KR20210015241A - 전기천공장치 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 전기천공법에 의해 세포 내 도입대상물질을 도입하는 전기천공장치에 관한 것이다.

Description

전기천공장치{DEVICE FOR ELECTROPORATION}

본 명세서는 전기천공법에 의해 세포 내 도입대상물질을 도입하는 전기천공장치에 관한 것이다.

전기천공법(electroporation)은 세포에 전기장을 가해 세포막의 투과율을 높여 약, 화학물질, DNA 등을 세포 내로 도입하는 방법이다. 동물, 식물, 미생물을 막론하고 여러 세포 종에 적용이 가능하여 널리 사용되고 있다.

세포에 전기장이 가해지면 세포막의 지질(lipid) 일부 분자들이 이동해 위치가 달라지게 되면서 친수성 구멍으로 이루어진 나노 미터 크기의 전도성 길이 생긴다. DNA의 경우 세포를 DNA 용액에 현탁하여 직류고전압의 펄스를 가하면 세포막에 구멍이 뚫림과 동시에 DNA 분자가 전기영동(electrophoresis)의 작용으로 세포 내에 DNA가 도입된다.

화학적 성질이 달라지지 않는다는 장점이 있지만, 일정 역치 이상의 전기장을 가해야 하므로 세포의 생존성을 확보해야 하는 문제가 수반된다.

또한, 온도, 펄스의 반복횟수, 지속시간, 전압, DNA 농도, 버퍼 용액의 종류 등 매우 다양한 변수에 영향을 받으므로 높은 효율을 얻을 수 있는 조건을 찾기 어렵다는 단점이 있다.

특히, 기존 전기천공법에서는 세포가 전기장에 노출되는 면적이 적어 효율을 높이기 어렵다.

세포의 생존성도 확보하면서, 도입물질이 세포에 도입되는 효율을 높일 수 있는 방법 및 장치에 대한 연구가 필요하다.

본 명세서는 전기천공법에 의해 세포 내 도입대상물질을 도입하는 전기천공장치를 제공하고자 한다.

본 명세서는 세포 및 도입대상물질을 포함하는 시료가 유입되는 유입구; 상기 세포 내에 상기 도입대상물질이 도입된 최종물이 배출되는 배출구; 내부가 비어있는 몸체; 상기 몸체 내부에 삽입되며, 상기 유입구와 일측 단부가 연결되고 상기 배출구에 타측 단부가 연결되며, 내부가 비어있는 유로관; 상기 유로관의 내부에 삽입되는 스태틱 믹서; 상기 몸체의 축방향을 따라 상기 몸체의 표면에 구비된 양극과 음극; 및 상기 양극과 상기 음극에 각각 연결된 전원을 포함하는 전기천공장치를 제공한다.

본 명세서의 전기천공장치를 이용하는 경우, 세포의 생존율이 높아지는 장점이 있다.

도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유로관의 제1 구조이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유로관의 제1 구조에 구비된 전극구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유로관의 제1 구조에서, 전위분포를 나타낸 것이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유로관의 제1 구조에서, 유로관의 진행방향에 수직인 단면의 전기장분포를 나타낸 것이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 스태틱 믹서의 예시이다.

이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.

본 명세서는 전기천공법에 의해 세포 내 도입대상물질을 도입하는 전기천공장치를 제공한다.

본 명세서는 세포 및 도입대상물질을 포함하는 시료가 유입되는 유입구; 상기 세포 내에 상기 도입대상물질이 도입된 최종물이 배출되는 배출구; 내부가 비어있는 몸체; 상기 몸체 내부에 삽입되며, 상기 유입구와 일측 단부가 연결되고 상기 배출구에 타측 단부가 연결되며, 내부가 비어있는 유로관; 상기 유로관의 내부에 삽입되는 스태틱 믹서; 상기 몸체의 축방향을 따라 상기 몸체의 표면에 구비된 양극과 음극; 및 상기 양극과 상기 음극에 각각 연결된 전원을 포함하는 전기천공장치를 제공한다.

본 명세서에 있어서, 상기 유입구는 세포 및 도입대상물질을 포함하는 시료가 유로관으로 유입되는 통로 또는 구멍을 의미한다. 상기 시료가 유로관으로 유입되는 것에 문제가 없다면, 상기 유입구의 형태 및 재질은 특별히 한정하지 않는다. 상기 유입구의 형태 및 재질은 당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 것을 채용할 수 있다.

본 명세서에 있어서, 상기 유입구는 1 이상일 수 있다.

상기 시료가 세포 및 도입대상물을 포함하는 혼합물인 경우, 상기 유입구는 하나일 수 있다.

상기 시료가 세포를 포함하는 제1 시료와, 도입대상물을 포함하는 제2 시료를 따로 준비하여, 상기 유입구는 상기 제1 시료가 유입되는 제1 유입구와 상기 제2 시료가 유입되는 제2 유입구를 포함하고, 상기 유입구에서 상기 제1 및 제2 시료가 섞여 혼합 시료를 이루고, 세포 및 도입대상물질을 포함하는 혼합 시료가 유로관으로 유입될 수 있다.

본 명세서에 있어서, 상기 배출구는 상기 세포 내에 상기 도입대상물질이 도입된 최종물이 배출되는 통로 또는 구멍을 의미한다.

트랜스펙션 효율을 높이기 위해서는 전기장이 강해져야 하지만, 전기장이 강해질수록 전기장으로 인해 발생하는 줄열(Joule heating)이 높아져 세포의 생존률이 낮아진다. 세포의 생존률을 확보하기 위해, 일정수준의 전기장을 사용하게 되며, 세포가 전기장에 노출되는 면적이 적어 트랜스펙션 효율을 높이기 어렵다.

그러나, 본 명세서의 전기천공장치를 사용하는 경우, 스태틱 믹서에서 발생된 난류를 통해 세포가 회전하여 보다 넓은 면적이 전기장에 노출되어 더 많은 구멍이 발생하므로 도입물질이 세포에 도입되는 효율을 높일 수 있다.

상기 시료는 세포 및 도입대상물을 포함하는 혼합시료이거나, 세포를 포함하는 제1 시료와 도입대상물을 포함하는 제2 시료를 포함하는 개별시료일 수 있다.

상기 시료의 온도는 대체로 상온(20℃ 이상 25℃ 이하)으로 유지되어 유로관 내로 유입시킬 수 있다. 그러나, 전기장을 여러 번 가해야 하는 등 생존성에 문제가 발생할 수 있는 경우 온도를 4℃ 내외로 낮추어 진행할 수 있다.

상기 세포는 전기천공법으로 트랜스펙션될 수 있는 세포라면 특별히 한정하지 않으며, 동물세포, 식물세포, 미생물 등 제약없이 선택될 수 있다.

상기 도입대상물은 목적에 따라 대상 세포에 도입되어야 할 물질이라면 특별히 한정하지 않으며, 약, 화학물질, DNA 등일 수 있다.

상기 시료에 유동성을 부여하기 위해, 상기 시료는 완충용액(buffer solution)을 더 포함한다. 이때, 완충 용액이란 일반적으로 산이나 염기를 가해도 공통 이온 효과에 의해 그 용액의 수소 이온 농도(pH)가 크게 변하지 않는 용액을 말한다.

상기 완충용액(buffer solution)의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 것을 채용할 수 있다. 구체적으로, 상기 완충용액(buffer solution)은 인산완충생리식염수(Phosphate Buffered saline), 4-(2-하이드록시에틸)-1-피페라진 에탄 술폰산 완충액(HEPES(4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) buffer) 및 hypoosmolar buffer로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 특별히 세포가 환경에 민감한 경우, 상기 완충용액으로 hypoosmolar buffer를 사용하는 것이 좋다.

본 명세서에 있어서, 상기 유로관은 유입구와 일측 단부가 연결되고 상기 배출구에 타측 단부가 연결된다. 또한, 상기 유로관은 내부가 비어있어, 내부에 유입구로부터 유입된 시료가 흐를 수 있다.

상기 유로관의 재질은 특별히 한정하지 않는다. 상기 유로관의 재질은 당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 것을 채용할 수 있다. 예를 들면, 상기 유로관의 재질은 유리, 폴리메틸 메타크릴레이트 등과 같은 아크릴 수지 또는 폴리에틸렌 등과 같은 폴리올레핀 수지일 수 있다.

상기 유로관 내, 시료의 평균 유속은 유동의 쏠림이 일어나지 않는다면, 크게 한정하지 않는다. 상기 유로관 내, 시료의 평균 유속은 0.3 m/s 이하일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 시료, 다른 공정조건 등에 따라 조절될 수 있다.

상기 유로관 내, 평균온도는 세포 및 조건에 따라 조절될 수 있다. 동물세포를 사용하는 경우, 상기 유로관 내, 평균온도는 대부분 상온으로 유지된다. 그러나, 펄스를 여러 번 가해야 하는 등 세포의 생존에 위험도가 높다고 판단되면 약 4℃까지 온도를 낮추어 진행할 수 있으며, 이때의 전압은 상온에 비해 약 2배 정도 높여서 진행한다.

상기 유로관의 단면은 원이다. 구체적으로 유로관의 축방향의 수직단면이 원이다. 이때, 원은 반지름이 일정한 원뿐 아니라, 원 내 반지름이 상이한 타원도 포함한다.

상기 유로관 단면의 원의 지름은 0.5 mm 이상 7 mm 이하일 수 있으며, 구체적으로 1 mm 이상 7 mm 이하일 수 있고, 더 구체적으로 1 mm 이상 5 mm 이하인 것일 수 있다.

상기 양극과 음극의 거리는 0.8 mm 이상 9.6 mm 이하일 수 있으며, 구체적으로 1.2 mm 이상 3.6 mm 이하일 수 있고, 더 구체적으로 2 mm 이상 2.6 mm 이하인 것일 수 있다.

도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유로관의 제1 구조로 도 1과 같이 몸체의 축방향을 따라 도 2와 같이 몸체의 표면에 양극(500)과 음극(550)을 구비하여 각각 2000 V와 0 V의 전압을 인가하는 경우, 도 3과 같은 전위분포, 및 도 4와 같은 수직단면의 전기장분포를 나타낸다. 이때, 도 1 및 도 2를 기준으로, 유로관의 진행방향에 대한 수직단면에서 반지름은 1 mm이고, 양극과 음극의 거리는 2.4 mm이다.

상기 스태틱 믹서는 유로관 내에 삽입되어 회전을 부여하는 동력없이 고정되어 있는 구성이며, 스태틱 믹서가 구비된 구간을 흐르는 유체가 통과하면서 스태틱 믹서의 구조에 의해 난류가 형성된다.

상기 스태틱 믹서는 면방향이 상이한 2개의 판이 결합된 반복단위가 2 이상 연결된 제1 스태틱 믹서일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 스태틱 믹서는 면방향이 상이한 2개의 반원판이 교차하여 결합된 반복단위가 2 이상 연결된 것일 수 있다.

유로관의 축방향의 수직단면이 원인 경우, 상기 반원판은 유로관의 축방향과 수직이 아닌 방향의 타원이 반으로 절단된 반원 형태의 판일 수 있으며, 이와 같은 2개의 반원판의 절단면을 서로 교차결합하여 반복단위를 형성할 수 있다. 또한, 제1 스태틱 믹서 내 반복단위의 연결은 하나의 반복단위 내 반원판의 단부와 인접한 또 다른 하나의 반복단위 내 반원판의 단부가 결합된 것일 수 있다.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 면방향이 상이한 2개의 반원판이 교차하여 결합된 반복단위가 2 이상 연결된 상기 제1 스태틱 믹서는 도 5의 (a)의 형태와 같다.

상기 스태틱 믹서는 나선반복단위가 2 이상 연결된 제2 스태틱 믹서일 수 있다. 상기 나선반복단위는 얇은 판이 90° 이상 360° 이하로 비틀린 구조를 가지며, 제2 스태틱 믹서 내 반복단위의 연결은 하나의 나선반복단위 내 비틀린 판의 단부와 인접한 또 다른 하나의 나선반복단위 내 비틀린 판의 단부가 교차하여 결합된 것일 수 있다.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 나선반복단위가 2 이상 연결된 제2 스태틱 믹서는 도 5의 (b)의 형태와 같다.

상기 스태틱 믹서는 제1 막대군, 및 상기 제1 막대군과 교차하는 제2 막대군을 포함하는 반복단위가 2 이상 연결된 제3 스태틱 믹서일 수 있다. 상기 제1 막대군 및 제2 막대군은 각각 동일한 면 상에 위치하는 2 이상의 막대를 포함할 수 있으며, 구체적으로 각각 일방향으로 나란히 배열된 2 이상의 막대를 포함할 수 있다. 또한, 제3 스태틱 믹서 내 반복단위의 연결은 하나의 반복단위 내 막대의 단부와 인접한 또 다른 하나의 반복단위 내 막대의 단부가 결합된 것일 수 있다.

본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 제1 막대군, 및 상기 제1 막대군과 교차하는 제2 막대군을 포함하는 반복단위가 2 이상 연결된 제3 스태틱 믹서는 도 5의 (c)의 형태와 같다.

본 명세서에 있어서, 상기 양극과 음극은 각각 이격되어 상기 몸체의 축방향을 따라, 상기 몸체의 표면에 구비되며, 구체적으로 상기 몸체의 외주면 또는 내부면에 구비될 수 있다. 도 2와 같이 상기 양극(500)과 음극(550)은 몸체의 축방향(450)을 따라, 몸체의 외주면에 구비될 수 있다.

본 명세서에서, 축방향은 길이방향의 중심축을 의미하며, 구체적으로 유로관의 축방향은 유로관의 길이방향의 중심축을 의미하고, 몸체의 축방향은 몸체의 길이방향의 중심축을 의미한다. 유로관의 축방향과 몸체의 축방향은 서로 같거나 상이하다.

본 명세서에서, 유로관의 축방향은 도 2에 도면부호 310으로 표시되고, 몸체의 축방향은 도 2에 도면부호 450으로 표시된 것을 의미한다. 이때, 도 2에는 유로관의 축방향과 몸체의 축방향이 일치하여 함께 도시했다.

상기 몸체의 단면이 다각형인 경우, 상기 다각형의 마주보는 두 쌍 이상의 변 중 어느 한 쌍의 변에 각각 상기 양극과 상기 음극이 구비된다. 구체적으로, 상기 몸체의 단면이 사각형인 경우, 상기 사각형의 마주보는 두 쌍의 변 중 어느 한 쌍의 변에 각각 상기 양극과 상기 음극이 구비된다. 상기 몸체의 단면이 직사각형인 경우, 상기 직사각형의 마주보는 두 쌍의 변 중 길이가 더 긴 한 쌍의 변에 각각 상기 양극과 상기 음극이 구비되거나, 상기 직사각형의 마주보는 두 쌍의 변 중 길이가 더 짧은 한 쌍의 변에 각각 상기 양극과 상기 음극이 구비될 수 있다.

상기 몸체의 단면이 직사각형인 경우, 상기 직사각형의 마주보는 두 쌍의 변 중 길이가 더 긴 한 쌍의 변에 각각 상기 양극과 상기 음극이 구비되는 경우, 양측 전극의 거리가 짧아 보다 낮은 전위차를 전극에 인가해도 의도한 전기장을 생성할 수 있다.

상기 양극 및 음극 각각의 재질은 특별히 한정하지 않는다. 상기 양극 및 음극 각각의 재질은 당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 것을 채용할 수 있다. 예를 들면, 상기 양극의 재질은 백금, 금, 은, 구리 또는 알루미늄일 수 있고, 상기 음극의 재질은 백금, 금, 은, 구리 또는 알루미늄일 수 있다. 바람직하게는, 상기 양극의 재질이 백금이고, 상기 음극의 재질이 백금일 수 있다. 이 경우, 쉽게 산화되지 않는 장점이 있다.

본 명세서에 있어서, 상기 전원은 양극과 음극에 각각 연결된다. 상기 전원은 양극과 음극으로 각각 직류고전압의 펄스를 공급하는 것이다.

상기 양극과 음극의 전위차는 500V 이상 6100V 이하일 수 있으며, 구체적으로, 1000V 이상 3000V 이하, 더 구체적으로 1600V 이상 2450V 이하일 수 있다. 전원에 의해서 양극과 음극에 인가되는 전위차를 조절하여 전기장의 세기를 조절할 수 있다.

상기 양극과 음극에 의해서, 유로관 내 가해지는 펄스의 반복횟수는 세포에 따라 선택될 수 있으며, 1회 이상 6회 이하일 수 있고, 구체적으로 2회 이상 6회 이하일 수 있으며, 바람직하게는 4회일 수 있다.

세포에 가해지는 펄스의 종류는 세포에 따라 선택될 수 있으며, 동물세포에는 사각파(square wave pulse)를, 박테리아나 효모 등에는 Exponential decay wave pulse를 사용할 수 있다.

전체 유로관에서, 세포가 유입되어 배출되기까지의 총 공정시간은 1 초 이상 10 초 이하일 수 있고, 구체적으로 2 초 이상 8 초 이하, 더 구체적으로 2 초 이상 5 초 이하일 수 있다.

본 명세서에 있어서, 하나의 펄스의 지속시간은 수백 마이크로초 이상 수 밀리초 이하일 수 있고, 구체적으로 100 마이크로초 이상 1 밀리초 이하일 수 있다. 이때, 펄스를 4회 반복하는 경우, 펄스의 길이는 400 마이크로초 이상 4 밀리초 이하일 수 있다.

본 명세서의 전기천공장치는 스태틱 믹서에서 발생된 난류를 통해 세포가 회전하여 보다 넓은 면적이 전기장에 노출되어 더 많은 구멍이 발생하므로 도입물질이 세포에 도입되는 효율을 높일 수 있기 때문에, 종래 대비 상대적으로 약한 전기장으로도 동일한 효율을 낼 수 있다. 구체적으로, 상기 유로관 내 평균 전기장은 80 KV/m 이상, 85 KV/m 이상, 90 KV/m 이상, 또는 95 KV/m 이상일 수 있으며, 200 KV/m 이하, 180 KV/m 이하, 150 KV/m 이하, 120 KV/m 이하, 또는 100 KV/m 이하일 수 있다.

상기 유로관 내 개별 전기장은 80 KV/m 이상, 85 KV/m 이상, 또는 90 KV/m 이상일 수 있다. 이는 전기천공법으로 트랜스펙션할 수 있는 최소 요구 전기장이다.

상기 유로관 내 개별 전기장은 양극 또는 음극에 가까울수록 전기장이 강해지고, 양극과 음극과 멀어질수록 전기장이 약해진다. 또한, 상기 유로관 내 개별 전기장은 양극과 음극과 가장 멀리 위치한 유로관의 측면부근이 가장 약하다.

전극과의 거리에 따라 상기 유로관 내 개별 전기장이 다양하게 분포해 있으므로, 스태틱 믹서에 의해 발생한 난류로 인해, 시료 내 세포가 회전하여 보다 넓은 면적이 전기장에 노출되어 효율이 높아지고, 전기장이 약한 부분에 도달하여 세포가 닫히고 주변 온도가 내려가 세포의 생존률을 높힐 수 있다.

여기서, 전기장의 평균은 유로부 전체 부피에 대한 전기장 평균값으로 계산될 수 있다.

10: 시료 20: 최종물
100: 유입구 200: 배출구
300: 유로관 310: 유로관의 축방향
320: 유로관의 축방향에 대한 수직단면
350: 스태틱 믹서
400: 몸체 450: 몸체의 축방향
500: 양극 550: 음극

Claims (6)

1. 세포 및 도입대상물질을 포함하는 시료가 유입되는 유입구;
   상기 세포 내에 상기 도입대상물질이 도입된 최종물이 배출되는 배출구;
   내부가 비어있는 몸체;
   상기 몸체 내부에 삽입되며, 상기 유입구와 일측 단부가 연결되고 상기 배출구에 타측 단부가 연결되며, 내부가 비어있는 유로관;
   상기 유로관의 내부에 삽입되는 스태틱 믹서;
   상기 몸체의 축방향을 따라 상기 몸체의 표면에 구비된 양극과 음극; 및
   상기 양극과 상기 음극에 각각 연결된 전원을 포함하는 전기천공장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 스태틱 믹서는,
   면방향이 상이한 2개의 판이 결합된 반복단위가 2 이상 연결된 제1 스태틱 믹서;
   나선반복단위가 2 이상 연결된 제2 스태틱 믹서; 및
   제1 막대군, 및 상기 제1 막대군과 교차하는 제2 막대군을 포함하는 반복단위가 2 이상 연결된 제3 스태틱 믹서 중 어느 하나인 것인 전기천공장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 양극과 음극의 거리는 0.8 mm 이상 9.6 mm 이하인 것인 전기천공장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 유로관의 단면은 원인 것인 전기천공장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 유로관 단면의 원의 지름은 0.5 mm 이상 7 mm 이하인 것인 전기천공장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 유로관 내 평균 전기장은 80 KV/m 이상 120 KV/m 이하인 것인 전기천공장치.

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