. 이러한 제1 및 제2 탐침(21,22) 모두는 그 단부팁(21a,22a)을 제외한 외표면에 절연막 코팅층(C)이 형성된다.

즉 도 2처럼 액체 절연 코팅제(C1)가 담긴 용기(V) 내에 제1 및 제2 탐침(21,22)을 침지시킨 다음, 그 단부팁(21a,22a)이 상부를 향하도록 세워놓으면 도 3처럼 단부팁(21a,22a)을 제외한 외표면에 절연막 코팅층(C)이 형성될 수 있다.

참고로, 기존의 주사 탐침 형식은 탐침에 절연층을 코팅하고 그 끝을 깎는 데에 많은 시간과 어려움이 있으나 본 실시예의 경우, 전술한 바와 같이, 액체 절연 코팅제(C1)로 쉽게 절연막 코팅층(C)을 만들어 낼 수 있다.

제1 및 제2 거리조절부(31,32)는, 제1 및 제2 탐침(21,22)에 각각 연결되어 제1 및 제2 탐침(21,22) 간의 상대 거리를 조절하는 역할을 한다.

도 1에는 제1 및 제2 거리조절부(31,32)가 극히 개략적으로 도시되어 있지만 제1 및 제2 거리조절부(31,32)는 예컨대, 리니어 모터나 혹은 실린더 등일 수도 있다.

하지만, 본 실시예의 경우, 제1 및 제2 거리조절부(31,32)를 나사 조절 방식에 의해 제1 및 제2 탐침(21,22)의 수평 방향 이동 거리를 미세 조절하는 제1 및 제2 미세조절부(31,32)로 적용하고 있다. 제1 및 제2 미세조절부(31,32)는 예컨대, 볼트와 너트의 조합처럼 너트를 제자리에서 돌릴 경우, 볼트가 직진하는 등의 방법으로 적용될 수 있다.

제1 및 제2 미세조절부(31,32)에 의해 제1 및 제2 탐침(21,22) 간의 수평 이격 거리가 조절된 후에는 제1 및 제2 탐침(21,22)의 위치를 고정시킬 필요가 있다. 이를 위해, 제1 및 제2 탐침(21,22)에는 제1 및 제2 탐침(21,22)을 장치 본체(1)에 고정시키는 제1 및 제2 탐침 고정부(61,62)가 마련될 수 있다.

전압 공급기(40)는 제1 및 제2 탐침(21,22)에 각각 연결되어 제1 및 제2 탐침(21,22)으로 직류 전압을 공급하여 제1 및 제2 탐침(21,22) 사이에 전기장이 형성되도록 한다. 앞서 기술한 것처럼 전압 공급기(40)는 장치 본체(1)의 내부에 일체로 마련될 수도 있다.

마지막으로, 광학현미경(50)은 스테이지(10)의 상부에 배치되어 제1 및 제2 탐침(21,22) 간의 거리를 확인하는 역할을 한다. 작업자는 광학현미경(50)을 보면서 제1 및 제2 미세조절부(31,32)를 통해 제1 및 제2 탐침(21,22) 간의 수평 이격 거리를 조절할 수 있다.

다시 말해, 제1 및 제2 탐침(21,22) 간의 수평 이격 거리를 광학현미경(50)으로 실시간 확인하면서 제1 및 제2 미세조절부(31,32)를 동작시킴으로써 전기천공에 가장 알맞은 제1 및 제2 탐침(21,22) 간 이격 거리를 찾아낼 수 있으며, 이를 통해 세포와 전기장과의 거리에 따른 전기천공법의 적절한 조건을 획득할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 전기천공장치의 사용 방법에 대한 실시예를 설명한다.

우선, 스테이지(10) 상에 배양된 세포를 올려두고 광학현미경(50)을 보면서 제1 및 제2 미세조절부(31,32)를 통해 제1 및 제2 탐침(21,22) 간의 수평 이격 거리를 조절한다. 즉 제1 및 제2 탐침(21,22)이 각각 세포의 양단에 위치하도록 조절한다.

그런 다음, 전압 공급기(40)를 통해 제1 및 제2 탐침(21,22)으로 직류 전압을 공급한다. 그러면 제1 및 제2 탐침(21,22) 사이에 전기장이 형성되며, 이러한 전기장으로 인해 세포에 전기천공이 형성될 수 있게 된다.

이후, 도 4처럼 형광 DNA를 살아있는 세포 속에 넣은 후 광학현미경(50)으로 관찰한 것으로서, (a)는 위상 이미지, (b)는 형광 이미지, 그리고 (c)는 같은 위치의 (a)와 (b)를 겹쳐놓은 이미지로 나타날 수 있다.

한편, 기존의 주사 탐침 방식은 탐침(미도시)의 위치 조절의 어려움과 측정 후 탐침의 위치를 이동시켜야하는 번거로움이 있으나 본 실시예처럼 프로브 스테이션 형식의 전기천공장치는 제1 및 제2 탐침(21,22) 간 이격 거리를 나사 조절 방식의 제1 및 제2 미세조절부(31,32)를 이용하여 쉽게 조절할 수 있기 때문에 제1 및 제2 탐침(21,22) 사이에 걸리는 전기장을 쉽게 조절할 수 있다. 따라서 전기천공 작업이 용이하다.

특히, 한 번 거리 설정된 제1 및 제2 탐침(21,22)은 제1 및 제2 탐침 고정부(61,62)에 의해 장치 본체(1)에 위치 고정될 수 있기 때문에, 탐침(21,22)들의 재조정 없이 세포의 위치이동을 이용하여 광학현미경(50)을 통해 실시간으로 위치를 확인하면서 보다 쉽게 전기천공을 진행할 수 있다. 즉 세포를 위치 이동시키면서 전기천공을 진행할 수 있기 때문에 효율과 신뢰성이 향상될 수 있다.

특히, 탐침(21,22)들의 위치 이동에 따른 일정한 전기장을 만드는 거리 재조정 시간을 단축할 수 있어 빠른 시간 내에 전기천공을 진행할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 두 탐침(21,22) 사이의 전기장을 이용하여 전기천공 작업을 진행함으로써 두 탐침(21,22) 사이의 일정한 거리를 유지시키면서 그에 대응되는 전기장을 걸어줄 수 있어 세포에 대한 전기천공의 효율을 향상시킬 수 있으며, 특히 종래보다 재현성이 향상될 수 있게 된다.

뿐만 아니라 본 발명에 따르면, 두 탐침(21,22) 사이 거리를 조절하여 일정한 전기장을 생성할 수 있으며, 또한 국소적인 영역에만 전기천공법을 수행 할 수 있어 좋은 효율성과 신속성을 얻을 수 있다.

또한 세포의 높은 생존 능력을 동시에 얻을 수 있을 뿐만 아니라 그 적용 범위가 제한적이던 것에 반해 어떤 유형의 세포를 막론하고 그 응용의 폭이 넓다는 장점을 가지고 널리 사용될 수 있다.

한편, 도 5는 기존 접촉식 프로브 스테이션에 본 발명의 일 실시예에 따른 두 탐침을 적용하고 두 탐침 사이에 전극을 걸어 전기장을 만드는 개요도이다.

도 5와 같이, 전술한 제1 및 제2 탐침(21,22)을 사용하는 경우, 기존의 접촉식 프로브 스테이션을 사용하더라도 관계는 없다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1: 장치 본체
10: 스테이지
21,22: 제1 및 제2 탐침
31,32: 제1 및 제2 거리조절부
40: 전압 공급기
50: 광학현미경
61,62: 제1 및 제2 탐침 고정부

Claims

장치 본체;
상기 장치 본체의 일측에 마련되고 천공 대상 세포가 놓이는 스테이지;
서로 이격되고 상기 스테이지의 주변에 배치되며, 그 사이에 걸리는 전기장에 의해 상기 세포를 천공시키는 제1 및 제2 탐침;
상기 제1 및 제2 탐침에 각각 연결되어 상기 제1 및 제2 탐침 간의 상대 거리를 조절하는 제1 및 제2 거리조절부; 및
상기 제1 및 제2 탐침에 각각 연결되어 상기 제1 및 제2 탐침으로 직류 전압을 공급하여 상기 제1 및 제2 탐침 사이에 상기 전기장이 형성되도록 하는 전압 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 탐침은 수평 방향을 따라 상호 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 거리조절부는 나사 조절 방식에 의해 상기 제1 및 제2 탐침의 수평 방향 이동 거리를 미세조절하는 제1 및 제2 미세조절부인 것을 특징으로 하는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 탐침에 연결되어 상기 제1 및 제2 탐침을 상기 장치 본체에 고정시키는 제1 및 제2 탐침 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 탐침 모두는 단부팁을 제외한 외표면에 절연막 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치.
제1항에 있어서,
상기 스테이지의 상부에 배치되어 상기 제1 및 제2 탐침 간의 거리를 확인하는 광학현미경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치.
제1항에 있어서,
상기 전기천공장치는 광학적 프로브 스테이션인 것을 특징으로 하는 두 탐침 간 전기장을 이용한 전기천공장치.