KR20140105980A - Method for Analysing Glycan of Cell Surface - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for simply analyzing a sugar chain on the surface of a cell in high sensitivity only by fixing, on a substrate without additionally labelling or transforming, a live cell or a tissue cell and, more specifically, to a method for analyzing a sugar chain on the surface of a cell which is characterized by comprising the steps of: (A) fixing a cell on the surface of a substrate; (B) treating lectin binding with biotin to the cell fixed in the (A) step; (C) treating a quantum dot binding with a living particle specifically binding with the biotin on the surface after treating lectin; and (D) detecting phosphor of the quantum dot.

Description

세포 표면의 당사슬 분석 방법{Method for Analysing Glycan of Cell Surface}METHOD FOR ANALYZING Glycan of Cell Surface [0002]

본 발명은 세포 표면의 당사슬을 효과적으로 분석할 수 있는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for efficiently analyzing oligosaccharides on a cell surface.

탄수화물이나 당이 사슬 구조로 이어진 것을 글리칸(glycan) 또는 당사슬이라 한다. 당사슬을 구성하는 당의 종류로는 푸코오스(fucose), 시알산(sialic acid), 갈락토오스(galactose), 글루코오스(glucose), 만노오스 (mannose), N-아세틸글루코사민(N-acetylglucosamine, GlcNAc), N-아세틸갈락토사민(N-acetylgalactosamine, GalNAc) 등 다양한 당들이 알려져 있다. 당사슬을 단백질에 전위하는 글리코실화는 세포 내, 세포 간 신호전달 및 암의 전이에 중요한 역할을 담당한다. 실제로 암세포에서 세포증식, 부착, 분화, 침습, 혈관형성, 면역성과 같이 암세포의 활성에 직접적인 영향을 미치는 글리코실화의 비정상적인 변화가 관측된다. 따라서, 세포 표면의 당사슬의 변화는 암의 조기 진단이나 전이, 표적 치료의 중요한 바이오마커(biomarker)로 활용될 수 있다. The carbohydrate or sugar chain structure is called glycan or oligosaccharide. Examples of sugars constituting sugar chains include fucose, sialic acid, galactose, glucose, mannose, N-acetylglucosamine, GlcNAc, N- Various sugars are known, such as N-acetylgalactosamine (GalNAc). Glycosylation, which translocates sugar chains to proteins, plays an important role in intracellular, intercellular signaling and cancer metastasis. In fact, abnormal changes in glycosylation, which directly affect the activity of cancer cells such as cell proliferation, adhesion, differentiation, invasion, angiogenesis, and immunity, are observed in cancer cells. Therefore, the change in oligosaccharide on the cell surface can be utilized as an important biomarker for early diagnosis, metastasis, and target treatment of cancer.

이들의 생화학적 역할에 비추어, 세포 표면의 당사슬의 동정과 정성/정량분석은 이들에 의한 생체 내에서의 다양한 상호작용을 이해하는 데 핵심적인 요소가 된다. 종래 주로 알려진 당단백질 당사슬의 분석방법으로는 당단백질을 렉틴 친화형 컬럼으로 추출한 후 당단백질의 당 부분을 가수분해하여 생성된 산물을 HPLC법, FAC법(Frontal affinity chromatography), 모세관 전기영동-질량분석법(Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry), 표면 플라즈몬 공명 분광분석법(Surface Plasmon Resonance Spectroscopy) 등에 의해 측정하는 것이었다. 그러나 이러한 방법들은 전처리 과정이 복잡하고 시간이 많이 소요되며 많은 수의 세포를 필요로 한다는 단점이 있다.In view of their biochemical roles, the identification and qualitative / quantitative analysis of oligosaccharides on the cell surface is a key element in understanding the various interactions in vivo by these. As a conventional method for analyzing sugar chains of known glycoprotein, there is known a method in which a glycoprotein is extracted with a lectin-affinity column, and then hydrolysis of the sugar portion of the glycoprotein is carried out by HPLC, FAC (frontal affinity chromatography), capillary electrophoresis (Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry), Surface Plasmon Resonance Spectroscopy and the like. However, these methods have a disadvantage in that the preprocessing process is complicated, time consuming, and requires a large number of cells.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에 당사슬 및 렉틴을 이용하여 제작한 마이크로칩을 활용한 당사슬 분석법이 사용되고 있다. 당사슬 마이크로칩은 마이크로어레이된 당사슬과, 당사슬에 결합하는 단백질(glycan binding proteins, GBPs) 및 이 단백질에 특이적인 항체를 이용하여 당사슬을 분석하는 방법이다. 상기 분석방법은 마이크로어레이의 표면에 고정화하기 위하여 세포 표면의 당사슬을 분리하고 화학적으로 변형시키는 과정이 수반되어야만 하며, 인위적으로 합성한 당사슬은 세포 표면에서 발현되는 자연적인 당사슬을 포괄하기에는 충분하지 않다는 문제가 있다.In order to solve such a problem, an oligosaccharide analysis method using a microchip produced using oligosaccharide and lectin has recently been used. The oligosaccharide microchip is a method of analyzing oligosaccharides using microarrayed oligosaccharides, glycan binding proteins (GBPs) and antibodies specific thereto. The above assay method must be accompanied by a process of separating and chemically transforming the oligosaccharides on the cell surface in order to immobilize the oligosaccharide on the surface of the microarray, and the artificially synthesized oligosaccharide is not sufficient to cover the natural oligosaccharide expressed on the cell surface .

렉틴 마이크로어레이를 이용하면 세포 표면의 당단백질로부터 당사슬을 분리하지 않고도 복잡한 당사슬 구조를 빠르고 간단하게 분석할 수 있으며, 렉틴 단백질기반의 분석에 의하므로 질량분석 등의 방법으로는 불가능한 당 이성질체 간의 구분이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 검출을 위해서는 살아있는 세포에 형광 등의 표지를 하는 것이 필수적이라는 근본적인 문제와 함께, 고체표면에 고정화 된 렉틴에 대한 세포의 접근성이 제한되고, 마이크로어레이에서 렉틴의 균일한 패터닝이 어렵다는 문제를 해결하여야 한다. The use of lectin microarrays enables rapid and simple analysis of complex oligosaccharide structures without separating oligosaccharides from cell surface glycoproteins. The separation of sugar isomers, which is impossible by methods such as mass spectrometry, There is an advantage that it is possible. However, the fundamental problem that it is necessary to label the living cells with fluorescence or the like is necessary for detection, and the problem that the accessibility of the cells to the lectin immobilized on the solid surface is limited and the uniform patterning of the lectin in the microarray is difficult do.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 세포 표면의 당사슬을 분리하거나 표지하기 위하여 변형하지 않고도 당사슬을 효율적으로 분석할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide a method for efficiently analyzing oligosaccharides without modifying the oligosaccharide to separate or label the oligosaccharides on the cell surface.

더 나아가 본 발명은 살아있는 세포를 균일하게 패터닝한 마이크로어레이에 의해 저농도의 당사슬에 대해서도 효과적이고 재현성있는 고감도의 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a highly sensitive assay method which is effective and reproducible even at a low concentration of oligosaccharides by a microarray in which living cells are uniformly patterned.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (A) 기판의 표면에 세포를 고정화하는 단계; (B) (A)단계에서 고정화된 세포에 바이오틴이 결합된 렉틴을 처리하는 단계; (C) 렉틴의 처리 후 표면에 바이오틴과 특이결합하는 생체분자가 결합된 양자점을 처리하는 단계; 및 (D) 상기 양자점의 형광을 검출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 세포 표면의 당사슬 분석 방법에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: (A) immobilizing a cell on a surface of a substrate; (B) treating the immobilized cells with biotin-bound lectin in step (A); (C) treating a quantum dot to which a biomolecule that specifically binds biotin is bound to the surface after treatment of the lectin; And (D) detecting fluorescence of the quantum dot; The present invention relates to a method for analyzing an oligosaccharide on a cell surface.

상기 기판은 세포의 고정화가 용이하도록 유리 또는 실리카 재질이거나, 세포의 부착이 가능한 세포외기질(extracellular matrix, ECM) 단백질, 폴리-L-리신( poly-L-lysine) 또는 폴리알릴아민 염산염(polyallylamine hydrochloride)으로 표면이 개질된 것이 바람직하다.The substrate may be a glass or silica material or an extracellular matrix (ECM) protein capable of adhering cells, a poly-L-lysine or a polyallylamine hydrochloride to facilitate cell immobilization. hydrochloride).

분석하고자 하는 세포는 살아있는 세포로서 고정화할 수 있으나, 조직생검 절제로부터 얻은 조직 세포를 직접적으로 고정화하여 분석할 수도 있다. Cells to be analyzed can be immobilized as living cells, but tissue cells obtained from tissue biopsy resection can be directly immobilized and analyzed.

살아있는 세포를 고정화하는 경우에는 마이크로 스탬프로 기판 상에 소수성 고분자의 패턴을 형성한 본발명에 의한 미세패턴에 세포를 고정화한 마이크로어레이를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 통상의 96- 또는 384-웰플레이트는 시료의 사용량이 많고, 시료의 처리나 세척이 용이하지 않다는 여러 가지 단점에도 불구하고 널리 사용되어 왔다. 특히 Galanina 등은 당사슬-단백질의 상호작용을 검출하는데 있어 미세패턴은 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay) 비해 감도가 낮다(Lab Chip, 2003, 3, 260)고 보고한 바 있다.In the case of immobilizing living cells, it is more preferable to use a microarray in which cells are immobilized on a micropattern according to the present invention in which a hydrophobic polymer pattern is formed on a substrate with a microstamp. Conventional 96- or 384-well plates have been widely used despite the many disadvantages that the amount of sample used is large and the treatment or washing of the sample is not easy. In particular, Galanina et al. Reported that the sensitivity of micropatterns in detecting oligosaccharide-protein interactions is lower than that of enzyme-linked immunosorbent assays (Lab Chip, 2003, 3, 260).

그러나 본 발명에 의한 상기 미세패턴을 이용한 경우에는, 하기 실시 예에서도 확인할 수 있는 바와 같이 96-웰플레이트에 비해 미세패턴에서 현저하게 우수한 감도를 나타내었고, 고정화된 세포에 시료를 첨가하거나 세척하는 것 또한 용이하여 보다 효율적임을 확인할 수 있었다. 96-웰플레이트와 본 미세패턴에서 MCF-7의 WGA에 대한 감도를 WGA 농도별로 측정한 결과 미세패턴의 경우 96-웰플레이트보다 WGA 농도를 1/100로 희석한 경우 유사한 형광강도를 나타내었다.(데이터 미도시) 또한, 96-웰플레이트에 비해 패턴 당 세포의 수에 있어서 차이가 크지 않았으며, 한 번의 실험에 의해 여러 개의 데이터 포인트를 얻을 수 있기 때문에 보다 신뢰성 높은 데이터를 얻을 수 있다.However, in the case of using the fine pattern according to the present invention, as can be seen in the following examples, the sensitivity was remarkably excellent in the fine pattern as compared with the 96-well plate, and the sample was added to the immobilized cells or washed It was also easy and more efficient. The sensitivity of MCF-7 to WGA in the 96-well plate and the fine pattern was measured by WGA concentration. The fine pattern showed similar fluorescence intensity when the WGA concentration was diluted to 1/100 of the 96-well plate. (Data not shown) Further, the number of cells per pattern was not significantly different from that of the 96-well plate, and more reliable data can be obtained because a plurality of data points can be obtained by one experiment.

상기 미세패턴은 마이크로접촉 인쇄(μCP, microcontact printing)법에 의해 용이하게 제조할 수 있다. 즉, 통상의 리소그래피(lithography) 방법에 의해 원하는 형상과 크기의 패턴을 갖는 마이크로 스탬프를 제조하고, 상기 마이크로 스탬프를 이용하여 소수성 고분자의 전구체를 기판 상에 인쇄한 후 경화시키는 것에 의해 제조할 수 있다. 이렇게 제조되어진 미세패턴에서 소수성 고분자가 경화된 부분에는 세포가 부착되지 않고 소수성 고분자가 코팅되지 않은 부분에만 세포가 고정화되기 때문에 살아있는 세포의 마이크로어레이를 형성할 수 있다.The fine pattern can be easily prepared by a microcontact printing (μCP) method. That is, a microstamp having a desired shape and size can be prepared by a conventional lithography method, and the precursor of the hydrophobic polymer can be printed on a substrate using the microstamp and then cured . In the fine pattern thus manufactured, a microarray of living cells can be formed because cells are not attached to the cured portion of the hydrophobic polymer and only the portion where the hydrophobic polymer is not coated is immobilized.

상기에서 소수성 고분자는 물에 대한 접촉각이 80°이상인 물질로, polydimethylsiloxane(PDMS), polyurethane(PU), Trimethyloprotane triacrylate (TMPTA) 등을 예로 들 수 있다. 하기 실시예에서는 PDMS가 인쇄된 미세패턴만을 예로 기재하였으나, 사전 실험에 의하면 상기 조건의 고분자들은 모두 살아있는 세포의 고정화에 대해 효과적으로 패턴을 형성하였다. 이외에도, 친수성을 나타내지만 세포의 부착을 방지하는 것으로 알려져 있는 polyethylene glycol (PEG), PEG block copolymer, bovine serum albumin (BSA)도 효과적으로 살아있는 세포의 마이크로 어레이를 형성하였다.Examples of the hydrophobic polymer include polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane (PU), and trimethyloprotane triacrylate (TMPTA), which have a contact angle to water of 80 ° or more. In the following examples, only fine patterns on which PDMS is printed have been described. However, according to the preliminary experiment, all of the above-mentioned polymers effectively formed a pattern for immobilization of living cells. In addition, polyethylene glycol (PEG), a PEG block copolymer, and bovine serum albumin (BSA), which are hydrophilic but known to prevent cell adhesion, effectively formed microarrays of living cells.

기판 상에 고정된 세포에 바이오틴이 결합된 렉틴을 처리하면, 해당 렉틴과 특이결합하는 당사슬이 세포 표면에 존재하는 경우 이와 결합하게 된다. 렉틴(lectin)은 특정 탄수화물 사슬과 특이적으로 결합하는 탄수화물 결합단백질의 총칭으로 주로 식물에서 발견되고 있으나, 척추동물, 미생물, 바이러스 등 다양한 유래에서도 발견된다. 식물로부터 유래된 렉틴 중 대표적인 예로 mannose를 인식하는 콘카나발린 A(Concanavalin A), sialic acid를 인식하는 Maackia seed agglutinin(MAA), N-acetylgalactosamine(GalNAc)을 인식하는 Ricinus communis agglutinin(RCA), L-fucose를 인식하는 Aleuria aurantia lectin(AAL), N,N-diacetyl chitobios(di-GlcNAc)를 인식하는 wheat germ agglutinin(WGA) 등이 있다. 물론 본 발명이 위에 언급된 렉틴에 한정되는 것은 아니다. When the cell immobilized on the substrate is treated with biotin-conjugated lectin, it binds to the cell surface when an oligosaccharide that specifically binds to the lectin is present on the cell surface. Lectin is a generic term for carbohydrate-binding proteins that specifically bind to specific carbohydrate chains, and is found mainly in plants, but is also found in a variety of vertebrate animals, microorganisms, and viruses. Concanavalin A recognizing mannose, Maackia seed agglutinin (MAA) recognizing sialic acid, Ricinus communis agglutinin (RCA) recognizing N-acetylgalactosamine (GalNAc), L and wheat germ agglutinin (WGA), which recognizes A-fucose-recognizing Aleuria aurantia lectin (AAL) and N, N-diacetyl chitobios (di-GlcNAc). Of course, the present invention is not limited to the above-mentioned lectins.

세포 표면에 결합된 렉틴을 검출하기 위하여 렉틴에 결합한 바이오틴과 특이결합하며, 양자점과 결합된 생체분자를 이용한다. 렉틴에 직접적으로 양자점을 결합시켜 형광을 측정하는 것에 의해 렉틴의 결합여부와 정도를 판별할 수도 있으나, 이 경우 크기가 상대적으로 큰 양자점과의 결합으로 인하여 공간적으로 렉틴이 복잡한 세포 표면에 존재하는 당사슬에 특이적으로 결합하기 어려워 질 수 있으며, 양자점이 아닌 기본의 형광 dye는 자체의 감쇠현상(photobleaching)으로 인하여 측정의 정확성이 감소할 수 있다. It binds specifically to biotin bound to a lectin to detect lectins bound to the cell surface, and utilizes biomolecules bound to quantum dots. By binding the quantum dots directly to the lectin and measuring the fluorescence, it is possible to discriminate whether the lectin is bound or not, but in this case, due to the bonding with the quantum dots having a relatively large size, , And the fluorescence dye, which is not a quantum dot, may be less accurate due to its own photobleaching.

바이오틴과 특이결합하는 생체분자로는 하기 실시 예에서는 스트렙트아비딘(strapavidine)을 사용하였으나, 이에 한정되는 것이 아니다. 바이오틴과 특이결합하는 것으로 알려진 생체분자로는 스트렙트아비딘 이외에 아비딘(avidin), 뉴트라비딘(neutravidin) 또는 캡트아비딘(captavidin)을 예로 들 수 있다. 상기 생체분자와 결합된 양자점은 Invitrogen이나 Evident Technologies 등에서 이미 다양한 크기가 상품화 되어 있으며, 최대 광파장이 500~900nm 범위에 있는 양자점을 사용하는 것이 바람직하다.
As a biomolecule specifically binding to biotin, strapavidine is used in the following examples, but the present invention is not limited thereto. Biomolecules known to bind specifically to biotin include avidin, neutravidin or captavidin in addition to streptavidin. Quantum dots combined with biomolecules are commercially available in various sizes such as Invitrogen and Evident Technologies, and quantum dots having a maximum optical wavelength in the range of 500 to 900 nm are preferably used.

이상과 같이 본 발명에 의하면 살아있는 세포 또는 조직세포를 별도로 표지하거나 변형하지 않고 기판에 고정시키는 것만으로 간편하고 높은 감도로 표면의 당사슬을 분석할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to analyze the oligosaccharide on the surface with simple and high sensitivity only by immobilizing living cells or tissue cells on a substrate without separately marking or modifying them.

또한, 미세패턴을 이용하여 살아있는 세포 표면의 당사슬을 분석하는 것에 의해, 보다 높은 감도와 정확성으로 당사슬을 분석할 수 있다.Further, by analyzing the oligosaccharide on the living cell surface using the fine pattern, the oligosaccharide can be analyzed with higher sensitivity and accuracy.

이와 같은 본 발명의 당사슬 분석방법에 의해 각종 암이나 질병과 관련된 바이오마커로 알려진 당사슬을 효과적으로 분석할 수 있으므로 특정 질병의 진단이나, 치료, 신약 개발에 유용하게 이용될 수 있다.
The oligosaccharide analysis method of the present invention can effectively analyze oligosaccharides known as biomarkers related to various cancers and diseases, and thus can be usefully used for diagnosis, treatment, and development of new diseases.

도 1은 PDMS 미세패턴을 이용하여 살아있는 세포의 당사슬 분석과정을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 세포 표면의 당사슬 분석의 원리를 보여주는 개념도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의해 미세패턴에 세포를 부착시킨 직후 및 배양 후의 현미경 사진.
도 4는 본 발명의 실시예에 의해 유방암세포 및 정상세포의 표면 당사슬을 분석한 현미경 사진 및 형광 이미지.
도 5는 여러 가지 세포주 표면의 당사슬을 다양한 렉틴을 사용해 분석한 결과의 열지도.
도 6은 N-GlcNAc 첨가에 의한 WGA의 결합 저해도를 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 미세패턴과 96-웰 플레이트에서 살아있는 세포 표면의 당사슬 분석을 비교한 그래프.
도 8은 유방암 및 결장암 세포 조직 표면의 당사슬을 다양한 분석한 결과를 보여주는 사진 및 열지도.
Brief Description of Drawings Fig. 1 is a diagram showing an oligosaccharide analysis process of living cells using a PDMS fine pattern. Fig.
2 is a conceptual diagram showing the principle of the oligosaccharide analysis of the cell surface of the present invention.
FIG. 3 is a microscope photograph immediately after the cells are attached to the fine pattern and after the culture according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4 is a micrograph and fluorescence image of breast cancer cell and normal cell surface glycoprotein analyzed according to an embodiment of the present invention. FIG.
Fig. 5 is a thermogram of the results obtained by analyzing oligosaccharides on various cell line surfaces using various lectins.
6 is a graph showing the binding inhibition of WGA by N-GlcNAc addition.
FIG. 7 is a graph comparing the analysis of oligosaccharides on living cell surfaces in a 96-well plate with a fine pattern according to an embodiment of the present invention.
Fig. 8 is a photograph and a thermal map showing the results of various analyzes of oligosaccharides on the surface of breast cancer and colon cancer cell tissue.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the drawings and the embodiments are only illustrative of the contents and scope of the technical idea of the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited or changed. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention based on these examples.

실시예 1 : 살아있는 세포 표면의 당사슬 분석Example 1: Analysis of oligosaccharide on living cell surface

도 1은 PDMS 미세패턴을 이용하여 살아있는 세포의 당사슬 분석과정을 보여주는 도면이다. FIG. 1 is a diagram showing an oligosaccharide analysis process of living cells using a PDMS fine pattern.

1. PDMS(poly(dimmethyl siloxane) 미세패턴의 제조1. Preparation of PDMS (poly (dimmethyl siloxane) fine pattern)

보다 구체적으로 실리콘 웨이퍼 위에 네가티브형 감광제(SU-8, Microchem Co., USA)를 고르게 도포한 후, 1,000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅하여 50 ㎛ 높이로 감광제를 코팅하였다. 감광제에 도 1과 같이 100㎛ㅧ100㎛ 크기의 사각형 패턴이 50㎛간격으로 형성된 마스크를 통해 UV를 조사하여 마스터 몰드를 제작하였다. 이후, PDMS(Sylgard 184; Dow Corning, Midland, MI)의 base와 경화제의 10:1 (w/w) 혼합물을 제작된 마스터 몰드에 부어준 후 65℃에서 밤새 경화시켜 원하는 형상의 패턴을 갖는 마이크로 스탬프를 제작하였다. More specifically, a negative photoresist (SU-8, Microchem Co., USA) was evenly coated on a silicon wafer and spin coated at 1,000 rpm for 30 seconds to coat the photoresist with a height of 50 탆. As shown in FIG. 1, a master mold was prepared by irradiating UV with a mask through which a square pattern having a size of 100 μm and 100 μm was formed at intervals of 50 μm. Thereafter, a 10: 1 (w / w) mixture of the base of PDMS (Sylgard 184; Dow Corning, Midland, Mich.) And the curing agent was poured into the prepared master mold and cured at 65 ° C overnight, A stamp was produced.

PDMS(Sylgard 184; Dow Corning, Midland, MI)의 base와 경화제를 10:3 (w/w)의 비율로 클로로포름에 용해시킨 후 유리기판 위에 2,000 rpm으로 20초 동안 스핀 코팅하였다. 마이크로접촉 인쇄에 의해 스핀 코팅된 PDMS 위에 위에서 제조한 마이크로 스탬프를 올려 스탬프에 PDMS를 묻힌 후, 마이크로 스탬프를 배양접시로 옮겼다. 이후, 65℃에서 15분간 예비 경화시킨 후 PDMS 스탬프를 제거하고, 다시 65℃에서 4시간 경화시켜 배양접시에 PDMS 스탬프 형상의 미세패턴이 인쇄되도록 하였다.
The base and the curing agent of PDMS (Sylgard 184; Dow Corning, Midland, Mich.) Were dissolved in chloroform at a ratio of 10: 3 (w / w) and then spin-coated on the glass substrate at 2,000 rpm for 20 seconds. The microstamps prepared above were put on the PDMS spin-coated by microcontact printing, and the microstamps were transferred to the culture dish after putting the PDMS on the stamps. Thereafter, the PDMS stamp was removed after preliminarily curing at 65 DEG C for 15 minutes, and then cured at 65 DEG C for 4 hours so that a PDMS stamp-like fine pattern was printed on the culture dish.

2. 살아있는 세포의 고정화2. Immobilization of living cells

본 실험에 사용된 세포주의 종류와 관련질환 등 특성은 표 1에 기재하였다.The characteristics of the cell lines used in this experiment and related diseases are shown in Table 1.

Figure pat00001
Figure pat00001

MCF-7 세포는 BPE(bovine pituitary factor), 하이드로코르티손(hydrocortisone), hEGF(human epidermal growth factor), 인슐린 및 겐타마이신(gentamicin)/암포테리신(amphotericin)-B를 함유하는 MEBM(mammary epithelial basal medium) 배지에서 배양하였다. HCT116, HDF, ACHN, HEK293, HepG2, HeLa, 및 A549는 10% 소태아혈청(fetal bovine serum)과 1% 페니실린스트렙토마이신(penicillinstreptomycin)을 함유하는 DMEM(Dulbecco's modified eagle medium) 배지에서 각각 배양하였다. MCF-7 cells were cultured in the presence of mammary epithelial basal (MEBM) containing bovine pituitary factor (BPE), hydrocortisone, human epidermal growth factor (hEGF), insulin and gentamicin / amphotericin- medium) medium. HCT116, HDF, ACHN, HEK293, HepG2, HeLa, and A549 were cultured in DMEM (Dulbecco's modified eagle medium) medium containing 10% fetal bovine serum and 1% penicillin streptomycin.

세포의 현탁액(50 ㎖, 4.0×104 cells)을 1.에서 제조한 PDMS 미세패턴(1 ㎝×1㎝) 또는 96-웰 플레이트(웰 표면적 0.32㎠) 상에 로딩하고, 37℃, 5% CO2 환경에서 24 시간 동안 상기 배양액를 사용하여 배양하여 배양접시에 부착시켰다. 배양 후 배양접시에 부착되지 않은 세포는 새로운 배양액을 사용하여 3회 세척한 후 12시간동안 재배양하여 살아있는 세포를 고정화하였다.(50 ㎖, 4.0 × 10 4 cells) were loaded onto a PDMS micropattern (1 cm × 1 cm) or a 96-well plate (well surface area 0.32 cm 2) CO 2 environment for 24 hours and then adhered to the culture dish. Cells that did not adhere to the culture dish after incubation were washed three times with new culture medium, and then re-cultured for 12 hours to immobilize living cells.

도 2는 본 발명의 분석방법의 원리를 보여주는 개념도이며, 도 3은 미세패턴에 세포를 부착시킨 직후 (0 hr) 및 배양 후 (12 hr)의 현미경 사진이다. 사진에서 scale bar는 100 ㎛를 표시한다. 도 3에서 12시간 배양 후 소수성인 PDMS 영역에는 세포가 고정화되지 않아 마이크로어레이가 잘 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 또한 6개의 패턴 영역에서의 세포의 수를 현광현미경(TE-2000, Nikon, Japan)을 사용하여 확인한 결과, 각 패턴의 영역 당 세포의 수는 부착 직후에는 14±3.7, 12시간 배양 후에는 25±4.6으로 균일하게 고정화되었으며, 스템프 하나 당 패턴이 잘못 형성되는 오류는 5% 미만이었다.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the principle of the analysis method of the present invention, and FIG. 3 is a micrograph of the time immediately after the cells are attached to the fine pattern (0 hr) and after the culturing (12 hr). In the photograph, the scale bar indicates 100 μm. In FIG. 3, it can be confirmed that cells are not immobilized in the PDMS region which is hydrophobic after culturing for 12 hours, and the microarray is well formed. The number of cells per area of each pattern was found to be 14 ± 3.7 immediately after adhering and 25 (after 12 hours of incubation) the number of cells in each of the six pattern areas using a glare microscope (TE-2000, Nikon, Japan) ± 4.6, and the error that the pattern was wrongly formed per stamp was less than 5%.

3. 미세패턴을 이용한 세포 표면의 당사슬 분석3. Analysis of oligosaccharides on cell surface using fine pattern

(1) 당사슬 분석을 위한 일반적인 방법(1) General method for the analysis of oligosaccharides

2.에서 미세패턴을 사용하여 제조한 마이크로어레이에 50 nM의 바이오틴이 결합된 렉틴(Vector Laboratories Inc, CA, USA)을 37℃에서 3시간 처리하고, 결합되지 않은 렉틴을 제거하기 위하여 새로운 배양액을 넣고 3회 세척하였다. 분석에 사용한 렉틴의 종류와, 각 렉틴에 특이적으로 결합하는 당사슬은 하기 표 2와 같다.2. In a microarray prepared using micropatterns, 50 nM of biotin-conjugated lectin (Vector Laboratories Inc, CA, USA) was treated at 37 ° C for 3 hours and a new culture solution was added to remove unbound lectin And washed three times. The types of lectins used in the analysis and the oligosaccharides specifically binding to each lectin are shown in Table 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

이후, 10 nM의 양자점이 결합된 스트렙트아비딘(Streptavidin) (SA-Qdot) (Invitrogen, CA, USA)을 가하고, 37℃, 5% CO2 환경에서 1시간 반응시켰다. 상기 SA-Qdot은 전체 지름이 15~20nm이고, 양자점 하나 당 5~10개의 스트렙트아비딘(SA)이 표면에 부착된 카드뮴-셀레니엄/황화아연 (CdSe/ZnS) 계열의 양자점으로, 655nm에서 발광하는 특성이 있다. 1시간 후 새로운 배지로 3회 세척하여 결합하지 않은 SA-Qdot을 제거하였다. PMDS 미세패턴 상의 신호는 high resolution CCD 카메라(Coolsnap, Roper Science, USA)가 장착된 형광 현미경(TE-2000, Nikon, Japan)으로 관측하였으며, 얻어진 각 이미지는 ImagePro (Mediacybernetics, MD, USA)를 사용하여 형광을 분석하였다. Streptavidin (SA-Qdot) (Invitrogen, CA, USA) with 10 nM quantum dots was added thereto and reacted at 37 ° C in a 5% CO 2 environment for 1 hour. The SA-Qdot is a cadmium-selenium / zinc sulfide (CdSe / ZnS) series quantum dot having a total diameter of 15 to 20 nm and 5 to 10 streptavidin (SA) There is a characteristic of emitting light. After 1 hour, unbound SA-Qdot was removed by washing three times with fresh medium. The signals on the PMDS fine pattern were observed with a fluorescence microscope equipped with a high resolution CCD camera (Coolsnap, Roper Science, USA) (TE-2000, Nikon, Japan) and each image obtained was imaged using ImagePro (Mediacybernetics, And fluorescence was analyzed.

대조군으로 SA-Qdot만을 처리한 후 형광의 세기를 측정하여, SA-Qdot의 비특이적 결합에 의한 신호를 제거하였다.
As a control, only SA-Qdot was treated and fluorescence intensity was measured to remove the signal due to non-specific binding of SA-Qdot.

(2) 세포 표면의 당사슬 분석(2) Analysis of oligosaccharides on cell surface

MCF-7 및 HDF 세포의 미세패턴으로 표 2의 6가지 각각 렉틴을 사용하여 세포 표면의 당사슬을 분석하고 그 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4에서 각 세포에 대해 상단은 현미경 사진을 하단은 형광 이미지를 나타낸다. 각 실험에 대해서는 각 미세패턴을 3회 반복하여 평가하였다.The oligosaccharides on the cell surface were analyzed using the six lectins shown in Table 2 as micropatterns of MCF-7 and HDF cells, and the results are shown in FIG. In Fig. 4, the upper part shows a microscope image and the lower part shows a fluorescence image for each cell. For each experiment, each fine pattern was repeated three times.

도 4에서 유방암세포인 MCF-7은 정상세포인 HDF에 비해 N-아세틸글루코사민(N-GlcNAc)과 특이결합하는 WGA 및 SBA에 의해 강한 형광을 나타내었으며(WGA는 2배, SBA는 16배), 이는 유방암 세포에서 정상세포보다 말단 N-GlcNac의 발현이 높다는 연구결과(J. Biol. Chem. 2002, 277, 26103)와 일치하였다. LTL은 WGA나 SBA에 비해 약한 형광을 나타내긴 하였으나 유의도 있는 차이를 나타내었으며, 이 또한 MCF-7 세포에서 푸코스(fucose)를 함유하는 당사슬의 발현이 높다는 종래의 연구결과와 일치하였다.
In FIG. 4, MCF-7, which is a breast cancer cell, showed strong fluorescence (WGA 2 times and SBA 16 times) by WGA and SBA that specifically bind N-acetylglucosamine (N-GlcNAc) , Which is consistent with the findings that the expression of terminal N-GlcNac is higher in breast cancer cells than in normal cells (J. Biol. Chem. 2002, 277, 26103). LTL showed weak fluorescence compared to WGA or SBA, but showed significant difference. This was also consistent with previous studies showing that the expression of oligosaccharides containing fucose is high in MCF-7 cells.

도 5는 표 1에 기재된 각 세포에 대해 표 2의 렉틴을 사용하여 (1)의 방법에 의해 당사슬을 분석한 후 형광강도를 열지도(heat map)으로 도시한 것이다. 도 5의 열지도로부터 대부분의 암세포에서 말단 N-GlcNac나 시알산의 발현이 높게 나타나는 것을 알 수 있다. ConA의 결과로 부터는 직장암(HCT116)이나 신장암 세포(ACHN)에서 만노즈(mannose)의 발현이 높은 것을 알 수 있다. MAA는 직장암(HCT116)과 자궁경부암 세포(HeLa)에서 형광강도가 높게 나타나, 상기 세포의 표면에 시알산 α-2,3 결합이 다량 존재함을 알 수 있다.
5 shows the fluorescence intensities of each cell described in Table 1 as a heat map after the oligosaccharide was analyzed by the method of (1) using the lectin of Table 2. From the thermogram of FIG. 5, it can be seen that the expression of the terminal N-GlcNAc or sialic acid is high in most cancer cells. From the results of ConA, it can be seen that the expression of mannose is high only in rectal cancer (HCT116) or kidney cancer cells (ACHN). MAA has a high fluorescence intensity in rectal cancer (HCT116) and cervical cancer cells (HeLa), indicating that sialic acid a-2,3 bond is abundant on the surface of the cell.

(3) 세포 표면 당사슬에 대한 렉틴 결합의 특이성 검증(3) Specificity of lectin binding to cell surface oligosaccharides

세포 표면 당사슬에 대한 렉틴 결합의 특이성을 검증하기 위하여, MCF-7 세포에서 N-GlcNAc 단량체에 의한 WGA 결합의 저해도를 측정하였다.In order to verify the specificity of lectin binding to cell surface oligosaccharides, the degree of inhibition of WGA binding by N-GlcNAc monomers in MCF-7 cells was measured.

바이오틴이 결합된 렉틴 대신 바이오틴이 결합된 WGA(50 nM)와 N-GlcNAc (0~500 mM)을 혼합하여 배지에 용해한 후 37℃에서 한시간 동안 처리하여 사용한 것을 제외하고는 (1)의 일반적인 방법과 동일한 방법에 의해 MCF-7 표면의 당사슬을 분석하고, 하기 수식에 의해 저해도를 계산한 후 도 6에 도시하였다.(1) except that biotin-conjugated lectin was replaced with biotin-conjugated WGA (50 nM) and N-GlcNAc (0-500 mM) were mixed and dissolved in the medium and treated at 37 ° C for one hour , The oligosaccharide on the surface of MCF-7 was analyzed and the degree of inhibition was calculated by the following equation, and the result is shown in Fig.

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 수식에서, FIo은 N-GlcNAc의 농도가 0일때의 형광강도, FIinh은 특정N-GlcNAc 농도에서의 형광강도를 나타낸다.In the above equation, FI o represents the fluorescence intensity at the N-GlcNAc concentration of 0, and FI inh represents the fluorescence intensity at the specific N-GlcNAc concentration.

도 6에서 확인할 수 있듯이, 형광강도는 N-GlcNAc의 농도가 증가함에 따라 점점 감소하였다. 이로부터 관측되는 형광강도는 MCF-7 세포 표면에 존재하는 WGA의 타겟 당사슬과의 특이결합에 의한 것임을 확인할 수 있었다.As can be seen in FIG. 6, the fluorescence intensity was gradually decreased with increasing concentration of N-GlcNAc. It was confirmed that the fluorescence intensity observed from this was due to the specific binding with the target oligosaccharide of WGA existing on the surface of MCF-7 cells.

4. 96-웰 플레이트를 이용한 세포 표면의 당사슬 분석4. Analysis of oligosaccharides on cell surface using 96-well plate

미세패턴을 이용한 분석의 효율성을 비교하기 위하여 96-웰 플레이트에 살아있는 세포를 고정화한 후 당사슬을 분석하여 마이크로어레이에서의 분석 결과와 비교하였다.In order to compare the efficiency of the analysis using micropatterns, living cells were immobilized on a 96-well plate, and the oligosaccharides were analyzed and compared with those of microarrays.

3. (1)에서 살아있는 세포를 고정화한 미세패턴 대신 2.에서 제조한 살아있는 세포를 고정화한 96-웰 플레이트를 사용하고, Multi-Label Reader(Perkin Elmer LAS model, MA, USA)로 신호를 분석한 것을 제외하고는 3. (1)과 동일한 방법에 의해 세포 표면의 당사슬을 분석하였다. 세포로는 MCF-7 세포와 HDF 세포를, 렉틴은 WGA를 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 마이크로어레이를 사용한 당사슬 분석에서 얻어진 결과와 함께 도 7에 도시하였다.3. Using a 96-well plate immobilized with live cells prepared in (2) instead of the micropatterns in which live cells were immobilized in (1), signals were analyzed with a Multi-Label Reader (Perkin Elmer LAS model, MA, USA) The oligosaccharides on the cell surface were analyzed by the same method as in (3). Cells were analyzed for MCF-7 cells and HDF cells, lectins were analyzed for WGA, and the results are shown in Fig. 7 together with the results obtained from the oligosaccharide analysis using microarrays.

도 7에서 확인할 수 있듯이, 96-웰 플레이트와 동량의 시료를 사용하여 당사슬을 분석한 결과 역시 미세패턴과 마찬가지로 정상세포인 HDF에 비해 유방암 세포인 MCF-7의 형광강도가 더 높았으나, 미세패턴에서는 0.001 이하의 유의도를 나타낸 반면 96-웰 플레이트의 유의도는 0.6 정도로 미세패턴에 비해 낮은 값을 나타내었다. 형광강도 자체 역시 미세패턴에서의 측정값이 훨씬 크게 나타나 100배 이상의 감도 차이를 나타내어 검출 한도나 신뢰도 면에서 96-웰 플레이트에서의 분석보다 우수한 결과를 나타내었다.
As shown in FIG. 7, the oligosaccharide analysis using the same amount of the 96-well plate also showed that the fluorescence intensity of MCF-7, which is a breast cancer cell, was higher than that of normal cells, like the fine pattern, Showed a significance of 0.001 or less, whereas the significance of the 96-well plate was about 0.6, which was lower than that of the fine pattern. The fluorescence intensity itself was also much larger than that of the 96-well plate in terms of detection limit and reliability because the measurement value in the fine pattern was much larger than that in the case of 100 times or more of the sensitivity difference.

실시예 2 : 조직 세포 표면의 당사슬 분석Example 2: Analysis of oligosaccharide on tissue cell surface

SuperBiochips로부터 구매한 조직세포 어레이로부터 얻은 조직 세포 표면의 당사슬을 분석하였다. 제조사의 프로토콜에 따라, 조직세포를 4% 완충 중성 포르마린에 24시간 고정하고, 70%, 90%, 95%, 99%, 100% 에탄올을 순차적으로 사용하여 1시간 동안 3회 탈수하고, 자일렌으로 1시간 동안 세척한 후, 파라핀에 임베딩(embeding)하였다. 조직세포가 포함된 파라핀 중심 부분을 리시펀트 어레이(recipient array)로 옮긴 후 4 ㎛의 두께로 절제하였다. 조직 샘플은 실란이 코팅된 슬라이드에 고정화 하였다. The oligosaccharides on the surface of tissue cells obtained from a tissue cell array purchased from SuperBiochips were analyzed. Tissue cells were fixed in 4% buffered neutral formalin for 24 hours according to the manufacturer's protocol and dehydrated three times for 1 hour with sequential use of 70%, 90%, 95%, 99%, 100% ethanol, For 1 hour, and then embedded in paraffin. The central portion of the paraffin containing the tissue cells was transferred to a recipient array and resected to a thickness of 4 쨉 m. Tissue samples were immobilized on silane coated slides.

슬라이드에 고정화된 티슈 어레이를 65℃에서 1시간 처리하고, 자일렌에 4분간 침지하는 공정을 5회 반복하여 파라핀을 제거하였다. 이후, 100%, 95%, 75% 에탄올을 순차적으로 사용하며 각각 3분간 2회씩 처리하여 가수한 후 5분간 물에 침지하였다. SA-Qdot와의 비 특이적인 결합을 방지하기 위하여, 스트렙트아비딘/바이오틴 블로킹 용액(Vector Laboratories Inc, CA, USA)으로 15분간 처리한 후 PBS 완충액으로 세척하여 조직세포의 시료를 준비하였다.The process of immersing the tissue array immobilized on the slide at 65 DEG C for 1 hour and immersing in xylene for 4 minutes was repeated 5 times to remove paraffin. Then, 100%, 95%, and 75% ethanol were sequentially used, treated for 2 minutes each for 3 minutes, and dipped in water for 5 minutes. To prevent nonspecific binding with SA-Qdot, streptavidin / biotin blocking solution (Vector Laboratories Inc, CA, USA) was treated for 15 minutes and washed with PBS buffer to prepare samples of tissue cells.

준비된 시료에 3. (1)의 방법에 따라 500 nM의 바이오틴이 결합된 렉틴과 SA-Qdot을 이용하여 조직세포 표면의 당사슬을 분석하고 그 결과를 도 8에 도시하였다. 실험에 사용한 조직세포는 유방 또는 결장의 정상세포 또는 암세포였으며, 유방암과 결장암의 세부 정보는 표 3 및 표 4에 각각 기재하였다. 유방암에 대해서는 SBA를 결장암에 대해서는 WGA를 렉틴으로 사용하여 분석하였다.The oligosaccharides on the surface of tissue cells were analyzed using lectin and SA-Qdot to which 500 nM of biotin was bound according to the method of (3), and the results are shown in FIG. Tissue cells used in the experiment were breast or colon normal cells or cancer cells. Details of breast and colon cancer are shown in Table 3 and Table 4, respectively. SBA for breast cancer and WGA for colon cancer were analyzed using lectin.

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
Figure pat00005

도 8의 a)는 유방암과 결장암 세포 표면의 당사슬 분석에서 대표적인 현미경 사진과 형광이미지이며, b)는 표 3 및 표 4의 조직 세포 표면의 당사슬 분석 결과를 열지도로 나타낸 것이다. 도 8에서 초기 유방암의 경우 전이된 유방암에 비해 SBA의 결합에 의한 강한 형광을 나타내었으며, 직장암은 WGA에 의해 전 조직에서 강한 형광을 나타내었다.
FIG. 8 a) is a representative micrograph and fluorescence image in the analysis of oligosaccharides on breast cancer and colon cancer cell surface, and b) is an open view of the oligosaccharide analysis results of the tissue cell surfaces in Tables 3 and 4. In FIG. 8, early breast cancer showed strong fluorescence due to binding of SBA to metastatic breast cancer, and rectal cancer showed strong fluorescence in all tissues by WGA.

Claims (7)

(A) 기판의 표면에 세포를 고정화하는 단계;
(B) (A)단계에서 고정화된 세포에 바이오틴이 결합된 렉틴을 처리하는 단계;
(C) 렉틴의 처리 후 표면에 바이오틴과 특이결합하는 생체분자가 결합된 양자점을 처리하는 단계; 및
(D) 상기 양자점의 형광을 검출하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 세포 표면의 당사슬 분석 방법.
(A) immobilizing a cell on a surface of a substrate;
(B) treating the immobilized cells with biotin-bound lectin in step (A);
(C) treating a quantum dot to which a biomolecule that specifically binds biotin is bound to the surface after treatment of the lectin; And
(D) detecting fluorescence of the quantum dot;
Wherein the cell surface analyzing method comprises the steps of:
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 유리 또는 실리카 재질이거나, 세포외기질(extracellular matrix, ECM) 단백질, 폴리-L-리신(poly-L-lysine) 또는 폴리알릴아민 염산염(polyallylamine hydrochloride)으로 표면이 개질된 것임을 특징으로 하는 세포 표면의 당사슬 분석 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a glass or silica material or a surface modified with an extracellular matrix (ECM) protein, poly-L-lysine or polyallylamine hydrochloride Method for analyzing oligosaccharide on cell surface.
제 1 항에 있어서,
상기 세포는 살아있는 세포 또는 조직 세포인 것을 특징으로 하는 세포 표면의 당사슬 분석 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cell is a living cell or a tissue cell.
제 3 항에 있어서,
상기 살아있는 세포는 마이크로 스탬프에 의해 기판 상에 물에 대한 접촉각이 80ㅀ이상인 고분자의 패턴을 형성한 미세패턴에 고정화하는 것을 특징으로 하는 세포 표면의 당사슬 분석 방법.
The method of claim 3,
Wherein the living cells are immobilized on a micropattern formed with a pattern of a polymer having a contact angle with water of 80 ㅀ or more on a substrate by microstamping.
제 4 항에 있어서,
상기 고분자는 polydimethylsiloxane(PDMS), polyurethane(PU) 또는 Trimethyloprotane triacrylate(TMPTA)인 것을 특징으로 하는 세포 표면의 당사슬 분석 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the polymer is polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane (PU), or trimethyloprotane triacrylate (TMPTA).
제 3 항에 있어서,
상기 살아있는 세포는 마이크로 스탬프에 의해 기판 상에 polyethylene glycol (PEG), PEG block copolymer 또는 bovine serum albumin (BSA)의 패턴을 형성한 미세패턴에 고정화하는 것을 특징으로 하는 세포 표면의 당사슬 분석 방법.
The method of claim 3,
Wherein the living cells are immobilized on a microstructure by a microstamp to a fine pattern formed with a pattern of polyethylene glycol (PEG), PEG block copolymer or bovine serum albumin (BSA) on a substrate.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생체분자는 스트렙트아비딘, 아비딘(avidin), 뉴트라비딘(neutravidin) 또는 캡트아비딘(captavidin)인 것을 특징으로 하는 세포 표면의 당사슬 분석 방법.

7. The method according to any one of claims 1 to 6,
Wherein the biomolecule is streptavidin, avidin, neutravidin, or captavidin. The method of claim 1, wherein the biomolecule is selected from the group consisting of streptavidin, avidin, neutravidin, and captavidin.

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