KR20190063695A

KR20190063695A - 균일 자기장 세포 자극 시스템

Info

Publication number: KR20190063695A
Application number: KR1020170162664A
Authority: KR
Inventors: 문치웅; 김태형; 천송이; 이민우
Original assignee: 인제대학교 산학협력단
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-10
Also published as: WO2019107761A1; KR102025990B1

Abstract

균일 자기장 세포 자극 시스템이 소개된다.
이를 위해 본 발명은 일면에 세포를 배양할 수 있는 다수의 독립된 세포 배양 공간부; 상기 세포 배양 공간부로 자기장을 인가하여 상기 세포 배양 공간부에 안치된 세포의 활성화 정도를 관측할 수 있도록 상기 세포 배양 공간부를 중심으로 소정 간격으로 상하로 배치된 한 쌍의 자기장발생부; 및 상기 자기장발생부의 자기장 발생 여부를 온/오프하는 제어부를 포함한다.

Description

균일 자기장 세포 자극 시스템{Cell stimulation system with uniform magnetic field}

본 발명은 균일 자기장 세포 자극 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기장이 세포에 미치는 영향을 분석하기 위해 시료 내에 균일한 자기장을 인가할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

‘자기장 자극 세포 배양 장치’란, 비침습적인 시변 자기장으로 생체 내의 유도 이온 전류에 의한 자극 효과로써 체내의 심부 깊숙이 치료할 수 있는 자기장 치료 요법의 효능 검증을 목적으로 하는 것으로, 최근 근골격계 기능 장애에 대한 비침습적, 비접촉적인 적절한 시술방법의 하나로서 자기장 자극 치료법이 폭넓게 연구되고 있다.

특히, 자기장의 파형, 세기, 주파수 또는 자극 횟수 등의 변수에 대한 연구의 일환으로 세포, 동물 및 인체에 대한 임상실험 결과들이 단편적으로 보고되고 있으나, 각 변수들의 의존성에 관한 체계적인 연구는 아직 이루어 지지 않고 있다.

전 임상 단계에서 세포 실험을 통한 효능 분석에서 자기장 자극 장치는 대부분 솔레노이드, 헬름 홀츠 또는 전자석의 형태로 제작되며, 표준 세포 배양 플레이트의 85mm × 122mm × 17mm 크기의 공간에서의 균일한 자기장 분포와 높은 자기장 세기를 얻기 위한 방법들이 제시되고 있으나, 거시적 크기에서 균일한 자기장 분포를 얻기 위해서는 코일의 크기가 커지고 높은 전력 인가 장치가 요구된다.

또한, 획득된 데이터의 유의성 검증을 위해서는 수회 이상의 반복실험이 요구되는데, 이것은 효능 검증 기간의 장기화를 초래하여 다양한 변수 조건에 대한 효능 검증결과를 단시간에 획득하기 어렵다.

한편, 기존의 세포 수준에서 자기장 자극을 가하여 변화를 관찰하기 위한 장치는 동물이나 조직 수준에서 세포에 적용한 것이 대부분이며 이 경우 자기장이 가해지는 시료 부위 내 공간에서의 자기장 분포가 균일하지 않다는 문제를 가지고 있었다. 그 결과 세포 수준에서 자기장에 의한 정확한 자극이 어렵고 이로 인해 샘플에서 실험의 결과가 상이하게 나올 수 있는 결함이 있어 왔다.

또한, 종래의 자기장 자극 장치에서는 단일 코일을 이용하고 있어 자기장 발생시 세포 배양 영역에서 자기장 세기가 균일하지 않은 문제점도 있어 왔다.

KR 10-2010-0096685 (2010.09.02)

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 시료 내에 균일한 자기장을 인가하고, 인가된 자기장에 의한 시료의 활성화 정도를 측정할 수 있는 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

균일 자기장 세포 자극 시스템이 소개된다.

이를 위해 본 발명은 일면에 세포를 배양할 수 있는 다수의 독립된 세포 배양 공간부; 상기 세포 배양 공간부로 자기장을 인가하여 상기 세포 배양 공간부에 안치된 세포의 활성화 정도를 관측할 수 있도록 상기 세포 배양 공간부를 중심으로 소정 간격으로 상하로 배치된 한 쌍의 자기장발생부; 및 상기 자기장발생부의 자기장 발생 여부를 온/오프하는 제어부를 포함한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명인 균일 자기장 세포 자극 시스템에 의한다면 아래와 같은 다양한 효과가 구현된다.

첫째, 세포에 지속적이고도 일정한 자기장을 인가할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 간단한 구조로 강한 자기장도 세포에 인가될 수 있는 이점이 있다.

셋째, 다수의 코일 지름이 등비 증가하며 동심원상으로 배열된 한 쌍의 자기장 발생부에 의해 세포 배양 영역에서 자기장 분포의 균일성을 확보할 수 있는 이점이 있다.

넷째, 지방세포의 활성화 정도를 측정한 뒤 지방세포의 활성화를 억제할 수 있는 최적의 자기장 세기를 분석하여 도출할 수 있는 등 다양한 효과가 구현된다.

도 1은 본 발명인 균일 자기장 세포 자극 시스템의 전체 구성도의 측면도,
도 2는 본 발명인 균일 자기장 세포 자극 시스템의 전체 구성도를 상방에서 바라본 평면도,
도 3은 본 발명의 일 구성요소인 자기장분석데이터부, 자기장거리조절부 및 자기장센서를 포함하는 전체 구성 개략도,
도 4는 한 쌍의 제1보조자기자기장발생부가 더 포함된 전체 사시도,
도 5는 한 쌍의 제1보조자기자기장발생부가 더 포함된 측면도,
도 6은 한 쌍의 제2보조자기장발생부가 더 포함된 전체 사시도,
도 7은 한 쌍의 제2보조자기장발생부가 더 포함된 측면도,
도 8은 제1보조자기장발생부의 크기를 고정하고 거리(세포 배양 공간부의 중앙에서 각각의 제1보조자기장발생부 까지의 수직 거리) 및 제1보조자기장발생부의 턴 수(코일 감은 횟수)에 따라 코일의 위와 측면 방향에서 측정된 자기장 분포도,
도 9는 도 8의 세포 배양 공간부에서 수평방향의 중앙 선을 따라 나타나는 자기장 분포를 나타내는 그래프,
도 10은 도 8의 조건에서 제1보조자기장발생부의 턴 수를 5회로 바꾼 후 코일의 위와 측면 방향에서 바라본 자기장 분포도,
도 11은 도 10의 세포 배양 공간부에서 수평방향의 중앙 선을 따라 나타나는 자기장 분포를 나타내는 그래프,
도 12는 세포 배양 공간부 중앙에서 제1보조자기장발생부 까지의 수직 거리 및 제1보조자기장발생부의 턴 수 (N=1과 N=5)에 따른 자기장 세기를 나타내는 막대 그래프,
도 13은 제1보조자기장발생부의 턴 수를 1로 설정한 뒤 세포 배양 공간부 중앙에서 제1보조자기장발생부 까지의 수직 거리와 제1보조자기장발생부의 반지름의 크기가 자기장 균일도에 미치는 영향을 확인하기 위해 실험 결과를 나타낸 세포 배양 공간부의 XY평면상에서의 자기장 분포도,
도 14는 세포 배양 공간부 중앙의 YZ평면상에서 나타나는 자기장 분포도,
도 15는 도 13의 조건에서 세포 배양 공간부 중앙의 수평선 방향으로의 자기장 분포도,
도 16은 거리마다 제1보조자기장발생부 반지름의 크기와 자기장 세기의 관계를 나타내는 도면,
도 17은 제2보조자기장발생부의 내부 반지름을 50mm로 고정하고 각각의 거리마다 제2보조자기장발생부의 코일 턴 수를 변화시켰을 때 자기장 분포에 주는 영향을 확인하기 위해 XY평면에서 발생하는 자기장 분포를 코일의 윗 방향에서 바라본 분포도,
도 18은 도 17의 XY평면 중앙을 지나는 YZ평면(측면)에서 관찰한 자기장 분포도,
도 19는 도 17의 세포 배양 공간부의 XY평면과 그 중앙을 지나는 YZ 평면이 만나는 선상의 자기장 분포를 나타낸 그래프,
도 20은 제2보조자기장발생부의 내부반지름의 크기가 일정할 때 제2보조자기장발생부 턴 수와 세포 배양 공간부 중심과 제2보조자기장발생부의 코일과의 거리에 따라 발생하는 자기장의 세기의 관계를 나타낸 막대 그래프,
도 21은 제2보조자기장발생부 턴 수를 1로 고정하고 제2보조자기장발생부와 세포 배양 공간부 중심으로부터의 거리를 변화시키면서 컴퓨터 모의 실험으로 계산하여 구한 세포배양 공간부 내에서의 XY 평면상의 자기장 분포도,
도 22는 도 21에서 구한 제2보조자기장 코일 반지름과 세포배양 공간 중심으로부터의 거리에 따른 YZ평면에서의 자기장 분포도
도 23은 도 21과 같은 조건에서 세포 배양 공간부 XY 평면 중앙을 지나는 선을 따라 구한 자기장 강도 분포 곡선 그래프,
도 24는 제2보조자기장발생부 코일의 턴 수를 1로 고정시켰을 때 반지름과 거리에 대한 자기장 균일도(ΔB) 변화 추세를 나타낸 그래프,
도 25는 16일간 본 발명 자극 후 8일간의 안정기를 거친 인간 유래 중간엽 줄기세포 (hMSC)의 지방분화율을 확인한 것으로 배지 교환주기에 따른 지방분화율 (optical density로 표시) 변화를 분석한 그래프,
도 26은 도 25 실시 이후 지방분화억제에 본 발명 자극의 최적화된 프로토콜을 도출하기 위하여 자장의 세기, 주파수, 자극시간을 달리하여 주된 영향을 주는 인자를 Oil-red-O 염색을 통해 확인한 도면,
도 27은 PEMF 자극 프로토콜 중 0.3T, 0.5T, 0.7T의 각 자기장 강도에 1Hz와 10Hz 주파수로 조합한 자기장 자극을 10분과 60분 자극했을 때의 지방세포 분화율 변화를 나타내는 도면,
도 28은 자기장 자극 프로토콜에서 지방분화억제에 더 큰 영향을 주는 인자를 확인하기 위해 주파수 별, 자극 시간별, 자장 세기별로 지방세포 분화율 측정을 실시한 실험결과 도면,
도 29는 최적화된 자극 프로토콜을 찾기 위해 자기장을 0.5T로 고정시키고 전술한 여러 주파수와 자극 시간 조합 중 10 Hz / 10 min 조합의 자극이 지방분화 억제에 가장 유효함을 확인할 수 있는 도면,
도 30은 최적화된 자극 프로토콜을 찾기 위해 주파수를 10 Hz로 고정시키고 전술한 여러 자기장 세기와 자극 시간 조합 중 0.3T / 10 min 조합의 자극이 지방 분화 억제에 가장 효과적임을 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명인 균일 자기장 세포 자극 시스템의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명인 균일 자기장 세포 자극 시스템의 전체 구성도이고, 도 2는 상방에서 바라본 평면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 크게 세포 배양 공간부(100), 자기장발생부(200) 및 제어부(300)를 포함한다.

세포 배양 공간부(100)는 그 일면에 세포를 배양할 수 있는 다수의 독립된 세포 배양 공간을 구비하고 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 이른바 '4-well plate'를 사용한다. 이 '4-well plate'에 지방 세포 외에 연골 세포 등을 안착시켜 자기장 인가에 의한 세포의 활성화 정도를 측정하게 된다.

한편, 본 발명의 자기장발생부(200)는 세포 배양 공간부(100)에 안치된 세포의 활성화 정도를 촉진 또는 억제하는 자극을 인가하기 위해 세포 배양 공간부(100)를 중심으로 소정 간격으로 상하로 배치된 한 쌍으로 이루어짐에 그 특징이 있다.

자기장발생부(200)는 이하 그 형상에 대해 구체적으로 설명하겠지만 세포 배양 공간부(100)에 형성된 각각의 세포 배양 공간에 대응하는 다수의 코일(210)이 구비되어 있으며, 이러한 코일(210)들은 자기장 자극 세기와 주파수를 동일한 배양 조건하에서 각각의 세포 배양 공간 내부의 생체 세포에 동시에 인가하게 된다.

이미 설명한 바와 같이 종래에는 자기장이 가해지는 시료 부위 내 공간에서의 자기장 분포가 균일하지 않다는 문제를 가지고 있었다. 이로 인해 세포 수준에서 자기장에 의한 정확한 자극이 어려워짐은 물론 샘플에서 실험의 결과가 상이하게 나오는 문제가 있었다.

또한, 이른바 '4-well plate','16-well plate','24-well plate' 등과 같이 그 면적이 넓은 세포 시료 용기를 사용하는 경우 균일한 자기장이 인가되어야 정확한 실험 결과가 도출되는데 지금까지는 균일한 자기장이 인가되는지에 대한 연구가 미비하였으며, 단지 자기장 자체의 인가에 의한 세포 활성화 정도만 측정하는데 그쳐 왔다.

이에 본 발명은 세포 시료 내 공간에서 균일한 자기장이 인가될 수 있도록 도시된 바와 같이 한 쌍의 평판나선형 코일(210)로 이루어진 자기장발생부(200)를 마련하였다.

본 발명의 일 구성요소인 한 쌍의 평판나선형 코일(210)로 이루어진 자기장발생부(200)는 종래 사용하였던 이른바 단일 평판나선형, 솔레노이드, 헬름홀츠 등의 코일(210)에 비해 보다 작은 크기로 제작할 수 있다. 또한, 세포 시료를 위치시키는 것에 있어서도 종래에 비해 용이한 효과가 있다.

이러한 한 쌍의 평판나선형 코일(210)로 이루어진 자기장발생부(200)를 구체적으로 살펴보면, 세포 배양 공간부(100) 내에 안치된 각각의 세포에 균일한 자기장이 인가되도록 다수의 코일(210)이 동심원상으로 각 코일(210)의 권수가 증가되도록 배열된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 구리로 이루어진 코일(210)을 사용하고, 코일(210)의 권선수가 등비 증가하는 형태로 이루어져 세포 배양 공간의 자기장 분포가 균일하게 이루어지도록 함이 바람직하다.

또한, 본 발명은 강한 자기장을 발생시키는 대전류회로를 포함한 전원장치를 더 포함하고 있으며, 자기장발생부(200)의 자기장 발생 여부를 온/오프하는 제어부(300)를 포함한다.

본 발명의 일실시예의 제어부(300)는 '4-well plate' 내부의 세포 시료를 그 대상지점으로 한 뒤 균일한 자기장이 입사되도록 코일(210)에 흐르는 전류를 ON-OFF 하는 기능을 수행한다. 이를 위해 이하 후술하겠지만, 제어부와 연동될 수 있는 전력공급원이 마련된다.

이러한 제어부(300)는 이하 후술할 자기장분석데이터부(320)를 더 포함하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 자기장발생부(200)는 세포 배양 공간부(100)를 중심으로 소정 간격으로 한 쌍으로 구성되어 있다. 이때, 이 한 쌍의 자기장발생부(200) 각각에서 세포 배양 공간부(100)까지의 거리는 세포 배양 공간부(100) 직경의 1/2인 것을 특징으로 한다.

즉, 도시된 바와 같이 세포 배양 공간부(100)의 직경이 'd' 인 경우 상측에 위치한 자기장발생부(200a) 및 하측에 위치한 자기장발생부(200b)에서 세포 배양 공간부(100)까지의 수직 거리는 'd/2'인 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 그 거리를 특정한 이유는 다음과 같다. 상측과 하측에 위치한 각각의 자기장발생부(200a,200b)에서 세포 배양 공간부(100)까지의 수직 거리가 'd/2'보다 작은 경우에는 자기장발생부(200)와 상대적으로 인접한 세포 배양 공간부(100) 내에서의 자기장세기가 급격히 증가하여 균일한 자기장을 형성하는데 어려움이 있기 때문이다. 또한, 각각의 자기장발생부(200a,200b)에서 세포 배양 공간부(100)까지의 수직 거리가 'd/2'보다 큰 경우에는 자기장의 세기가 급격하게 줄어들어 효율적인 자기장에 의한 자극이 어렵기 때문이다.

도 3은 본 발명의 일 구성요소인 자기장분석데이터부(320)와 전력공급원(310)을 포함하는 전체 구성 개략도이다.

도시된 바와 같이 한 쌍의 자기장발생부(200) 주변에는 전류를 조절하여 이 조절된 전류를 한 쌍의 자기장발생부(200)에 공급하고, 공급된 전류를 기초로 자기장발생부(200)에서 발생하는 자기장 세기를 제어부(300)로 전송하는 전력공급원(310)이 마련되는 것을 특징으로 한다.

즉, 전력공급원(310)은 고전력회로인 캐퍼시터와 이 캐퍼시터에 전하를 축전시킨 후 고전력 스위치의 일종인 사이리스터를 포함할 수 있다. 주지하다시피 사이리스터는 pnpn접합의 4층구조 반도체 소자의 총칭이고, 일반적으로는 SCR이라고 불리는 역저지 3단자 사이리스터를 가리키며, 실리콘 제어 정류 소자를 말한다. 애노드가 캐소드에 대하여 플러스인 경우, 게이트에 적당한 전류를 흘리면 도통하고, 일단 도통하면 애노드 전압을 0으로 하지 않으면 OFF로 되지 않는다. 소전력용부터 대전력용까지 각종 제어 정류 소자로서 널리 사용되고 있다. 이러한 전력공급원(310)은 일반적인 구성인바 더 자세한 설명은 생략한다.

이 전력공급원(310)에 의해 공급되는 전류를 기초로 자기장발생부(200)에서 발생되는 자기장의 수치가 제어부(300)에 전송된다.

한편, 제어부(300)는 전력공급원(310)에 의해 공급된 전류를 기초로 측정된 자기장의 세기와, 이 자기장으로 인한 세포 배양 공간부(100)에 안치된 각각의 세포 활성도 데이터를 비교한 뒤, 세포 배양 공간부(100)에 안치된 세포의 활성도를 최대로 억제할 수 있는 자기장의 세기를 분석하는 자기장분석데이터부(320)를 더 포함한다.

제어부(300)는, 상기의 방법을 이용하여 현재 지방 세포에 인가되는 자기장의 세기와 이 자기장에 의한 지방 세포의 활성도 데이터를 비교한 뒤 지방 세포의 활성도가 최대로 억제될 수 있는 자기장 세기를 분석하는 자기장분석데이터부(320)를 포함한다.

이 자기장분석데이터부(320)에 의한 해석으로 지방 세포의 활성도를 최대로 억제할 수 있는 자기장 크기를 도출할 수 있고, 이를 토대로 비만 환자에게 최대로 효율적인 치료를 할 수 있는 정보를 제공할 수 있게 된다.

상기와 같이 한 쌍으로 이루어진 자기장발생부(200)에 의한다면 세포 배양 공간부(100)에 일정한 고 자기장을 가해줄 수 있고, 이로 인해 자기장에 의한 세포 변화를 동일한 조건에서 측정할 수 있는 효과가 구현된다.

한편, 본 발명은 세포 배양 공간부(100)에 일정한 고강도의 자기장이 가해지도록 상기의 자기장발생부(200) 이외에 이하 후술할 한 쌍의 제1보조자기자기장발생부와 한 쌍의 제2보조자기자기장발생부가 더 포함될 수 있다.

도 4는 한 쌍의 제1보조자기자기장발생부가 더 포함된 전체 사시도이고, 도 5는 측면도이다.

도시된 바와 같이 한 쌍의 자기장발생부를 중심으로 소정 간격으로 상하로 배치된 한 쌍의 제1보조자기장발생부를 더 포함하고 있으며, 이 제1보조자기자기장발생부의 코일 감은 횟수가 일회인 것을 특징으로 한다. 코일 감은 횟수인 권수가 일회인 것은 다음과 같은 이유에 의한다.

도 8은 제1보조자기장발생부(400)의 크기를 고정하고 거리(세포 배양 공간부에서 각각의 제1보조자기장발생부 까지의 수직 거리, d) 및 턴 수(코일 감은 횟수)에 따른 자기장 균일도를 확인하기 위한 실험 데이터이다.

또한, 도 9는 도 8의 조건에서 세포 배양 공간부의 XY평면 중심을 지나는 직선에서의 자기장 변화를 나타낸 곡선 그래프이다.

한편, 각각의 그래프에서 두 개의 수직 점선은 세포 배양 공간 범위 (양측 화살표)를 나타낸다.

도 10은 도 8의 조건에서 제1보조자기장발생부(400)의 코일 턴 수를 5회로 바꾼 후 자기장 균일도를 확인한 세포 배양 공간부(100) XY평면 내의 자기장 분포도이다.

도 11은 도 10의 조건에서 세포 배양 공간부(100) XY평면 중심을 지나는 직선에서의 자기장 변화를 나타낸 곡선그래프이다.

한편, 도 12는 거리(d)및 턴 수(N)에 따른 자기장 균일도를 막대 그래프로 나타낸 것으로 이 때 자기장 균일도에 해당하는 자기장 변화정도는 각 경우의 자기장 최대값과 최소값의 차이로 계산을 하였으며 거리에 상관없이 턴 수가 증가할수록 자기장 변화정도가 커지는 것을 확인할 수 있다.

이는 턴 수를 증가시킬수록 동일한 입력에서 자기장의 세기는 증가시킬 수 있지만 균일도는 감소한다는 것을 의미한다.

따라서 균일도를 증가시키는 요소로써 제1보조자기장발생부(400)의 턴 수, 즉 감은 횟수는 1로 설정하는 것이 바람직하다.

턴 수가 증가하더라도 거리가 증가함에 따라 균일도가 증가하는 모습을 보이지만 거리가 멀어지므로 제1보조자기장발생부(400)의 영향이 줄어드는 것을 의미한다.

도 13은 턴 수를 1로 설정한 뒤 거리에 따른 제1보조자기장발생부(400) 반지름의 크기가 자기장 균일도에 미치는 영향을 확인하기 위한 모의실험 결과로 세포 배양 공간부의 XY평면상의 자기장 분포를 나타낸다.

반지름이란 제1보조자기장발생부(400)의 반경을 의미한다.

도 14는 도 13과 동일한 조건에서 YZ평면상의 자기장 분포를 나타내고, 도 15는 도 13의 조건에서 세포 배양 공간부(100)의 XY평면 중심을 지나는 직선 상에서 자기장 강도 변화를 나타낸 곡선 그래프이다.

또한, 도 16은 거리마다 제1보조자기장발생부(400) 코일의 반지름 (r)의 크기가 변할 때 자기장 균일도 (ΔB)를 나타낸 것으로 거리(d)가 50 mm일 때를 제외한 모든 구간에서 제1보조자기장발생부(400) 코일의 반지름이 작으면 작을수록 자기장 균일도가 저하되는 것을 확인할 수 있다.

즉, 50 mm 인 지점에서는 반지름이 10 mm인 경우가 0.5 mm인 경우보다 균일도가 우수했지만 반지름이 1 mm인 경우보다는 자기장 변화가 컸다.

즉, 거리가 멀어질수록 반지름의 크기에 상관없이 서서히 수렴하는 모습을 보였으며 이는 제1보조자기장발생부(400)의 영향력이 낮아짐을 의미한다.

더욱 바람직하게는 제1보조자기장발생부(400)가 없는 경우 자기장 균일도가 2.5488이였으나, 제1보조자기장발생부(400)의 반지름이 1 mm, 거리가 50 mm일 때 자기장 균일도는 2.4774mT로 가장 우수했으며 그 차이는 0.0714mT로 나타난다.

한편, 본 발명에서는 자기장의 균일도를 향상시키기 위해 도 6 및 도 7과 같이 제2보조자기장발생부(410)를 추가함에 그 특징이 있다.

도 17은 제2보조자기장발생부(410)의 반지름 (R)을 50mm로 고정하고 세포 배양 공간에서 제2보조자기장발생부(410)까지 각각의 거리 (d)마다 (60, 70, 80 mm) 턴 수 (N)를 1과 10으로 변화시켰을 때 자기장 분포에 주는 영향을 확인하기 위해 실험을 진행했을 때 세포 배양 공간 XY평면에 발생하는 자기장 분포도이다.

도 18은 도 17 과정에서 XY평면 중심을 지나는 YZ평면에서 발생하는 자기장 분포이고, 도 19는 도 17 과정에서 세포 배양 공간부(100) XY평면 중심을 지나는 직선 상의 자기장 변화를 나타낸 곡선 그래프이다.

도 20은 제2보조자기장발생부(410)의 반지름 (R) 크기가 일정할 때 턴 수와 거리의 관계를 나타낸 것으로 턴 수에 상관없이 거리가 증가할수록 균일도 (ΔB)가 향상되는 것을 확인하였으며 턴 수가 1일 때가 10일 때보다 균일도는 더 좋았다.

도 21과 도 22는 각각 턴 수를 1로 고정하고 제2보조자기장발생부(410) 코일의 크기 와 세포 배양 공간부 중심으로부터의 거리 (d)를 달리했을 때 나타나는 자기장 분포 변화로 도 21은 세포 배양 공간 부 XY평면에서의 자기장 분포도, 도 22는 XY 평면 중심을 지나는 YZ평면에서의 자기장 분포도이다.

도 23은 도 21 과정에서 세포 배양 공간부(100) XY평면에서 중심을 지나는 직선 상의 자기장 변화를 나타낸 곡선 그래프이다.

도 24는 제2보조자기장발생부(410) 코일의 턴 수 (N)를 1로 고정시켰을 때 반지름 (R: 150, 160, 170, 180 mm)과 거리 (d: 60, 70, 80, 90 mm) 조합에 대한 균일도 (ΔB)를 종합적으로 나타낸 그래프이다. 이 때, 제2보조자기장발생부보다 제1보조자기장발생부의 내부반지름을 매우 크게 잡은 것은 사전 모의실험에서 반지름의 크기가 감소하는 것 보다는 크기가 증가할 때 상대적으로 자기장 균일도가 더 우수했기 때문이다. 반지름 길이에 상관없이 거리가 멀어질수록 균일도가 저하하는 경향이 나타났고 동일한 거리에서는 반지름이 증가할수록 균일도는 향상되는 경향이 나타났다.

반지름이 증가할수록 균일도가 향상되는 경향은 나타났지만 균일도가 크게 향상된 것은 아니므로 반지름을 계속해서 증가시키는 것은 장치의 크기나 코일 제작 비용 측면에서 비효율적이다.

한편, 종래에는 주로 연골 세포에 대해서만 세포 레벨 단계에서 자기장 자극효과 실험이 이루어졌으나, 본 발명의 일 실시예에서는 지방 세포를 세포 배양 공간부(100)에 안착시킨 후 다양한 자기장 자극을 가한 뒤에 지방 세포의 세포 활성도가 최대로 억제되는 자기장의 크기를 분석하는데 그 특징이 있다.

지방 세포의 활성도 정도를 측정하는 방법은 전통적으로 알려진 ELISA(Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay)를 이용할 수 있으며, ELISA(Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay)란 특이성이 좋고 민감도가 높은 항체와 신호발생원이 되는 효소를 이용하여 특정 상태의 세포만을 선택 반응시켜 흡광도를 측정하는 기술이다. 또한, Western blots 기술을 이용할 수도 있으며, 이 Western blots 기술은 단백질을 전기영동으로 검출하는 방법이다. 우선 단백질을 폴리아크릴아미드 겔 전기영동(Polyacrylamide Gel Electrophoresis)법에 의하여 분획한 다음 영동된 분획의 위치를 그대로 여과지에 옮겨 방사선 면역검정법(Radioimmunoassay)에 의해 특정 단백질을 검출하는 방법이다. 상기의 열거된 방법은 일반적으로 알려진 기술이며, 그 구체적인 설명은 생략한다.

도 25는 지방분화 억제 실험에 앞서 유도배지의 교환 주기에 따른 지방분화율의 변화를 확인하기 위해 실행한 것으로 16일째 분화유도배지교환 이후에는 대조 군의 지방분화가 잘 진행됨을 알 수 있었다.

도 26은 지방분화 억제에 본 발명 자극의 최적화된 프로토콜을 도출하기 위하여 자장의 세기, 주파수, 자극시간을 달리하여 지방분화에 영향을 주는 주된 인자를 Oil-red-O 염색을 통해 확인하였다.

대조군과 비교하여 지방분화율이 유의하게 감소하는 자극 프로토콜은 0.3 T / 10 Hz / 10min, 0.5 T / 10 Hz / 10min 이었다.

도 27은 상기의 각 PEMF 자극 프로토콜에서 자극 시간 변수에 대한 영향을 관찰한 것으로 동일한 주파수와 자기장 세기가 같을 때 60분보다는 10분동안 자극을 가했을 때 지방분화를 억제시키는 것으로 나타났다.

도 28은 상기의 각 PEMF 자극 프로토콜에서 지방분화억제에 더 큰 영향을 주는 인자를 확인하기 위해 실시한 실험결과로 자기장의 세기는 유의한 차이를 보이지 않았으며 시간과 주파수의 영향을 확인하기 위한 실험결과인 도 29에서 확인할 수 있듯이 10 Hz / 10 min의 자극이 지방분화 억제에 가장 유효하였으며 상기의 각 PEMF 프로토콜 결과가 지방분화억제와 관련된 전체결과를 대변할 수는 없지만 본 발명이 세포에 자기장 자극을 가하여 변화를 유도할 수 있는 유용한 방법 중 하나임을 보여준다.

도 30은 주파수가 고정된 조건에서 최적화된 자극 프로토콜을 찾기 위해 주파수를 10 Hz로 고정시키고 자기장 세기와 자극 시간의 조합에 따른 지방분화 효과를 확인하기 위한 실험 결과이다.

도 25 ~ 도 29 실험과 달리 최초 자극 후 안정 기간을 두지 않고 16일 자극 후 Oil-red-O 염색을 진행한 결과로 최종적으로 0.3 T / 10 Hz / 10 min 자극이 대조군과 유의한 차이를 보였다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 지방 세포를 대상으로 하였으나, 반드시 이에 한정되지는 않으며 종래 실험 대상으로 삼았던 연골 세포를 대상으로 할 수도 있다.

또한, 세포의 활성도를 반드시 억제하는 자기장을 분석하는데에 사용하는 것은 아니며, 세포 활성도가 최대치가 되는 자기장을 분석하는데에도 사용 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 한 쌍의 자기장발생부가 고정된 것을 기초로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 이 한 쌍의 자기장발생부와의 간격이 조절될 수 있도록 자기장발생부에 연결된 일종의 이동수단인 실린더를 이용하여 그 거리를 조절할 수 있다. 이때, 이 이동수단인 실린더는 제어부와 연동되어 작동된다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 세포 배양 공간부 200 : 자기장발생부
210 : 코일 300 : 제어부
310 : 전력공급원 320 : 자기장분석데이터부
400 : 제1보조자기장발생부 410 : 제2보조자기장발생부

Claims

일면에 세포를 배양할 수 있는 다수의 독립된 세포 배양 공간부;
상기 세포 배양 공간부로 자기장을 인가하여 상기 세포 배양 공간부에 안치된 세포의 활성화 정도를 관측할 수 있도록 상기 세포 배양 공간부를 중심으로 소정 간격으로 상하로 배치된 한 쌍의 자기장발생부; 및
상기 자기장발생부의 자기장 발생 여부를 온/오프하는 제어부를 포함하는, 균일 자기장 세포 자극 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 한 쌍의 자기장발생부는,
상기 세포 배양 공간부 내에 안치된 각각의 세포에 균일한 자기장이 인가되도록 다수의 코일이 동심원상으로 각 코일의 권수가 증가되도록 배열된 것을 특징으로 하는, 균일 자기장 세포 자극 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 한 쌍의 자기장발생부 각각에서 상기 세포 배양 공간부까지의 거리는 상기 세포 배양 공간부 직경의 1/2인 것을 특징으로 하는,균일 자기장 세포 자극 시스템.
청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
상기 한 쌍의 자기장발생부 주변에는 전류를 조절하여 이 조절된 전류를 상기 한 쌍의 자기장발생부에 공급하고, 공급된 전류를 기초로 상기 자기장발생부에서 발생하는 자기장 세기를 상기 제어부로 전송하는 전력공급원이 마련되는 것을 특징으로 하는, 균일 자기장 세포 자극 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전력공급원에 의해 공급된 전류를 기초로 측정된 자기장의 세기와, 이 자기장으로 인한 상기 세포 배양 공간부에 안치된 각각의 세포 활성도 데이터를 비교한 뒤,
상기 세포 배양 공간부에 안치된 세포의 활성도를 최대로 증가 또는 억제할 수 있는 자기장의 세기를 분석하는 자기장분석데이터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 균일 자기장 세포 자극 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 한 쌍의 자기장발생부를 중심으로 소정 간격으로 상하로 배치된 한 쌍의 제1보조자기장발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 제1보조자기자기장발생부의 코일 감은 횟수가 일회인 것을 특징으로 하는, 균일 자기장 세포 자극 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 한 쌍의 제1보조자기장발생부를 중심으로 소정 간격으로 상하로 배치된 한 쌍의 제2보조자기장발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 제2보조자기자기장발생부의 코일 감은 횟수가 일회인 것을 특징으로 하는, 균일 자기장 세포 자극 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 한 쌍의 제1보조자기장발생부의 반지름이 1 mm, 상기 한 쌍의 제1보조자기장발생부 각각이 상기 세포 배양 공간부로부터의 수직 거리가 각각 50 mm인 것을 특징으로 하는, 균일 자기장 세포 자극 시스템.