KR20130037470A

KR20130037470A - 초소형 세포 융합장치

Info

Publication number: KR20130037470A
Application number: KR1020110101884A
Authority: KR
Inventors: 주상우; 스즈첸; 닝후
Original assignee: 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-04-16
Also published as: US20130089931A1

Abstract

본 발명은 제1세포와 제2세포 중 작은 크기의 세포 직경보다 작은 직경의 홀이 복수개 형성된 멤브레인; 상기 멤브레인을 사이에 두고 위치하는 제1세포가 위치하는 제1챔버와 제2세포가 위치하는 제2챔버; 상기 제1챔버에 결합되는 제1전극; 상기 제2챔버에 결합되는 제2전극; 및 상기 제1전극과 제2전극에 전압을 인가하는 전원부를 포함하는 초소형 세포 융합장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 멤브레인을 사이에 두고 제1세포와 제2세포가 제1전극과 제2전극 사이에 1:1로 배열될 수 있어, 전기적 신호가 차례로 가해졌을 때 형질이 다른 두 세포의 융합이 1:1로 원활하게 이루어 질 수 있다.

Description

초소형 세포 융합장치 {Microdevice for Fusing Cells}

본 발명은 원하는 융합세포를 높은 효율로 제조할 수 있는 전기세포융합용 초소형 세포 융합장치에 관한 것이다.

세포융합(cell fusion)이란 두개의 다른 종류의 세포를 인공적으로 융합시켜 잡종세포를 만드는 방법으로 그 결과 잡종세포는 1개 세포 내에 2개의 핵을 갖게 된다. 세포융합의 방법으로는 화학약품의 처리와 전기적 충격의 처리가 있는데, 이 중 전기적 충격으로 세포막을 파괴하여 두 가지 종류의 세포를 결합시키는 것을 전기세포융합(electrofusion)이라 한다.

전기세포융합에는 이하의 주요 네 단계가 관여한다. 유전이동에 기초한 세포 배열; 가역적인 전기천공; 세포막 재생성 및 핵 융합이 그것이다. 일반적으로, 유전이동에 기초한 세포 배열은 유전체전기영동 (dielectrophoretic, DEP) 힘을 세포에 가하기 위해 사인곡선적인 교류 전류(AC) 전기장(강도: 100-300 V/cm, 1-3 MHz) 을 필요로 한다. 또한, 높은 강도의 전기 펄스 신호(강도 : 1-10 kV/cm, 펄스 폭 : 10-50 ms)가 가역적인 전기천공과정에서 요구된다.

종래 전기세포융합에 있어서, 판형 전극이 일반적으로 사용되어 왔다. 일반적으로 양 판형 전극의 거리는 1cm 이상이었고, 그 결과, 높은 강도의 전기 펄스를 얻기 위해 비싼 발전기의 사용이 요구되었다. 또한, 판형 전극 사이에 전기장이 단일하게 형성되며, 따라서 배열된 세포의 가역적 전기천공 및 전기세포융합의 확률은 동일하게 나타났다. 그러므로, 종래 사용되는 전기세포융합 장치에서 원치 않은 전기세포융합이 이루어질 가능성이 상대적으로 높게 나타났다.

세포간 융합 정확성, 융합 효율성 및 다기능 통합 및 자동화 정도를 높이기 위해서 미세 전자 기계 시스템(MEMS, micro electromechanical systems) 및 미세유체공학이 전기세포융합을 위한 미세칩을 개발하는데 사용되어 왔다. 미세칩에 존재하는 미세구조는 세포와 유사한 스케일(5 내지 50 ㎛)을 갖는 바, 보다 미세한 세포 조작에 있어서 유용하며, 미세전극간의 짧은 거리로 인해 낮은 전압으로도 세포융합에 필요한 높은 전기장을 얻기에 충분하여 전원공급에 필요한 어려움과 높은 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

그러나 종래 사용되는 미세 구조체는 제조하기가 힘들고, 마이크로채널이 막히거나, 융합된 세포 획득에 어려움이 존재하였으며, 낮은 융합 활성을 보였다. 이러한 미세유체장치는 일반적인 세포 융합 효율이 40%로 나타났으며, 이는 일반적인 화학적 융합 방법(PEG 사용, 5% 미만) 및 일반적인 전기세포융합 방법(12% 이하) 보다 우수하지만, 원하는 세포-세포 융합체가 형성될 확률은 42 내지 68%에 불과하였다. 따라서, 총 세포의 융합 효율은 40% Ⅹ 42-68%인 66 내지 30%에 불과하였다. 즉 A세포와 B세포가 융합할 때, 원하는 AB 융합세포가 아니라 AA, ABB, ABB 및 BB와 같은 원치않는 세포 융합 산물이 지나치게 많이 생성되는 단점이 있었다.

그러므로, 보다 높은 효율로 원하는 세포를 융합할 수 있는 미세 구조체에 대한 개발이 필요한 실정이다.

따라서 본 발명은 융합되기 위한 세포가 1:1로 대응되어 효과적인 세포융합이 이루어질 수 있도록 하는 세포 융합장치를 제공한다.

상기 과제의 해결을 위해, 본 발명은 제1세포와 제2세포 중 작은 크기의 세포 직경보다 작은 직경의 홀이 복수개 형성된 멤브레인; 상기 멤브레인을 사이에 두고 위치하는 제1세포가 위치하는 제1챔버와 제2세포가 위치하는 제2챔버; 상기 제1챔버에 결합되는 제1전극; 상기 제2챔버에 결합되는 제2전극; 및 상기 제1전극과 제2전극에 전압을 인가하는 전원부를 포함하는 초소형 세포 융합장치를 제공한다.

또한 본 발명은 초소형 세포 융합장치를 제공하는 단계; 제1챔버에 제1세포를 주입하고, 제2챔버에 제2세포를 주입하는 단계; 제1세포 및 제2세포가 양의 유전체전기영동현상에 의해 멤브레인의 홀을 사이에 두고 위치하도록 제1전극과 제2전극 사이에 교류전압을 인가하는 단계; 제1전극과 제2전극 사이에 직류 펄스를 인가하여 전기천공을 수행하는 단계; 천공된 두 세포가 양의 유전체전기영동현상에 의해 서로 인접하게 위치하여 세포 융합이 이루어지도록 제1전극과 제2전극 사이에 교류전압을 인가하는 단계; 및 얻어진 융합 세포를 수득하는 단계를 포함하는 세포 융합방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 멤브레인을 사이에 두고 제1세포와 제2세포가 제1전극과 제2전극 사이에 1:1로 배열될 수 있어, 전기적 충격이 가해졌을 때 형질이 다른 두 세포의 융합이 1:1로 원활하게 이루어 질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 초소형 세포 융합장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 초소형 세포 융합장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 멤브레인(40)의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 챔버(10, 20)의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 상부 덮개(30)의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 초소형 세포 융합장치의 작동 단계에 따른 내부 단면의 모식도이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 이해를 돕기 위해, 이하, 도면을 예로 들어 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 초소형 세포 융합장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 초소형 세포 융합장치의 분해 사시도이다. 도시의 편리를 위해, 제1전극과 제2전극에 연결된 전원부의 도시는 생략하였지만 이는 당업자에 의해 자명하게 연상할 수 있는 사항에 해당한다.

본 발명은 제1세포와 제2세포 중 작은 크기의 세포 직경보다 작은 직경의 홀(41)이 복수개 형성된 멤브레인(40); 상기 멤브레인을 사이에 두고 위치하는 제1세포가 위치하는 제1챔버(10)와 제2세포가 위치하는 제2챔버(20); 상기 제1챔버(10)에 결합되는 제1전극(11); 상기 제2챔버(20)에 결합되는 제2전극(21); 및 상기 제1전극과 제2전극에 전압을 인가하는 전원부를 포함하는 초소형 세포 융합장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 멤브레인(40)은 다수의 홀(41)을 구비하고 있으며, 제1챔버(10)와 제2챔버(20)를 구분하는 역할을 수행한다. 제1챔버와 제2챔버는 멤브레인에 의해 각각 독립된 공간을 갖도록 분할될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 멤브레인(40)의 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에서, 멤브레인에 구비된 다수의 홀(41)은 격자형으로 배열될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 홀의 직경은 양 챔버에 각각에 존재하는 제1세포 및 제2세포의 직경에 의존한다. 홀의 직경은 제1챔버 및 제2챔버에 각각 존재하는 제1세포 및 제2세포의 자유로운 이동을 방지하기 위해 제1세포와 제2세포 중 작은 크기의 세포 직경보다 작게 형성되어야 하며, 보다 구체적으로, 홀의 직경은 제1세포와 제2세포 중 작은 크기의 세포 직경보다 1 내지 15 ㎛ 작을 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 멤브레인(40)의 두께는 3 내지 5㎛일 수 있으며, 상기 멤브레인(40)을 구성하는 물질로는 생체 적합성이 있고, 비산화성, 비부식성을 가지며 전기 비저항 물질을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 Durimide와 같은 가공하기 쉬운 감광성 물질 등을 사용하여 포토리소그래피 공정으로 제조될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에서, 포토리소그래피 공정은 실리콘 웨이퍼를 세척하여 기판으로 준비하는 단계; 실리콘 웨이퍼 상에 100 내지 200nm 두께의 알루미늄 박막을 sacrifice film으로 배치하는 단계; 5 내지 7 ㎛의 Durimide film을 알루미늄 필름 상에 적층시키는 단계; 포토리소그래피 공정을 통해 Durimide film에 복수의 홀(41)을 형성하는 단계; 상기 적층된 웨이퍼를 300 내지 400℃ 에서 30 내지 60분 처리하여 3 내지 5㎛ 두께의 멤브레인(40)을 얻는 단계; 및 저농도의 염산 용액에서 알루미늄 박막(sacrifice film)을 부식시켜 복수의 홀(41)이 형성된 멤브레인(40)을 획득하는 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 이외에도 다양한 방법으로 상기 멤브레인(40)을 제조할 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.

본 발명의 일실시예에서, 제1챔버 및 제2챔버를 구성하는 물질로는 생체 적합성이 있고, 비산화성, 비부식성을 가지며 전기 비저항 물질을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 PMMA(Polymethylmethacrylate) 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제1챔버 또는 제2챔버 구조의 사시도이다. 챔버의 한 면을 막고 있는 멤브레인(40)의 구조는 생략하였다.

챔버 내부에 형성되는 공간의 단면적(깊이 Ⅹ 너비)는 멤브레인에 존재하는 홀이 분포된 면적보다 넓게 형성되어야 하며, 보다 구체적으로 깊이는 80 내지 200㎛ 또는 80 내지 150㎛ 로 형성될 수 있다.

상기 제1챔버에는 제1전극이 결합되고, 상기 제2챔버에는 제2전극이 결합되는데, 이 때 제1전극과 제2전극은 제1챔버와 제2챔버를 나누고 있는 멤브레인과 평행하게 배치될 수 있다. 도 4를 참조하면, 챔버의 멤브레인과 접하는 면에 대향하는 타측면에 전극이 삽입되어 고정설치되는 끼임결합부(12, 22)가 형성되어 전극(11, 21)이 이에 끼움 고정될 수 있다.

제1전극(11) 및 제2전극(21)은 판형으로 형성될 수 있으며, 생체 적합성이 있고, 비산화성, 비부식성을 가지며 전기전도성이 있는 물질을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 금, 백금, 또는 티타늄을 예로 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 초소형 세포 융합장치에는 상기 제1챔버와 제2챔버의 상측으로 결합되는 상부덮개(30)가 추가로 포함될 수 있다.

도 5본 발명의 일실시예에 따른 상부덮개(30)의 사시도이다.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 상부덮개는 제1챔버 내부로 시료를 주입하기 위한 제1유입구(33)와 제2챔버 내부로 시료를 주입하기 위한 제2유입구(34)를 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 구체예에서, 상기 상부덮개는 제1전극 삽입홀(31)과 제2전극 삽입홀(32)을 형성하고, 제1전극(11)과 제2전극(21)은 각각의 삽입홀을 통해 장치 외부로 노출되어 상기 전원부로부터 소정의 전압을 인가받을 수 있다.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 제1전극 삽입홀(31)과 제2전극 삽입홀(32)은 제1유입구(33) 및 제2유입구(34)보다 외측에 형성되어 제1전극과 제2전극 사이에 유입된 제1세포 및 제2세포가 보다 용이하게 존재하도록 할 수 있다. 각각의 유입구의 직경은 이에 제한되는 것은 아니나, 1 내지 5 mm 또는 1 내지 3mm 로 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 상부덮개(30)의 두께는 2 내지 5mm일 수 있으며, 상기 상부덮개(30)를 구성하는 물질로는 생체 적합성이 있고, 비산화성, 비부식성을 가지며 전기 비저항 물질을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 PMMA(Polymethylmethacrylate) 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 언급한 멤브레인(40); 제1챔버(10), 제2챔버(20) 및 상부덮개(30)에는 상호 대응하는 동일한 위치에 홀이 형성되어 향후 볼트 등이 이에 끼움 고정되어 각 구조체가 조립된 본 발명의 초소형 세포 융합장치를 형성할 수 있다. 상기 홀은 각 구조체의 네 모서리에 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명은 또한 초소형 세포 융합장치를 제공하는 단계; 제1챔버에 제1세포를 주입하고, 제2챔버에 제2세포를 주입하는 단계; 제1세포 및 제2세포가 양의 유전체전기영동현상에 의해 멤브레인의 홀을 사이에 두고 위치하도록 제1전극과 제2전극 사이에 교류전압을 인가하는 단계; 제1전극과 제2전극 사이에 직류 펄스를 인가하여 전기천공을 수행하는 단계; 천공된 두 세포가 양의 유전체전기영동현상에 의해 서로 인접하게 위치하여 세포 융합이 이루어지도록 제1전극과 제2전극 사이에 준-감쇠 교류전압을 인가하는 단계; 및 얻어진 융합 세포를 수득하는 단계를 포함하는 세포 융합방법을 제공한다.

도 6은 본 발명의 초소형 세포 융합장치의 작동 단계에 따른 내부 단면의 모식도이다. 이하 각 단계를 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 상기 초소형 세포 융합장치의 제1챔버에 제1세포가 주입되고, 제2챔버에 제2세포가 주입되면, 도 6의 a와 같이 각 세포는 멤브레인을 통과하지 못하고 각 챔버에 분리되어 존재하게 된다.

이후, 주입된 제1세포와 제2세포가 양의 유전제전기영동현상에 의해 멤브레인의 홀을 사이에 두고 위치하도록, 제1전극과 제2전극사이에 교류전압 (진폭: 2-20V, 주파수: 0.2-3MHz)을 인가한다. 멤브레인의 홀의 직경이 제1세포와 제2세포 중 크기가 작은 크기의 세포 직경보다 작게 형성되어 있고, 이러한 미세 포어(micro-pore)에 전기장이 가장 강하게 형성되는 바, 이에 따라 도 6의 b와 같이 제1세포와 제2세포는 양성 유전체전기영동에 의해 멤브레인의 홀을 통과하지 못하고 서로 인접하게 배열된다. 그 후, 제1전극과 제2전극사이에 직류전압을 펄스(파) 형태로 인가 (진폭: 6-50V, 지속시간: 10-500ms, 펄스간 간격: 0.1-10s, 펄스: 1-100)하여 인접하게 배열된 제1세포와 제2세포에 전기천공을 수행한다. 직류 펄스가 인가되면, 제1세포 및 제2세포는 가역적으로 전기천공된다(도 6의 c).

이후, 천공된 두 세포가 양의 유전체전기영동현상에 의해 서로 인접하게 위치하여 세포 융합이 이루어지도록 제1전극과 제2전극 사이에 준-감쇠 교류전압 (진폭: 1-10 V, 주파수: 0.2-3MHz, 감쇠율: -0-90%/분) 을 인가한다(도 6의 d 참조). 융합이 이루어지면서 멤브레인의 홀을 통과하게 되어 융합된 세포는 제1챔버 또는 제2챔버에 존재하게 된다.

마지막으로, 높은 유전율을 갖는 용액을 유입구를 통해 주입하고, 제1전극 및 제2전극 사이에 교류 전압 (진폭: 1-10V, 주파수: 0.2-3MHz) 을 인가하여 음의 유전영동을 통해 융합된 세포를 유출구를 통해 수득할 수 있다. 구체적으로 높은 유전율을 갖는 용액으로는 PBS 버퍼 용액이 사용될 수 있으며, 유출구를 통한 수득 방법으로는 시린지 펌프 또는 전기영동법을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

10: 제1챔버
11: 제1전극
12: 제1전극 끼임결합부
20: 제1챔버
21: 제2전극
22: 제2전극 끼임결합부
30: 상부덮개
31: 제1전극 삽입홀
32: 제2전극 삽입홀
33: 제1유입구
34: 제2유입구
40: 멤브레인
41: 홀

Claims

제1세포와 제2세포 중 작은 크기의 세포 직경보다 작은 직경의 홀이 복수개 형성된 멤브레인;
상기 멤브레인을 사이에 두고 위치하는 제1세포가 위치하는 제1챔버와 제2세포가 위치하는 제2챔버;
상기 제1챔버에 결합되는 제1전극;
상기 제2챔버에 결합되는 제2전극; 및
상기 제1전극과 제2전극에 전압을 인가하는 전원부를 포함하는 초소형 세포 융합장치.
제1항에 있어서,
상기 제1챔버와 제2챔버의 상측으로 결합되는 상부덮개를 추가로 포함하는 초소형 세포 융합장치.
제2항에 있어서,
상기 상부덮개는 제1챔버 내부로 시료를 주입하기 위한 제1유입구와 제2챔버 내부로 시료를 주입하기 위한 제2유입구를 형성하는 것인 초소형 세포 융합장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 상부덮개는 제1전극 삽입홀과 제2전극 삽입홀을 형성하고, 제1전극과 제2전극은 각각의 삽입홀을 통해 장치 외부로 노출되어 상기 전원부로부터 소정의 전압을 인가받는 것인 초소형 세포 융합장치.
제4항에 있어서,
상기 제1전극 삽입홀과 제2전극 삽입홀은 제1유입구 및 제2유입구보다 외측에 형성되는 것인 초소형 세포 융합장치.
제1항에 있어서,
상기 제1전극과 제2전극은 멤브레인과 평행하게 배치되는 것인 초소형 세포 융합장치.
제1항에 있어서,
상기 멤브레인의 두께는 3 내지 5㎛인 것인 초소형 세포 융합장치.
제1항에 있어서,
상기 멤브레인의 홀의 직경은 제1세포와 제2세포 중 작은 크기의 세포 직경보다 1 내지 15 ㎛ 작은 것인 초소형 세포 융합장치.
제1항의 초소형 세포 융합장치를 제공하는 단계;
제1챔버에 제1세포를 주입하고, 제2챔버에 제2세포를 주입하는 단계;
제1세포 및 제2세포가 양의 유전체전기영동현상에 의해 멤브레인의 홀을 사이에 두고 위치하도록 제1전극과 제2전극 사이에 교류전압을 인가하는 단계;
제1전극과 제2전극 사이에 직류 펄스를 인가하여 전기천공을 수행하는 단계;
천공된 두 세포가 양의 유전체전기영동현상에 의해 서로 인접하게 위치하여 세포 융합이 이루어지도록 제1전극과 제2전극 사이에 준-감쇠 교류전압을 인가하는 단계; 및
얻어진 융합 세포를 수득하는 단계를 포함하는 세포 융합방법.