KR20150066245A - 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배양액 펌핑부 및 클램프부를 포함하여 튜브 내에서 배양되는 세포에 배양액 흐름에 따른 전단 응력 및 주기적인 수축 이완의 압력 등의 복합 자극을 인가하면서 세포를 배양할 수 있는 세포 배양 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템은 생체 내 환경과 유사한 환경을 제공하여 줄기 세포의 심근 세포로의 분화를 촉진하는 효과를 나타낸다.

Description

복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템{CELL CULTURE SYSTEM USING COMPLEX STIMULUS}
본 발명은 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배양액 펌핑부 및 클램프부를 포함하여 튜브 내에서 배양되는 세포에 배양액 흐름에 따른 전단 응력 및 주기적인 수축 이완의 압력 등의 복합 자극을 인가하면서 세포를 배양할 수 있는 세포 배양 시스템에 관한 것이다.
심장 질환은 서양 세계에서 가장 심각한 건강 관심사 중 하나이다. 6100만 미국인들 (거의 5명의 남성 및 여성 중에 한명) 이 한 가지 이상의 유형의 심혈관 질환을 가진 것으로 추산된다 (National Health and Nutrition Examination Survey III, 1988-94, Center of Disease Control and the American Heart Association). 널리 알려진 병상에는 관상동맥질환 (1240만명), 선천성 심혈관 결함 (100만명), 및 울혈성 심부전 (470만명)이 포함된다. 재생 의약의 연구에 대한 집중적인 도전은 상기 병상에서 심장 기능을 재건하는 것을 도울 수 있는 세포 조성물을 개발하는 것이다.
급성심근경색 이후에 진행하는 심부전의 발생률은 지속해서 늘어나는 추세이나, 현재까지의 치료는 이미 비가역적인 상태로 경색상태에 이른 심근을 재생할 수 없다는 점에 한계가 있어, 심부전이 진행하는 경우 심장이식 이외에는 특별한 대안이 없는 상태이다.
이러한 기존 치료의 한계를 극복하고자 줄기세포를 이용한 혈관 재생 및 심근 재생이 그 대안으로 모색되기 시작하였다(Myeong-Chan Cho). 심근경색 모델을 이용한 동물실험에서는 골수 유래 중간엽 줄기세포가 심근에서 심근 특이 단백질을 발현하며 심근기능을 향상시킨다고 보고되었고(Hainan Piao et al., Korean Circulation J., 2004, 34(11), 1113-212), 몇몇 임상 연구에서는 심근경색 후 골수 유래 또는 말초혈액 줄기세포를 주입한 결과 심근기능의 호전을 보인다는 사실이 보고되었다(Sang Hong Baek).
그러나, 중간엽 줄기세포는 원천 조직에 따라서 그의 세포 생리학적 및 분화적 특성에 차이가 있다고 알려져 있으므로(Kern et al., Stem Cells, 2006, 24, 1294-1301), 모든 중간엽 줄기세포가 이러한 특성을 가진다고는 단정할 수 없다. 또한, 심근으로 주입된 배아줄기세포의 분화 효율은 매우 낮은 것으로 알려져, 골수 유래 줄기 세포로부터 대량의 심혈관 세포를 획득하거나 높은 효율로 심혈관 세포를 얻기에는 한계가 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 생체 내 심근 세포의 물리적, 화학적 환경을 시험관 내(in vitro)에서 구현하여 배양액 흐름에 의한 전단 응력 및 주기적으로 변화되는 압력을 가하면 골수 유래 중간엽 줄기세포가 심혈관 세포로의 우수한 분화능을 나타낸다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 배양액 펌핑부 및 클램프부를 포함하여 튜브 내에서 배양되는 세포에 전단 응력 및 주기적인 수축 이완의 압력등의 복합 자극을 인가할 수 있는 세포 배양 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
세포 배양액 이동 튜브;
세포 배양액을 보관하는 배양 용기 보관부;
상기 배양 용기 보관부로부터 상기 세포 배양액 이동 튜브로 배양액을 펌핑하기 위한 펌프부;
상기 세포 배양액 이동 튜브 내로 펌핑된 배양액의 흐름을 개폐하는 클램프부; 및
상기 펌프부와 상기 클램프부 사이의 상기 세포 배양액 이동 튜브에 포함되는 세포 배양 스캐폴드; 를 포함하는 세포 배양 시스템을 제공한다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템은 상기 펌프부 및 상기 클램프부에 연결되는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템에 있어서, 상기 펌프는 페리스탈틱 펌프 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템에 있어서, 상기 제어부는 상기 세포 배양 스캐폴드에 주기적인 펌핑 압력을 인가하도록 상기 펌프부의 펌핑과 상기 클램프부에 의한 펌프의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 의한 세포 배양 시스템에 있어서, 상기 제어부는 상기 페리스탈틱 펌프에 의한 배양 튜브로의 배양액의 공급 압력 및 상기 클램프부의 개폐를 조절함으로써 상기 세포 배양 스캐폴드에 주기적인 압력이 인가되도록 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템에 있어서, 상기 제어부는 상기 세포 배양 부의 내경 및 멤브레인 등을 고려하여 0.3 ~ 300 dyne/cm2 범위의 유체 전단 응력 및 상기 세포 배양부에 진자식(oscillating) 압력 변화를 나타내도록 상기 펌프부의 펌핑과 상기 클램프부에 의한 배양액 흐름의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템은 사용자 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 일실시예에서, 조작자는 사용자 인터페이스에 명령함으로써 세포 배양부에 공급될 배양액의 양을 특정할 수 있다. 상기 사용자 인터페이스는 세포 배양부에 원하는 양의 액체를 정확하게 채우기 위해 펌핑율(pumping rate)을 제어하는 제어부에 연결될 수 있다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템에서 배양되는 세포는 골수유래 중간엽 줄기세포, 배아줄기세포, 역분화 줄기세포, 제대혈 유래 중간엽 줄기세포 등 분화능을 가진 줄기 세포라면 제한없이 배양할 수 있다.
이하에서는 본 발명을 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 세포 배양 시스템을 모식적으로 나타낸다. 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 세포 배양 시스템은 세포 배양액 이동 튜브(100), 세포 배양액을 보관하는 배양 용기 보관부(200), 상기 배양 용기 보관부로부터 상기 세포 배양액 이동 튜브로 배양액을 펌핑하기 위한 펌프부(300), 상기 세포 배양액 이동 튜브 내로 펌핑된 배양액의 흐름을 개폐하는 클램프부(400), 및 상기 펌프부와 상기 클램프부 사이의 상기 세포 배양액 이동 튜브에 포함되는 세포 배양부(500)를 포함한다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템에 있어서, 상기 펌프부(300)는 정량 이송 펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 경우 상기 정량 이송 펌프는 페리스탈틱 펌프인 것이 상기 세포 배양 스캐폴드에 심근 세포 배양을 위한 진자식(oscillating) 압력 인가를 위해 바람직하다.
상기 튜브형 정량이송펌프인 페리스탈틱 펌프는 병원 또는 실험실등에서 혈액과 같은 특정 용액속에 존재하는 물질 성분을 분석하기 위해 자동으로 검체 또는 용액등을 이송하는 장치로서, 탄성을 가진 상기 세포 배양액 이동 튜브를 통해 염화폴리비닐 등과 같은 가요성 플라스틱 재료로 통상 제조되는 탄성 관을 통해 배양액을 펌핑하도록 작동한다. 상기 탄성 관은 한정된 부분을 따라 반복적으로 압축 및 팽창된다. 관은 통상적으로 팽창되거나 내부 탄성에 의해 원상 복원되며, 이러한 과정을 통해서 세포 배양 스캐폴드에 주기적인 압력을 인가하게 된다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템에 있어서, 상기 클램프(400)는 상기 펌핑부의 동작에 따라 탄성관을 따라 흐르는 배양액의 흐름을 개폐하는 것으로서, 특별히 형상이 제한되는 것은 아니다. 도 2 에 본 발명의 일 실시예에 의한 클램프의 사시도, 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 의한 클래프에 의한 배양액의 흐름을 개폐하는 과정을 나타내었다. 도 2 및 도 3 에서 보는 바와 같이 클램프부(400)는 배양액 이동 튜브 관통부와 홈을 포함하는 철부(410);와, 상기 홈으로 삽입 분리가능한 요부(420) 및 상기 요부와 철부를 주기적으로 움직이도록 하는 구동부(430)로 구성되고, 도 3에서 보는 바와 같이 상기 배양액 이동 튜브 관통부에 배양액 이동 튜브가 삽입된 상태에서 상기 요부와 철부가 결합시에는 배양액의 흐름이 멈춰지고, 상기 요부와 철부가 분리시에는 배양액의 흐름이 재개된다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템에 있어서, 상기 세포배양부(500)는 관형태의 스캐폴드와 같은 형태이거나 플레이트와 같은 일반 챔버 형태일 수 있으며, 또한, 탄성 재료로 제조거나, 비탄성 재료로 제조되는 것이 모두 가능하다. 탄성 재료로 제조되는 경우 페리스탈틱 펌프 및 클램프부에 의한 세포배양부의 압력 변동에 따라 세포배양부 자체도 수축 이완되어 배양액의 이송에 따른 전단 응력뿐만 아니라, 심혈관에서처럼 수축 이완 자극을 인가하게 되고, 비탄성 재료로 제조되는 경우 배양액의 이송에 따라 전단 응력 및 페리스탈틱 펌프와 클램프 개폐에 의한 주기적인 압력을 인가하게 된다.
또한, 본 발명에 의한 세포 배양 시스템은 상기 펌프부(300) 및 상기 클램프부(400)에 연결되고 상기 세포 배양 스캐폴드에 인가되는 펌핑 압력을 조절할 수 있도록 상기 펌프부의 펌핑과 상기 클램프부에 의한 배양액의 흐름을 조절하는 제어부(600)를 더 포함한다.
상기 제어부(600)에 의해 상기 클램프부가 배양액의 흐름을 막은 상태에서 상기 페리스탈틱 펌프에 의해 상기 세포 배양 스캐폴드로 유체가 공급되는 경우 상기 세포 배양 스캐폴드에서 배양되는 세포에 가장 높은 압력이 인가되고, 상기 클램프부에 의해 배양액이 자유롭게 흐르는 상태에서는 세포 배양 스캐폴드에 인가되는 압력은 작아지게 된다.
상기 제어부(600)는 펌프부의 펌핑과 상기 클램프부에 의한 펌프의 개폐를 조절하여 상기 세포 배양 스캐폴드 내의 압력 변화가 최저 압력 5 내지 30 mmHg 및 최고압력 120 내지 200 mmHg의 범위에서의 진자식(oscillating) 압력 변화를 나타내도록 상기 세포 배양 스캐폴드에 펌핑 압력을 인가하도록 제어하는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 세포 배양 시스템은 배양액 펌핑부 및 클램프부를 포함하여 튜브 내에서 배양되는 세포에 주기적인 압력을 인가하여 생체 내 물리적, 화학적 환경을 시험관 내(in vitro)에서 구현함으로써 심근 세포로의 배양 효율 및 분화 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 세포 배양 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 클램프의사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 클래프에 의한 배양액의 흐름을 개폐하는 과정을 나타낸다.

Claims (6)

  1. 세포 배양액 이동 튜브;
    세포 배양액을 보관하는 배양 용기 보관부;
    상기 배양 용기 보관부로부터 상기 세포 배양액 이동 튜브로 배양액을 펌핑하기 위한 펌프부;
    상기 세포 배양액 이동 튜브 내의 배양액의 흐름을 개폐하는 클램프부; 및
    상기 펌프부와 상기 클램프부 사이의 상기 세포 배양액 이동 튜브에 포함되는 세포 배양부; 를 포함하는 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프부 및 상기 클램프부에 연결되는 제어부를 더 포함하는 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 세포 배양부에 진자식 압력이 인가되도록 상기 펌프부의 펌핑과 상기 클램프부의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 세포 배양부 내의 압력 변화가 최저압력 5 내지 30 mmHg 및 최고압력 120 내지 200 mmHg의 범위에서의 진자식 압력 변화를 나타내도록 상기 펌프부의 펌핑과 상기 클램프부의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 세포 배양 스캐폴드에는 0.3 ~ 300 dyne/cm2의 유체 흐름에 의한 전단 응력이 인가되도록 상기 펌프부의 펌핑과 상기 클램프부에 의한 상기 튜브내의 배양액의 흐름을 조절하는 것을 특징으로 하는 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프는 페리스탈틱 펌프인 것을 특징으로 하는 복합 자극을 이용한 세포 배양 시스템.
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