KR20200132455A - Method for Quantitative Evaluating of Recruiting Activity of Substances having Progenitor Cell or Stem Cell Recruiting Activity Using Programming Algorithm and Numerical Analysis - Google Patents

Method for Quantitative Evaluating of Recruiting Activity of Substances having Progenitor Cell or Stem Cell Recruiting Activity Using Programming Algorithm and Numerical Analysis Download PDF

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KR20200132455A
KR20200132455A KR1020190058009A KR20190058009A KR20200132455A KR 20200132455 A KR20200132455 A KR 20200132455A KR 1020190058009 A KR1020190058009 A KR 1020190058009A KR 20190058009 A KR20190058009 A KR 20190058009A KR 20200132455 A KR20200132455 A KR 20200132455A
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김문석
최상돈
박용두
장환석
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아주대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for quantitatively evaluating recruiting activity of a substance having progenitor cell or stem cell recruiting activity using a programming algorithm and numerical analysis. In the present invention, when stem cells are attached to an elastic substrate composed of a polyacrylamide gel containing fluorescent microparticles, the displacement information of fluorescent microparticles and the deformation observed on the PA gel surface are calculated by physical force through a programming algorithm and numerical analysis, and thus it was confirmed that cell traction force according to the degree of stem cell migration can be measured. Therefore, the method of the present invention not only can be used to accurately evaluate the recruiting activity of a substance having progenitor cell or stem cell recruiting activity in vitro, but also can be usefully applied to the selection of a substance having recruiting activity.

Description

프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법{Method for Quantitative Evaluating of Recruiting Activity of Substances having Progenitor Cell or Stem Cell Recruiting Activity Using Programming Algorithm and Numerical Analysis}Method for Quantitative Evaluating of Recruiting Activity of Substances having Progenitor Cell or Stem Cell Recruiting Activity Using Programming Algorithm and Numerical Analysis}

본 발명은 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하세는 형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판을 이용하여 줄기세포의 견인력을 측정하는 것을 특징으로 하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for quantitatively evaluating the mobilization activity of a substance having a progenitor cell or stem cell mobilization activity using a programming algorithm and   numerical analysis, and in more detail, an elastic substrate composed of a polyacrylamide gel containing fluorescent fine particles It relates to a programming algorithm characterized by measuring the traction force of stem cells by using and a quantitative evaluation method for the mobilization activity of progenitor cells or substances having stem cell mobilization activity using numerical analysis.

중간엽 줄기세포(Mesenchymal stem cells; MSC)는 성체 줄기세포로서 자가 재생능과 골, 지방 및 연골과 같은 중간엽 계통의 조직들로 분화할 수 있는 다분화능을 가지고 있다. 게다가 이와 같은 중간엽 줄기세포는 손상된 조직 및 염증 부위로 이동할 수 있는 지향성(tropism)을 갖고 있어서 질환 치유에 도움을 주며, 여러 조건에서 면역억제 특성을 보인다. 그러나 줄기세포가 질환 부위로 이동하기 위한 케모카인(chemokine) 수용체 및 인자들은 상대적으로 소량 발현되는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위해 줄기세포 유도 인자들이 필요하다. Mesenchymal stem cells (MSC) are adult stem cells that have the ability to self-renewal and differentiate into mesenchymal tissues such as bone, fat, and cartilage. In addition, these mesenchymal stem cells have a tropism that can move to damaged tissues and inflamed areas, helping to cure diseases, and exhibiting immunosuppressive properties under various conditions. However, there is a problem in that chemokine receptors and factors for migrating stem cells to disease sites are expressed in a relatively small amount, and stem cell inducing factors are required to solve this problem.

기존 보고된 물질 P(Substance P; SP)는 신경전달 및 신경조절 역할을 하는 11개의 아미노산(Arg-Pro-Lys-Pro-Gln-Gln-Phe-Phe-Gly-Leu-Met-NH2)의 신경 펩타이드로서, 물질 P에 대한 내인성 수용체는 NK1R(neurokinin 1 receptor)로, NK1R은 G-단백질 결합 수용체인 타키키닌(tachykinin) 수용체 서브패밀리이다. NK1R은 다양한 조직 및 기관의 많은 세포 유형(뉴런, 신경아교세포, 모세혈관, 임파선, 섬유아세포, 줄기세포 및 백혈구)에 분포하고 있고, 물질 P는 대부분의 세포신호 과정을 증폭시키거나 활성화시키며 잘 연구된 줄기세포 동원(recruiting) 인자 중 하나이다. The previously reported substance P (Substance P; SP) is of 11 amino acids (Arg-Pro-Lys-Pro-Gln-Gln-Phe-Phe-Gly-Leu-Met-NH 2 ) that play a role in neurotransmission and neuromodulation. As a neuropeptide, the endogenous receptor for substance P is NK1R (neurokinin 1 receptor), and NK1R is a G-protein coupled receptor, tachykinin receptor subfamily. NK1R is distributed in many cell types (neurons, glial cells, capillaries, lymph glands, fibroblasts, stem cells, and leukocytes) in various tissues and organs, and substance P amplifies or activates most cellular signaling processes and is well studied. It is one of the stem cell recruiting factors.

이에, 본 발명에서는 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정확한 예측 평가 분석을 수행하기 위해 노력한 결과, 견인력 현미경(traction force microscopy)이 통합된 형광 미세 입자가 포함된 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판을 이용하여 측정한 세포 영상을 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 통해 분석하면 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질에 의한 줄기세포의 견인력을 측정할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, in the present invention, as a result of trying to perform an accurate predictive evaluation and analysis on the mobilization activity of a substance having progenitor cell or stem cell mobilization activity, polyacrylamide containing fluorescent microparticles integrated with traction force microscopy When the cell image measured using an elastic substrate composed of a gel is analyzed through a programming algorithm and numerical analysis, it was confirmed that the traction force of the stem cell by a progenitor cell or a substance having stem cell mobilization activity can be measured. Completed.

본 발명의 목적은 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for quantitatively evaluating the mobilization activity of a substance having a progenitor cell or stem cell mobilization activity using a programming algorithm and   numerical analysis.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질 선별 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for selecting a substance having progenitor cell or stem cell mobilization activity using the above method.

상기 목적을 달성하기 위해, To achieve the above object,

본 발명은 (a)형광 미세 입자(fluorescent microbead)가 표면에 고정된 PA (polyacrylamide) 겔층을 형성하는 단계;The present invention includes the steps of: (a) forming a PA (polyacrylamide) gel layer in which fluorescent microbeads are fixed on the surface;

(b) 세포가 부착 가능하도록 상기 PA 겔층 표면을 개질시킨 후, 기질 단백질을 도포하는 단계;(b) modifying the surface of the PA gel layer so that cells can attach, and then applying a matrix protein;

(c) 상기 기질 단백질이 도포된 PA 겔에 전구세포 또는 줄기세포를 부착시키고 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질을 처리한 다음, 세포 및 형광 미세 입자 영상을 수집하는 단계;(c) attaching progenitor cells or stem cells to the PA gel coated with the matrix protein, treating a substance having progenitor cells or stem cell mobilization activity, and then collecting images of cells and fluorescent fine particles;

(d) 상기 영상을 수집한 세포를 제거한 다음, 세포가 없는 기준상태의 PA 겔 내 형광 미세 입자 영상을 수집하는 단계; 및(d) removing the cells from which the images were collected, and then collecting fluorescent microparticle images in the PA gel in a reference state without cells; And

(e) 상기 수집된 영상에서 형광 미세 입자의 움직임을 기반으로 줄기세포의 견인력을 측정하는 단계;를 포함하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법을 제공한다.(e) measuring the traction force of stem cells based on the movement of fluorescent microparticles in the collected image; programming algorithm including, and   for the mobilization activity of progenitor cells or substances having stem cell mobilization activity using numerical analysis Provides a quantitative evaluation method.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질은 물질 P(Substance P) 또는 물질 P의 유사체(Substance P analog)일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the substance having the progenitor cell or stem cell mobilization activity may be a substance P (Substance P) or an analog of substance P (Substance P analog).

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 전구세포 또는 줄기세포는 내재성 전구세포 또는 내재성 줄기세포일 수 있다. According to another preferred embodiment of the present invention, the progenitor cells or stem cells may be endogenous progenitor cells or endogenous stem cells.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 내재성 줄기세포는 중간엽 줄기세포, 각막줄기세포, 심근줄기세포 및 신경줄기세포로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. According to another preferred embodiment of the present invention, the endogenous stem cells may be at least one selected from the group consisting of mesenchymal stem cells, corneal stem cells, myocardial stem cells, and neural stem cells.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (a) 단계의 PA (polyacrylamide) 겔은 1 ~ 100 kPa의 탄성계수를 가질 수 있으며, PA 겔에 포함된 형광 미세 입자의 직경은 0.2 ~ 1 ㎛ 일 수 있다. According to another preferred embodiment of the present invention, the PA (polyacrylamide) gel of step (a) may have an elastic modulus of 1 to 100 kPa, and the diameter of the fluorescent fine particles contained in the PA gel is 0.2 to 1 May be μm.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (a) 단계의 PA (polyacrylamide) 겔층은According to another preferred embodiment of the present invention, the PA (polyacrylamide) gel layer of step (a) is

(a1) 아크릴아미드, 2% N,N′메틸렌비스(아크릴아미드) 비스 용액[N,N′- Methylenebis(acrylamide) BIS solution], 테트라메틸에틸렌디아민(tetramethylethylenediamine) 및 형광 미세 입자(fluorescent micro-bead)로 구성된 PA(polyacrylamide)겔 용액을 제조하는 단계;(a1) Acrylamide, 2% N,N′ methylenebis(acrylamide) bis solution [N,N′-Methylenebis(acrylamide) BIS solution], tetramethylethylenediamine, and fluorescent micro-bead ) Preparing a PA (polyacrylamide) gel solution consisting of;

(a2) 실란기가 부착되어 있는 100 ㎛ 깊이의 직사각형 홈이 있는 유리칩에 상기 PA 겔 용액 넣고 PA 겔 위에 커버글라스를 덮는 단계;(a2) putting the PA gel solution in a glass chip having a rectangular groove with a depth of 100 μm to which a silane group is attached and covering the cover glass on the PA gel;

(a3) 형광 미세 입자를 PA 겔의 윗면에 정렬시키기 위해 상부가 아래로 향하도록 원심 분리한 다음, 실온에서 경화시킨 후 커버글라스를 제거하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. (a3) centrifuging the fluorescent microparticles so that the top faces downward in order to align the fluorescent microparticles on the top surface of the PA gel, and then curing at room temperature and removing the cover glass.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (b) 단계의 기질 단백질은 콜라겐(collagen type I)일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the matrix protein in step (b) may be collagen (collagen type I).

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (c) 단계의 세포 및 형광 미세 입자 영상은 10분 마다 12시간 동안 실시간 영상 장비를 이용하여 촬영 및 수집할 수 있다. According to another preferred embodiment of the present invention, the cell and fluorescent microparticle images of step (c) may be photographed and collected using real-time imaging equipment for 12 hours every 10 minutes.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (e) 단계는 상기 기준상태 형광 미세 입자 영상과 세포 부착 시 형광 미세 입자 영상의 상호상관 (cross-correlation)을 통해 미세 입자의 이동 변위를 픽셀(pixel) 단위에서 ㎛ 단위로 변환하고, 상기 PA 겔의 탄성계수, 겔 두께, 포아송 비를 이용하여 유한요소해석법(finite element method)을 통해 PA 겔 표면에서 관찰된 변형을 물리적 힘으로 산출함으로써 세포에 의한 견인력을 측정할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, in step (e), the movement displacement of the microparticles is determined by cross-correlation between the reference state fluorescent microparticle image and the fluorescent microparticle image when cells are attached. Cells by converting from (pixel) unit to µm unit and calculating the deformation observed on the PA gel surface as a physical force through finite element method using the elastic modulus, gel thickness, and Poisson's ratio of the PA gel. The traction force by can be measured.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (e) 단계는 수집된 세포 영상 및 형광 미세 입자 영상을 MATLAB 소프트웨어로 분석하여 줄기세포 견인력을 측정할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, in step (e), the stem cell traction force may be measured by analyzing the collected cell images and fluorescent microparticle images with MATLAB software.

또한, 본 발명은 상기 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질 선별 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for selecting a substance having a progenitor cell or stem cell mobilization activity using a quantitative evaluation method for the mobilization activity of the substance having the progenitor cell or stem cell mobilization activity.

본 발명에서는 형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판에 줄기세포를 부착시켰을 때, 형광 미세 입자 이동 변위 정보 및 PA 겔 표면에서 관찰된 변형을 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 통해 물리적인 힘으로 산출함으로써 줄기세포의 이동 정도에 따른 세포 견인력을 측정할 수 있는 것을 확인하였으므로, 본 발명의 방법은 생체 외에서 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정확한 평가에 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 동원활성을 가지는 물질의 선별에도 유용하게 적용할 수 있다.In the present invention, when stem cells are attached to an elastic substrate made of a polyacrylamide gel containing fluorescent microparticles, the displacement information of the fluorescent microparticles and the deformation observed on the PA gel surface are measured by a programming algorithm and numerical analysis. Since it was confirmed that the cell traction force according to the degree of migration of stem cells can be measured by calculating as, the method of the present invention can be utilized not only for accurate evaluation of the mobilization activity of a substance having progenitor cells or stem cell mobilization activity in vitro. In addition, it can be usefully applied to the selection of substances having mobilization activity.

도 1은 형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판과 부착된 세포에 의한 형광 미세 입자의 이동을 나타낸 모식도이다.
도 2는 PA 겔 표면에 줄기세포가 부착된 상태 및 줄기세포가 제거된 기준상태에서 수집한 명시야 세포 영상(A) 및 형광 미세 입자 영상(B)을 나타낸 데이터이다.
도 3A은 수집된 명시야 줄기세포 영상을 MATLAB을 이용하여 세포 영상(t) 및 세포 영상(t-1) 간의 상호상관(cross-correlation) 기반 PIV(particle image velocimetry)를 통해 픽셀(pixel)의 이동 변위를 수치로 계산 후 색지도화(color mapping)로 세포 이동 변위를 공간적 도식화한 데이터이다.
도 3B는 상기 수집된 형광 미세 입자 영상 및 세포 제거 후 기준상태의 형광 미세 입자 영상을 MATLAB을 이용하여 미세 입자 영상(t) 및 기준상태 미세 입자 영상(r)간의 상호상관 기반 PIV를 통해 픽셀의 이동 변위를 수치로 계산 후 색지도화(color mapping)로 미세 입자 이동 변위를 공간적 도식화한 데이터이다. 도면에 나타난 각 위치의 색은 픽셀의 이동 변위이며, 화살표는 픽셀의 이동 방향을 나타낸다.
도 4는 줄기세포 이동 변위를 픽셀(pixel)에서 ㎛ 단위로 변환 후 색지도화(color mapping)로 세포 이동 변위를 공간적 도식화한 데이터이다. 도 4A의 각 위치의 색은 방사 방향 좌표(radial coordinate)의 세포 이동 속도 크기이며 화살표는 세포의 이동 방향을 나타내며, 도 4B의 각 위치의 색은 방사 방향 좌표(radial coordinate)의 세포 견인력 크기이며 화살표는 견인력 방향을 나타낸다.
도 5는 줄기세포 이동 속도에 대한 스칼라값인 속력의 편차(중간 분위, midquartile)와 중윗값을 박스 플롯(box plot)으로 정량화한 데이터(A) 및 계산된 세포 견인력의 절대값인 견인력 크기의 편차(중간 분위, midquartile)와 중윗값을 박스 플롯(box plot)으로 정량화한 데이터(B)이다.
도 6은 계산된 이동 속력(A)과 세포 견인력(B)의 크기에 대해 모든 시간에 걸친 평균값 (mean 또는 average) 및 분포도 (histogram 또는 probability)를 나타낸 데이터이다.
도 7은 물질 P(Substance P) 유무 및 농도에 따른 명시야 세포 영상을 나타낸 데이터이다.
도 8은 물질 P(Substance P) 유무 및 농도에 따른 줄기세포 이동 변위를 픽셀(pixel)에서 ㎛ 단위로 변환후 색지도화(color mapping)로 세포 이동 변위를 공간적 도식화한 데이터이다.
도 9는 물질 P(Substance P) 유무 및 농도에 따른 줄기세포 이동 속도에 대한 스칼라값인 속력의 편차(중간 분위, midquartile)와 중윗값을 박스 플롯(box plot)으로 정량화한 데이터 및 계산된 세포 견인력의 절대값인 견인력 크기의 편차(중간 분위, midquartile)와 중윗값을 박스 플롯(box plot)으로 정량화한 데이터이다.
도 10은 물질 P(Substance P) 유무 및 농도에 따른 줄기세포 이동 속력과 세포 견인력의 크기에 대해 모든 시간에 걸친 평균값 및 분포도를 나타낸 데이터이다.
1 is a schematic diagram showing the movement of fluorescent fine particles by an elastic substrate made of polyacrylamide gel containing fluorescent fine particles and attached cells.
2 is data showing a bright field cell image (A) and a fluorescent fine particle image (B) collected in a state in which stem cells are attached to the surface of a PA gel and in a reference state from which stem cells are removed.
3A is a cross-correlation-based PIV (particle image velocimetry) between a cell image (t) and a cell image (t-1) using MATLAB for the collected bright field stem cell image. This is the data obtained by spatially plotting the cell migration displacement through color mapping after calculating the movement displacement numerically.
3B is a cross-correlation-based PIV between the collected fluorescence fine particle image and the fluorescence fine particle image in a reference state after removal of cells using MATLAB. This is the data obtained by spatially plotting the movement displacement of fine particles by color mapping after calculating the movement displacement numerically. The color of each position shown in the drawing is a moving displacement of a pixel, and an arrow indicates a moving direction of the pixel.
4 is data obtained by spatially plotting the cell movement displacement by color mapping after converting the stem cell movement displacement from pixels to µm units. The color of each location in FIG. 4A is the magnitude of the cell movement speed in radial coordinates, the arrow indicates the direction of movement of the cell, and the color of each location in FIG. 4B is the magnitude of the cell traction force in the radial coordinates. Arrows indicate the direction of traction.
Figure 5 shows the data (A) quantifying the deviation of the speed, which is a scalar value for the stem cell movement speed, and the median value in a box plot (A) and the magnitude of the traction force, which is the absolute value of the calculated cell traction. This is data (B) obtained by quantifying the deviation (midquartile) and median value in a box plot.
6 is data showing an average value (mean or average) and a distribution diagram (histogram or probability) over all time for the magnitudes of the calculated moving speed (A) and cell traction force (B).
7 is data showing a bright field cell image according to the presence and concentration of a substance P (Substance P).
8 is data obtained by spatially plotting the cell movement displacement by color mapping after converting the stem cell movement displacement according to the presence or absence of a substance P (substance P) and concentration in µm units from pixels.
9 is a data obtained by quantifying the deviation (median quartile, midquartile) and median value of the speed, which is a scalar value for the stem cell movement speed according to the presence and concentration of a substance P (Substance P), and calculated cells. This is the data obtained by quantifying the deviation of the magnitude of the traction force, which is the absolute value of the traction force (midquartile) and the median value, in a box plot.
10 is data showing the average value and distribution over all time for the magnitude of stem cell movement speed and cell traction force according to the presence and absence of substance P (Substance P) and concentration.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 일관점에서, (a)형광 미세 입자(fluorescent micro-bead)가 표면에 고정된 PA (polyacrylamide) 겔층을 형성하는 단계;In a consistent aspect, the present invention comprises the steps of: (a) forming a PA (polyacrylamide) gel layer in which fluorescent micro-beads are fixed on the surface;

(b) 세포가 부착 가능하도록 상기 PA 겔층 표면을 개질시킨 후, 기질 단백질을 도포하는 단계;(b) modifying the surface of the PA gel layer so that cells can attach, and then applying a matrix protein;

(c) 상기 기질 단백질이 도포된 PA 겔에 전구세포 또는 줄기세포를 부착시키고 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질을 처리한 다음, 세포 및 형광 미세 입자 영상을 수집하는 단계;(c) attaching progenitor cells or stem cells to the PA gel coated with the matrix protein, treating a substance having progenitor cells or stem cell mobilization activity, and then collecting images of cells and fluorescent fine particles;

(d) 상기 영상을 수집한 세포를 제거한 다음, 세포가 없는 기준상태의 PA 겔 내 형광 미세 입자 영상을 수집하는 단계; 및(d) removing the cells from which the images were collected, and then collecting fluorescent microparticle images in the PA gel in a reference state without cells; And

(e) 상기 수집된 영상에서 형광 미세 입자의 움직임을 기반으로 줄기세포의 견인력을 측정하는 단계;를 포함하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법에 관한 것이다. (e) measuring the traction force of stem cells based on the movement of fluorescent microparticles in the collected image; programming algorithm including, and   for the mobilization activity of progenitor cells or substances having stem cell mobilization activity using numerical analysis It relates to a quantitative evaluation method.

본 발명에 있어서, 상기 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질은 물질 P(Substance P) 또는 물질 P의 유사체(Substance P analog)인 것을 특징으로 할 수 있다. 물질 P(Substance P, 이하 "SP"로 혼용 표기함)는 RPKPQQFFGLM의 11개의 아미노산 서열로 이루어진 포유류의 타키키닌의 하나로서, 조직 내 상처가 발생했을 때 과량 분비되고, 이는 상처 회복을 위해 다분화능이 있는 줄기세포의 동원(또는 '포집', '이동 촉진')을 유도할 수 있는 능력을 지닌 물질이다. In the present invention, the substance having the progenitor cell or stem cell mobilization activity may be a substance P (Substance P) or an analog of substance P (Substance P analog). Substance P (Substance P, hereinafter referred to as "SP") is one of mammalian tachykinins consisting of 11 amino acid sequences of RPKPQQFFGLM, and is secreted excessively when wounds in tissues occur, which are all for wound recovery. It is a substance that has the ability to induce the mobilization (or'capture','mobility promotion') of stem cells with differentiation ability.

본 발명에 있어서, 상기 전구세포 또는 줄기세포는 내재성 세포로, 중간엽 줄기세포, 각막줄기세포, 심근줄기세포, 신경줄기세포 및 혈관 내피 전구세포로 구성된 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 중간엽 줄기세포(Mesenchymal stem cells)인 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the progenitor cells or stem cells are endogenous cells, and may be at least one selected from the group consisting of mesenchymal stem cells, corneal stem cells, myocardial stem cells, neural stem cells, and vascular endothelial progenitor cells, and preferably May be characterized as mesenchymal stem cells.

내재성 전구세포 또는 내재성 줄기세포는 특정의 장기 및/또는 조직에 원래 존재하여, 해당 장기 및/또는 조직이 손상을 입었을 경우에 그 조직 및/또는 장기의 재생에 공헌하는, 자기 복제능 및 다분화능을 가진 세포를 말한다. 구체적인 예로서는, 중간엽 줄기세포, 각막줄기세포, 심근줄기세포, 신경줄기세포 및 혈관 내피 전구세포 등을 들 수 있다.Intrinsic progenitor cells or intrinsic stem cells are inherently present in a specific organ and/or tissue, contributing to the regeneration of the tissue and/or organ when the organ and/or tissue is damaged, and self-replicating ability and It refers to cells with pluripotency. Specific examples include mesenchymal stem cells, corneal stem cells, myocardial stem cells, neural stem cells, and vascular endothelial progenitor cells.

전구세포 또는 줄기세포 동원 활성은 전구세포 또는 줄기세포의 이동을 촉진하는 것으로, 이동은 전구세포 또는 줄기세포가 골수, 장기 및/또는 조직으로부터 순환하는 혈액으로 유통되고; 순환하는 혈액으로부터 손상된 장기 및/또는 조직에 축적되며; 또는 장기 및/또는 조직의 내부로 움직이는 것을 말한다.The progenitor cell or stem cell mobilization activity promotes the migration of the progenitor cell or stem cell, and the migration is circulated by the progenitor cell or stem cell from the bone marrow, organ and/or tissue to the circulating blood; Accumulates in damaged organs and/or tissues from circulating blood; Or it refers to moving inside an organ and/or tissue.

도 1은 형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판과 부착된 세포에 의한 형광 미세 입자의 이동을 나타낸 모식도로, 단일 또는 다수의 세포가 2차원 표면에 부착 및 이동시 세포-기질의 물리적 상호작용을 정량화할 수 있다. PA 겔은 1 ~ 100 kPa의 탄성계수, 바람직하게는 1 ~ 10kPa, 더 바람직하게는 6kPa의 탄성계수를 가질 수 있으며, PA 겔에 포함된 형광 미세 입자의 직경은 0.2 ~ 1 ㎛인 것을 특징으로 할 수 있다. 1 is a schematic diagram showing the movement of fluorescent microparticles by an elastic substrate made of a polyacrylamide gel containing fluorescent microparticles and attached cells. When a single or multiple cells attach and move to a two-dimensional surface, the cell-substrate Physical interactions can be quantified. The PA gel may have an elastic modulus of 1 to 100 kPa, preferably 1 to 10 kPa, more preferably 6 kPa, and the diameter of the fluorescent fine particles included in the PA gel is 0.2 to 1 µm. can do.

본 발명의 형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판은 구체적으로,The elastic substrate composed of the polyacrylamide gel containing the fluorescent fine particles of the present invention is specifically,

(a1) 아크릴아미드, N,N′메틸렌비스(아크릴아미드) 비스 용액[N,N′- Methylenebis(acrylamide) BIS solution], 테트라메틸에틸렌디아민(tetramethylethylenediamine) 및 형광 미세 입자(fluorescent micro-bead)로 구성된 PA(polyacrylamide)겔 용액을 제조하는 단계;(a1) Acrylamide, N,N' methylenebis (acrylamide) bis solution [N,N'- Methylenebis (acrylamide) BIS solution], tetramethylethylenediamine (tetramethylethylenediamine) and fluorescent micro-bead (fluorescent micro-bead) Preparing a composed PA (polyacrylamide) gel solution;

(a2) 실란기가 부착되어 있는 100 ㎛ 깊이의 직사각형 홈이 있는 유리칩에 상기 PA 겔 용액 넣고 PA 겔 위에 커버글라스를 덮는 단계; 및(a2) putting the PA gel solution in a glass chip having a rectangular groove with a depth of 100 μm to which a silane group is attached and covering the cover glass on the PA gel; And

(a3) 형광 미세 입자를 PA 겔의 윗면에 정렬시키기 위해 상부가 아래로 향하도록 원심 분리한 다음, 실온에서 경화시킨 후 커버글라스를 제거하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다. (a3) It can be characterized in that it is produced by a method comprising the step of removing the cover glass after centrifuging the fluorescent fine particles with the top facing down in order to align the fluorescent fine particles on the top surface of the PA gel, and then curing at room temperature. .

본 발명의 구체적인 일구현예에서는, 일정한 높이로 PA 겔을 채우기 위해 100 ㎛ 깊이의 직사각형 홈이 있는 유리칩을 제작하여 사용하였으며, 아세트산(acetic acid) 및 실란 A174(3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트[silane A174(3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate]로 구성된 결합-실란 용액을 처리하여 유리칩에 실란기를 부착시켜 사용하였다. 상기 실란기가 부착된 유리칩의 직사각형 홈에 PA 겔을 첨가한 다음, 형광 미세 입자를 PA 겔의 윗면에 정렬시키기 위해 PA 겔 용액으로 채워진 유리칩을 거꾸로 뒤집어 700 rpm에서 10분 동안 원심분리한 후, PA 겔의 중합을 위해 상부가 아래로 향하도록 두어 실온에서 경화시킨 다음, 커버 유리를 제거하여 최종적으로 형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판을 제작하였다.In a specific embodiment of the present invention, a glass chip having a rectangular groove having a depth of 100 μm was prepared and used to fill the PA gel with a constant height, and acetic acid and silane A174 (3- (trimethoxysilyl) A bond-silane solution composed of propyl methacrylate [silane A174(3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate]) was treated to attach a silane group to a glass chip, and PA gel was added to the rectangular groove of the glass chip to which the silane group was attached. Then, in order to align the fluorescent microparticles on the top surface of the PA gel, the glass chip filled with the PA gel solution was turned upside down and centrifuged at 700 rpm for 10 minutes, and then the top was placed face down for polymerization of the PA gel. After curing at, the cover glass was removed to finally produce an elastic substrate composed of polyacrylamide gel containing fluorescent fine particles.

본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계의 기질 단백질은 콜라겐(collagen type I)인 것을 특징으로 하며, 본 발명의 구체적인 일구현예에서는 SANPAH[sulphosuccin-imidyl-6-(4-azido-2-nitrophenylamino) hexanoate] 용액으로 PA 겔 표면을 개질시킨 다음, 콜라겐타입 I (collagen type I)을 도포하였다.In the present invention, the substrate protein of step (b) is characterized in that collagen (collagen type I), in a specific embodiment of the present invention SANPAH [sulphosuccin-imidyl-6-(4-azido-2-nitrophenylamino ) The PA gel surface was modified with a hexanoate] solution, and then collagen type I was applied.

본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계의 세포 및 형광 미세 입자 영상은 12시간 동안 10분 마다 실시간 영상 장비를 이용하여 촬영 및 수집한 것을 특징으로 하며, 명시야를 사용하여 세포를 이미지화하고, 녹색형광단백질(green fluorescent protein(GFP) 필터를 사용하여 형광 미세 입자를 이미지화하여 분석하였다 (도 2).In the present invention, the cell and fluorescent microparticle images of step (c) are photographed and collected every 10 minutes for 12 hours using real-time imaging equipment, and cells are imaged using a bright field, and green Fluorescent fine particles were imaged and analyzed using a green fluorescent protein (GFP) filter (FIG. 2).

본 발명에 있어서, 상기 (e) 단계는 수집된 세포 영상 및 형광 미세 입자 영상을 MATLAB 소프트웨어로 분석하여 줄기세포 견인력을 측정하는 것을 특징으로 하며, 구체적으로 기준상태 형광 미세 입자 영상과 세포 부착 시 형광 미세 입자 영상의 상호상관(cross-correlation)을 통해 미세 입자의 이동 변위를 픽셀(pixel) 단위에서 ㎛ 단위로 변환하고, 상기 PA 겔의 탄성계수, 겔 두께, 포아송 비를 이용하여 유한요소해석법(finite element method)을 통해 PA 겔 표면에서 관찰된 변형을 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 통해 물리적 힘으로 산출함으로써 세포에 의한 견인력을 측정하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the step (e) is characterized in that the stem cell traction is measured by analyzing the collected cell image and the fluorescent fine particle image with MATLAB software, and specifically, the reference state fluorescent fine particle image and the fluorescence upon cell attachment The movement displacement of the fine particles is converted from the pixel unit to the µm unit through cross-correlation of the fine particle image, and the finite element analysis method is used using the elastic modulus, gel thickness, and Poisson ratio of the PA gel ( finite element method) to measure the traction force by cells by calculating the deformation observed on the PA gel surface as a physical force through a programming algorithm and numerical analysis.

본 발명에서는 획득된 명시야 세포 이미지 및 형광 미세 입자 이미지는 MATLAB(MathWorks Inc.) 기반으로 개발된 맞춤형 소스코드를 사용하여 수치변환 및 정량 분석을 수행하였다. 구체적으로, 세포 이미지 및 세포가 제거된 기준상태 이미지 또는 형광 미세 입자 이미지 및 기준상태 형광 미세 입자 이미지 사이의 정규화된 상호-상관(cross-correlation)에 기초하여 입자이미지 속도계(particle image velocimetry; PIV)를 통해 세포 및 형광 미세 입자 변위에 대해 분석하였다. In the present invention, the obtained brightfield cell image and fluorescent fine particle image were subjected to numerical conversion and quantitative analysis using a customized source code developed based on MATLAB (MathWorks Inc.). Specifically, particle image velocimetry (PIV) based on a normalized cross-correlation between a cell image and a reference state image from which cells are removed, or a fluorescence microparticle image and a reference state fluorescent microparticle image. Cell and fluorescence microparticle displacements were analyzed.

본 발명의 구체적인 구현예에서는, 도 3에 나타난 바와 같이, 수집된 명시야 줄기세포 영상을 MATLAB을 이용하여 세포 영상(t) 및 세포 영상(t-1) 간의 상호상관기반 PIV를 통해 픽셀의 이동 변위를 수치로 계산 후 색지도화(color mapping)로 세포 이동 변위를 공간적을 도식화 하였으며(도 3A), 미세 입자 영상(t) 및 기준상태 미세 입자 영상(r)간의 상호상관 기반 PIV를 통해 픽셀의 이동 변위를 수치로 계산 후 색지도화(color mapping)로 미세 입자 이동 변위를 공간적으로 도식화하였다 (도 3B).In a specific embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the collected bright field stem cell image is moved using MATLAB through cross-correlation-based PIV between the cell image (t) and the cell image (t-1). After calculating the displacement numerically, the cell movement displacement was spatially plotted by color mapping (Fig. 3A), and the cross-correlation-based PIV between the microparticle image (t) and the reference state microparticle image (r) After calculating the movement displacement numerically, the movement displacement of the fine particles was spatially plotted by color mapping (FIG. 3B).

또한, 도 4A는 줄기세포 이동 변위를 픽셀(pixel)에서 ㎛ 단위로 변환후 색지도화(color mapping)로 세포 이동 변위를 공간적으로 도식화환 것으로, 상기 분석 방법을 이용하여 PA 겔 표면에서 관찰된 변형을 물리적 힘으로 산출하여 세포에 의한 견인력을 측정한 다음, 색지도화를 이용하여 세포 견인력을 공간적으로 도식화 하였다 (도 4B).In addition, FIG. 4A is a spatial schematic diagram of the cell movement displacement by color mapping after converting the stem cell movement displacement from pixels to µm units, and the deformation observed on the PA gel surface using the above analysis method. The traction force by the cells was measured by calculating the physical force, and then the cell traction force was spatially plotted using color mapping (FIG. 4B).

상기 견인력을 정량화하기 위해, 도 5에 나타난 바와 같이, 줄기세포 이동 속도에 대한 스칼라값인 속력의 편차와 중윗값(도 5A)과 세포 견인력의 절대값인 견인력 크기의 편차(도 5B)를 박스 플롯(box plot)으로 정량화하였으며, 도 6에 나타난 바와 같이, 계산된 이동 속력(A)과 세포 견인력(B)의 크기에 대해 모든 시간에 걸친 평균값(mean 또는 average) 및 분포도(histogram 또는 probability)를 분석하였다. In order to quantify the traction force, as shown in Fig. 5, the deviation of the speed and the median value (Fig. 5A), which is a scalar value for the stem cell movement speed, and the deviation of the size of the traction force, which is the absolute value of the cell traction force, are boxed. It was quantified by a box plot, and as shown in FIG. 6, the calculated moving speed (A) and cell traction force (B) were averaged over all time periods (mean or average) and distribution (histogram or probability) Was analyzed.

본 발명의 구체적인 구현예에서, 물질 P처리에 따른 줄기세포의 견인력을 측정한 결과, 도 7 내지 도 10 나타난 바와 같이, 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 세포의 평균 속력 및 견인력 크기의 시간에 따른 변화를 정량화할 수 있음을 확인하였다. In a specific embodiment of the present invention, as a result of measuring the traction force of stem cells according to the treatment of the substance P, as shown in FIGS. 7 to 10, the average speed of the cells relative to the mobilization activity of a progenitor cell or a substance having stem cell mobilization activity And it was confirmed that the change over time of the magnitude of the traction force can be quantified.

즉, 본 발명에서는 형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판에 줄기세포를 부착시켰을 때, 형광 미세 입자 이동 변위 정보 및 PA 겔 표면에서 관찰된 변형을 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 통해 물리적인 힘으로 산출함으로써 줄기세포의 이동 정도에 따른 세포 견인력을 측정할 수 있는 것을 확인하였으므로, 본 발명의 방법은 생체 외에서 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성을 정량적으로 분석할 수 있음을 확인하였으며, 나아가 동원활성을 가지는 물질의 선별에도 활용할 수 있음을 확인하였다.That is, in the present invention, when stem cells are attached to an elastic substrate made of polyacrylamide gel containing fluorescent microparticles, information on displacement of fluorescent microparticles and deformation observed on the PA gel surface are physically analyzed through programming algorithms and numerical analysis. Since it was confirmed that the cell traction force according to the degree of migration of stem cells can be measured by calculating with phosphorus force, the method of the present invention can quantitatively analyze the mobilization activity of a substance having progenitor cells or stem cell mobilization activity in vitro. Was confirmed, and furthermore, it was confirmed that it can be used for selection of substances having mobilization activity.

따라서, 본 발명은 다른 일관점에서 본 발명의 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법을 이용한, 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질 선별 방법에 관한 것이다.Accordingly, the present invention relates to a method for selecting a substance having a progenitor cell or stem cell mobilization activity using the method of quantitative evaluation of the mobilization activity of the substance having the progenitor cell or stem cell mobilization activity of the present invention from another point of view.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples.

이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.These examples are for illustrative purposes only, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

형광 미세 입자를 포함하는 Containing fluorescent fine particles 폴리아크릴아마이드겔로With polyacrylamide gel 구성된 Composed 탄성기판Elastic substrate 제작 making

1-1: PDMS 스텐실 구성 요소 제작1-1: PDMS stencil component fabrication

셀 패터닝을 위한 PDMS 스텐실 구성 요소는 이전 연구에서 보고된 방법을 이용하여 PDMS (Sylgard 184, Dow Corning, 미국)를 이용한 일반적인 소프트 리소그래피(soft lithography)를 이용하여 제작하였다 (H. Jang, et al., Sci. Rep., 8:45844, 2017).PDMS stencil components for cell patterning were fabricated using general soft lithography using PDMS (Sylgard 184, Dow Corning, USA) using the method reported in the previous study (H. Jang, et al . , Sci. Rep ., 8:45844, 2017).

간략하게, 프리폴리머(prepolymer) 및 경화제(curing agent)의 비율이 10 : 1로 잘혼합된 PDMS 용액을 200 ㎛ 두께로 직경 700 ㎛ 원기둥이 일정한 간격으로 구성되어있는 SU-8 master molds(Outsourced; MicroFIT, 한국)에 부은 다음, 85 ℃ 건조 오븐에서 2시간 동안 경화시켰다. Briefly, SU-8 master molds (Outsourced; MicroFIT) consisting of 200 μm thick and 700 μm diameter cylinders of a PDMS solution in which the ratio of prepolymer and curing agent is 10: 1 are mixed at regular intervals. , Korea), and then cured in a drying oven at 85° C. for 2 hours.

경화 후, 직경 700 ㎛의 구멍들이 정렬되어있는 얇은 PDMS 필름을 직경 14 mm의 펀치로 트리밍한 다음, 고압멸균하여 준비하였다.After curing, a thin PDMS film in which holes having a diameter of 700 μm are aligned was trimmed with a punch having a diameter of 14 mm, and then prepared by autoclaving.

1-2 : 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide; PA) 겔 기판의 제조1-2: Preparation of polyacrylamide (PA) gel substrate

공지된 방법(H. Jang, etal., Sci .Rep., 8:45844, 2017)을 기반으로 40% 아크릴아미드(Bio-Rad, USA) 135 ㎕, 2% N,N′-메틸렌비스(아크릴아미드) 비스 용액[N,N′- Methylenebis(acrylamide) BIS solution; Bio-Rad, 미국] 101 ㎕, 정제수 658 ㎕, 녹색 형광 미세 입자(green fluorescent beads; diameter = 500 nm; FluoSpheres; Invitrogen, 미국) 100 ㎕ 및 테트라메틸에틸렌디아민(tetramethylethylenediamine, TEMED; Bio-Rad, 미국) 1 ㎕로 구성된 1 ㎖의 PA겔 솔루션(6kPa)을 제조하였다.Based on a known method (H. Jang, et al ., Sci . Rep ., 8:45844, 2017), 135 μl of 40% acrylamide (Bio-Rad, USA), 2% N,N′-methylenebis (acrylic Amide) bis solution [N,N′-Methylenebis(acrylamide) BIS solution; Bio-Rad, USA] 101 μl, purified water 658 μl, green fluorescent beads (diameter = 500 nm; FluoSpheres; Invitrogen, USA) 100 μl and tetramethylethylenediamine (TEMED; Bio-Rad, USA) ) 1 ml of PA gel solution (6 kPa) consisting of 1 μl was prepared.

일정한 높이의 탄성기판을 채우기 위해 100 ㎛ 깊이의 직사각형 홈이 있는 유리칩을 주문제작하였다 (MicroFIT). 유리칩을 고압멸균한 다음, 홈을 고순도의 물로 희석한 0.04%(v/v) 아세트산(acetic acid) 및 0.025%(v/v) 실란 A174(3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트[silane A174 (3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate; Sigma-Aldrich, 미국]로 구성된 결합-실란 용액을 처리하여 실온에서 1시간 동안 반응시켰다. 그 다음, 유리칩을 3차 증류수로 3회 세척한 다음 건조시켰다. 준비된 PA 겔 용액 10 ㎕를 홈에 채우고 덮개 유리(직경 = 18 mm, Marienfeld, 독일)로 평평하게 하였다. To fill the elastic substrate of a certain height, a glass chip with a rectangular groove with a depth of 100 μm was manufactured to order (MicroFIT). After autoclaving the glass chips, 0.04% (v/v) acetic acid and 0.025% (v/v) silane A174 (3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate diluted with high-purity water in the grooves A bond-silane solution consisting of [silane A174 (3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate; Sigma-Aldrich, USA] was treated and reacted for 1 hour at room temperature. Then, the glass chips were washed three times with tertiary distilled water. 10 [mu]l of the prepared PA gel solution was filled into the groove and flattened with a cover glass (diameter = 18 mm, Marienfeld, Germany).

형광 미세 입자를 겔의 윗면을 따라 정렬시키기 위해 PA 겔 용액으로 채워진 유리칩을 거꾸로 뒤집어 700 rpm에서 10분 동안 원심분리하였다. PA 겔의 중합을 위해 상부가 아래로 향하도록 두어 실온에서 40분 동안 경화시킨 다음, 유리칩의 상부에 정제된 물을 붓고 커버 유리를 제거하였다.In order to align the fluorescent fine particles along the top of the gel, the glass chip filled with the PA gel solution was turned upside down and centrifuged at 700 rpm for 10 minutes. For polymerization of the PA gel, it was cured for 40 minutes at room temperature with the top facing down, and then purified water was poured onto the top of the glass chip to remove the cover glass.

형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판을 이용한 줄기세포의 견인력 측정Measurement of traction force of stem cells using an elastic substrate composed of polyacrylamide gel containing fluorescent fine particles

2-1: PA 겔의 세포 패터닝2-1: cell patterning of PA gel

PA 겔 표면에 Sulfo-SANPAH[sulphosuccin-imidyl-6-(4-azido-2-nitrophenylamino) hexanoate; 1 ㎎/㎖ in 50 mM HEPES buffer; Thermo Scientific Pierce, 미국] 용액을 도포하고 자외선 빛(365 nm wavelength)을 10분 동안 조사하여 PA 겔 표면을 개질하였다. 겔 표면을 0.1 M HEPES(Sigma-Aldrich, 미국) 용액으로 두 번 세척한 다음, PBS(phosphate-buffered salin; Welgene, 한국)로 1회 세척하였다. Sulfo-SANPAH (sulphosuccin-imidyl-6-(4-azido-2-nitrophenylamino) hexanoate on the PA gel surface; 1 mg/ml in 50 mM HEPES buffer; Thermo Scientific Pierce, USA] solution was applied and the surface of the PA gel was modified by irradiation with ultraviolet light (365 nm wavelength) for 10 minutes. The gel surface was washed twice with 0.1 M HEPES (Sigma-Aldrich, USA) solution, and then washed once with PBS (phosphate-buffered salin; Welgene, Korea).

기능화된 PA 겔을 PBS 용액에 100 ㎍/㎖ 농도로 희석한 콜라겐타입 I (collagen type I; rat tail; Corning, 미국) 기질 단백질을 도포한 다음, 4 ℃에서 24시간 동안 반응시켰다. 그 다음, 콜라겐 용액을 제거하고, PA 겔을 포함한 유리칩을 PBS로 3회 세척하였다. The functionalized PA gel was coated with a substrate protein of collagen type I (rat tail; Corning, USA) diluted at a concentration of 100 μg/ml in a PBS solution, and then reacted at 4° C. for 24 hours. Then, the collagen solution was removed, and the glass chips including the PA gel were washed three times with PBS.

고압멸균한 PDMS 스텐실을 PBS로 희석된 2% 플루오닉 F-127 용액(Pluronic F-127 solution ; Sigma-Aldrich)으로 코팅한 다음, 37 ℃에서 1시간 동안 반응시킨 후 PBS로 3회 세척하였다. 스텐실과 PA 겔에서 액체를 제거한 후, 콜라겐 코딩된 PA 겔 표면에 스텐실을 올려놓았다. PDMS 스텐실의 구멍을 공기방울 없는 PBS로 채운 다음, 배지에 현탁된 인간 유래 중간엽 줄기세포(density = 2 × 106 cells/㎖) 200 ㎕ 방울을 올려놓았다. 샘플을 PA 겔 표면에 부착시키기 위해 37 ℃, 5% CO2에서 1시간 동안 배양시킨 다음, PDMS 스텐실을 DMEM으로 부드럽게 2회 세척한 다음 신중하게 제거하였다. 그 후, 배지를 새로운 DMEM으로 교환하여 세포 파편을 제거하고, 패턴화된 중간엽 줄기세포 단층 섬(cell monolayer island)을 형성시켰다.The autoclaved PDMS stencil was coated with 2% Pluronic F-127 solution (Sigma-Aldrich) diluted with PBS, and then reacted at 37° C. for 1 hour and washed 3 times with PBS. After removing the liquid from the stencil and the PA gel, the stencil was placed on the collagen-encoded PA gel surface. After filling the hole of the PDMS stencil with PBS without air bubbles, 200 µl drops of human-derived mesenchymal stem cells (density = 2 × 10 6 cells/ml) suspended in the medium were placed. The sample was incubated at 37° C. and 5% CO 2 for 1 hour to adhere to the PA gel surface, and then the PDMS stencil was gently washed twice with DMEM and then carefully removed. Thereafter, the medium was exchanged with new DMEM to remove cell debris, and patterned mesenchymal stem cell monolayer islands were formed.

2-2: 저속 촬영 현미경(Time-lapse microscopy)2-2: Time-lapse microscopy

모든 실험은 세포 배양기 속에서 4배 대물렌즈(4×objective lens; Olympus, 일본)와 함께 JuLI 스테이지 라이브 세포 이미징 시스템(JuLI stage live cell imaging system; NanoEnTek, 한국)을 사용하여 수행하였다. 명시야를 사용하여 세포를 이미지화하고, 녹색형광단백질(green fluorescent protein; GFP) 필터를 사용하여 형광 미세 입자를 이미지화하였다. 이미지는 12시간 동안 매 10분 간격으로 촬영 및 수집하였다. All experiments were performed using a JuLI stage live cell imaging system (NanoEnTek, Korea) with a 4x objective lens (Olympus, Japan) in a cell incubator. The cells were imaged using a bright field, and fluorescent fine particles were imaged using a green fluorescent protein (GFP) filter. Images were taken and collected every 10 minutes for 12 hours.

마지막 시점에서, 기판 위 스트레스가 세포의 물리적인 힘으로부터 이완되는 형광 미세 입자 위치의 기준상태 이미지를 수득하기 위해 세포를 트립신 처리하였다 (도 2). At the last time point, the cells were trypsinized to obtain a reference state image of the position of the fluorescent microparticles at which the stress on the substrate is relaxed from the physical force of the cells (Fig. 2).

2-3: 정량분석(Quantification analysis)2-3: Quantification analysis

획득된 명시야 세포 이미지 및 형광 미세 입자 이미지는 MATLAB(MathWorks Inc., 미국) 기반 맞춤형 소스코드를 사용하여 수치변환 및 정량 분석을 수행하였다. The obtained bright field cell image and fluorescent fine particle image were subjected to numerical transformation and quantitative analysis using a customized source code based on MATLAB (MathWorks Inc., USA).

본 발명에서 사용된 계산 및 분석 코드는 미국 하버드 공중보건대학(Harvard T H Chan School of Public Health)의 프레드버그 그룹(Fredberg group)이 수행한 이전의 연구를 기반으로 수행하였다 (X. Trepat, et al., Nat. Phys., 5:426, 2009; D. T. Tambe, et al., Nat. Mater.,10:469-475, 2011). The calculation and analysis codes used in the present invention were performed based on a previous study conducted by the Fredberg group of Harvard TH Chan School of Public Health in the United States (X. Trepat, et al. . , Nat. Phys ., 5:426, 2009; DT Tambe, et al. , Nat. Mater., 10:469-475, 2011).

간략하게, 세포 이미지 및 세포가 제거된 기준상태 이미지 또는 형광 미세 입자 이미지 및 기준상태 형광 미세 입자 이미지 사이의 정규화된 상호 - 상관 (cross-correlation)에 기초하여 입자이미지 속도계(particle image velocimetry; PIV)를 통해 세포 및 형광 미세 입자 변위에 대해 분석하였다 (도 3). Briefly, particle image velocimetry (PIV) based on normalized cross-correlation between a cell image and a reference state image from which cells are removed, or a fluorescence microparticle image and a reference state fluorescent microparticle image. Cell and fluorescence microparticle displacement was analyzed through (Fig. 3).

도 3에 나타난 바와 같이, 수집된 명시야 줄기세포 영상을 MATLAB을 이용하여 세포 영상(t) 및 세포 영상(t-1) 간의 상호상관기반 PIV를 통해 픽셀의 이동 변위를 수치로 계산 후 색지도화(color mapping)로 세포 이동 변위를 공간적을 도식화 하였으며(도 3A), 미세 입자 영상(t) 및 기준상태 미세 입자 영상(r)간의 상호상관 기반 PIV를 통해 픽셀의 이동 변위를 수치로 계산 후 색지도화(color mapping)로 미세 입자 이동 변위를 공간적으로 도식화하였다 (도 3B).As shown in FIG. 3, the collected bright field stem cell image is calculated numerically by calculating the shift displacement of the pixel through the cross-correlation-based PIV between the cell image (t) and the cell image (t-1) using MATLAB, and then color mapping. The cell movement displacement was spatially plotted by (color mapping) (Fig. 3A), and the pixel movement displacement was calculated numerically through PIV based on the cross-correlation between the fine particle image (t) and the reference state fine particle image (r). The displacement of fine particles was spatially plotted by color mapping (Fig. 3B).

도 4A는 줄기세포 이동 변위를 픽셀(pixel)에서 ㎛ 단위로 변환후 색지도화(color mapping)로 세포 이동 변위를 공간적으로 도식화환 것으로, 상기 분석 방법을 이용하여 PA 겔 표면에서 관찰된 변형을 물리적 힘으로 산출하여 세포에 의한 견인력을 측정한 다음, 색지도화를 이용하여 세포 견인력을 공간적으로 도식화 하였다 (도 4B).4A is a spatially schematic diagram of the cell migration displacement by color mapping after converting the stem cell movement displacement from pixels to µm units. The deformation observed on the PA gel surface using the above analysis method is physically The force was calculated and the traction force by the cells was measured, and then the cell traction force was spatially plotted using color mapping (Fig. 4B).

상기 견인력을 정량화하기 위해, 도 5에 나타난 바와 같이, 줄기세포 이동 속도에 대한 스칼라값인 속력의 편차와 중윗값(도 5A)과 세포 견인력의 절대값인 견인력 크기의 편차(도 5B)를 박스 플롯(box plot)으로 정량화하였으며, 도 6에 나타난 바와 같이, 계산된 이동 속력(A)과 세포 견인력(B)의 크기에 대해 모든 시간에 걸친 평균값 (mean 또는 average) 및 분포도 (histogram 또는 probability)를 분석하였다. In order to quantify the traction force, as shown in Fig. 5, the deviation of the speed and the median value (Fig. 5A), which is a scalar value for the stem cell movement speed, and the deviation of the size of the traction force, which is the absolute value of the cell traction force, are boxed. It was quantified by a box plot, and as shown in FIG. 6, the calculated moving speed (A) and cell traction force (B) were averaged over all time (mean or average) and distribution (histogram or probability) Was analyzed.

물질 P처리에 따른 줄기세포의 견인력 측정Measurement of traction force of stem cells according to material P treatment

본 발명에서는 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 정량적 평가가 가능한지 확인하기 위해, 상기 실시예 1에서 제조한 형광 미세 입자를 포함하는 폴리아크릴아마이드겔로 구성된 탄성기판에 상기 실시예 2의 방법으로 PA 겔 위에 패턴화된 중간엽 줄기세포 단층 섬(cell monolayer island)을 형성시킨 다음, 물질 P(Substance P; RPKPQQFFGLM, 서열번호 1)가 0 ㎍/㎖, 1 ㎍/㎖ 및 5 ㎍/㎖ 농도로 포함된 DMEM으로 배지를 교체하였다. 획득된 명시야 세포 이미지 및 형광 미세 입자 이미지는 상기 실시예 2-3과 동일한 방법으로 MATLAB 기반 맞춤형 소스코드를 사용하여 수치변환 및 정량 분석을 수행하였다.In the present invention, in order to confirm whether a substance having a progenitor cell or stem cell mobilization activity can be quantitatively evaluated, the method of Example 2 is applied to an elastic substrate made of a polyacrylamide gel containing the fluorescent fine particles prepared in Example 1 above. After forming a patterned mesenchymal stem cell monolayer island on the PA gel, the substance P (Substance P; RPKPQQFFGLM, SEQ ID NO: 1) was 0 µg/ml, 1 µg/ml, and 5 µg/ml The medium was replaced with DMEM contained at the concentration. The obtained brightfield cell image and fluorescent fine particle image were subjected to numerical transformation and quantitative analysis using a MATLAB-based customized source code in the same manner as in Example 2-3.

도 7 내지 도 10은 물질 P 유무 및 농도에 따른 세포 이동 정량 지표의 종합적 결과를 나타낸 데이터로, 명세야 세포영상(도 7), 색지도화로 세포이동 변위를 공간적으로 도식화한 세포이동속도 맵 및 견인력 맵(도 8), 줄기속도 이동 속도 및 견인력에 대해 박스플롯으로 정량화(도 9) 및 이동 속력과 세포 견인력의 크기에 대해 모든 시간에 걸친 평균값 및 분포도(도 10)를 나타내었다. 7 to 10 are data showing the comprehensive results of the quantification index of cell movement according to the presence and concentration of substance P, a cell movement speed map spatially schematically plotting the cell movement displacement by color mapping and a cell image (FIG. 7 ), and The traction force map (FIG. 8), the stem speed movement speed and the traction force were quantified in box plots (FIG. 9), and the average values and distributions (FIG. 10) for the magnitude of movement speed and cell traction force were shown.

이를 통해 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 세포의 평균 속력 및 견인력 크기의 시간에 따른 변화를 정량화할 수 있음을 확인하였다. Through this, it was confirmed that the change over time in the average speed of cells and the magnitude of the traction force relative to the mobilization activity of a progenitor cell or a substance having stem cell mobilization activity can be quantified.

<110> AJOU UNIVERSITY INDUSTRY-ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION Korea University Research and Business Foundation <120> {Method for Quantitative Evaluating of Recruiting Activity of Substances having Progenitor Cell or Stem Cell Recruiting Activity Using Programming Algorithm and Numerical Analysis <130> 1065775 <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 11 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> Substance P <400> 1 Arg Pro Lys Pro Gln Gln Phe Phe Gly Leu Met 1 5 10 <110> AJOU UNIVERSITY INDUSTRY-ACADEMIC COOPERATION FOUNDATION Korea University Research and Business Foundation <120> {Method for Quantitative Evaluating of Recruiting Activity of Substances having Progenitor Cell or Stem Cell Recruiting Activity Using Programming Algorithm and Numerical Analysis <130> 1065775 <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 11 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> Substance P <400> 1 Arg Pro Lys Pro Gln Gln Phe Phe Gly Leu Met 1 5 10

Claims (10)

(a) 형광 미세 입자(fluorescent microbead)가 표면에 고정된 PA (polyacrylamide) 겔층을 형성하는 단계;
(b) 세포가 부착 가능하도록 상기 PA 겔층 표면을 개질시킨 후, 기질 단백질을 도포하는 단계;
(c) 상기 기질 단백질이 도포된 PA 겔에 전구세포 또는 줄기세포를 부착시키고 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질을 처리한 다음, 세포 및 형광 미세 입자 영상을 수집하는 단계;
(d) 상기 영상을 수집한 세포를 제거한 다음, 세포가 없는 기준상태의 PA 겔 내 형광 미세 입자 영상을 수집하는 단계; 및
(e) 상기 수집된 영상에서 형광 미세 입자의 움직임을 기반으로 줄기세포의 견인력을 측정하는 단계;를 포함하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
(a) forming a PA (polyacrylamide) gel layer in which fluorescent microbeads are fixed on the surface;
(b) modifying the surface of the PA gel layer so that cells can attach, and then applying a matrix protein;
(c) attaching progenitor cells or stem cells to the PA gel coated with the matrix protein, treating a substance having progenitor cells or stem cell mobilization activity, and then collecting images of cells and fluorescent fine particles;
(d) removing the cells from which the images were collected, and then collecting fluorescent microparticle images in the PA gel in a reference state without cells; And
(e) measuring the traction of stem cells based on the movement of fluorescent microparticles in the collected images; for the mobilization activity of progenitor cells or substances having stem cell mobilization activity using a programming algorithm and numerical analysis including Method of quantitative evaluation.
제1항에 있어서, 상기 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질은 물질 P(Substance P) 또는 물질 P의 유사체(Substance P analog)인 것을 특징으로 하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
The progenitor cell or stem using a programming algorithm and numerical analysis according to claim 1, wherein the substance having the progenitor cell or stem cell mobilization activity is a substance P (Substance P) or an analog of substance P. A method for quantitatively evaluating the mobilization activity of a substance having cell mobilization activity.
제1항에 있어서, 상기 전구세포 또는 줄기세포는 내재성 전구세포 또는 내재성 줄기세포인 것을 특징으로 하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
The method of claim 1, wherein the progenitor cell or stem cell is an endogenous progenitor cell or an endogenous stem cell, using a programming algorithm and numerical analysis to quantify the mobilization activity of a progenitor cell or a substance having stem cell mobilization activity. Assessment Methods.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계의 PA 겔은 1 ~ 10kPa의 탄성계수를 가지며, 형광 미세 입자의 직경은 0.2 ~ 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
The method of claim 1, wherein the PA gel in step (a) has a modulus of elasticity of 1 to 10 kPa, and the diameter of the fluorescent microparticles is 0.2 to 1 µm. A method for quantitatively evaluating the mobilization activity of a substance having cell mobilization activity.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계의 PA 겔층은,
(a1) 아크릴아미드, N,N′메틸렌비스(아크릴아미드) 비스 용액(N,N′- Methylenebis(acrylamide) BIS solution), 테트라메틸에틸렌디아민(tetramethylethylenediamine) 및 형광 미세 입자(fluorescent micro-bead)로 구성된 PA(polyacrylamide)겔 용액을 제조하는 단계;
(a2) 실란기가 부착되어 있는 100 ㎛ 깊이의 직사각형 홈이 있는 유리칩에 상기 PA 겔 용액 넣고 PA 겔 위에 커버글라스를 덮는 단계; 및
(a3) 형광 미세 입자를 PA 겔의 윗면에 정렬시키기 위해 상부가 아래로 향하도록 원심 분리한 다음, 실온에서 경화시킨 후 커버글라스를 제거하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
The method of claim 1, wherein the PA gel layer of step (a),
(a1) Acrylamide, N,N' methylenebis (acrylamide) bis solution (N,N'- Methylenebis (acrylamide) BIS solution), tetramethylethylenediamine (tetramethylethylenediamine) and fluorescent micro-bead Preparing a composed PA (polyacrylamide) gel solution;
(a2) putting the PA gel solution in a glass chip having a rectangular groove having a depth of 100 μm to which a silane group is attached and covering the cover glass on the PA gel; And
(a3) centrifuging the fluorescent microparticles to face down in order to align the fluorescent microparticles on the upper surface of the PA gel, and then curing at room temperature and removing the cover glass; programming characterized in that it is produced by a method comprising A quantitative evaluation method for the mobilization activity of a substance having progenitor cell or stem cell mobilization activity using an algorithm and numerical analysis.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 기질 단백질은 콜라겐(collagen)인 것을 특징으로 하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
The method of claim 1, wherein the matrix protein in the step (b) is collagen, a method for quantitatively evaluating the mobilization activity of a substance having progenitor cells or stem cell mobilization activity using a programming algorithm and numerical analysis.
제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 세포 및 형광 미세 입자 영상은 10분 마다 12시간 동안 실시간 영상 장비를 이용하여 촬영 및 수집한 것을 특징으로 하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
The progenitor cell or stem using a programming algorithm and numerical analysis according to claim 1, wherein the cell and fluorescent microparticle images of step (c) are photographed and collected using real-time imaging equipment every 10 minutes for 12 hours. A method for quantitatively evaluating the mobilization activity of a substance having cell mobilization activity.
제1항에 있어서, 상기 (e) 단계는 상기 기준상태 형광 미세 입자 영상과 세포 부착 시 형광 미세 입자 영상의 상호상관(cross-correlation)을 통해 미세 입자의 이동 변위를 픽셀(pixel) 단위에서 ㎛ 단위로 변환하고, 상기 PA 겔의 탄성계수, 겔 두께, 포아송 비를 이용하여 유한요소해석법(finite element method)을 통해 PA 겔 표면에서 관찰된 변형을 물리적 힘으로 산출함으로써 세포에 의한 견인력을 측정하는 것을 특징으로 하는 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
The method of claim 1, wherein the step (e) is performed to determine the movement displacement of the microparticles in pixels through cross-correlation between the reference state fluorescent microparticle image and the fluorescent microparticle image when cells are attached. Converting to a unit, and using the elastic modulus, gel thickness, and Poisson's ratio of the PA gel, the strain observed on the PA gel surface is calculated as a physical force through a finite element method to measure the traction force by the cell. A method for quantitatively evaluating the mobilization activity of a substance having a progenitor cell or stem cell mobilization activity using a programming algorithm and numerical analysis, characterized in that.
제1항에 있어서, 상기 (e) 단계는 수집된 세포 영상 및 형광 미세 입자 영상을 MATLAB 소프트웨어로 분석하여 줄기세포 견인력을 측정하는 것을 특징으로 하는, 프로그래밍 알고리즘 및 수치 해석을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질의 동원활성에 대한 정량적 평가 방법.
The progenitor cell or stem cell according to claim 1, wherein the (e) step is characterized in that the stem cell traction is measured by analyzing the collected cell image and the fluorescent microparticle image with MATLAB software. Quantitative evaluation method for the mobilization activity of substances with mobilization activity.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법을 이용한 전구세포 또는 줄기세포 동원활성을 가지는 물질 선별 방법.A method for selecting a substance having progenitor cell or stem cell mobilization activity using the method of any one of claims 1 to 9.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113125272A (en) * 2021-04-25 2021-07-16 中国石油大学(华东) Method for quantitatively evaluating mechanical properties of elastic gel dispersoid
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