KR20150135669A - Hydrogel-based microfluidic co-culture device - Google Patents

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KR20150135669A KR1020140062155A KR20140062155A KR20150135669A KR 20150135669 A KR20150135669 A KR 20150135669A KR 1020140062155 A KR1020140062155 A KR 1020140062155A KR 20140062155 A KR20140062155 A KR 20140062155A KR 20150135669 A KR20150135669 A KR 20150135669A
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이종민
이유리
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서강대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a hydrogel-based three-dimensional cell co-culturing microfluidic device. The hydrogel-based three-dimensional cell co-culturing microfluidic device comprises (a) a barrier formed with a hydrogel having gelatin and an acryl polymer mixed; and (b) a scaffold formed with a collagen hydrogel. According to the present invention, the hydrogel-based three-dimensional cell co-culturing microfluidic device is used as an important tool for division environment control and co-culture of a cell.

Description

세포 공동-배양을 위한 하이드로젤 기반 미세유체칩{Hydrogel-based microfluidic co-culture device}Hydrogel-based microfluidic co-culture device for cell co-

본 발명은 세포 공동-배양을 위한 하이드로젤 기반 미세유체칩에 관한 것이다.
The present invention relates to a hydrogel based microfluidic chip for cell co-culture.

신경 줄기 세포(Neural stem cells; NSCs)는 신경원성 대사질환 및 척수외상을 연구하는데 매우 중요한 세포원이다.1 NSC는 신경세포(neurons), 성상세포(astrocytes) 및 희돌기교세포(oligodendrocytes)의 3종류 주요한 세포 계통으로 분화하는 것으로 알려져 있다.2 일반적으로, NCS는 신경세포로 분화된 후에 성상세포 및 희돌기교세포로 분화한다.3 NSC-유래 신경 분화는 세포외 기질(extracellular matrix; ECM)-기반 하이드로젤(hydrogel)을 이용하여 연구되었다. 예컨대, 배아의 피질 신경상피로부터 분리한 NSC를 콜라겐 타입 Ⅰ 젤에 현탁하여 3차원의 신경 서킷을 제조하였다. 콜라겐 내에 캡슐화된 NSC는 신경 세포로 성장하게 된다. 반면, GFAP(Glial Fibrillary Acidic Protein)-양성 성상세포 및 O4-양성 희돌기교세포는 10일까지 관찰되지 않았다. 전기생리학적 분석을 통해 3D 콜라겐에서 배양된 NSC는 Tuj1-양성 신경세포로 분화할 때 전압-개폐(voltage-gated) K+ 및 Na+ 이온 전류가 변화함을 확인하였다. 그러나, 미분화된 NSC에서는 전압-개폐 Na+ 이온 전류가 크지 않았다. 또한, 콜라겐 젤 내 캡슐화된 NSC-유래 신경세포가 시냅스 소포 순환(synaptic vesicle recycling)을 나타냄을 확인하였다. 더욱이, 3D 콜라겐 타입 Ⅰ 젤-히알루로난 기질은 NSC-유래 신경 분화를 유도하였다.5 배아 뇌 유래 전구세포는 성숙세포와 비교하여 빠르게 성장하였다. 3D 콜라겐 타입 Ⅰ 젤-히알루로난 기질에서 6일 동안 배양한 NSC는 주로 신경세포(-70%)로 분화하였다. 반면, 6일째에 피브로넥틴-코팅 글래스 상에 14% NSC-유래 신경세포만 관찰되었다. 이는 글루타메이트, γ-아미노부티르산 및 시냅신 Ⅰ의 발현을 통해 다수의 βⅢ-튜불린-양성 세포가 성숙 신경 분화를 나타냄을 의미한다.Neural stem cells (NSCs) are a very important cell source for studying neurogenic metabolic diseases and spinal cord trauma. 1 NSCs are known to differentiate into three major cell lines: neurons, astrocytes, and oligodendrocytes. 2 In general, NCS differentiates into astrocytes and glial cells after being differentiated into neurons. 3 NSC-derived neurogenesis was studied using an extracellular matrix (ECM) -based hydrogel. For example, NSCs isolated from the cortical nerve epithelium of the embryo were suspended in collagen type I gel to produce a three-dimensional nerve circuit. NSCs encapsulated in collagen will grow into neurons. On the other hand, GFAP (Glial Fibrillary Acidic Protein) -based astrocytes and O4-positive glial cells were not observed until day 10. Electrophysiological analysis confirmed that the NSCs cultured in 3D collagen changed voltage-gated K + and Na + ion currents when differentiated into Tuj1-positive neurons. However, in the undifferentiated NSC, the voltage-switching Na + ion current was not large. In addition, it was confirmed that encapsulated NSC-derived neurons in the collagen gel exhibited synaptic vesicle recycling. Furthermore, the 3D collagen type I gel-hyaluronan substrate induced NSC-derived neural differentiation. 5- embryonic brain-derived precursor cells grew faster than mature cells. NSCs cultured in 3D collagen type I gel-hyaluronan matrix for 6 days were mainly differentiated into neurons (-70%). On the other hand, on day 6 only 14% NSC-derived neurons were observed on the fibronectin-coated glass. This means that a large number of [beta] < 11 > -tubulin-positive cells express mature neurogenic differentiation through the expression of glutamate, [gamma] -aminobutyric acid and cytosine I.

하이드로젤은 이식용 재료 및 재생 조직에의 적용에 많은 관심을 받고 있다. 물을 함유하는 하이드로젤은 3D 상에서 복잡한 중합 결합을 갖는다.6,7 특히, 천연 하이드로젤(예컨대, 젤라틴, 콜라겐 및 히알루론산염)은 인간 조직의 특성과 유사한 생분해성 하이드로젤의 화학적 및 기계적 특성으로 인해 조직 지지체를 대체하는 대체 재료로 널리 이용되어왔다.8-10 하이드로젤-기반 3D 배양법은 줄기세포-기반 조직 공학에 널리 이용되어 왔다.11,12 특히, 최근에 줄기세포의 분화를 조절하기 위해 광가교결합이 가능한(photo-crosslinkable) 하이드로젤이 사용되었다. 예컨대, 공간적으로 세포를 캡슐화하고 패터닝하기 위해 구리-유리(cooper-free) 클릭 화학-기반 세포호환성 하이드로젤이 사용되었다.13 이는 bis(cyclooctyne)-functinalized peptide crosslinker를 사용한 poly(ethylene glycol) tetra-azide 및 self-quenched collagenasesensitive 검출 펩타이드에 의해 제조된 세포-캡슐화 하이드로젤을 보여주었다. Arg-Gly-Asp(RGD) 펩타이드를 포함하는 하이드로젤 내 공간적으로 형성된 섬유아세포가 관찰되었다. 이러한 방법은 생물학적으로 기능적인 하이드로젤의 감광성 제조에 유용할 수 있다. 다공성 광가교결합 메타크릴아마이드 키토산(methacrylamide chitosan)은 NSC 분화를 유도하는데 이용되어왔다.14 다공성을 조절하기 위해, D-만니톨 결정체를 메타크릴아마이드 키토산과 혼합하였다. D-만니톨 결정체는 구멍의 평균 크기를 증가시켜 산소 확산율을 증가시켰다. 다공성 메타크릴아마이드 키토산에서 배양한 NSC의 성장은 다공성과 반비례하였다. 반면에, 다공성 메타크릴아마이드 키토산 지지체는 NSC의 분화를 유도하였다. 신경전구세포의 분화를 조절하기 위해 메타그릴산염-조작 히알루론산-기반 하이드로젤이 사용되었다.15 압축계수에 대한 메타그릴산염-조작 히알루론산-기반 하이드로젤 농도의 영향을 조사한 결과, 압축계수는 하이드로젤 농도와 함께 증가하였다. 신경전구세포는 신경의 분화로 히알루론산 하이드로젤 내 광-캡슐화되었다. 흥미롭게도, 딱딱한 하이드로젤 내 배양된 신경전구세포는 대부분 GFAP-양성 성상세포로 분화하였다. 신경전구세포의 분화는 뇌 조직과 유사한 하이드로젤의 기계적 특징에 의해 유의하게 영향을 받는 것을 확인하였다. 광가교결합 RGD 알지네이트 젤은 지방전구세포에 직적접으로 사용되어왔다.16 하이드로젤의 기계적 특정은 부착 펩타이드 밀도 및 Ca2 + 농도에 의해 조절되었다. 딱딱한 하이드로젤 내 세포는 무른 하이드로젤에서 보다 더 증식하였고, 딱딱한 하이드로젤 내 배양된 전-지방세포는 대부분 VEGF(Vascular Endothelial Growth Factors)를 분비하였다. 이는 지방세포-유래 분화는 하이드로젤 기질의 기계적 강도에 제한적임을 의미한다.Hydrogels have attracted much attention for their application to implantable materials and regenerative tissues. Hydrogels containing water have complex polymeric bonds in 3D. 6,7 In particular, natural hydrogels (e.g., gelatin, collagen and hyaluronate) have been widely used as alternative materials to replace tissue supports due to the chemical and mechanical properties of biodegradable hydrogels similar to those of human tissues. 8-10 hydrogel-based 3D culture has been widely used in stem cell-based tissue engineering. 11,12 In recent years, photo-crosslinkable hydrogels have been used to control the differentiation of stem cells. For example, a cooper-free click chemistry-based cell compatible hydrogel was used to spatially encapsulate and pattern cells. 13 showed cell-encapsulated hydrogels prepared by poly (ethylene glycol) tetra-azide and self-quenched collagenasesensitive detection peptides using a bis (cyclooctyne) -functinalized peptide crosslinker. Spatially formed fibroblasts in the hydrogel containing the Arg-Gly-Asp (RGD) peptide were observed. Such a method may be useful for photosensitive preparation of biologically functional hydrogels. Porous photo-crosslinking methacrylamide chitosan has been used to induce NSC differentiation. 14 To control porosity, D-mannitol crystals were mixed with methacrylamide chitosan. D-mannitol crystals increased the average size of the pores and increased the oxygen diffusion rate. Growth of NSCs cultured in porous methacrylamide chitosan was inversely proportional to porosity. On the other hand, porous methacrylamide chitosan supports induced differentiation of NSCs. A methacrylate-modified hyaluronic acid-based hydrogel was used to control the differentiation of neural progenitor cells. The effect of methacrylate-modified hyaluronic acid-based hydrogel concentration on compression factor 15 was investigated and the compressive modulus increased with hydrogel concentration. Neural progenitor cells were light-encapsulated in hyaluronic acid hydrogel as nerve differentiation. Interestingly, most of the cultured neural progenitor cells in hard hydrogels differentiated into GFAP-positive astrocytes. It was confirmed that the differentiation of neural progenitor cells was significantly influenced by the mechanical characteristics of hydrogel similar to brain tissue. Photocrosslinked RGD alginate gels have been used directly in lipid precursor cells. Mechanical particular hydrogel 16 was controlled by the attached peptide density and Ca 2 + concentrations. Cells in the rigid hydrogel were more proliferated than in the hydrogel, and most pre - adipocytes cultured in the rigid hydrogel secreted VEGF (Vascular Endothelial Growth Factors). This implies that adipocyte-derived differentiation is limited to the mechanical strength of the hydrogel substrate.

줄기세포의 분화는 다양한 세포외 미세환경에 의해 많은 영향을 받는다.17 줄기세포의 운명을 제어하기위해, 최근 다양한 다기능적인 미세유체 장치가 개발되었다.18-22 예컨대, 마우스 배아줄기세포로부터 신경 분화를 유도하기 위해 구획이 있는 미세유체 배양 장치가 개발되었다.23 미세유체 배양 장치 내로 로딩된 배아체(embryonic body)는 신경세포로 분화하였고 브리지(bridge) 미세통로를 통해 축색돌기를 확장하여, 축색돌기의 배열을 형성하였다. 지지체로서 3D 젤 기질의 사용은 인비보(in vivo) 조직 환경을 모방할 수 있기 때문에 2D 배양을 능가하는 유의한 장점을 갖는다. 이전 연구에서 NSC는 ECM-기반 3D 미세유체 장치에서 배양되었다.20 NSC 및 ECM 하이드로젤(예컨대, 콜라겐 타입 Ⅰ, 마트리젤 및 콜라겐 타입 Ⅰ 및 마트리젤의 혼합)은 미세통로의 중앙에 로딩되었고, 다양한 성장인자를 포함하는 성장 배지는 사이드통로에 위치하였다. 미세유체 장치 내 NSC 분화에 있어서 3 종류의 ECM 하이드로젤의 영향을 조사하였다. 정량적 실-시간 PCR(quantitative real-time polymerase chain reaction; qRT-PCR) 분석은 콜라겐 젤에서 배양된 세포와 비교하여 3D 마트리젤-기반 하이드로젤에서 배양된 NSC가 신경세포 및 희돌기교세포로 잘 분화됨을 보여주었다. 이는 라미닌(laminin)이 마트리젤의 주요 구성이기 때문이다. 반면에, qRT-PCR 분석은 마트리젤 또는 3D ECM 하이드로젤에서 배양된 NSC는 대부분 희돌기교세포로 분화하지 않음을 나타내었다. 더욱이, 3D 미세유체 장치는 마우스 배아 줄기세포, 유방암 세포 및 간세포의 공동-배양에 적용되었다.24 반다공막이 함입된 2중층 구획화된 미세유체 장치는 3D 타원체의 야누스(Janus) 패턴의 공동배양에 사용되었다. 여러 다른 종류들로 이루어진 타원체는 미세유체의 유체역학 장치로, 미세통로의 기하학적 구조로 역학적 세포 미세패터닝의 모양을 조절하였다. 마우스 배아 줄기세포는 세포 타원체의 안쪽에 위치하고, 유방암 세포(MDA-MB-231) 또는 간암세포(HepG2)는 타원체의 바깥쪽에 위치하는 것은 야누스 3D 세포 타원체가 마우스 배아 줄기세포의 공간전 분화를 조절할 수 있음을 나타낸다. 비록 이전의 3D 미세유체 장치는 세포-기반 신경 분화 또는 공동-배양 시스템에 이용되어 왔지만, 분자적 확산에 대한 광-가교결합 하이드로젤의 영향 및 3D 미세유체 공동-배양 장치의 가교-오염에 대하여 고려하지 않았다.
Differentiation of stem cells is affected by various extracellular microenvironment. 17 To control the fate of stem cells, a variety of multifunctional microfluidic devices have recently been developed. 18-22 For example, a microfluidic culture apparatus having a compartment for inducing neural differentiation from mouse embryonic stem cells has been developed. The embryonic body, which was loaded into the microfluidic culture device, differentiated into neurons and expanded the axon proliferation via the bridge microcavity to form an array of axon protrusions. The use of a 3D gel substrate as a support can be achieved by using in- vivo tissue environment, which has a significant advantage over 2D culture. In previous studies, NSCs were cultured in ECM-based 3D microfluidic devices. 20 NSC and ECM hydrogels (for example, collagen type I, martriel and a mixture of collagen type I and matrigel) were loaded at the center of the microcavity, and growth media containing various growth factors were placed in the side passageway. The effects of three ECM hydrogels on NSC differentiation in microfluidic devices were investigated. Quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR) analysis showed that NSCs cultured in 3D matrigel-based hydrogel were well differentiated into neuron and glomeruli cells compared to cells cultured in collagen gel . This is because laminin is a major constituent of matrigel. On the other hand, qRT-PCR analysis showed that NSCs cultured in Matrigel or 3D ECM hydrogels did not differentiate into mostly glial cells. Furthermore, 3D microfluidic devices have been applied to co-culture of mouse embryonic stem cells, breast cancer cells and hepatocytes. 24 Two-layered microfluidic device with embedded macroscopic membrane was used for co-cultivation of Janus pattern of 3D ellipsoid. The ellipsoid, which consists of several different species, is a fluid mechanics device of microfluidics that regulates the shape of mechanical cell micropatterning by the geometry of the microchannels. (MDA-MB-231) or hepatocellular carcinoma cells (HepG2) are located outside the ellipsoid, suggesting that the JANUS 3D cell ellipsoid regulates spatial differentiation of mouse embryonic stem cells . Although prior 3D microfluidic devices have been used in cell-based neural differentiation or co-culture systems, the effects of photo-crosslinking hydrogels on molecular diffusion and cross-contamination of 3D microfluidic co- I did not consider it.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

본 발명자들은 세포의 분화환경을 조절할 수 있는 3D 세포 공동-배양(co-culture) 미세유체(microfluidic) 장치를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 젤라틴 하이드로젤로 구성된 배리어(barrier)의 젤라틴 하이드로젤 농도에 따른 배양 배지의 분자 확산(molecule diffusion)을 조절하고, 콜라겐 하이드로젤에 캡슐화된 신경줄기세포 및 암세포를 공동-배양하여 신경줄기세포의 신경세포로의 분화를 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.The present inventors have tried to develop a 3D cell co-culture microfluidic device capable of regulating the differentiation environment of cells. As a result, the molecular diffusion of the culture medium according to the gelatin hydrogel concentration of the barrier composed of gelatin hydrogel was controlled, and the neural stem cells and cancer cells encapsulated in the collagen hydrogel were co-cultured to form neural stem cells By confirming differentiation into neurons, the present invention has been completed.

따라서, 본 발명의 목적은 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치를 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a hydrogel-based 3D cell co-culture microfluidic device.

본 발명의 다른 목적은 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치의 제조방법을 제공하는 데 있다.
It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a hydrogel-based 3D cell co-culture microfluidic device.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 (a) 젤라틴 하이드로젤로 구성된 배리어(barrier); 및 (b) 콜라겐 하이드로젤로 구성된 세포 지지체(scaffold);로 구성된 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양(co-culture) 미세유체(microfluidic) 장치를 제공한다.
According to one aspect of the present invention, the present invention provides a composition comprising: (a) a barrier composed of a gelatin hydrogel; And (b) a cell-based scaffold composed of collagen hydrogel. The present invention provides a hydrogel-based 3D cell co-culture microfluidic device.

본 발명자들은 세포의 분화환경을 조절할 수 있는 3D 세포 공동-배양(co-culture) 미세유체(microfluidic) 장치를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 젤라틴 하이드로젤로 구성된 배리어의 젤라틴 하이드로젤 농도에 따른 배양 배지의 분자 확산(molecule diffusion)을 조절하고, 콜라겐 하이드로젤에 캡슐화된 신경줄기세포 및 암세포를 공동-배양하여 신경줄기세포의 신경세포로의 분화를 확인하였다.
The present inventors have tried to develop a 3D cell co-culture microfluidic device capable of regulating the differentiation environment of cells. As a result, the molecular diffusion of the culture medium according to the gelatin hydrogel concentration of the barrier composed of gelatin hydrogel was controlled, and the neural stem cells and the cancer cells encapsulated in the collagen hydrogel were co-cultured, .

본 발명의 주요한 특징은 세포 공동-배양을 위한 미세유체 장치에 하이드로젤로 구성된 배리어를 두어 공동-배양하는 세포 사이의 분자 확산을 조절하는 데 있다.The main feature of the present invention is to control the diffusion of molecules between cells co-cultivating a barrier composed of hydrogel in a microfluidic device for cell co-culture.

본 발명의 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치는 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤로 구성된 배리어를 포함한다.The hydrogel-based 3D cell co-culture microfluidic device of the present invention comprises a barrier composed of hydrogel mixed with gelatin and acrylic polymer.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 아크릴 고분자는 메타크릴산 공중합체, 메틸 메타크릴산 공중합체, 아크릴산 및 메타크릴산 공중합체, 에톡시에틸 메타크릴산 공중합체, 시아노에틸 메타크릴산 공중합체, 아미노알킬 메타크릴산 공중합체, 폴리(아크릴산) 공중합체, 폴리아크릴아마이드 공중합체, 글리시딜 메타크릴산 공중합체 및 이의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 아크릴 고분자이고, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 아크릴 고분자는 메타크릴산 공중합체, 메틸 메타크릴산 공중합체, 아크릴산 및 메타크릴산 공중합체 및 이의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 아크릴 고분자이며, 본 발명의 특정 구현예에 따르면, 상기 아크릴 고분자는 메타크릴산 공중합체이다.According to an embodiment of the present invention, the acrylic polymer may be a methacrylic acid copolymer, a methyl methacrylic acid copolymer, an acrylic acid and a methacrylic acid copolymer, an ethoxyethyl methacrylic acid copolymer, a cyanoethyl methacrylic acid copolymer Wherein the acrylic polymer is an acrylic polymer selected from the group consisting of poly (meth) acrylic acid copolymers, aminoalkyl methacrylic acid copolymers, poly (acrylic acid) copolymers, polyacrylamide copolymers, glycidyl methacrylic acid copolymers, , The acrylic polymer is an acrylic polymer selected from the group consisting of a methacrylic acid copolymer, a methyl methacrylic acid copolymer, an acrylic acid and a methacrylic acid copolymer, and a mixture thereof. According to a specific embodiment of the present invention, The acrylic polymer is a methacrylic acid copolymer.

본 발명의 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤은 농도를 조절하여 세포 공동-배양의 분자 확산을 조절할 수 있다. 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤은 당업계의 공지된 다양한 방법에 따라 제조할 수 있다. 예컨대, PBS(Phosphate Buffered Saline)에 젤라틴을 완전히 용해될 때까지 50℃로 교반하여 혼합하고, 무수 메타크릴산(methacrylic anhydride)를 0.5 ㎖/분의 속도로 첨가하여 GelMA(Gelatin methacylate) 하이드로젤을 제조한다.The hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer of the present invention can control the molecular diffusion of the cell co-culture by controlling the concentration. The hydrogel in which the gelatin and the acrylic polymer are mixed can be prepared according to various methods known in the art. For example, gelatin was mixed with PBS (Phosphate Buffered Saline) at 50 ° C until completely dissolved, mixed with methacrylic anhydride at a rate of 0.5 ml / min, and gelatin methacylate hydrogel .

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤은 1-50 중량%의 농도를 갖는다.According to one embodiment of the present invention, the hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer has a concentration of 1-50 wt%.

본 발명의 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤의 농도를 조절하여 세포 공동-배양의 분자 확산을 조절할 수 있다. 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤의 농도가 1-20 중량%인 경우, 분자 확산이 진행되어 공동-배양되는 세포는 상호작용하게 된다. 또한, 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤의 농도가 21-50 중량%인 경우, 분자 확산이 억제되어 공동-배양되는 세포의 상호작용이 차단된다.The molecular diffusion of the cell co-culture can be controlled by adjusting the concentration of the hydrogel in which the gelatin and the acrylic polymer are mixed according to the present invention. When the concentration of the hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer is 1-20% by weight, molecular diffusion proceeds and co-cultured cells interact with each other. When the concentration of the hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer is in the range of 21-50 wt%, the molecular diffusion is inhibited and the interaction of the co-cultured cells is blocked.

본 발명의 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치의 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤은 광가교결합(photo-crosslinking) 한다.The hydrogel mixed with the gelatin and acrylic polymer of the hydrogel-based 3D cell co-culture microfluidic device of the present invention photo-crosslinks.

본 명세서에서, 용어 “광가교결합”은 광개시제(photoinitiator)의 존재하에 빛을 조사하여 공유적 및 물리적으로 가교결합을 형성시켜 중합시키는 과정을 의미한다. 상기 광개시제는 화학물질로 빛에 의해 중합 반응 및/또는 라디칼 가교결합을 개시한다.As used herein, the term " photocrosslinking " refers to a process in which light is irradiated in the presence of a photoinitiator to form covalent and physical crosslinks to polymerize. The photoinitiator is a chemical that initiates polymerization and / or radical crosslinking by light.

본 발명의 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤의 광가교결합은 GelMA 하이드로젤을 PBS 및 광개시제(photo-initiator)인 80℃의 2-히드록시-1-(4-(히드록시에톡시)페닐)-2-메틸-1-프로파논(2-hydroxy-1-(4-(hydroxyethoxy)phenyl)-2-methyl-1-propanone)과 혼합하고, 챔버에 주입한 후, 자외선(360-480 ㎚ 파장)을 조사하여 광-가교결합을 유도한다.The photocrosslinking of gelatin and acrylic polymer mixed hydrogel of the present invention can be carried out by mixing GelMA hydrogel with PBS and 2-hydroxy-1- (4- (hydroxyethoxy) phenyl (2-hydroxy-1- (4- (hydroxyethoxy) phenyl) -2-methyl-1-propanone), injected into a chamber, Wavelength) to induce photo-crosslinking.

본 발명의 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치는 콜라겐 하이드로젤을 포함한다.The hydrogel-based 3D cell co-culture microfluidic device of the present invention includes collagen hydrogel.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 콜라겐은 콜라겐 타입 Ⅰ, 콜라겐 타입 Ⅱ, 콜라겐 타입 Ⅲ, 콜라겐 타입 Ⅳ, 콜라겐 타입 Ⅴ 및 이의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 콜라겐이고, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 콜라겐은 콜라겐 타입 Ⅰ, 콜라겐 타입 Ⅱ, 콜라겐 타입 Ⅲ 및 이의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 콜라겐이며, 본 발명의 특정 구현예에 따르면, 상기 콜라겐은 콜라겐 타입 Ⅰ이다.According to one embodiment of the present invention, the collagen is a collagen selected from the group consisting of Collagen Type I, Collagen Type II, Collagen Type III, Collagen Type IV, Collagen Type V and mixtures thereof, and in another embodiment of the present invention According to a specific embodiment of the present invention, the collagen is collagen type I, collagen type II, collagen type III and mixtures thereof.

본 발명의 상기 콜라겐 하이드로젤은 세포 공동-배양을 위한 스캐폴드로 이용된다. 본 명세서에서 사용되는 용어“스캐폴드”는 “인공지지체” 또는 “세포 담체”와 동일한 의미이다.The collagen hydrogel of the present invention is used as a scaffold for cell co-culture. The term " scaffold " as used herein has the same meaning as " scaffold " or " cell carrier ".

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 콜라겐 하이드로젤은 세포가 캡슐화(encapsulation) 된다.According to one embodiment of the present invention, the collagen hydrogel is encapsulated by cells.

본 명세서에서 용어, “캡슐화”는 세포 캡슐화로, 세포 대사의 필수적인 산소, 영양, 성장인자 등의 유입, 및 노폐물 및 치료 단백질의 유출과 같은 분자의 양방향성 확산이 가능하게 중합된 반-투과성 젤(또는 막) 내 세포가 고정화되는 것을 의미한다. 세포 캡슐화 기술의 주요 동기는 조직 공학 적용에 있어 이식편거부반응(graft rejection)에 존재하는 문제를 극복하여 장기 이식 후 부작용을 조적하기 위한 면역억제 약물의 장기(long-term) 사용을 감소시키기 위함이다.As used herein, the term " encapsulation " refers to the encapsulation of a semi-permeable gel (e.g., a gelatinized starch) that is capable of bi-directional diffusion of molecules, such as inflow of essential oxygen, nutrients, growth factors, Or membrane) is immobilized. The main motivation for cell encapsulation technology is to overcome the problems existing in graft rejection in tissue engineering applications to reduce the long-term use of immunosuppressive drugs to combat side effects after organ transplantation .

상기 세포가 캡슐화된 콜라겐 하이드로젤은 세포의 3D 배양을 가능하게 한다.The collagen hydrogel in which the cells are encapsulated enables 3D culture of the cells.

본 명세서 용어“3D 세포 배양”은 3차원적으로 생물학적 세포가 성장하고 주변 환경과 상호작용 할 수 있도록 인공적으로 조성된 환경에서 배양하는 것을 의미한다.
The term " 3D cell culture " in this specification means culturing in an artificially created environment such that biological cells can grow and interact with the surrounding environment in three dimensions.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치의 제조방법을 제공한다:According to another aspect of the present invention, there is provided a method of making a hydrogel-based 3D cell co-cultured microfluidic device comprising the steps of:

(a) 제1 내지 제5의 5개의 챔버로 구성된 챔버(chamber) 및 상기 챔버를 연결하는 브릿지 채널(bridge channel)를 포함하는 미세유체 장치를 제조하는 단계;(a) fabricating a microfluidic device including a chamber consisting of five to five chambers and a bridge channel connecting the chambers;

(b) 상기 제3챔버에 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤을 주입하는 단계;(b) injecting a hydrogel mixed with gelatin and acrylic polymer into the third chamber;

(c) 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤을 광가교결합(photo-crosslinking)하는 단계;(c) photo-crosslinking the hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer;

(d) 콜라겐 하이드로젤로 2종류의 세포를 각각 캡슐화(encapsulation)하는 단계;(d) encapsulating the two kinds of cells with a collagen hydrogel, respectively;

(e) 단계 (d)의 결과물을 제2 및 제4챔버에 각각 주입하는 단계; 및(e) injecting the result of step (d) into the second and fourth chambers, respectively; And

(f) 세포를 공동-배양하는 단계.
(f) co-culturing the cells.

본 발명의 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치를 제조하기 위해, 먼저, 제1 내지 제5의 5개의 챔버로 구성된 챔버(chamber) 및 상기 챔버를 연결하는 브릿지 채널(bridge channel)를 포함하는 미세유체 장치를 제조한다.In order to manufacture the hydrogel-based 3D cell co-culture microfluidic device of the present invention, first, a chamber composed of five to five chambers and a bridge channel connecting the chambers are formed To produce a microfluidic device.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 미세유체 장치는 공지된 방법을 이용하여 2 단계 포토리소그래피(photolithography) 방법으로 챔버 및 브리지 채널을 제조한다. 간단하게, 3D 미세유체 공동-배양 장치를 제조하기 위해, AutoCAD 프로그램으로 챔버 및 브리지 채널을 디자인한다. 브리지 채널을 제조하기 위해, SU-8 25 포토레지스트(photoresist)를 실리콘 웨이퍼 상에 스핀-코팅(1000 rpm, 60 초 및 40 Gm in thickness)하고, 챔버를 제조하기 위해, SU-8 100을 SU-8 25 포토레지스트-패턴 기질 상에 스핀-코팅(1000 rpm, 60 초 및 250 Gm in thickness)한다. PDMS[poly(dimethylsiloxane)] 전구 용액(precursor solution)을 포토레지스트-패턴 실리콘 웨이퍼로 본뜨고, PDMS-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치를 글래스 슬라이드에 산소 플라스마 처리하여 접착하여 제조한다.According to an embodiment of the present invention, the microfluidic device manufactures chamber and bridge channels in a two-step photolithography process using known methods. Briefly, to fabricate 3D microfluidic co-culture devices, design chamber and bridge channels with the AutoCAD program. SU-8 25 photoresist was spin-coated (1000 rpm, 60 seconds and 40 Gm in thickness) on silicon wafers and SU-8 100 was coated with SU -8 8 Spin-coat (1000 rpm, 60 seconds and 250 Gm in thickness) on the photoresist-patterned substrate. PDMS [poly (dimethylsiloxane)] precursor solution is viewed as a photoresist-patterned silicon wafer, and a PDMS-based 3D microfluidic co-culture device is bonded to a glass slide by oxygen plasma treatment.

다음, 상기 제조된 미세유체 장치의 제3챔버에 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤을 주입한다.Next, a hydrogel mixed with gelatin and acrylic polymer is injected into the third chamber of the microfluidic device.

상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤은 상기 미세유체 장치에서 배리어 역할을 하게 된다. 본 발명의 미세유체 장치를 구성하는 제1 내지 제5의 5개의 챔버는 도 1a의 a 내지 e 챔버를 참조한다. 중심에 위치하는 제3챔버 즉, c 챔버에 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤을 주입한다.The hydrogel in which the gelatin and the acrylic polymer are mixed acts as a barrier in the microfluidic device. The first to fifth chambers constituting the microfluidic device of the present invention refer to the chambers a to e of FIG. 1A. The third chamber located at the center, that is, the c chamber, is filled with the hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer.

상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤는 광가교결합되어야 하므로 광개시제를 포함하며 챔버 주입 후, UV를 조사하여 광가교결합을 유도한다.The hydrogel in which the gelatin and the acrylic polymer are mixed should be photo-crosslinked. Therefore, the photo-initiator includes a photoinitiator. After injecting the chamber, UV is irradiated to induce photo-crosslinking.

다음, 세포 공동-배양을 위해, 2 종류의 세포를 각각 콜라겐 하이드로젤로 캡슐화하여 제2 및 제4챔버에 각각 주입한다. 상기 제2 및 제4챔버는 도 1a의 b 및 d 챔버에 해당한다.Next, for cell co-culture, the two types of cells are each encapsulated with collagen hydrogel and injected into the second and fourth chambers, respectively. The second and fourth chambers correspond to the chambers b and d of FIG. 1A.

상기 캡슐화된 세포의 배양을 위해, 제1 및 제5챔버에 배양 배지를 주입한다. 상기 제1 및 제5챔버는 도 1a의 a 및 e 챔버는 도 1a의 a 및 e 챔버에 해당한다. 상기 배양 배지는 당업계에 공지된 어떠한 배양 배지를 주입할 수 있으며, 예컨대, DMEM(Dulbecco's Modified Eagle Medium), F12, RPMI1640 및 이의 혼합물로 구성된 군으로 부터 선택되는 하나 이상의 배양 배지를 기본 배양 배지로 하고, 당업계에 공지된 다양한 서플리먼트를 추가적으로 포함할 수 있다. 예컨대, B27 서플리먼트, L-글루타민, 젠타마이신, 헤파린, FBS(Fetal Bovine Serum) 및 페니실린-트렙토마이신 등이 있으며, 이에 제한되지 않는다.For culturing the encapsulated cells, the culture medium is injected into the first and fifth chambers. The first and fifth chambers correspond to a and e chambers in FIG. 1A, respectively. The culture medium may be injected with any culture medium known in the art, for example, one or more culture medium selected from the group consisting of DMEM (Dulbecco ' s Modified Eagle Medium), F12, RPMI1640 and mixtures thereof as a basic culture medium And may additionally include various supplements known in the art. For example, B27 supplement, L-glutamine, gentamycin, heparin, FBS (Fetal Bovine Serum) and penicillin-treptomycin.

마지막으로, 세포를 공동-배양한다.Finally, cells are co-cultured.

본 발명에 일 구현예에 따르면, 상기 세포는 신경줄기세포(neural stem cell), 배아 줄기세포(embryonic stem cell; ESC), 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell; iPSC), 조혈모세포(haematopoietic stem cell; HSC), 조혈전구세포(haemopoietic precursor cell; HPC), 림프 선조 세포(lymphoid progenitor cell) 및 흉선 선조 세포(thymic progenitor cell)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 줄기세포; 및 유방암세포, 전립선암세포, 직장암세포, 폐암세포, 췌장암세포, 난소암세포, 방광암세포, 자궁내막암세포, 자궁경부암세포, 간암세포, 신장암세포, 갑상선암세포, 골암세포, 림프종암세포 및 피부암세포로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 암세포이다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 세포는 신경줄기세포, 배아 줄기세포 및 유도만능줄기세포로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 줄기세포; 및 유방암세포, 전립선암세포, 직장암세포 및 폐암세포로 구성된 군으로부터 선택되는 암세포이다. 본 발명의 특정 구현예에 따르면, 상기 세포는 신경줄기세포 및 유방암세포이다.According to one embodiment of the present invention, the cell is a neural stem cell, an embryonic stem cell (ESC), an induced pluripotent stem cell (iPSC), a haematopoietic stem cell One or more stem cells selected from the group consisting of HSC, haemopoietic precursor cells (HPC), lymphoid progenitor cells, and thymic progenitor cells; And cancer cells, breast cancer cells, prostate cancer cells, rectal cancer cells, lung cancer cells, pancreatic cancer cells, ovarian cancer cells, bladder cancer cells, endometrial cancer cells, cervical cancer cells, liver cancer cells, kidney cancer cells, thyroid cancer cells, bone cancer cells, lymphoma cancer cells and skin cancer cells Lt; / RTI > cancer cells. According to another embodiment of the present invention, the cell comprises at least one stem cell selected from the group consisting of neural stem cells, embryonic stem cells, and induced pluripotent stem cells; And cancer cells selected from the group consisting of breast cancer cells, prostate cancer cells, rectal cancer cells and lung cancer cells. According to a particular embodiment of the invention, the cell is a neural stem cell and a breast cancer cell.

본 발명의 방법은 상기 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치의 제조방법으로, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
The method of the present invention is a method for manufacturing the hydrogel-based 3D-cell co-cultured microfluidic device, the description of which is common between the two is omitted in order to avoid the excessive complexity of the present specification.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다: The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(a) 본 발명은 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양(co-culture) 미세유체(microfluidic) 장치 및 이의 제조방법을 제공한다.(a) The present invention provides a hydrogel-based 3D cell co-culture microfluidic device and a method of manufacturing the same.

(b) 본 발명은 세포의 분화환경 조절과 공동 배양을 위한 중요한 도구로 사용될 수 있다.(b) The present invention can be used as an important tool for controlling the cell differentiation environment and co-culturing.

(c) 본 발명은 생체적합성이 우수하고, 기계적 물성이 좋으며 경제적이다.
(c) The present invention is excellent in biocompatibility, mechanical properties, and economy.

도 1a 내지 1c는 광가교결합 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치를 나타낸다. 도 1a는 5개의 챔버 및 4개의 브리지 채널로 구성된 광가교결합 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치의 도식을 나타낸다. 도 1b는 광가교결합 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치의 횡단면을 나타낸다. 도 1c는 광가교결합 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치의 사진을 나타낸다.
도 2a 내지 2c는 광가교결합 GelMA 하이드로젤의 5 w/v%, 15 w/v% 및 25 w/v%에 따른 SEM 이미지를 나타낸다. 스케일바는 20 ㎛를 나타낸다.
도 3a 내지 3b는 GelMA 하이드로젤 농도(5-25 w/v%)의 영향을 나타낸다. 도 3a 및 3b는 각각 구멍 크기 및 종횡비를 나타낸다. 종횡비는 구멍의 길이를 구멍의 너비로 나눈 값을 의미한다(*p<0.05, **p<0.01).
도 4a 내지 4d는 광가교결합 GelMA 하이드로젤-로딩 3D 미세유체 공동-배양 장치의 분자 확산의 분석을 나타낸다. 도 4a는 GelMA 하이드로젤-로딩 c 챔버, 및 콜라겐 타입 Ⅰ 젤-로딩 b 및 d 챔버의 형광 이미지를 나타낸다. 도 4b는 녹색 형광 다이-로딩 a-b 챔버, 25 w/v% GelMA 하이드로젤-로딩 c 챔버 및 빨강색 형광 다이-로딩 d-e 챔버의 형광 이미지를 나타낸다. 도 4c 및 4d는 각각 GelMA 하이드로젤-로딩 c 챔버의 분자확산에 대한 1일 및 6일의 결과를 나타낸다(*p<0.05, **p<0.01). FITC-덱스트란(20 kDa) 용액을 a 챔버에 로딩하였다. 형광 분자는 b 챔버에서 d 챔버로 확산되었다. 스케일바는 1 ㎜를 나타낸다.
도 5a 내지 5d는 NSC 및 암세포가 배양된 2D 표면 및 3D 콜라겐 젤을 나타낸다. 도 5a는 2D 표면에서 6일 동안 배양한 NSC-유래 신경세포의 공촛점 현미경 이미지를 나타낸다. 도 5b는 2D 표면에서 6일 동안 배양한 암세포의 공촛점 현미경 이미지를 나타낸다. 도 5c는 3D 콜라겐 젤에서 6일 동안 배양한 NSC의 신경 분화의 공촛점 현미경 이미지를 나타낸다. 도 5d는 3D 콜라겐 젤에서 6일 동안 배양한 암세포의 공촛점 현미경 이미지를 나타낸다. 스케일바는 50 ㎛를 나타낸다.
도 6a 내지 6e는 하이드로젤-기반 3D 미세유체 장치의 NSC 및 암세포 공동배양을 나타낸다. 도 6a는 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치에서 6일 동안 배양된 NSC로부터 신경세포 분화의 공촛점 현미경 이미지를 나타낸다. 도 6b는 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치에서 6일 동안 배양된 암세포의 공촛점 현미경 이미지를 나타낸다. 도 6c는 도 6a의 흰점선박스의 고배율 공촛점 현미경 이미지를 나타낸다. 도 6d는 도 6b의 흰점선박스의 고배율 공촛점 현미경 이미지를 나타낸다. 도 6e는 광가교결합 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치의 NSC-유래 신경세포 분화의 분석 결과를 나타낸다. 스케일바는 50 ㎛를 나타낸다.
Figures 1A-1C show a photocrosslinked hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device. Figure 1 a shows a schematic of a photocrosslinking hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device consisting of five chambers and four bridge channels. Figure IB shows a cross-section of a photocrosslinked hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device. Figure 1c shows a photograph of a photocrosslinked hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device.
Figures 2A-2C show SEM images according to 5 w / v%, 15 w / v% and 25 w / v% of photo-crosslinked GelMA hydrogel. The scale bar represents 20 mu m.
Figures 3a-3b show the effect of GelMA hydrogel concentration (5-25 w / v%). 3A and 3B show the hole size and the aspect ratio, respectively. The aspect ratio means the length of the hole divided by the width of the hole (* p <0.05, ** p <0.01).
Figures 4a-4d depict an analysis of the molecular diffusion of a photocrosslinked GelMA hydrogel-loaded 3D microfluidic co-culture device. 4A shows a fluorescence image of a GelMA hydrogel-loading c chamber, and a collagen type I gel-loading b and d chamber. Figure 4b shows a fluorescence image of a green fluorescent dye-loaded ab chamber, a 25 w / v% GelMA hydrogel-loading c chamber and a red fluorescence die-loading de chamber. Figures 4c and 4d show the results of 1 day and 6 days for molecular diffusion of the GelMA hydrogel-loading c chamber, respectively (* p < 0.05, ** p < 0.01). The FITC-dextran (20 kDa) solution was loaded into the a chamber. Fluorescent molecules were diffused from the b chamber to the d chamber. The scale bar represents 1 mm.
Figures 5a to 5d show 2D surfaces and 3D collagen gels in which NSCs and cancer cells have been cultured. Figure 5a shows a confocal microscope image of NSC-derived neurons cultured for 6 days on a 2D surface. FIG. 5B shows a confocal microscope image of cancer cells cultured on a 2D surface for 6 days. FIG. Figure 5c shows a confocal microscopic image of neural differentiation of NSC cultured in 3D collagen gel for 6 days. 5D shows a confocal microscope image of cancer cells cultured in 3D collagen gel for 6 days. The scale bar represents 50 占 퐉.
Figures 6a through 6e show NSC and cancer cell co-cultures of a hydrogel-based 3D microfluidic device. Figure 6a shows a confocal microscopic image of neuronal differentiation from NSCs cultured for 6 days in a hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device. 6B shows a confocal microscope image of cancer cells cultured for 6 days in a hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device. Figure 6c shows a high magnification confocal microscope image of the white dotted box of Figure 6a. Figure 6d shows a high magnification confocal microscope image of the white dotted box of Figure 6b. Figure 6E shows the results of analysis of NSC-derived neuronal differentiation of a photo-crosslinked hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device. The scale bar represents 50 占 퐉.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 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 embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예Example

실험 재료 및 실험 방법Materials and Experiments

3D 미세유체 공동-배양 장치의 제조Manufacture of 3D microfluidic co-culture apparatus

공지된 방법을 이용하여 2 단계 포토리소그래피(photolithography) 방법으로 챔버 및 브리지 채널을 제조하였다.25 3D 미세유체 공동-배양 장치를 제조하기 위해, AutoCAD 프로그램으로 챔버 및 브리지 채널을 디자인하였다. 브리지 채널을 제조하기 위해, SU-8 25 포토레지스트(photoresist)를 실리콘 웨이퍼 상에 스핀-코팅(1000 rpm, 60 초 및 40 Gm in thickness)하였다. 챔버를 제조하기 위해, SU-8 100을 SU-8 25 포토레지스트-패턴 기질 상에 스핀-코팅(1000 rpm, 60 초 및 250 Gm in thickness)하였다. PDMS[poly(dimethylsiloxane)] 전구 용액을 포토레지스트-패턴 실리콘 웨이퍼로 본뜨고, PDMS-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치를 글래스 슬라이드에 산소 플라스마 처리(Femto Scientific, 대한민국)하여 접착하였다.
Chamber and bridge channels were fabricated by a two-step photolithography method using known methods. 25 3D microfluidic co-cultured to prepare the device, the chamber was designed and bridge channel as AutoCAD program. To fabricate the bridge channel, SU-8 25 photoresist was spin-coated (1000 rpm, 60 seconds and 40 Gm in thickness) on a silicon wafer. To prepare the chamber, SU-8100 was spin-coated (1000 rpm, 60 seconds and 250 Gm in thickness) on SU-8 25 photoresist-patterned substrate. The PDMS [poly (dimethylsiloxane)] precursor solution was viewed as a photoresist-patterned silicon wafer and the PDMS-based 3D microfluidic co-culture device was bonded to the glass slide by oxygen plasma treatment (Femto Scientific, Korea).

GelMA 하이드로젤 합성GelMA Hydrogel Synthesis

공지된 방법에 따라 광가교결합 GelMA 하이드로젤을 합성하였다.26,27 간단하게, 타입 A 돼지 피부 젤라틴을 50℃에서 교반하고, 완전히 용해할때까지 PBS(Phosphate Buffered Saline, GIBCO, 미국)을 혼합하였다. 2시간동안 교반 조건에서 무수 메타크릴산(methacrylic anhydride)를 0.5 ㎖/분의 속도로 첨가하였다. 혼합물을 12-14 kDa 컷오프 투석 튜브에 넣고, 3-4일 동안 40℃의 조건에서 증류수로 투석하여, 염 및 메타크릴산을 제거하였다. 용액을 1주 동안 동결건조하고 -80℃에 보관하였다.
A photocrosslinked GelMA hydrogel was synthesized according to a known method. 26 and 27 briefly, the type A pork skin gelatin and stirred at 50 ℃, and mixed with a PBS (Phosphate Buffered Saline, GIBCO, USA) until completely dissolved. Methacrylic anhydride was added at a rate of 0.5 ml / min under stirring conditions for 2 hours. The mixture was placed in a 12-14 kDa cut-off dialysis tube and dialyzed against distilled water at 40 ° C for 3-4 days to remove salts and methacrylic acid. The solution was lyophilized for one week and stored at -80 ° C.

주사형 전자 현미경Scanning electron microscope

주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)을 이용하여 GelMA 하이드99b로젤의 구조를 분석하였다. 팽창된 하이드로젤을 냉동시키고 동결건조하였다. 동결건조된 시료를 절단하고 터보 스푸터 제피기(EMITECH, K575X)를 이용하여 단면을 백금으로 코팅하였다. 20 kV 고압에서 SEM 이미지를 수득하였다. 이미지 J 소프트웨어로 분석하여 다공성 및 측면의 정량하였다.
The structure of GelMA Hyde 99b roseline was analyzed using Scanning Electron Microscope (SEM). The expanded hydrogel was frozen and lyophilized. The lyophilized sample was cut and plated with platinum using a turbo sprayer (EMITECH, K575X). SEM images were obtained at 20 kV high pressure. Image J software was used to analyze porosity and aspect.

NSC 및 암세포의 배양Culture of NSC and cancer cells

라미닌-코딩 배양 플라스크에서 2% B27 서플리먼트, 1% L-글루타민, 10 ㎍/㎖ 젠타마이신(Invitrogen, Auckland, 뉴질랜드) 및 10 유니트/㎖ 헤파린(Sigma, MO, 미국)이 첨가된 DMEM:F12(Dulbecco's Modified Eagle Medium: Nutrient Mixture F-12) 배지로 인간 NSC(ReN VM 세포주)를 5% CO2, 37℃ 조건의 인큐베이터에서 배양하였다. 배양 플라스크에 부착된 세포를 떼기 위해 아큐테이스(accutase)를 사용하였다. 또한, 인간 유방암세포(breast carcinoma cell line; MCF7)를 배양하였다. 10% FBS(fetal bovine serum) 및 1% 페니실린-트렙토마이신이 첨가된 DMEM에서 배양하였다.
(DMEM: F12) supplemented with 2% B27 supplement, 1% L-glutamine, 10 ug / ml gentamycin (Invitrogen, Auckland, New Zealand) and 10 units / ml heparin (Sigma, MO, USA) in a laminin- Human NSC (ReN VM cell line) was cultured in an incubator under the conditions of 5% CO 2 and 37 ° C with Dulbecco's Modified Eagle Medium: Nutrient Mixture F-12 medium. Accutase was used to remove the cells attached to the culture flask. In addition, human breast cancer cell line (MCF7) was cultured. And cultured in DMEM supplemented with 10% FBS (fetal bovine serum) and 1% penicillin-streptomycin.

GelMA 하이드로젤 및 세포-캡슐화 콜라겐 겔의 로딩GelMA Hydrogel and Cell-Loading of Encapsulated Collagen Gel

동결건조된 25 w/v% GelMA 하이드로젤을 PBS 및 광개시제(photo-initiator)인 80℃의 0.5 w/v% 2-히드록시-1-(4-(히드록시에톡시)페닐)-2-메틸-1-프로파논(2-hydroxy-1-(4-(hydroxyethoxy)phenyl)-2-methyl-1-propanone, Irgacure 2959, CIBA Chemicals)과 혼합하였다. 8 ㎕ GelMA 하이드로젤 용액을 3D 미세유체 공동-배양 장치의 c 챔버의 주입구에 투입하였고(도 1a), 자외선(360-480 ㎚ 파장)을 20초 동안 조사하여 광-가교결합시켰다. 3D로 세포배양하기 위해, 얼음 상에서 2×106 세포/㎖ NSC 및 암 세포를 2 ㎎/㎖ 콜라겐 타입 Ⅰ 겔에 캡슐화하였다. 6 ㎕ 세포-캡슐화된 콜라겐 겔을 3D 미세유체 공동-배양 장치의 b 챔버 및 d 챔버의 주입구에 각각 투입하였다(도 1a). 세포를 30-40분 동안 37℃에서 항온배양하였다.
The lyophilized 25 w / v% GelMA hydrogel was dissolved in PBS and a photo-initiator at a concentration of 0.5 w / v% 2-hydroxy-1- (4- (hydroxyethoxy) phenyl) -2- 2-methyl-1-propanone, Irgacure 2959, CIBA Chemicals). 8 [mu] l GelMA hydrogel solution was injected into the c chamber inlet of the 3D microfluidic co-culture apparatus (Fig. 1A) and photo-crosslinked by irradiation with ultraviolet light (360-480 nm wavelength) for 20 seconds. To culture cells in 3D, 2 x 106 cells / ml NSC and cancer cells on ice were encapsulated in 2 mg / ml collagen type I gel. 6 [mu] l cell-encapsulated collagen gel was injected into the b-chamber and the d-chamber of the 3D microfluidic cavity-culture apparatus, respectively (Fig. The cells were incubated at 37 [deg.] C for 30-40 minutes.

면역세포화학법Immunocytochemistry

GelMA 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치에서 6일 동안 배양한 후에, 세포를 실온에서 15분 동안 4% 파라포름알데하이드(paraformaldehyde)로 고정하였다. PBS로 세척한 후, 1% 트리톤 X-100(in PBS)를 30분 동안 세포에 처리하여 투과성을 부여하고 1% BSA(bovine serum albumin, Sigma, USA)로 1시간 동안 블로킹하였다. 세포를 1차 항체[항-신경 클래스 Ⅲ β-튜불린(Tuj1), Stem Cell Technology, 캐나다]로 밤새 면역염색하고, 2차 항체(Alexa Fluor 488 고트 항-마우스 IgG 및 Alexa fluor 594 팔로이딘, Invitrogen, 미국)로 6시간 동안 실온에서 반응시켰다. 또한, DAPI(0.1 ㎍/㎖)로 실온에서 30분동안 세포 핵을 염색하였다.
After 6 days of incubation in a GelMA hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device, cells were fixed with 4% paraformaldehyde for 15 minutes at room temperature. After washing with PBS, the cells were treated with 1% Triton X-100 (in PBS) for 30 minutes to give permeability and blocked with 1% BSA (bovine serum albumin, Sigma, USA) for 1 hour. Cells were immunostained overnight with primary antibody (anti-nerve class Ⅲ β-tubulin (Tuj1), Stem Cell Technology, Canada) and incubated with secondary antibody (Alexa Fluor 488 goto anti-mouse IgG and Alexa fluor 594 paloidine, Invitrogen, USA) at room temperature for 6 hours. Cell nuclei were also stained with DAPI (0.1 [mu] g / ml) for 30 minutes at room temperature.

결과 및 고찰Results and Discussion

GelMACome 하이드로젤Hydrogel -기반 3D 미세유체 공동-배양 장치의 제조-Based 3D microfluidic co-culture apparatus

광가교결합 가능한 GelMA 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치를 개발하였다(도 1). GelMA 하이드로젤-기반 3D 미세유체 장치는 2단계 포토리소그래피 공정에 의해 5 챔버(a 내지 e 챔버) 및 4 브리치 채널로 구성되게 제조된다(도 1a). 5 챔버(250 ㎛ 두께)는 미세한 홈의 브리지 채널(40 ㎛ 두께)로 연결된다(도 1b). 250 ㎛ 두께의 챔버는 GelMA 하이드로젤 및 세포-캡슐화 콜라겐 타입 Ⅰ 겔의 중합으로 채워진다. 40 ㎛ 두께의 미세한 홈의 채널은 유체의 저항을 증가시킨다. UV로 마스크 필름을 통해 c 챔버의 GelMA 하이드로젤을 광가교결합하하고, c 챔버 내부의 GelMA 하이드로젤이 선별적으로 광-패턴화됨을 확인하였다. GelMA 하이드로젤의 광-가교 후, 하이브리드 실링(sealing) 테이프로 c 챔버의 주입구 및 배출구를 밀폐하여 c 챔버의 주입구 및 배출구 내 용액의 증발을 차단하였다. c 챔버의 광-가교결합 GelMA 하이드로젤은 물리적 장벽으로 브리지 채널을 통한 분자 확산을 억제한다. 세포-캡슐화 콜라겐 타입 Ⅰ을 b 챔버 및 d 챔버에 로딩하였다. 신경세포 및 교질세포는 이전에 다구획 미세유체 장치에서 공동-배양되었다.28 중추신경계(central nervous system; CNS)의 액손을 6 주변 다구획 미세체널에서 분리하였다. 분리된 액손 층으로 성상세포 및 희돌기교세포 전구세포에 대한 공동-배양의 영향을 확인하였다. 이는 액손이 성상세포보다 위에 성장하여 성상세포는 액손을 밀어버림으로 인해, 성상세포에 의해 액손 층이 분열되었다. 반면에, 분리된 액손은 공동-배양되는 동안, 희돌기교세포 전구세포에서 성숙 미엘린(myelin) 단백질이 높게 발현되었다. 그러므로, 다구획 미세유체 배양 장치는 액손-글리아 상호작용 및 고속대량 약물스크리닝에 많은 이점을 갖는다. 신경세포 및 성상세포는 근위측성 측색 경화증과 유사한 미세유체 장치에서 공동-배양되었다.29 미세유체 장치에서 직접 세포-세포 연결 없이 신경세포를 감염된 성상세포와 공동배양하여 세포-세포 대사 변화(cell-cell metabolic gradients)를 생성하였다. 이는 신경세포와 공동-배양된 감염 성상세포의 밀도가 크게 감소됨을 나타내었다. 신경세포-성상세포 공동-배양 미세유체 장치에서 글루타메이트 변화가 생성되어, 글루타메이트의 적당한 처리는 신경세포의 사멸에 영향을 주지 않았다. 이러한 이전의 신경세포-교질세포 상호작용을 조사한 미세유체 공동-배양 장치는 신경줄기세포 및 암 세포의 공동-배양을 위한 광가교결합 하이드로젤-기반 3D 미세유체 장체가 고려되지 않았다.
A photocrosslinkable GelMA hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device was developed (Fig. 1). The GelMA hydrogel-based 3D microfluidic device is fabricated by a two-step photolithography process to consist of five chambers (a to e chambers) and four breech channels (Fig. 1A). Five chambers (250 占 퐉 thickness) are connected by a fine groove bridge channel (40 占 퐉 thickness) (Fig. 1b). A chamber of 250 μm thickness is filled with a gelation of GelMA hydrogel and cell-encapsulated collagen type I gel. A channel of fine grooves of 40 μm thickness increases the resistance of the fluid. The Gel chamber hydrogel of the c chamber was photocrosslinked through the mask film with UV, and the GelMA hydrogel inside the chamber c was selectively photo-patterned. After photo-crosslinking of the GelMA hydrogel, a sealing tape was used to seal the inlet and outlet of the chamber c to block the evaporation of solution in the inlet and outlet of the chamber c. The photo-crosslinked GelMA hydrogel in the c chamber inhibits molecular diffusion through the bridge channel to the physical barrier. Cell-encapsulated collagen type I was loaded into b-chamber and d-chamber. Neurons and coliform cells were previously co-cultured in multi-section microfluidic devices. 28 The mass loss of the central nervous system (CNS) was isolated from the microchannels of the six peripheral zones. The effect of co-culture on astrocytes and glial progenitor precursor cells was confirmed by the separated axon layer. This is because the axon was grown above the astrocytes, and the astrocytes thrust out the axon, resulting in the division of the axon by the astrocytes. On the other hand, while isolated axons were co-cultured, mature myelin protein was highly expressed in spindle-cell progenitor precursor cells. Therefore, multi-compartment microfluidic culturing devices have many advantages in fastone-glare interaction and high-speed mass drug screening. Neurons and astrocytes were co-cultured in a microfluidic device similar to proximal lateral sclerosis. 29 Neuronal cells were co-cultured with infected astrocytes without cell-cell connections directly in the microfluidic device to produce cell-cell metabolic gradients. Indicating that the density of co-cultured infectious astrocytes with neurons is greatly reduced. Glutamate changes were produced in neuron-astrocytic co-cultured microfluidic devices, and proper treatment of glutamate did not affect neuronal death. Such microfluidic co-culture devices that examined these previous neuron-cell interactions did not consider the photo-crosslinked hydrogel-based 3D microfluidic bodies for co-culture of neural stem cells and cancer cells.

다공성 및 분자 확산에 대한 For Porosity and Molecular Diffusion GelMACome 하이드로젤Hydrogel 농도의 영향 Effect of Concentration

다공성에 대한 GelMA 하이드로젤 농도의 영향을 확인한 결과, 구멍 크기는 GelMA 하이드로젤 농도와 반비례함을 나타내었다(도 2). SEM 이미지는 25 w/v% GelMA 하이드로젤의 다공성으로, 5 w/v% 하이드로젤과 비교하여 균일한 크기 및 형태를 나타낸다(도 2a 내지 2c). 5 w/v% GelMA 하이드로젤의 구멍 크기는 34 ㎛인데 반해, 25 w/v% GelMA 하이드로젤의 구멍 크기는 4 ㎛였다(도 3a). 25 w/v% GelMA 하이드로젤의 다공성은 원형(종횡비=1)인 반면, 5 w/v% GelMA 하이드로젤은 타원형(종횡비=1.9, 도 3b). 또한, 분자 확산에 대한 GelMA 하이드로젤 농도의 영향을 조사하였다(도 4). FITC(fluorescein isothiocyanate)-덱스트란(20 kDa)을 b 챔버에 로딩하고 c 챔버 내 5-25 w/v% Gel을 광-패턴화하였다. 6일 동안, 25 w/v% GelMA 하이드로젤은 분자 확산을 완전히 억제하였고, 이는 25 w/v% GelMA 하이드로젤이 c 챔버에서 물리적 장벽으로 사용될 수 있음을 의미한다(도 4b). 대조적으로, 5-15 w/v% 하이드로젤-기반 미세유체 챔버에서 FITC-덱스트란 용액은 쉽게 확산되었다. 흥미롭게도, 5 w/v% GelMA 하이드로젤(34 ㎛ 다공성)을 c 챔버에 주입한 경우에, b 챔버 내 FITC-덱스트란 용액은 하루만에 d 챔버로 거의 확산되었다. 대조적으로, 25 w/v% GelMA 하이드로젤(4 ㎛ 다공성)을 c 챔버에 주입한 경우에, 6일 동안 b 챔버의 FITC-덱스트란 용액은 d 챔버로 거의 확산되지 않았다. 결과적으로, 25 w/v% GelMA 하이드로젤의 4 ㎛ 작은 다공 및 챕버(40 ㎛ 두께) 및 브리지 채널(250 ㎛ 두께) 사이의 210 ㎛ 두께 갭은 분자 확산을 억제하였고, 이는 이형 세포 사이의 교차-오염(cross-contamination)이 없음을 의미한다. 팽창 정도에 대한 GelMA 하이드로젤 농도의 영향은 이전에 조사되었다.26 이는 질량 팽창 비는 GelMA 하이드로젤의 농도와 반비례한다고 설명하며, 15 w/v% GelMA 하이드로젤의 팽창비는 5 w/v% GelMA 하이드로젤과 비교하여 50% 감소되었다. 이는 고농도 GelMA 하이드로젤은 분자 확산을 억제함을 의미한다. GelMA 하이드로젤은 2중층 미세유체 장치에 세포-세포 상호작용을 조절하기 위해 사용되었다.30 다공성 막에서 판막 내피세포를 배양하고, 내피하 3D 기질로 이용된 GelMA 하이드로젤 내 캡슐화된 판막 사이세포를 상기 다공 막 상에 배양하였다. GelMA 하이드로젤은 높은 물리적 안정성 및 생리학-관련 탄성계수를 나타내었다. 이는 판막 사이세포와 판막 내피세포의 파라크린 상호작용에 대한 전단 응력(shear stress)의 영향은 전단 응력이 적용되었을때, 내피세포가 사이세포의 병에 의한 근섬유아세포(myofibroblast)로의 분화를 억제함을 나타낸다. 그러나, 이러한 연구는 미세유체 장치 내 물리적 장벽으로서의 GelMA 하이드로젤을 고려하지 않았다.
Examination of the effect of GelMA hydrogel concentration on porosity showed that the pore size was inversely proportional to GelMA hydrogel concentration (FIG. 2). SEM images show the uniform size and morphology compared to 5 w / v% hydrogels with porosity of 25 w / v% GelMA hydrogel (Figs. 2a-2c). The pore size of the 5 w / v% GelMA hydrogel was 34 microns whereas that of 25 w / v% GelMA hydrogel was 4 microns (Figure 3a). The porosity of the 25 w / v% GelMA hydrogel is circular (aspect ratio = 1) while the 5 w / v% GelMA hydrogel is elliptical (aspect ratio = 1.9, FIG. In addition, the effect of GelMA hydrogel concentration on molecular diffusion was investigated (Figure 4). FITC (fluorescein isothiocyanate) -dextran (20 kDa) was loaded into the b-chamber and photo-patterned with 5-25 w / v% Gel in the c-chamber. For 6 days, the 25 w / v% GelMA hydrogel completely inhibited the molecular diffusion, which means that the 25 w / v% GelMA hydrogel can be used as a physical barrier in the c chamber (Fig. 4b). In contrast, the FITC-dextran solution in the 5-15 w / v% hydrogel-based microfluidic chamber was easily diffused. Interestingly, when 5 w / v% GelMA hydrogel (34 urn porosity) was injected into the c chamber, the FITC-dextran solution in the b chamber nearly spread to the d chamber in one day. In contrast, when 25 w / v% GelMA hydrogel (4 urn porosity) was injected into the c chamber, the FITC-dextran solution of b-chamber for 6 days hardly diffused into the d-chamber. As a result, a 210 [mu] m thick gap between the 4 [mu] m small pore and chap (40 [mu] m thickness of 25 w / v% GelMA hydrogel and the bridge channel (250 [mu] m thickness) inhibited molecular diffusion, - No cross-contamination. The effect of GelMA hydrogel concentration on degree of expansion was previously investigated. 26 It is explained that the mass expansion ratio is inversely proportional to the concentration of GelMA hydrogel, and the expansion ratio of 15 w / v% GelMA hydrogel is reduced by 50% as compared with 5 w / v% GelMA hydrogel. This means that the high concentration GelMA hydrogel suppresses molecular diffusion. GelMA hydrogel was used to control cell-cell interactions in a two-layer microfluidic device. 30 membrane endothelial cells were cultured in a porous membrane and encapsulated intercellular cells in GelMA hydrogel used as an intradermal 3D substrate were cultured on the porous membrane. GelMA hydrogels exhibited high physical stability and physiologically-related elastic modulus. The effect of shear stress on the paracrine interactions between the intercellular and the endothelial cells of the valve prevents the differentiation of endothelial cells into myofibroblasts by intercellular disease when shear stress is applied . However, this study did not consider GelMA hydrogel as a physical barrier in the microfluidic device.

3D 미세유체 장치 내 In 3D microfluidic device NSCNSC 및 암 세포의 공동-배양 And co-culture of cancer cells

재생 조직 구조물에 응용하기 위한 NSC 및 암 세포의 공동-배양은 많은 관심을 받고 있다. NSC 및 암 세포를 6일 동안 2D 표면 및 3D 콜라겐 겔에서 공동-배양하였다(도 5). 공촛점 현미경 이미지는 3D 콜라겐 겔 내 배양된 NSC 및 암 세포와 2D 표면에서 배양된 NSC 및 암 세포의 차이를 나타낸다. 2D 표면에 배양된 NSC 및 암 세포는 상대적으로 양극화된(도 5a 및 5b) 반면, 3D 콜라겐 겔에서 배양된 NSC 및 암 세포의 형태는 원형이였다(도 5c 및 5d). 동시에, 3D 미세유체 공동-배양 장치 내 NSC 및 암세포의 반응에 대한 3D 콜라겐 겔의 영향을 조사하였다(도 6). 콜라겐 타입 Ⅰ 겔에 캡슐화된 NSC 및 암 세포를 각각 b 및 d 챔버에 로딩하였다. 브리지 채널로의 배지 확산을 차단하기 위해 c 챔버에 25 w/v% GelMA 하이드로젤을 로딩하였다. 공촛점 현미경 이미지는 콜라겐 겔-로딩 b 챔버 내 높게 발현된 Tuj1-양성 신경세포 및 콜라겐-겔 로딩 d 챔버에 공동-배양된 팔로이딘-양성 암 세포를 나타낸다(도 6a 및 6b). 결과적으로, 25 w/v% GelMA 하이드로젤을 물리적 장벽으로 사용하였기 때문에, NSC 및 암세포의 배양 배지는 교차-오염이 일어나지 않은 것이다. 콜라겐 겔-로딩 b 챔버 내 배양된 NSC로부터 Tuj1-양성 신경세포의 신경돌기 생성을 확인하였다(도 6c). 면역세포화학 분석법은 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치 내 Tuj1-양성 신경세포로 분화된 NSC는 66% 정도로 나타났다(도 6e). 암 치료를 연구하기 위해 이전에 유방암세포 및 신경세포 또는 NSC 사이의 상호작용이 조사되었다.31,32 예컨대, 신경세포 및 유방암세포의 역기능에 대한 RhoA 서브패밀리-기반 저분자의 영향이 연구되었다.31 Rho-특이 억제제인 로신(rhosin)은 유방암 세포 MCF7-유래 맘모스피어(mammosphere) 형성을 억제하였고, 유방암 세포의 아폽토시스(apoptosis)를 유도하는 역기능을 보여주었다. 이는 로신이 암 전이와 직접적으로 관련이 있는 RhoA 또는 RhoC의 활성을 억제하여 유방암 세포의 이동(migration), 침입(invation) 및 전이(metastasis)를 억제함을 의미한다. 대조적으로, 로신은 NGF(Nerve Growth Factor)의 존재 하에 PC21 신경세포의 신경 돌기의 성장을 향상시킨다.인간 유도만능줄기세포-유래 NSC는 유방암 세포의 유전지 치료에 적용하기 위해 사용되었다.32 렌티바이러스 형질도입법을 이용하여 인간 섬유아세포 유래 인간 유도만능줄기세포 유래의 NSC를 제조하였다. 암 유전자 치료를 위해, 인간 유도만능줄기세포-유래 NSC를 키나아제(kinase) 자살 유전자(suicide gene)를 갖는 배큘로바이러스 벡터로 형질도입하였다. 이는 NSC가 마우스 유방암으로 이동하고 유방암의 증식 및 전이를 억제함을 성공적으로 입증하였다.
Co-culture of NSCs and cancer cells for application to regenerated tissue structures has received much attention. NSC and cancer cells were co-cultured on 2D surface and 3D collagen gel for 6 days (Figure 5). The confocal microscope image shows the difference between cultured NSCs and cancer cells in 3D collagen gel and NSC and cancer cells cultured on 2D surface. NSCs and cancer cells cultured on a 2D surface were relatively polarized (Figures 5a and 5b), while NSCs and cancer cells cultured on 3D collagen gels were circular (Figures 5c and 5d). At the same time, the effect of 3D collagen gel on the response of NSCs and cancer cells in a 3D microfluidic co-culture device was investigated (Figure 6). NSC and cancer cells encapsulated in collagen type I gel were loaded into b and d chambers, respectively. To block the diffusion of the medium into the bridge channel, the c chamber was loaded with 25 w / v% GelMA hydrogel. Confocal microscope images show highly expressed Tuj1-positive neurons in collagen gel-loading b chamber and Paloidin-positive cancer cells co-cultured in collagen-gel loading d chamber (Figs. 6a and 6b). As a result, since the 25 w / v% GelMA hydrogel was used as a physical barrier, the culture medium of NSC and cancer cells did not cross-contaminate. Neurite outgrowth of Tujl-positive neurons from cultured NSCs in collagen gel-loading b chamber was confirmed (Figure 6c). Immunocytochemical analysis revealed that 66% of the NSCs differentiated into Tuj1-positive neurons in the hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device (Fig. 6E). To study cancer therapy, previous interactions between breast cancer cells and nerve cells or NSCs were investigated. 31,32 For example, the effects of RhoA subfamily-based low molecular weight on dysfunction of neuronal and breast cancer cells have been studied. 31 Rho-specific inhibitor rhosin inhibited the formation of MCF7-derived mammalian mammosphere in breast cancer cells and showed dysfunction leading to apoptosis of breast cancer cells. This implies that rosin inhibits the migration, invasion and metastasis of breast cancer cells by inhibiting the activity of RhoA or RhoC, which is directly related to cancer metastasis. In contrast, rosin enhances neurite outgrowth of PC21 neuronal cells in the presence of NGF (Nerve Growth Factor). Human induced pluripotent stem cell-derived NSCs have been used for application to the genetic therapy of breast cancer cells. NSC derived from human fibroblast-derived human induced pluripotent stem cells was prepared using 32 lentiviral transgenic lines. For cancer gene therapy, human induced pluripotent stem cell-derived NSCs were transfected with baculovirus vectors harboring a kinase suicide gene. This has successfully demonstrated that NSCs migrate to mouse breast cancer and inhibit the proliferation and metastasis of breast cancer.

결론conclusion

NSC 및 암세포를 공동-배양하기 위한 광가교결합 하이드로젤-기반 3D 미세유체 장치를 개발하였다. 다공성에 대한 광가교결합 GelMA 하이드로젤 농도의 영향을 조사하여 25 w/v% GelMA 하이드로젤은 4 ㎛ 직경의 원형을 확인하였다. 3D 미세유체 장치에서 25 w/v% GelMA 하이드로젤은 분자 확산 및 교차 오염을 억제하는 물리적 장벽으로 사용하였기 때문에, 6일 동안 암세포를 공동-배양하여 66% NSC가 Tuj1-양성 신경세포로 분화함을 성공적으로 입증하였다. 따라서, 광가교결합 하이드로젤-기반 3D 미세유체 공동-배양 장치는 암 세포에 의해 손상된 신경계의 신경 재생을 연구하는데 기여할 것이다.
We have developed a photo-crosslinked hydrogel-based 3D microfluidic device for co-culture of NSCs and cancer cells. Investigation of the effect of photocrosslinking GelMA hydrogel concentration on porosity confirmed a 4 μm diameter circular form of 25 w / v% GelMA hydrogel. In 3D microfluidic devices, 25 w / v% GelMA hydrogel was used as a physical barrier to inhibit molecular diffusion and cross-contamination, so 66% NSCs differentiated into Tuj1-positive neurons by co-culture of cancer cells for 6 days . Thus, a photocrosslinked hydrogel-based 3D microfluidic co-culture device will contribute to the study of nerve regeneration of the nervous system damaged by cancer cells.

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이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (10)

(a) 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤로 구성된 배리어(barrier); 및 (b) 콜라겐 하이드로젤로 구성된 스캐폴드(scaffold);로 구성된 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양(co-culture) 미세유체(microfluidic) 장치.
(a) a barrier composed of a hydrogel mixed with gelatin and an acrylic polymer; And (b) a scaffold composed of a collagen hydrogel. The co-culture microfluidic device is a hydrogel-based 3D cell co-culture device.
제 1 항에 있어서, 상기 아크릴 고분자는 아크릴산 및 메타크릴산 공중합체, 메타크릴산 공중합체, 메틸 메타크릴산 공중합체, 에톡시에틸 메타크릴산 공중합체, 시아노에틸 메타크릴산 공중합체, 아미노알킬 메타크릴산 공중합체, 폴리(아크릴산) 공중합체, 폴리아크릴아마이드 공중합체, 글리시딜 메타크릴산 공중합체 및 이의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 아크릴 고분자인 것을 특징으로 하는 장치.
[2] The method of claim 1, wherein the acrylic polymer is selected from the group consisting of acrylic acid and methacrylic acid copolymer, methacrylic acid copolymer, methyl methacrylic acid copolymer, ethoxyethyl methacrylic acid copolymer, cyanoethyl methacrylic acid copolymer, amino Wherein the polymer is an acrylic polymer selected from the group consisting of alkyl methacrylic acid copolymers, poly (acrylic acid) copolymers, polyacrylamide copolymers, glycidyl methacrylic acid copolymers, and mixtures thereof.
제 1 항에 있어서, 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤은 1-50 중량%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer has a concentration of 1-50 wt%.
제 1 항에 있어서, 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤은 광가교결합(photo-crosslinking)하는 것을 특징으로 하는 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the hydrogel in which the gelatin and the acrylic polymer are mixed is photo-crosslinked.
제 1 항에 있어서, 상기 콜라겐은 콜라겐 타입 Ⅰ, 콜라겐 타입 Ⅱ, 콜라겐 타입 Ⅲ, 콜라겐 타입 Ⅳ, 콜라겐 타입 Ⅴ 및 이의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 콜라겐인 것을 특징으로 하는 장치.
The device according to claim 1, wherein the collagen is a collagen selected from the group consisting of Collagen Type I, Collagen Type II, Collagen Type III, Collagen Type IV, Collagen Type V and mixtures thereof.
제 1 항에 있어서, 상기 콜라겔 하이드로젤은 세포가 캡슐화(encapsulation)되는 것을 특징으로 하는 장치.
2. The device of claim 1, wherein the collagel hydrogel is encapsulated by cells.
다음의 단계를 포함하는 하이드로젤-기반 3D 세포 공동-배양 미세유체 장치의 제조방법:
(a) 제1 내지 제5의 5개의 챔버로 구성된 챔버(chamber) 및 상기 챔버를 연결하는 브릿지 채널(bridge channel)를 포함하는 미세유체 장치를 제조하는 단계;
(b) 상기 제3챔버에 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤을 주입하는 단계;
(c) 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤을 광가교결합(photo-crosslinking)하는 단계;
(d) 콜라겐 하이드로젤로 2종류의 세포를 각각 캡슐화(encapsulation)하는 단계;
(e) 단계 (d)의 결과물을 제2 및 제4챔버에 각각 주입하는 단계;
(f) 배양 배지를 제1 및 제5챔버에 각각 주입하는 단계; 및
(g) 세포를 공동-배양하는 단계.
A method of preparing a hydrogel-based 3D cell co-cultured microfluidic device comprising the steps of:
(a) fabricating a microfluidic device including a chamber consisting of five to five chambers and a bridge channel connecting the chambers;
(b) injecting a hydrogel mixed with gelatin and acrylic polymer into the third chamber;
(c) photo-crosslinking the hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer;
(d) encapsulating the two kinds of cells with a collagen hydrogel, respectively;
(e) injecting the result of step (d) into the second and fourth chambers, respectively;
(f) injecting the culture medium into the first and fifth chambers, respectively; And
(g) co-culturing the cells.
제 7 항에 있어서, 상기 아크릴 고분자는 아크릴산 및 메타크릴산 공중합체, 메타크릴산 공중합체, 메틸 메타크릴산 공중합체, 에톡시에틸 메타크릴산 공중합체, 시아노에틸 메타크릴산 공중합체, 아미노알킬 메타크릴산 공중합체, 폴리(아크릴산) 공중합체, 폴리아크릴아마이드 공중합체, 글리시딜 메타크릴산 공중합체 및 이의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 아크릴 고분자인 것을 특징으로 하는 방법.
[8] The method of claim 7, wherein the acrylic polymer is selected from the group consisting of acrylic acid and methacrylic acid copolymer, methacrylic acid copolymer, methylmethacrylic acid copolymer, ethoxyethylmethacrylic acid copolymer, cyanoethylmethacrylic acid copolymer, amino Wherein the polymer is an acrylic polymer selected from the group consisting of alkyl methacrylate copolymers, poly (acrylic acid) copolymers, polyacrylamide copolymers, glycidyl methacrylic acid copolymers, and mixtures thereof.
제 7 항에 있어서, 상기 젤라틴 및 아크릴 고분자가 혼합된 하이드로젤은 1-50 중량%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 7, wherein the hydrogel mixed with the gelatin and the acrylic polymer has a concentration of 1-50 wt%.
제 7 항에 있어서, 상기 콜라겐은 콜라겐 타입 Ⅰ, 콜라겐 타입 Ⅱ, 콜라겐 타입 Ⅲ, 콜라겐 타입 Ⅳ, 콜라겐 타입 Ⅴ 및 이의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 콜라겐인 것을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the collagen is collagen selected from the group consisting of Collagen Type I, Collagen Type II, Collagen Type III, Collagen Type IV, Collagen Type V and mixtures thereof.
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