KR20220021759A - Method for preparing organoids using microfluidic chip - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing an organoid, comprising a step of culturing a pre-organoid in a microfluidic chip. When using the method for manufacturing the organoid using the microfluidic chip provided in the present invention, it provides an environment close to the actual in vivo cell microenvironment by enabling culturing without a biological matrix material, thereby being able to be usefully applied to studies such as more accurate prediction of drug efficacy before drug treatment, validation of drug efficacy after drug treatment, karyotype analysis according to genotype, and observation of division rate and pattern.

Description

미세유체 칩을 활용한 오가노이드의 제조 방법{Method for preparing organoids using microfluidic chip}Method for preparing organoids using microfluidic chip {Method for preparing organoids using microfluidic chip}

본 발명은 미세유체 칩을 활용하여 오가노이드를 제조하는 방법에 관한 것으로 신약 테스트, 암화 과정 기작 규명, 조직이식 연구 등 다양한 오가노이드를 활용하는 연구에 이용될 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing an organoid using a microfluidic chip, and can be used for research utilizing various organoids, such as drug testing, identification of mechanisms of cancer process, and tissue transplantation research.

기존 오가노이드 배양법은 Corning 사의 매트리젤(Matrigel)과 같은 세포외 기질(Extraceullar matrix; ECM)을 대체할 수 있는 지지체가 반드시 필요하다. 그러나, 매트리젤(Matrigel) 같은 경우 마우스 육종(sarcoma)에서 유래하였으며 Corning 사에서 매트리젤의 모든 성분을 공개하지 않아 실험자가 정확하게 매트리젤의 어떤 성분이 오가노이드 배양에 영향을 끼치는지 파악할 수 없었다. 또한, 매트리젤에 내포(embedding)되어 배양되는 오가노이드가 실제 사람이나 쥐의 장기가 존재하는 본연의 상태를 모사한다고 말할 수는 없기 때문에 매트리젤과 같은 ECM 모사 지지체 없이 오가노이드를 배양하는 것은 기존 배양법을 획기적으로 개선시킬 수 있을 것이다. 실제 시험하고자 하는 약물의 반응성 확인을 위해 매트리젤에서 자라는 오가노이드에 약물을 처리할 경우 매트리젤을 투과(penetration) 하기 어려워 이차원 세포 배양 시 사용되는 농도보다 5 배에서 많게는 10 배 가까이 많은 농도의 약물을 사용하여야 하는 문제점이 존재한다. 이는 오가노이드에서의 약물 반응성 결과가 실제 임상에 적용되는데 있어 한계로 작용된다. 또한, 실험자가 유전자 변형을 위해 small interfering RNA(siRNA)나 CRISPR/Cas9과 같은 유전자 조작 기술을 사용할 때에도 마찬가지로 매트리젤을 투과하기 어려워 반드시 이를 제거한 후 실험을 해야 하는 번거로움이 있다. 이 외에도 분자세포생물학적 분석을 위한 면역염색분석(Immunofluorescence assay) 등과 같은 실험의 수행 시에도 또한 매트리젤이 존재할 경우 제한되는 부분들이 많다. 이렇듯 사람이나 쥐 같은 동물 모델의 장기를 보다 가깝게 모사하기 위해서는 매트리젤 없이 줄기세포능을 지닌 오가노이드가 자기 구조화를 이루어 유래한 장기의 특성을 보다 더 잘 재현할 수 있는 새로운 배양법이 필수적으로 요구된다. The existing organoid culture method requires a support that can replace the extracellular matrix (ECM) such as Corning's Matrigel. However, in the case of Matrigel, it is derived from mouse sarcoma, and Corning did not disclose all the components of Matrigel, so the experimenter could not accurately determine which component of Matrigel affects organoid culture. In addition, since it cannot be said that organoids embedded and cultured in Matrigel mimic the original state of the existence of real human or mouse organs, culturing organoids without an ECM-simulating support such as Matrigel is conventional. It would be possible to dramatically improve the culture method. In order to check the reactivity of the actual drug to be tested, when the drug is treated on the organoid that grows on Matrigel, it is difficult to penetrate the Matrigel, so the drug concentration is 5 to 10 times higher than the concentration used in two-dimensional cell culture. There is a problem in using . This serves as a limit to the actual clinical application of drug reactivity results in organoids. In addition, when an experimenter uses genetic manipulation techniques such as small interfering RNA (siRNA) or CRISPR/Cas9 for genetic modification, it is difficult to penetrate Matrigel, so it is inconvenient to perform an experiment after removing it. In addition, there are many limitations in the presence of Matrigel in performing experiments such as immunofluorescence assay for molecular and cell biological analysis. In order to more closely mimic the organs of animal models such as humans or mice, a new culture method that can better reproduce the characteristics of organs derived from organoids with stem cell ability through self-structuring without Matrigel is essential. .

본 발명은 매트리젤과 같은 ECM 모사 지지체 기반의 오가노이드 배양의 단점을 획기적으로 개선한 내용을 담고 있다. 본 발명에서 개발된 미세유체 칩 기반의 matrigel free organoid 배양법은 별도의 ECM 지지체인 생체 기질 물질 없이도 유래된 기관의 줄기세포능을 가진 오가노이드의 배양이 가능한 배양법이다. 따라서, 이러한 삼차원 오가노이드를 이용한 응용 연구는 실제 환자에게 맞춤형 의료를 제공하는 발판이 될 것으로 기대된다.The present invention contains the contents of remarkably improving the disadvantages of organoid culture based on an ECM mimicking support such as Matrigel. The microfluidic chip-based matrigel-free organoid culture method developed in the present invention is a culture method capable of culturing organoids having stem cell ability of the derived organ without a separate ECM support, a biological matrix material. Therefore, applied research using these three-dimensional organoids is expected to become a stepping stone for providing customized medical care to actual patients.

본 발명의 일 목적은 생체 기질 물질 없이 배양이 가능한 미세유체 칩을 활용하여 3차원 오가노이드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a method for manufacturing a three-dimensional organoid using a microfluidic chip that can be cultured without a biological matrix material.

본 발명의 다른 목적은 상기 미세유체 칩을 이용하여 제조된 오가노이드를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an organoid manufactured using the microfluidic chip.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 오가노이드를 이용하여 후보 약물의 효과를 검증하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for verifying the effect of a candidate drug using the organoid prepared by the above method.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 오가노이드를 이용하여 유전자 조작된 오가노이드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing a genetically engineered organoid using the organoid prepared by the above method.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description.

이하, 본원에 기재된 다양한 구체예가 도면을 참조로 기재된다. 하기 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 위해서, 다양한 특이적 상세사항, 예컨대, 특이적 형태, 조성물 및 공정 등이 기재되어 있다. 그러나, 특정의 구체예는 이들 특이적 상세 사항 중 하나 이상 없이, 또는 다른 공지된 방법 및 형태와 함께 실행될 수 있다. 다른 예에서, 공지된 공정 및 제조 기술은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않게 하기 위해서, 특정의 상세사항으로 기재되지 않는다. "한 가지 구체예" 또는 "구체예"에 대한 본 명세서 전체를 통한 참조는 구체예와 결부되어 기재된 특별한 특징, 형태, 조성 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 구체예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸친 다양한 위치에서 표현된 "한 가지 구체예에서" 또는 "구체예"의 상황은 반드시 본 발명의 동일한 구체예를 나타내지는 않는다. 추가로, 특별한 특징, 형태, 조성, 또는 특성은 하나 이상의 구체예에서 어떠한 적합한 방법으로 조합될 수 있다.Hereinafter, various embodiments described herein are described with reference to the drawings. In the following description, various specific details are set forth, such as specific forms, compositions and processes, and the like, for a thorough understanding of the present invention. However, certain embodiments may be practiced without one or more of these specific details, or in conjunction with other known methods and forms. In other instances, well-known processes and manufacturing techniques have not been described in specific detail in order not to unnecessarily obscure the present invention. Reference throughout this specification to “one embodiment” or “an embodiment” means that a particular feature, form, composition, or characteristic described in connection with the embodiment is included in one or more embodiments of the invention. Thus, references to "in one embodiment" or "an embodiment" in various places throughout this specification do not necessarily refer to the same embodiment of the invention. Additionally, the particular features, forms, compositions, or properties may be combined in any suitable way in one or more embodiments.

본 발명 내 특별한 정의가 없으면 본 명세서에 사용된 모든 과학적 및 기술적인 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 당업자에 의하여 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.Unless specifically defined in the present invention, all scientific and technical terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 미세유체 칩을 이용하여 오가노이드(organoid)를 제조하는 방법에 관한 것이다. According to one embodiment of the present invention, it relates to a method for manufacturing an organoid using a microfluidic chip.

본 발명에서 상기 "오가노이드(Organoid)"는 성체줄기세포(adult stem cell, ASC), 배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC), 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPSC) 등으로부터 자가 재생 및 자가 조직화를 통해 형성된 3 차원 세포집합체를 의미하는 것으로, 서스펜션 세포 배양물로부터 형성된 오가노이드 또는 세포 클러스터를 포함할 수 있다. 상기 오가노이드는 소형 유사 장기, 장기 유사체, 유사 장기로도 명명될 수 있다. 상기 오가노이드는 구체적으로 기관 또는 조직을 구성하는 여러 종류의 세포들 중 하나 이상의 세포 종류를 포함하며, 조직 또는 기관의 형태와 기능을 재현할 수 있어야 한다. 또한, 세포를 3 차원 배양법으로 다시 응집 재조합하여 생체 환경과 유사하게 만듦으로써, 2D 배양법으로 배양된 2D 세포주의 한계를 극복하여 생체의 생리활성기능을 유사하게 재현할 수 있어서, 질병 모델링, 약물 스크리닝 등에 적용이 가능하다. In the present invention, the "organoid" is self-renewal from adult stem cells (ASC), embryonic stem cells (ESC), induced pluripotent stem cells (iPSC), etc. And it refers to a three-dimensional cell aggregate formed through self-organization, and may include an organoid or cell cluster formed from a suspension cell culture. The organoid may also be referred to as a small-like organ, an organ-like organ, or an organ-like organ. The organoid specifically includes one or more cell types among various types of cells constituting an organ or tissue, and should be able to reproduce the shape and function of the tissue or organ. In addition, by making the cells similar to the living environment by aggregating and recombination again using the three-dimensional culture method, it is possible to similarly reproduce the physiologically active function of the living body by overcoming the limitations of the 2D cell line cultured by the 2D culture method, so disease modeling and drug screening etc. can be applied.

본 명세서에 사용된 오가노이드는 유전자 변이 마우스의 췌장과 환자 유래 췌장 세포(예컨대, 췌장 성체줄기세포)를 3 차원 배양법으로 배양하여 얻어진 3 차원 세포 집합체를 의미할 수 있다. 또한 상기 오가노이드는 단일 성체 줄기 세포 또는 배아 줄기 세포로부터 유래된 시료로 이용하여 배양된 세포 집합체일 수 있으며, 단일 세포 유형 또는 다세포 혼합물(예컨대, 일반 조직 유래)로부터 단순히 응집된 세포 응집체로서의 스페로이드와는 차별점이 있다고 할 것이다.Organoid as used herein may refer to a three-dimensional cell aggregate obtained by culturing the pancreas of a transgenic mouse and patient-derived pancreatic cells (eg, pancreatic adult stem cells) by a three-dimensional culture method. In addition, the organoid may be a cell aggregate cultured using a sample derived from a single adult stem cell or embryonic stem cell, and a spheroid as a cell aggregate simply aggregated from a single cell type or a multicellular mixture (eg, derived from a common tissue). It will be said that there is a difference between

본 발명의 제조 방법은, 우선 목적하는 개체로부터 분리된 생물학적 시료를 생체 기질 물질과 혼합하여 프리-오가노이드(pre-organoid)로 배양하는 단계를 포함할 수 있다. The manufacturing method of the present invention may include first mixing a biological sample isolated from a target individual with a biological matrix material and culturing it as a pre-organoid.

본 발명에서 상기 "개체"는 인간을 포함하는 포유 동물로, 예를 들면, 인간, 래트, 마우스, 모르모트, 햄스터, 토끼, 원숭이, 개, 고양이, 소, 말, 돼지, 양 및 염소로 구성된 군으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 인간일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the "individual" refers to mammals including humans, for example, humans, rats, mice, guinea pigs, hamsters, rabbits, monkeys, dogs, cats, cattle, horses, pigs, sheep and goats. It may be selected from, and preferably may be a human, but is not limited thereto.

또한, 본 발명에서 상기 개체는 목적하는 질환, 바람직하게는 암이 발병하였거나 발병 가능성이 있을 수 있다. In addition, in the present invention, the subject may have or may have a target disease, preferably cancer.

본 발명에서 상기 생물학적 시료는 개체로부터 얻어지거나 개체로부터 유래된 임의의 물질, 생물학적 체액, 조직 또는 세포를 의미하는 것으로, 전혈(whole blood), 백혈구(leukocytes), 말초혈액 단핵 세포(peripheral blood mononuclear cells), 백혈구 연층(buffy coat), 혈장(plasma), 혈청(serum), 객담(sputum), 눈물(tears), 점액(mucus), 세비액(nasal washes), 비강 흡인물(nasal aspirate), 호흡(breath), 소변(urine), 정액(semen), 침(saliva), 복강 세척액(peritoneal washings), 복수(ascites), 낭종액(cystic fluid), 뇌척수막 액(meningeal fluid), 양수(amniotic fluid), 선액(glandular fluid), 췌장액(pancreatic fluid), 림프액(lymph fluid), 흉수(pleural fluid), 유두 흡인물(nipple aspirate), 기관지 흡인물(bronchial aspirate), 활액(synovial fluid), 관절 흡인물(joint aspirate), 기관 분비물(organ secretions), 조직(tissue), 세포(cell), 세포 추출물(cell extract) 및 뇌척수액(cerebrospinal fluid) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 조직일 수 있으며, 보다 바람직하게는 병변 조직 또는 정상 조직일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the present invention, the biological sample refers to any material, biological fluid, tissue or cell obtained from or derived from an individual, and includes whole blood, leukocytes, and peripheral blood mononuclear cells. ), buffy coat, plasma, serum, sputum, tears, mucus, nasal washes, nasal aspirate, respiration (breath), urine, semen, saliva, peritoneal washings, ascites, cystic fluid, meningeal fluid, amniotic fluid , glandular fluid, pancreatic fluid, lymph fluid, pleural fluid, nipple aspirate, bronchial aspirate, synovial fluid, joint aspirate (joint aspirate), organ secretions (organ secretions), tissue (tissue), cells (cell), cell extract (cell extract) and may be at least one selected from the group consisting of cerebrospinal fluid (cerebrospinal fluid), etc., preferably tissue may be, and more preferably may be a lesion tissue or a normal tissue, but is not limited thereto.

본 발명에서 상기 프리-오가노이드로 배양하는 단계는, (a) 목적하는 개체로부터 분리된 생물학적 시료를 해리시키는 단계; (b) 해리된 시료로부터 세포 펠렛을 수집하는 단계; 및 (c) 수집된 세포 펠렛을 생체 기질 물질과 함께 배양하는 단계를 포함할 수 있다.In the present invention, the step of culturing with the pre-organoid comprises the steps of: (a) dissociating a biological sample isolated from a target individual; (b) collecting a cell pellet from the dissociated sample; and (c) incubating the collected cell pellet with a biological matrix material.

본 발명에서 상기 생물학적 시료를 해리시키는 단계는, 상기 생물학적 시료에 해리 용액을 처리하여 수행될 수 있으며, 여기서 상기 해리 용액은 HBSS (Hank's Balanced Salt Solution) (예컨대, 1 ml 내지 10 ml, 1 ml 내지 5 ml, 3 ml 내지 10 ml, 또는 3 ml 내지 5 ml), 콜라게나아제 (예컨대, 콜라게나아제 P) (예컨대, 0.1 mg/ml 내지 5 mg/ml, 0.1 mg/ml 내지 3 mg/ml, 0.5 mg/ml 내지 5 mg/ml, 0.5 mg/ml 내지 5mg/ml, 0.5 mg/ml 내지 2 mg/ml, 또는 0.8 mg/ml 내지 1.5 mg/ml) 및 DNase (예컨대, DNase 1) (예컨대, 0.01 mg/ml 내지 1 mg/ml, 0.01 mg/ml 내지 0.5 mg/ml, 0.01 mg/ml 내지 0.2 mg/ml, 0.05 mg/ml 내지 1 mg/ml, 0.05 mg/ml 내지 0.5 mg/ml, 0.05 mg/ml 내지 0.2 mg/ml, 또는 0.08 mg/ml 내지 0.15 mg/ml) 등을 포함하는 것일 수 있다. In the present invention, the step of dissociating the biological sample may be performed by treating the biological sample with a dissociation solution, wherein the dissociation solution is HBSS (Hank's Balanced Salt Solution) (eg, 1 ml to 10 ml, 1 ml to 5 ml, 3 ml to 10 ml, or 3 ml to 5 ml), collagenase (eg, collagenase P) (eg, 0.1 mg/ml to 5 mg/ml, 0.1 mg/ml to 3 mg/ml , 0.5 mg/ml to 5 mg/ml, 0.5 mg/ml to 5 mg/ml, 0.5 mg/ml to 2 mg/ml, or 0.8 mg/ml to 1.5 mg/ml) and DNase (eg, DNase 1) ( For example, 0.01 mg/ml to 1 mg/ml, 0.01 mg/ml to 0.5 mg/ml, 0.01 mg/ml to 0.2 mg/ml, 0.05 mg/ml to 1 mg/ml, 0.05 mg/ml to 0.5 mg/ml ml, 0.05 mg/ml to 0.2 mg/ml, or 0.08 mg/ml to 0.15 mg/ml).

또한, 본 발명에서 상기 해리 용액은 수득한 시료, 바람직하게는 조직(Vpan = 약 1.08 mg/mm3)에 대하여 0.5 ml 내지 5 ml, 0.5 ml 내지 4 ml, 0.5 ml 내지 3 ml, 1 ml 내지 5 ml, 1 ml 내지 4 ml, 또는 1 ml 내지 3 ml의 양으로 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 해당 조직의 양에 따라 적절히 조절하여 사용할 수 있다. In addition, in the present invention, the dissociation solution is 0.5 ml to 5 ml, 0.5 ml to 4 ml, 0.5 ml to 3 ml, 1 ml to the obtained sample, preferably tissue (Vpan = about 1.08 mg/mm 3 ) It may be used in an amount of 5 ml, 1 ml to 4 ml, or 1 ml to 3 ml, but is not limited thereto, and may be appropriately adjusted according to the amount of the tissue.

본 발명에서 상기 시료의 해리를 보다 용이하게 하기 위하여, 물리적 해리 (예컨대, 가위, 나이프 등으로 잘게 절단하는 단계 등)를 추가로 수행할 수 있고, 상기한 물리적 해리는 해리 용액의 처리와 동시에, 또는 순서와 관계없이 이시에 수행할 수 있다. In the present invention, in order to facilitate the dissociation of the sample, physical dissociation (eg, cutting finely with scissors, a knife, etc.) may be additionally performed, and the physical dissociation is performed simultaneously with the treatment of the dissociation solution, Alternatively, it can be performed at this time regardless of order.

본 발명에서는 상기와 같이 해리된 시료로부터 세포 펠렛을 수집하는 단계를 수행할 수 있다. 여기서 상기 세포 펠렛을 수집하는 단계는, 해리된 시료로부터 세포를 분리하는 단계 및 상기 분리된 세포를 원심 분리하여 세포 펠렛을 수집하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, the step of collecting a cell pellet from the dissociated sample as described above may be performed. Here, the collecting of the cell pellet may include separating the cells from the dissociated sample and collecting the cell pellet by centrifuging the separated cells.

본 발명에서 상기 해리된 시료로부터 세포를 분리하는 단계는 해리된 시료를 여과기에 여과시켜 통과하지 못한 세포를 분리하여 취하거나, 현미경 관찰 등 통상의 세포 확인 수단에 의하여 수행될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the step of separating the cells from the dissociated sample may be performed by filtering the dissociated sample through a filter and separating and taking the cells that did not pass, or by conventional cell identification means such as microscopic observation, which is limited thereto. it is not

본 발명에서 상기 분리되는 세포는 자가 재생 및 자가 조직화 등을 통하여 3차원 오가노이드를 형성할 수 있는 모든 줄기세포들 중에서 선택될 수 있으며, 예컨대, 성체줄기세포(adult stem cell; ASC), 배아줄기세포(embryonic stem cell; ESC), 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell; iPSC), 전발생세포 (progenitor cells) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상일 수 있다. In the present invention, the isolated cell may be selected from all stem cells capable of forming a three-dimensional organoid through self-renewal and self-organization, for example, adult stem cells (ASC), embryonic stems, etc. It may be at least one selected from the group consisting of embryonic stem cells (ESC), induced pluripotent stem cells (iPSCs), and progenitor cells.

본 발명에서 상기 성체줄기세포(adult stem cell)는 제대, 제대혈(탯줄혈액), 또는 성인의 골수, 혈액, 신경, 장기, 상피, 근육 등에서 추출해낸 줄기세포로, 구체적 장기의 세포로 분화되기 직전의 원시세포를 의미한다. 상기 성체줄기세포는 조혈모세포(hematopoietic stem cell), 중간엽줄기세포(mesenchymal stem cell), 신경줄기세포(neural stem cell) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상일 수 있다. 상기 중간엽줄기세포(mesenchymal stem cell; MSC)는 중간엽기질세포(mesenchymal stromal cell; MSC)라고도 불리며, 골모세포(osteoblasts), 연골모세포(chondrocytes), 근육세포(myocytes), 지방세포(adipocytes), 상피세포, 신경세포 등과 같은 다양한 형태의 세포로 분화할 수 있는 다분화능을 가진 기질세포 (multipotent stromal cell)를 의미한다. 중간엽줄기세포는 상피 조직, 태반 (placenta), 제대(umbilical cord), 제대혈(umbilical cord blood), 지방 조직(adipose tissue), 성체 근육(adult muscle), 각막 기질(corneal stroma), 젖니의 치아 속질(dental pulp) 등과 같은 비골수 조직(non-marrow tissues)으로부터 유래하는 다능성 세포들 중에서 선택된 것일 수 있다. In the present invention, the adult stem cells are stem cells extracted from umbilical cord, umbilical cord blood (umbilical cord blood), or adult bone marrow, blood, nerves, organs, epithelium, muscle, etc., immediately before differentiation into cells of specific organs. primordial cells of The adult stem cells may be one or more selected from the group consisting of hematopoietic stem cells, mesenchymal stem cells, neural stem cells, and the like. The mesenchymal stem cells (MSC) are also called mesenchymal stromal cells (MSC), osteoblasts, chondrocytes, muscle cells (myocytes), adipocytes (adipocytes) , refers to a multipotent stromal cell that can differentiate into various types of cells such as epithelial cells and nerve cells. Mesenchymal stem cells are epithelial tissue, placenta, umbilical cord, umbilical cord blood, adipose tissue, adult muscle, corneal stroma, and milk teeth. It may be selected from among pluripotent cells derived from non-marrow tissues, such as dental pulp.

본 발명에서 상기 배아줄기세포(embryonic stem cells)는 수정란에서 유래하는 줄기세포로서, 모든 조직의 세포로 분화할 수 있는 특성을 갖는 줄기세포이다.In the present invention, the embryonic stem cells (embryonic stem cells) are stem cells derived from a fertilized egg, and are stem cells having the property of being able to differentiate into cells of all tissues.

본 발명에서 상기 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cells; iPS cells)는 역분화 줄기세포라고도 불리며, 분화가 끝난 체세포에 세포 분화 관련 유전자를 주입하여 분화 이전의 세포 단계로 되돌림으로써, 배아줄기세포처럼 만능성을 유도해 낸 세포를 의미한다. In the present invention, the induced pluripotent stem cells (iPS cells) are also called dedifferentiated stem cells, and by injecting cell differentiation-related genes into somatic cells that have been differentiated and returning them to the cell stage prior to differentiation, like embryonic stem cells Cells that induce pluripotency.

본 발명에서 상기 전발생세포(progenitor cells)는 줄기세포와 유사하게 특정 유형의 세포로 분화할 수 있는 능력을 갖지만, 줄기세포보다 특이적이고 표적화 되어 있으며, 줄기세포와 달리 분열 횟수가 유한하다. 상기 전발생 세포는 중간엽 유래의 전발생세포일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 명세서에서 전발생세포는 줄기세포 범주에 포함되며, 특별한 언급이 없는 한 '줄기세포'는 전발생세포도 포함하는 개념으로 해석된다. In the present invention, the progenitor cells have the ability to differentiate into a specific type of cell similar to stem cells, but are more specific and targeted than stem cells, and unlike stem cells, the number of divisions is limited. The progenitor cells may be mesenchymal-derived progenitor cells, but are not limited thereto. In the present specification, progenitor cells are included in the category of stem cells, and unless otherwise specified, 'stem cells' is interpreted as a concept that also includes progenitor cells.

본 발명에서 상기 여과기는 세포를 통과시키지 않는 크기로, 예컨대, 50 ㎛ 내지 200 ㎛, 50 ㎛ 내지 170 ㎛, 50 ㎛ 내지 150 ㎛, 50 ㎛ 내지 120 ㎛, 80 ㎛ 내지 200 ㎛, 80 ㎛ 내지 170 ㎛, 80 ㎛ 내지 150 ㎛, 80 ㎛ 내지 120 ㎛, 또는 90 ㎛ 내지 110 ㎛)의 공극(pore)을 갖는 통상의 세포 여과기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the filter has a size that does not pass cells, for example, 50 μm to 200 μm, 50 μm to 170 μm, 50 μm to 150 μm, 50 μm to 120 μm, 80 μm to 200 μm, 80 μm to 170 μm, 80 μm to 150 μm, 80 μm to 120 μm, or 90 μm to 110 μm) may be a conventional cell filter having pores, but is not limited thereto.

본 발명에서는 상기와 같이 분리된 세포를 원심 분리하여 세포 펠렛을 수집하는 단계를 수행할 수 있다. 여기서 상기 원심 분리의 조건은 특별히 제한하지 않으나, 예컨대, 1000 rpm 내지 2000 rpm, 1000 rpm 내지 1800 rpm, 1000 rpm 내지 1600 rpm, 1200 rpm 내지 2000 rpm, 1200 rpm 내지 1800 rpm, 1200 rpm 내지 1600 rpm, 1400 rpm 내지 2000 rpm, 1400 rpm 내지 1800 rpm, 또는 1400 rpm 내지 1600 rpm으로 1 내지 20 분, 1 내지 15 분, 1 내지 12 분, 5 내지 20 분, 5 내지 15 분, 5 내지 12 분, 8 내지 20 분, 8 내지 15 분, 또는 8 내지 12 분 동안 수행될 수 있다.In the present invention, the step of collecting the cell pellet by centrifuging the separated cells as described above may be performed. Here, the conditions of the centrifugation are not particularly limited, but, for example, 1000 rpm to 2000 rpm, 1000 rpm to 1800 rpm, 1000 rpm to 1600 rpm, 1200 rpm to 2000 rpm, 1200 rpm to 1800 rpm, 1200 rpm to 1600 rpm, 1400 rpm to 2000 rpm, 1400 rpm to 1800 rpm, or 1400 rpm to 1600 rpm 1 to 20 minutes, 1 to 15 minutes, 1 to 12 minutes, 5 to 20 minutes, 5 to 15 minutes, 5 to 12 minutes, 8 to 20 minutes, 8 to 15 minutes, or 8 to 12 minutes.

본 발명에서는 상기와 같이 수집된 세포 펠렛을 생체 기질 물질과 함께 배양하는 단계를 수행할 수 있다. In the present invention, the step of culturing the cell pellet collected as described above with a biological matrix material may be performed.

본 발명에서, 상기 생체 기질 물질은 매트리젤(Matrigel), 기저막 추출물(Basement Membrane Extract; BME), 히알루론산(hyaluronic acid) 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 매트리젤은 엥겔브레스트 홀름 스웜(Engelbreth-Holm-Swarm;EHS) 마우스 육종 세포에서 분비되는 젤라틴 유사 단백질 혼합물을 의미한다. 상기 세포외 기질은 세포에서 합성되고 세포외에 분비, 축적된 분자들을 포함하는 생체 고분자의 집합체로서, 콜라겐, 엘라스틴 등의 섬유성 단백질, 글리코사미노글리칸 등의 복합 단백질, 피브로넥틴, 라미닌 등의 세포 부착성 단백질 등으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the biological matrix material may include one or more selected from the group consisting of Matrigel, Basement Membrane Extract (BME), hyaluronic acid, and the like. The Matrigel refers to a gelatin-like protein mixture secreted from Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) mouse sarcoma cells. The extracellular matrix is an aggregate of biopolymers including molecules synthesized in cells and secreted and accumulated outside the cells, fibrous proteins such as collagen and elastin, complex proteins such as glycosaminoglycans, and cells such as fibronectin and laminin It may include one or more selected from the group consisting of adhesive proteins and the like, but is not limited thereto.

본 발명에서, 상기 세포 펠렛의 배양 조건은 특별히 제한하지 않으며, 통상적인 세포 배양 조건 하에서 수행될 수 있으나, 예컨대, 35 내지 37 ℃의 온도 및 8 내지 12 부피% CO2 조건 하에서, 1 내지 10 일, 1 내지 7 일, 3 내지 10 일 또는 3 내지 7 일 동안 수행될 수 있다.In the present invention, the culture conditions of the cell pellet are not particularly limited, and may be performed under conventional cell culture conditions, for example, at a temperature of 35 to 37 ℃ and 8 to 12% by volume CO 2 under conditions of 1 to 10 days. , 1 to 7 days, 3 to 10 days, or 3 to 7 days.

본 발명에서는 상기와 같이 배양된 프리-오가노이드(pre-organoid)로부터 생체 기질 물질을 제거하는 후처리 단계를 추가로 더 수행할 수 있다.In the present invention, the post-treatment step of removing the biological matrix material from the pre-organoid cultured as described above may be further performed.

본 발명에서, 상기 프리-오가노이드로부터 생체 기질 물질을 제거하는 후처리 단계는, 배양된 프리-오가노이드에 기계적으로 응력을 가하여 파쇄하는 단계; 리커버리 용액(recovery solution, Corning product number 354253, USA)의 존재 하에서 배양하는 단계; 및 원심 분리하여 프리-오가노이드 펠렛을 수득하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, the post-treatment step of removing the biological matrix material from the pre-organoids includes: crushing the cultured pre-organoids by mechanically applying stress; culturing in the presence of a recovery solution (Corning product number 354253, USA); and centrifuging to obtain a pre-organoid pellet.

본 발명에서 상기 배양하는 단계는 저온의 조건으로, 바람직하게는 3 내지 7 ℃에서 30 분 내지 72 시간, 1 내지 48 시간, 1 내지 24 시간 또는 1 내지 12 시간 동안 수행될 수 있다.In the present invention, the culturing step may be performed under low temperature conditions, preferably at 3 to 7° C. for 30 minutes to 72 hours, 1 to 48 hours, 1 to 24 hours, or 1 to 12 hours.

본 발명에서 상기 배양하는 단계에 앞서, 세척하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 세척은 인산완충생리식염수(Phosphate-buffered saline; PBS)를 이용하여 수행될 수 있고, 적어도 1 회, 바람직하게는 1 내지 10 회 반복하여 수행될 수 있다. Prior to the culturing step in the present invention, it may further include a washing step. Here, the washing may be performed using phosphate-buffered saline (PBS), and may be repeated at least once, preferably 1 to 10 times.

본 발명에서 상기 원심 분리하여 프리-오가노이드 펠렛을 수득하는 단계의 수행 조건은 특별히 제한하지는 않으나, 예를 들면, 2 내지 6 ℃, 바람직하게는 3 내지 5 ℃에서, 1000 내지 1500 rpm, 바람직하게는 1100 내지 1300 rpm으로, 3 내지 10 분, 바람직하게는 4 내지 7 분 동안 수행할 수 있다. In the present invention, the performing conditions of the step of obtaining pre-organoid pellets by centrifugation are not particularly limited, but, for example, at 2 to 6 ° C., preferably at 3 to 5 ° C., at 1000 to 1500 rpm, preferably is performed at 1100 to 1300 rpm, 3 to 10 minutes, preferably 4 to 7 minutes.

본 발명에서는 상기와 같이 얻어진 프리-오가노이드, 바람직하게는 배양 후 생체 기질 물질이 제거된 프리-오가노이드 펠렛을 미세유체 칩에서 배양하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, the pre-organoid obtained as described above, preferably the pre-organoid pellet from which the biological matrix material is removed after culturing may include the step of culturing in a microfluidic chip.

본 발명에서 상기 "미세유체 칩(microfluidic chip)"은 3D 세포 배양 디바이스의 일종으로 접종(seeding)된 세포의 지지 플레이트로 사용되며 응집, 증식 및 이동을 통하여 궁극적으로 오가노이드의 3 차원 배양을 가능하게 하는 배양 플레이트에 해당한다. In the present invention, the "microfluidic chip" is a type of 3D cell culture device and is used as a support plate for seeded cells, and ultimately enables three-dimensional culture of organoids through aggregation, proliferation and migration. corresponding to the culture plate

본 발명의 미세유체 칩은 챔버가 구비된 플레이트를 포함하고, 상기 챔버는 사각 기둥의 형상으로 이루어질 수 있다. The microfluidic chip of the present invention may include a plate provided with a chamber, and the chamber may be formed in the shape of a square column.

또한, 본 발명에서 상기 챔버는 세포, 바람직하게는 프리-오가노이드를 수용하여 오가노이드로 3 차원 배양할 수 있는 쉘을 적어도 1 개 포함할 수 있다. In addition, in the present invention, the chamber may include at least one shell capable of accommodating cells, preferably pre-organoids, and culturing them as organoids in three dimensions.

본 발명에서 상기 쉘은 상기 프리-오가노이드가 수용되도록 개방된 유입부와, 상기 프리-오가노이드가 담지되어 배양이 이루어지는 폐쇄된 수용부를 포함할 수 있다. In the present invention, the shell may include an inlet part open to accommodate the pre-organoids, and a closed accommodation part in which the pre-organoids are supported and cultured.

본 발명에서 상기 유입부는 단면이 육각 구조를 이룰 수 있다. In the present invention, the inlet may have a hexagonal structure in cross section.

본 발명에서 상기 수용부는, 프리-오가노이드 또는 배양된 오가노이드가 수용되는 공간이 형성되며, 상기 유입부로부터 소정의 깊이를 갖도록 기둥 형태로 구성되고, 바닥면은 하부로 돌출된 반구형을 이룰 수 있다. In the present invention, the accommodating part has a space in which pre-organoids or cultured organoids are accommodated. there is.

본 발명에서 상기 챔버 내에 쉘은 20 내지 1000 개가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, 20 to 1000 shells may be included in the chamber, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에서 상기 쉘은 상기 챔버 내에 복수 개 포함되며, 상기 쉘의 유입부의 어느 일 모서리로부터 이웃하는 쉘의 어느 일 모서리 사이의 간격은 0.01 mm 내지 1.0 mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, a plurality of the shells are included in the chamber, and the interval between any one corner of the inlet part of the shell and any one corner of the neighboring shell may be 0.01 mm to 1.0 mm, but is not limited thereto.

본 발명에서 상기 미세유체 칩의 재질은 PDMS (Polydimethylsiloxane), Polycarbonate, PTMSP (poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)), PTFE (Polytetrafluoroethylene), 우레탄, PET (Polyethylene terephthalate) 및 아가로스 (Agarose)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질에 해당할 수 있으며, 외부와의 차단을 유지할 수 있는 통상의 재질에 해당한다면 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the material of the microfluidic chip is PDMS (Polydimethylsiloxane), Polycarbonate, PTMSP (poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)), PTFE (Polytetrafluoroethylene), urethane, PET (Polyethylene terephthalate) and agarose. It may correspond to any one or more materials selected from the group consisting of, and is not limited thereto if it corresponds to a conventional material capable of maintaining a barrier to the outside.

본 발명에서는 상기한 미세유체 칩을 사용함으로써 생체 기질 물질 없이도 특이적으로 프리-오가노이드를 오가노이드로 3 차원 배양이 가능한 장점이 있다.In the present invention, by using the microfluidic chip described above, there is an advantage in that it is possible to specifically 3D culture pre-organoids into organoids without a biological matrix material.

본 발명에서는 상기 생체 기질 물질이 제거된 프리-오가노이드를 미세유체 칩에서 배양하는 단계에 앞서, 상기 미세유체 칩을 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. In the present invention, prior to the step of culturing the pre-organoids from which the biological matrix material has been removed in the microfluidic chip, the method may further include pre-treating the microfluidic chip.

본 발명에서, 상기 미세유체 칩을 전처리하는 단계는, 미세유체 칩에 배지를 추가하여 배양하는 단계; 및 상기 배지를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, the pre-treating of the microfluidic chip may include: culturing by adding a medium to the microfluidic chip; and removing the medium.

본 발명에서, 상기 미세유체 칩에 배지를 추가하여 배양하는 단계를 수행하기에 앞서, 상기 미세유체 칩을 알코올로 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 알코올로 에탄올, 바람직하게는 용매에 60 내지 80 중량%로 희석된 에탄올, 보다 바람직하게는 65 내지 75 중량% 로 희석된 에탄올을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, before performing the step of culturing by adding a medium to the microfluidic chip, the method may further include washing the microfluidic chip with alcohol. Here, the alcohol may be ethanol, preferably ethanol diluted to 60 to 80% by weight in a solvent, more preferably ethanol diluted to 65 to 75% by weight, but is not limited thereto.

본 발명에서 상기 미세유체 칩에 추가되는 배지는 둘베코 변형 이글 배지(Dulbecco's Modified Eagle Medium, Advanced DMEM, advanced DMEM), MEM(Minimal essential Medium), BME(Basal Medium Eagle), RPMI-1640 및 GMEM(Glasgow's Minimal essential Medium)으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the medium added to the microfluidic chip is Dulbecco's Modified Eagle Medium (Dulbecco's Modified Eagle Medium, Advanced DMEM, advanced DMEM), MEM (Minimal essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI-1640 and GMEM ( It may be one or more selected from the group consisting of Glasgow's Minimal essential Medium), but is not limited thereto.

본 발명에서 상기 미세유체 칩에 배지를 추가한 뒤 수행되는 배양은 35 내지 40 ℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the culture performed after adding the medium to the microfluidic chip may be performed at 35 to 40° C., but is not limited thereto.

본 발명에서는 상기 미세유체 칩에 배지를 추가하여 배양한 뒤 배지를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, it may include the step of removing the medium after culturing by adding a medium to the microfluidic chip.

본 발명에서는 상기와 같이 전처리된 미세유체 칩에 상기 프리-오가노이드 펠렛을 접종하여 배양하는 단계를 수행할 수 있다. In the present invention, the pre-treated microfluidic chip may be inoculated with the pre-organoid pellet and cultured.

본 발명에서 상기 프리-오가노이드 펠렛을 접종하여 배양하는 단계는 1 차로 배양하여 오가노이드를 수득한 뒤, 수득된 오가노이드를 미세유체 칩에 재접종하여 2 차로 배양하는 단계를 포함할 수 있다. In the present invention, the step of inoculating and culturing the pre-organoid pellet may include the step of culturing the organoids by primary culture, and then re-inoculating the obtained organoids in a microfluidic chip to secondary culture.

본 발명에서 상기 2 차로 배양하는 단계는 1 회 이상, 바람직하게는 2 회 이상, 보다 바람직하게는 2 회 내지 10 회 반복하여 계대 배양으로 수행될 수 있다. In the present invention, the second culturing step may be performed by subculture by repeating one or more times, preferably two or more times, more preferably two to ten times.

본 발명에서 상기 1 차 또는 2 차 배양 조건은 특별히 제한하지 않으며, 통상적인 세포 배양 조건 하에서 수행될 수 있으나, 예컨대, 35 내지 37 ℃ 및 8 내지 12 부피% CO2 조건에서 1 내지 10 일, 1 내지 7 일, 3 내지 10 일 또는 3 내지 7 일 동안 수행될 수 있다.In the present invention, the primary or secondary culture conditions are not particularly limited, and may be performed under conventional cell culture conditions, for example, 1 to 10 days at 35 to 37° C. and 8 to 12% by volume CO 2 conditions. to 7 days, 3 to 10 days or 3 to 7 days.

본 발명에서 상기 2 차 배양하는 단계에 앞서, 상기 1 차 배양하여 수득된 오가노이드를 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. Prior to the secondary culturing in the present invention, it may further include washing the organoids obtained by the primary culturing.

본 발명에서 상기 2 차 배양하는 단계에 앞서, 상기와 같이 세척된 오가노이드를 원심 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 원심 분리의 수행 조건은 특별히 제한하지는 않으나, 예를 들면, 1000 내지 1500 rpm, 바람직하게는 1150 내지 1300 rpm으로, 3 내지 10 분, 바람직하게는 4 내지 7 분 동안 수행할 수 있다. Prior to the secondary culturing in the present invention, the method may further include centrifuging the washed organoids as described above. Here, the conditions for performing the centrifugation are not particularly limited, but, for example, may be performed at 1000 to 1500 rpm, preferably 1150 to 1300 rpm, for 3 to 10 minutes, preferably for 4 to 7 minutes.

본 발명에서 상기 2 차 배양하는 단계에 앞서, 상기와 같이 원심 분리된 오가노이드를 새로운 배양 배지에 재부유(resuspension)하는 단계를 더 포함할 수 있다.Prior to the secondary culturing in the present invention, the method may further include resuspending the centrifuged organoids in a new culture medium as described above.

본 발명에서 상기 새로운 배양 배지는 생체 기질 물질을 포함하는 배지일 수 있으며, 상기 생체 기질 물질은 매트리젤 (Matrigel), 기저막 추출물 (Basement Membrane Extract; BME), 히알루론산 (hyaluronic acid) 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. In the present invention, the new culture medium may be a medium containing a biological matrix material, and the biological matrix material is a group consisting of Matrigel, Basement Membrane Extract (BME), hyaluronic acid, etc. It may be to include one or more selected from.

본 발명에서 상기 매트리젤은 콜라겐, 엘라스틴 등의 섬유성 단백질, 글리코사미노글리칸 등의 복합 단백질, 피브로넥틴, 라미닌 등의 세포 부착성 단백질 등으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the Matrigel may include one or more selected from the group consisting of fibrous proteins such as collagen and elastin, complex proteins such as glycosaminoglycan, and cell adhesion proteins such as fibronectin and laminin. However, the present invention is not limited thereto.

본 발명에서 상기 계대 배양은 미세 유체 칩 상에서 이루어지는 것에 특징이 있다고 할 것이다.In the present invention, it will be said that the subculture is characterized in that it is performed on a microfluidic chip.

본 발명에서 상기와 같이 미세유체 칩을 활용하여 제조된 오가노이드는 기존 오가노이드와 비교하여 생체 환경 모사 능력이 우수하며, 배양 성장 조건을 최적화함으로써 장기 생존력을 보장하므로 항암제 등의 다양한 후보 약물 반응성 시험 및/또는 약물 스크리닝에 보다 유리하게 적용될 수 있다.In the present invention, the organoids manufactured using the microfluidic chip as described above have excellent ability to simulate the living environment compared to the existing organoids, and by optimizing the culture growth conditions to ensure long-term viability, various candidate drug reactivity tests such as anticancer drugs and/or more advantageously applied to drug screening.

본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 본 발명의 방법으로 제조된 오가노이드에 관한 것이다. According to another embodiment of the present invention, it relates to an organoid prepared by the method of the present invention.

본 발명에서 상기 오가노이드는 생체 기질 물질이 제거된 상태에서 배양된 오가노이드 또는 생체 기질 물질 프리 오가노이드일 수 있으며, 보다 바람직하게는 매트리젤 프리 오가노이드(Matrigel free organoid)일 수 있다.In the present invention, the organoid may be an organoid cultured in a state in which the biological matrix material is removed or a biological matrix material-free organoid, more preferably a Matrigel free organoid.

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 본 발명의 오가노이드를 이용하여 후보 약물을 스크리닝하는 방법에 관한 것이다.According to another embodiment of the present invention, it relates to a method for screening a candidate drug using the organoid of the present invention.

본 발명에서 상기 "스크리닝"이란, 여러 물질로 이루어진 후보군으로부터 목적으로 하는 어떤 특정한 성질을 갖는 물질을 특정한 조작 또는 평가 방법으로 선별하는 것이다. In the present invention, the "screening" refers to selecting a substance having a specific target property from a candidate group consisting of several substances by a specific manipulation or evaluation method.

본 발명에서 제공하는 스크리닝 방법은 우선, 본 발명에서 제공하는 오가노이드에 후보 약물을 처리하는 단계를 포함할 수 있다. The screening method provided by the present invention may include, first, treating a candidate drug to the organoid provided by the present invention.

본 발명에서 상기 방법은 상기 약물을 처리하기 전에 앞서 설명한 오가노이드 제조 방법의 단계들을 추가로 포함할 수 있다. In the present invention, the method may further include the steps of the method for preparing an organoid described above before treating the drug.

여기서, 상기 후보 물질은 천연 화합물, 합성 화합물, RNA, DNA, 폴리펩티드, 효소, 단백질, 리간드, 항체, 항원, 박테리아 또는 진균의 대사 산물 및 생활성 분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.Here, the candidate material is preferably any one selected from the group consisting of natural compounds, synthetic compounds, RNA, DNA, polypeptides, enzymes, proteins, ligands, antibodies, antigens, bacterial or fungal metabolites and bioactive molecules , but not limited thereto.

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 본 발명의 방법으로 제조된 오가노이드에 목적하는 단백질을 코딩하는 유전자 또는 목적하는 유전자를 조작하는 단계를 포함하는 유전자 조작된 오가노이드의 제조 방법에 관한 것이다. According to another embodiment of the present invention, it relates to a method for producing a genetically engineered organoid comprising the step of manipulating a gene encoding a target protein or a target gene in the organoid prepared by the method of the present invention.

본 발명에서 상기 유전자 조작은 미세유체 칩 상에서 이루어지는 것일 수 있다. 일반 배지에서 유전자 조작이 이루어지는 통상적인 경우와는 달리 본 발명에서는 미세유체 칩 상에서 오가노이드에 유전자 조작이 가능한 것에 특징이 있다고 할 것이다. In the present invention, the genetic manipulation may be performed on a microfluidic chip. It will be said that the present invention is characterized in that it is possible to genetically manipulate organoids on a microfluidic chip, unlike the conventional case in which genetic manipulation is performed in a normal medium.

본 발명에서 상기 "유전자 조작(genetic engineering)"이란 숙주 세포에 외래 유전 물질을 도입하는 과정을 말하는 것으로, 유전 물질의 예로는 DNA 또는 RNA 등일 수 있다. 유전자 발현을 유도하기 위하여 상기 유전 물질은 숙주 세포의 핵에 전달하는 과정이 필수적으로 요구되며, 성공적인 유전자 조작을 위하여 외래 유전 물질이 숙주 세포 내에서 안정적으로 유지될 수 있을 것이 요구된다. In the present invention, the term "genetic engineering" refers to a process of introducing foreign genetic material into a host cell, and examples of the genetic material may be DNA or RNA. In order to induce gene expression, the process of transferring the genetic material to the nucleus of a host cell is essential, and for successful genetic manipulation, it is required that the foreign genetic material be stably maintained in the host cell.

본 발명에서 상기 유전자 조작은 목적하는 단백질을 코딩하는 유전자 또는 목적하는 유전자를 특이적으로 타겟하여 절단하는 유전자 편집(gene editing)이 이루어지고, 편집된 유전자의 전달이 이루어지는 일련의 과정으로 이루어질 수 있다. 상기 유전자 편집은 인공적으로 조작된 핵산분해효소 혹은 유전자 가위를 이용해 유전체로부터 DNA가 삽입, 대체 혹은 결실되는 유전 공학의 일종을 말한다. In the present invention, the genetic manipulation may be performed as a series of processes in which a gene encoding a desired protein or a gene encoding a desired gene is specifically targeted and cut, and the edited gene is transferred. . The gene editing refers to a type of genetic engineering in which DNA is inserted, replaced, or deleted from a genome using artificially engineered nucleases or gene scissors.

본 발명에서 상기 유전자 조작 시 숙주 세포의 유형에 따라 외부의 유전 물질을 진핵 세포(eukaryotic cell)로 주입하는 형질 주입과 원핵 세포에 플라스미드 등으로 핵산을 주입하는 형질전환(transformation) 및 바이러스를 이용하여 원핵 세포에 핵산을 주입하는 형질도입(transduction)이 존재한다. 본 발명은 진핵 세포에 형질을 주입하는 방식으로 수행될 수 있다.In the present invention, during the genetic manipulation, transfection in which an external genetic material is injected into eukaryotic cells according to the type of host cell, transformation in which nucleic acids are injected into prokaryotic cells with a plasmid, etc., and a virus are used. Transduction exists to inject nucleic acids into prokaryotic cells. The present invention can be carried out by transfecting eukaryotic cells.

본 발명에서 상기 유전자 조작은 목적하는 단백질을 코딩하는 유전자 또는 목적하는 유전자를 상기 오가노이드에 형질 주입하는 방식으로 수행될 수 있다. In the present invention, the genetic manipulation may be performed by transfecting a gene encoding a target protein or a target gene into the organoid.

본 발명에서 상기 형질 주입하는 방법은 바이러스성 벡터 또는 비바이러스성 벡터를 사용하여 수행될 수 있다. 여기서 상기 바이러스성 벡터는 전달 효율이 높고 지속 시간이 긴 이점이 있고, 레트로바이러스 벡터(retroviral vector), 아데노바이러스 벡터 (adenoviral vector), 백시니아바이러스 벡터, 아데노 부속 바이러스 벡터 (adeno-associated viral vector), 암세포 용해성 바이러스 벡터 등이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 비바이러스 벡터 (nonviral vector)는 플라스미드를 포함할 수 있고, 그 외에도 리포좀, 양이온성 고분자, 미셀 (micelle), 에멀젼, 지질 나노입자 (solid lipid nanoparticles) 등의 다양한 제형이 사용될 수 있으며, 핵산 전달을 위한 양이온성 고분자에는 키토산, 아텔로콜라겐 (atelocollagen), 양이온성 폴리펩타이드 (cationic polypeptide) 등과 같은 천연고분자와 poly (L-lysin), 선형 또는 분지형 PEI (polyethylene imine), 사이클로덱스트린계열 다가양이온 (cyclodextrin-based polycation), 덴드리머 (dendrimer) 등과 같은 합성 고분자 또한 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the transfection method may be performed using a viral vector or a non-viral vector. Here, the viral vector has the advantage of high delivery efficiency and long duration, retroviral vector, adenoviral vector, vaccinia virus vector, adeno-associated viral vector (adeno-associated viral vector) , cancer cell lytic viral vectors, and the like, but are not limited thereto. In addition, the nonviral vector may include a plasmid, and in addition, various formulations such as liposomes, cationic polymers, micelles, emulsions, solid lipid nanoparticles, etc. may be used, Cationic polymers for nucleic acid delivery include natural polymers such as chitosan, atelocollagen, and cationic polypeptide, poly (L-lysin), linear or branched PEI (polyethylene imine), and cyclodextrin series. Synthetic polymers such as polycations (cyclodextrin-based polycation) and dendrimers may also be included, but are not limited thereto.

본 발명에서 상기 벡터의 형질 주입 시 미세주사, 세포융합, 칼슘 포스페이트 침전법, 리포좀 매개된 형질 주입 (liposome-mediated transfection), DEAE 덱스트란-매개된 형질 주입 (DEAE Dextran- mediated transfection), 폴리브렌-매개된 형질 주입 (polybrene-mediated transfection), 전기침공법 (electroporation), 유전자 총 (gene gun) 또는 세포 내로 핵산을 유입시키기 위한 다른 공지의 방법에 의해 세포 내로 도입할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다(Wu et al., J. Bio. Chem., 267:963-967, 1992; Wu and Wu, J. Bio. Chem.,263:14621-14624, 1988).In the present invention, upon transfection of the vector, microinjection, cell fusion, calcium phosphate precipitation, liposome-mediated transfection, DEAE dextran-mediated transfection, polybrene -Mediated transfection (polybrene-mediated transfection), electroporation (electroporation), gene gun (gene gun) or other known methods for introducing nucleic acid into the cell can be introduced into the cell, but is limited thereto No (Wu et al., J. Bio. Chem., 267:963-967, 1992; Wu and Wu, J. Bio. Chem., 263:14621-14624, 1988).

또한, 본 발명에서 상기 유전자 조작은 목적하는 단백질을 코딩하는 유전자 또는 목적하는 유전자를 편집할 수 있도록 하는 유전자 가위 기술을 이용할 수 있다. 이때, 표적 서열을 인지하는 물질이 단백질인지 가이드 RNA인지에 따라 표적 유전자 서열에 결합하는 유전자 가위를 단백질의 형태로 이용하는 징크 핑거 뉴클레이즈 (zinc finger nuclease; ZFN), 탈렌 (transcription activator-like effector nuclease; TALEN) 방법과, CRISPR 유전자 가위 단백질은 한 종류의 단백질을 사용하면서 표적 유전자의 서열에 따라 가이드 RNA만을 제작하여 이루어지는 CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeat) 방법 등에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 당해 기술 분야에서 일반적으로 수행되는 유전자 편집 방법이라면 제한없이 포함될 수 있다. In addition, in the present invention, the genetic manipulation may use a gene encoding a target protein or a gene editing technique that allows editing of a target gene. At this time, depending on whether the substance recognizing the target sequence is a protein or a guide RNA, a zinc finger nuclease (ZFN), a transcription activator-like effector that uses a gene scissors that binds to a target gene sequence in the form of a protein The nuclease; TALEN) method and the CRISPR gene scissors protein can be performed by the CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat) method, which uses only one type of protein and uses only a guide RNA according to the sequence of the target gene, but is limited thereto. However, it may be included without limitation as long as it is a gene editing method generally performed in the art.

본 발명의 일 예시로, 상기 유전자 편집 기술 중 CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) 방식, CRISPR 클래스의 유전자 가위 단백질로서 Cas9 또는 Cpf 단백질을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 Cas9 단백질을 이용한 CRISPR/Cas9 방식을 이용할 수 있으며, 이때 뉴클레아제 및 gRNA 유전자의 오가노이드 세포 내로 도입 시, 다양한 도입 방법과 형태를 사용할 수 있으나, 예를 들면, 상기 뉴클레아제 및 gRNA 유전자를 포함하는 벡터를 상기 오가노이드에 형질 주입하며 수행될 수 있다. As an example of the present invention, among the gene editing technologies, CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) method, Cas9 or Cpf protein as a gene scissors protein of the CRISPR class may be used, preferably CRISPR/Cas9 method using Cas9 protein In this case, when introducing the nuclease and gRNA gene into the organoid cell, various introduction methods and forms can be used. For example, a vector including the nuclease and the gRNA gene is applied to the organoid. Transfection can be performed.

본 발명에서 상기 gRNA (guide RNA)는 sgRNA (single-guide RNA)로도 명명하며, 편집하고자 하는 부위의 DNA와 상보적으로 결합하는 RNA를 말한다. 목적 유전자 서열과 상보적으로 결합하는 sgRNA를 디자인하여 형질 주입에 활용될 수 있고, 예를 들면, 목적 유전자로 PLK1, p53 등의 유전자에 상보적으로 결합하는 서열을 가진 sgRNA로, 바람직하게는 PLK1 유전자에 상보적으로 결합하는 서열번호 1로 표시되는 sgRNA일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 편집을 요하는 타겟 유전자를 선별하여 그에 상보적으로 결합하는 sgRNA 서열이면 제한없이 포함될 수 있다. In the present invention, the gRNA (guide RNA) is also called sgRNA (single-guide RNA), and refers to an RNA that is complementary to a DNA of a site to be edited. It can be used for transfection by designing an sgRNA that complementarily binds to a target gene sequence, for example, an sgRNA having a sequence complementary to a gene such as PLK1 and p53 as a target gene, preferably PLK1 It may be the sgRNA represented by SEQ ID NO: 1 that complementarily binds to a gene, but is not limited thereto, and any sgRNA sequence that is complementary to a target gene that requires editing is selected and may be included without limitation.

본 발명에서 상기 뉴클레아제로는 Cas 단백질, DNA 서열 특이적 엔도뉴클레아제, RNA 가이드된 DNA 엔도뉴클레아제(예컨대, Cpf1), 제한 엔도뉴클레아제, 메가뉴클레아제, 호밍 엔도뉴클레아제, TAL 이펙터 뉴클레아제, 및 아연 핑거 뉴클레아제를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 예로는 뉴클레아제로는 타입 I, 타입 II, 타입 III, 타입 IV, 및 타입 V 엔도뉴클레아제를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, CRISPR 뉴클레아제로 Cas 뉴클레아제 또는 Cpf1 뉴클레아제일 수 있다. 보다 바람직하게는, Cas9, 예를 들어, 박테리아 (예컨대, S. 피오게네스(S. pyogenes), S. 뉴모니아에(S. pneumoniae), S. 아우레우스(S. aureus), 또는 S. 써모필루스(S. thermophilus))로부터 클로닝 또는 유래된 Cas9일 수 있다.In the present invention, the nuclease includes Cas protein, DNA sequence specific endonuclease, RNA guided DNA endonuclease (eg, Cpf1), restriction endonuclease, meganuclease, homing endonuclease , TAL effector nucleases, and zinc finger nucleases. Specific examples include, but are not limited to, type I, type II, type III, type IV, and type V endonucleases as nucleases. Preferably, the CRISPR nuclease may be a Cas nuclease or a Cpf1 nuclease. More preferably, Cas9, e.g., bacteria (such as S. pyogenes, S. pneumoniae, S. aureus, or Cas9 cloned or derived from S. thermophilus).

본 발명에서 상기 방법은 유전자 조작 후 오가노이드의 유전자 조작 여부를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다. In the present invention, the method may further include the step of confirming whether or not the organoid is genetically manipulated after the genetic manipulation.

본 발명에서 상기 유전자 조작 여부, 바람직하게는 형질 주입 여부 확인을 위하여 마커 단백질을 이용할 수 있고, 상기한 마커 단백질은 핵산 서열을 구체적으로 표적화하고, 광학 신호를 발생하여 시각화할 수 있다. 본 발명에서 상기 마커 단백질의 예로는, 형광 리포터 단백질, 보다 구체적으로, 녹색 형광 단백질(GFP), 황색 형광 단백질(YFP), 적색 형광 단백질(RFP), 시안 형광 단백질(CFP) 또는 mCherry 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, a marker protein may be used to determine whether the gene is manipulated, preferably transfection, and the marker protein can be visualized by specifically targeting a nucleic acid sequence and generating an optical signal. Examples of the marker protein in the present invention include a fluorescent reporter protein, more specifically, green fluorescent protein (GFP), yellow fluorescent protein (YFP), red fluorescent protein (RFP), cyan fluorescent protein (CFP) or mCherry. can, but is not limited thereto.

본 발명에서 상기 유전자 조작 여부의 확인은 웨스턴 블롯(western blot) 또는 간접적인 세포 내 염색 유세포 분석에 의해 확인하는 방식으로 수행될 수 있으며, 당업계에 알려진 여러 가지 대안적인 방법에 의해 수행될 수 있다.In the present invention, the determination of whether the genetic manipulation is performed may be performed by a method of confirming by western blot or indirect intracellular staining flow cytometry, and may be performed by various alternative methods known in the art. .

본 발명에서 상기한 바와 같이 sgRNA, Cas9 단백질 또는 상동성 표적 복구(HDR) 주형을 다양한 형태(DNA, RNA, Protein)와 다양한 방법(transfection, electroporation, viral gene delivery, Gesicle 외)으로 목적 세포 또는 조직 내로 도입될 수 있으며, NHEJ Pathway로 인해 발생된 Indel 변이 또는 HDR로 삽입된 유전자 또는 SNP 등을 전기영동 확인 또는 서열 분석을 통해 유전자 조작 여부를 확인할 수 있다. As described above in the present invention, sgRNA, Cas9 protein or homology target repair (HDR) template can be used in various forms (DNA, RNA, Protein) and in various methods (transfection, electroporation, viral gene delivery, Gesicle, etc.) to target cells or tissues. It can be introduced into the NHEJ pathway, and it can be confirmed whether the gene is manipulated through electrophoresis confirmation or sequence analysis of indel mutations or HDR-inserted genes or SNPs.

본 발명에서 제공되는 미세유체 칩을 활용하여 오가노이드를 제조하는 방법을 이용하는 경우 생체 기질 물질 없이도 배양이 가능하도록 함으로써 실제 생체 내 세포 미세 환경에 가까운 환경을 제공하여 보다 정확한 약물 처리 전의 약물 효능 예측, 약물 처리 후의 약물 효용성 검증, 유전자형에 따른 핵형 분석, 분열 속도 및 양상 관찰 등의 연구에 유용하게 적용될 수 있다.When using the method for manufacturing organoids using the microfluidic chip provided in the present invention, it provides an environment close to the actual in vivo cellular microenvironment by enabling culture without a biological matrix material to more accurately predict drug efficacy before drug treatment; It can be usefully applied to studies such as verification of drug efficacy after drug treatment, karyotype analysis according to genotype, and observation of cleavage rates and patterns.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩(Microfluidic chip)을 활용하여 마우스 또는 환자 유래 췌장 오가노이드를 1 차 배양 또는 계대 배양한 결과를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 A1 칩(A1 chip)을 활용하여 마우스 유래 췌장 오가노이드를 배양한 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2D 유방암 세포주(MCF10A 및 MCF7)에서 약물 스크리닝을 수행한 결과를 나타낸 도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트리젤이 포함된 마우스 또는 환자 유래 췌장 오가노이드에서 약물 스크리닝을 수행한 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩을 활용하여 마우스 또는 환자 유래 췌장 오가노이드에서 약물 스크리닝을 수행한 결과를 나타낸 도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩을 활용하여 약물 처리 전 후 MTT assay를 수행하여 세포 생존 능력을 측정한 결과를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩을 활용하여 환자 유래 오가노이드의 면역형광염색 분석 결과를 보여주는 형광 이미지를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 환자 유래 오가노이드의 줄기세포능(stemness)을 확인하기 위해 면역형광염색 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 환자 유래 오가노이드를 이용하여 유전체 분석을 한 결과를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체 칩 상에서 환자 유래 오가노이드를 이용하여 형질 주입시킨 후 형광 분석 및 웨스턴 블롯을 통해 확인한 결과를 나타낸 도이다.
1A to 1C are diagrams showing the results of primary culture or subculture of mouse or patient-derived pancreatic organoids using a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the results of culturing mouse-derived pancreatic organoids using an A1 chip according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing the results of drug screening in 2D breast cancer cell lines (MCF10A and MCF7) according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are diagrams showing the results of drug screening on pancreatic organoids derived from mice or patients containing Matrigel according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the results of drug screening in mouse or patient-derived pancreatic organoids using the microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are diagrams showing the results of measuring cell viability by performing an MTT assay before and after drug treatment using a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a fluorescence image showing the results of immunofluorescence staining analysis of patient-derived organoids using a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing the results of immunofluorescence staining to confirm stem cell ability (stemness) of patient-derived organoids according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing the results of genome analysis using patient-derived organoids according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing the results confirmed through fluorescence analysis and Western blot after transfection using patient-derived organoids on a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.

<본 발명을 지원한 과제에 대한 설명><Description of the project supporting the present invention>

본 발명은 민간기관의 민간지원사업(과제번호: 0413-20190020, 연구과제명: 규격화된 플레이트에서 삼차원 췌장 오거노이드 배양 프로토콜 개발, 주관기관: 주식회사 넥스트앤바이오, 연구기간: 2019-07-01~2020-06-30)의 지원을 받아 개발되었다.The present invention is a private support project of a private institution (task number: 0413-20190020, research project name: development of a three-dimensional pancreatic organoid culture protocol on standardized plates, host institution: Next&Bio Co., Ltd., research period: 2019-07-01~ 2020-06-30) was developed with the support of

<본 발명의 구체적인 내용><Specific contents of the present invention>

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. .

실시예 1: 미세유체 칩을 활용한 마우스 및 환자 유래 췌장 오가노이드(organoid)의 계대 배양Example 1: Subculture of mouse and patient-derived pancreatic organoids using a microfluidic chip

1.1 생물학적 시료의 준비1.1 Preparation of biological samples

본 발명자들은 미세유체 칩을 활용한 오가노이드의 배양을 위하여 목적하는 개체인 마우스 및 환자로부터 생물학적 시료를 수득하였다. The present inventors obtained biological samples from mice and patients, which are target subjects, for culturing organoids using a microfluidic chip.

먼저, 종양 유전자인 KRAS 유전자에 점 돌연변이가 발생한 KRASG12D 마우스 유래 오가노이드를 배양하기 위하여 해당 마우스를 안락사시킨 후 해부하여 췌장 조직을 얻었으며, 해리용액 (Dissociation solution)으로서 HBSS (Hank's Balanced Salt Solution; GIBCO®) 3 내지 5 ml, 콜라게나아제P (Roche) 1 mg/ml 및 DNase 1 (Sigma Aldrich) 0.1 mg/ml를 혼합한 혼합물을 37 ℃ 워터배스에서 데워서 준비하였다. 상기 얻어진 마우스 췌장 조직 전체 (Vpan = 1.08 mg/mm3)를 100 mm 페트리접시에 옮긴 후, 상기 준비된 해리용액 100 ul를 넣고 가위나 나이프를 이용하여 5 내지 10 회 잘게 절단하였다. 잘게 절단된 췌장 조직(Vpan = 1.08 mg/mm3)을 50 ml 코니칼 튜브(conical tube)로 옮기고, 여기에 해리용액 3 내지 5 ml를 넣고, 상기 튜브를 230 rpm 및 37 ℃의 진탕 배양기에 넣어 인큐베이션하고, 10 내지 15 분 후에 꺼내어, 차가운 FBS 10 내지 15 ml를 넣어주었다. 100 um 기공의 세포여과기 (cell strainer)에 상기 얻어진 해리된 췌장조직을 통과시키고, HBSS를 이용해 2 내지 3 번 세척하였다. 세포여과기를 통과하지 못한 췌장 조직을 현미경으로 관찰하여 췌관 세포를 골라 선택하였다. 선택된 췌관 세포를 1500 rpm으로 10 분 동안 원심 분리하여 펠렛을 수집한 후, HBSS로 세척하는 과정을 2 회 반복하였다. First, in order to culture an organoid derived from a KRAS G12D mouse with a point mutation in the oncogene KRAS gene, the mouse was euthanized and then dissected to obtain a pancreatic tissue. As a dissociation solution, HBSS (Hank's Balanced Salt Solution; GIBCO ® ) 3 to 5 ml, collagenase P (Roche) 1 mg / ml, and DNase 1 (Sigma Aldrich) 0.1 mg / ml of a mixture of 0.1 mg / ml was prepared by warming in a 37 ℃ water bath. The whole mouse pancreas tissue obtained above (Vpan = 1.08 mg/mm 3 ) was transferred to a 100 mm Petri dish, 100 ul of the prepared dissociation solution was added, and finely cut 5 to 10 times using scissors or a knife. The chopped pancreatic tissue (Vpan = 1.08 mg/mm 3 ) is transferred to a 50 ml conical tube, and 3 to 5 ml of the dissociation solution is added thereto, and the tube is placed in a shaking incubator at 230 rpm and 37 ° C. Incubated and taken out after 10 to 15 minutes, 10 to 15 ml of cold FBS was put. The obtained dissociated pancreatic tissue was passed through a 100 um pore cell strainer, and washed 2-3 times using HBSS. Pancreatic duct cells were selected and selected by observing the pancreatic tissue that did not pass through the cell filter under a microscope. The selected pancreatic duct cells were centrifuged at 1500 rpm for 10 minutes to collect a pellet, and then washing with HBSS was repeated twice.

상기와 같은 방법으로 환자 유래 췌장 조직으로부터 수득한 시료로 동일 과정을 반복함으로써 1 차 배양을 위한 단계를 수행하였다. The step for primary culture was performed by repeating the same process with the sample obtained from the patient-derived pancreatic tissue in the same way as above.

1.2 각 시료로부터 오가노이드 1 차 배양(pre-organoid 배양)1.2 Primary culture of organoids from each sample (pre-organoid culture)

얻어진 세포 펠렛과 매트리젤(Matrigel, Corning) 200 ul을 펠렛과 매트리젤의 부피비가 1 : 5가 되도록 혼합한 후, 각각 12 웰 또는 24 웰 플레이트에 각 웰당 12 웰 플레이트 기준 100 내지 150 ul의 양으로 세포 접종하였다. 세포 접종 후 약 한 시간 뒤, 매트리젤이 굳으면 배지를 12 웰 플레이트 기준 1 ml, 24 웰 플레이트 기준 500 ul의 양으로 넣고 37 ℃ 및 10 % CO2의 인큐베이터에서 48 내지 72 시간 이상 동안 인큐베이팅하였다. 이 때 DMEM/F-12 (Dulbecco's Modified Eagle Medium/Ham's F-12; Thermo Fisher Scientific)에 1 % (vol/vol) 페니실린/스트렙토마이신, 10 mM HEPES, 1 % GlutaMAX, 1:50 B27 보충제(Gibco), 1 mM N-아세틸시스테인, 5 % (vol/vol) Rspo1-배양액(Hans Clevers lab), 10 mM 니코틴아마이드, 10 nM 재조합형 인간 [Leu15]-가스트린 I(Sigma Aldrich), 50 ng/ml 재조합형 마우스 EGF(Peptron), 100 ng/ml 인간 재조합형 FGF10(Peptron), 및 25 ng/ml 재조합형 인간 노긴(Peptron) 또는 5 % (vol/vol) 노긴이 포함된 배양액(Hans Clevers lab)이 혼합된 배양 배지 조성을 이용하였다. KRASG12D 마우스 조직으로부터 1 차 배양한 결과를 도립 현미경(inverted microscope; Zeiss)으로 관찰하여 도 1a에 나타내었다.After mixing the obtained cell pellet and 200 ul of Matrigel (Matrigel, Corning) so that the volume ratio of the pellet and Matrigel is 1: 5, it is placed in a 12-well or 24-well plate, respectively, in an amount of 100 to 150 ul based on a 12-well plate per well. cells were inoculated with About an hour after cell inoculation, when Matrigel hardens, the medium was put in an amount of 1 ml based on a 12-well plate and 500 ul based on a 24-well plate, and incubated at 37° C. and 10% CO 2 in an incubator for 48 to 72 hours or more. . At this time, DMEM/F-12 (Dulbecco's Modified Eagle Medium/Ham's F-12; Thermo Fisher Scientific) was supplemented with 1% (vol/vol) penicillin/streptomycin, 10 mM HEPES, 1% GlutaMAX, 1:50 B27 supplement (Gibco). ), 1 mM N-acetylcysteine, 5% (vol/vol) Rspo1-culture (Hans Clevers lab), 10 mM nicotinamide, 10 nM recombinant human [Leu15]-gastrin I (Sigma Aldrich), 50 ng/ml Recombinant mouse EGF (Peptron), 100 ng/ml human recombinant FGF10 (Peptron), and 25 ng/ml recombinant human Noggin (Peptron) or 5% (vol/vol) Noggin (Hans Clevers lab) This mixed culture medium composition was used. The results of primary culture from KRAS G12D mouse tissue were observed with an inverted microscope (Zeiss) and are shown in FIG. 1A.

1.3 미세유체 칩(microfluidic chip)에서의 오가노이드 2 차 배양1.3 Secondary Culture of Organoids on Microfluidic Chips

본 발명자들은 본 발명인 미세유체 칩 (microfluidic chip) (MicroFIT사, StemFIT 3D®)에서의 2 차 배양 시 오가노이드 배양 효과를 확인하고자 하였다. 먼저, 칩을 준비하기 위하여 70 % 에탄올로 웰을 버블(bubble)이 생기지 않게 세척한 후 에탄올을 제거해주고 Advanced DMEM (오가노이드 배양 배지의 기본 미디어)로 미디어를 교체해준 후 37 ℃ 인큐베이터에서 오가노이드가 준비될 동안 인큐베이션시켰다. 이에 접종할 오가노이드는 기계적 파쇄 (mechanically dissociation) 한 후 on ice 상태로 차가운 1x PBS로 세척 및 12 웰에서 배양한 오가노이드 기준 500 ul 정도의 리커버리 솔루션 (recovery solution)을 넣은 후 4 ℃에서 1 시간 이상 인큐베이션하여 매트리젤을 제거해 주었으며 제거 후 4 ℃에서 1200 rpm으로 5 분 동안 원심 분리하여 셀 펠렛팅하여 준비하였다. 기존의 Advanced DMEM을 제거해 주고 펠렛팅된 오가노이드를 오가노이드 미디어로 칩 1 개 기준 1 ml로 재부유하여 웰에 고르게 들어갈 수 있도록 접종해 주었다. The present inventors tried to confirm the effect of culturing organoids during secondary culture in the present invention, a microfluidic chip (MicroFIT, StemFIT 3D ® ). First, to prepare the chip, wash the wells with 70% ethanol so that no bubbles are generated, remove the ethanol, replace the media with Advanced DMEM (basic media for organoid culture medium), and then place the organoids in an incubator at 37 ° C. was incubated while it was being prepared. The organoids to be inoculated are mechanically dissociated, washed with cold 1x PBS on ice, and a recovery solution of about 500 ul based on the organoid cultured in 12 wells is added, and then at 4°C for 1 hour. The incubation was performed to remove Matrigel, and after removal, the cells were pelleted by centrifugation at 1200 rpm at 4°C for 5 minutes. The existing Advanced DMEM was removed, and the pelleted organoids were resuspended in organoid media at 1 ml per chip, and inoculated to evenly enter the wells.

상기의 방법으로 수집된 오가노이드를 오가노이드 배양 배지에 재부유(resuspension)한 후 준비되어 있는 미세유체 칩에 접종(seeding)하여 하루 동안 오버나이트 한 후 배양된 오가노이드를 도립 현미경(inverted microscope; Zeiss)으로 관찰하여 도 1b에 나타내었다. 도 1b에 나타난 순서대로 마우스 및 환자 유래 췌장 오가노이드로부터 미세유세 칩으로 옮긴 후 계대를 하여 성장 정도를 비교한 결과를 나타내었다.After resuspension of the organoids collected in the above method in the organoid culture medium, seeding on the prepared microfluidic chip, overnight overnight, the cultured organoids were examined under an inverted microscope; Zeiss) was observed and shown in Figure 1b. In the order shown in FIG. 1b, the results of comparing the growth degree by passage after transferring from the mouse and patient-derived pancreatic organoids to the microfluid chip are shown.

유전자 변형 마우스 췌장 오가노이드뿐만 아니라 환자 유래 오가노이드 또한 미세유체 칩 내에서 구 형태(morphology)를 잘 형성한 채 균일한 크기로 자라고 있음을 알 수 있다.It can be seen that not only genetically modified mouse pancreatic organoids but also patient-derived organoids are grown in a uniform size with well-formed spherical morphology in the microfluidic chip.

1.4 미세유체 칩(microfluidic chip)에서의 오가노이드 계대배양1.4 Organoid subculture on microfluidic chips

매트리젤에 배양하고 있는 환자 유래 췌장 오거노이드를 기계적 응력으로 파쇄(mechanically dissociation)한 후 4 ℃의 차가운 1x PBS 또는 리커버리 용액(Recovery solution)으로 세척하고, 1200 rpm으로 5 분 동안 원심 분리하여 매트리젤을 제거하였다. 수집된 오거노이드를 오거노이드 배양 배지에 재부유한 후 준비되어 있는 미세유체 칩에 접종하였으며, 하루 지난 후의 상태가 도 1c의 계대 1(passage 1) - 1 일차(day 1)에 해당한다. 또한, 계대 1(Passage 1) = 2 일차(day 2)의 미세유체 칩 내 오거노이드를 파이펫팅으로 수집하여 1x PBS로 세척하고, 1200 rpm으로 5 분 동안 원심 분리하고, 펠렛팅된 오가노이드를 2 % 매트리젤이 포함된 오가노이드 배양 배지에 재부유한 후 다시 미세유체 칩에 접종하였다. 접종 후 하루가 지난 후의 상태가 도 1c의 계대 2(passage 2) = 1 일차(day 1)에 해당하며 위와 같은 방식으로 한번 더 계대 배양한 후 하루 지난 상태가 도 1c의 계대 3(passage 3) = 1 일차(day 1)에 해당한다. 이처럼 미세유체 칩 상에서의 계대 배양이 수회 반복됨에도 오가노이드가 잘 형성되는 것을 확인할 수 있다(도 1c 참조).Patient-derived pancreatic organoid cultured in Matrigel is mechanically dissociated, washed with cold 1x PBS or recovery solution at 4°C, and centrifuged at 1200 rpm for 5 minutes. was removed. The collected organoids were resuspended in the organoid culture medium and then inoculated into the prepared microfluidic chip, and the state after one day corresponds to the passage 1 - 1 day (day 1) of FIG. 1c. In addition, the organoids in the microfluidic chip of Passage 1 = 2 days (day 2) were collected by pipetting, washed with 1x PBS, centrifuged at 1200 rpm for 5 minutes, and the pelleted organoids were collected After resuspending in an organoid culture medium containing 2% Matrigel, it was again inoculated into a microfluidic chip. The state after one day after inoculation corresponds to the passage 2 = 1 day (day 1) of Figure 1c, and the state after one more passage culture in the same way as above is passage 3 in Figure 1c (passage 3) = 1 corresponds to day 1 As such, it can be confirmed that organoids are well formed even when subculture on the microfluidic chip is repeated several times (see FIG. 1c ).

비교예 1: A1 칩(A1 chip)을 활용한 마우스 췌장 오가노이드(organoid)의 계대 배양Comparative Example 1: Subculture of mouse pancreatic organoids using A1 chip

1.1 오가노이드 2 차 배양 1.1 Organoid secondary culture

실시예 1.3의 미세유체 칩(microfluidic chip)의 2 차 배양 시 오가노이드 배양 효과가 뛰어남을 비교 검증하기 위하여, 다른 칩으로, 종래의 세포 집합체 배양에 사용되던 A1 미세유체 칩(A1 chip)을 사용하여 실험을 수행하였다. 본 실험에 사용된 상기 A1 유체 칩은 12 개의 웰로 구성되며, 각각은 입구 원의 둘레 2 mm 형태로 이루어진 웰에, 하부면이 편평한 일자의 구조로 이루어져 있는 형태를 가진다. 본 발명의 입구 육각형 둘레 2.1 mm 구조의 형태, 폭이 0.5 mm 웰에, 하부면이 반구형 구조로 이루어져 있는 것과는 차별점이 존재한다. 마우스 유래 췌장 오가노이드를 실시예 1.3의 방법으로 A1 칩에서 2 차 배양하였다(도 2 참조).In order to comparatively verify the excellent organoid culture effect during secondary culture of the microfluidic chip of Example 1.3, as another chip, an A1 microfluidic chip used for conventional cell aggregate culture was used. to conduct the experiment. The A1 fluid chip used in this experiment is composed of 12 wells, each of which has a shape of a straight structure with a flat lower surface in a well made of a 2 mm circumference of an inlet circle. There is a difference from the shape of the inlet hexagonal perimeter 2.1 mm structure of the present invention, the 0.5 mm width well, and the hemispherical structure with the lower surface. Mouse-derived pancreatic organoids were secondary cultured on the A1 chip by the method of Example 1.3 (see FIG. 2).

그 결과, 본 발명의 일 실시예에 의한 미세유체 칩에서 배양한 경우와는 다르게, A1 칩에서는 오가노이드의 크기가 균등하게 자라지 않았으며 구 형태(morphology) 및 생존력(viability) 모두에서 좋지 않은 결과가 나타난 것을 확인할 수 있다(도 1b 및 도 2 참조). A1 칩에서는 성장이 크게 저하되어 더 이상 지속 가능한 배양이 불가능한 것을 확인하였으며, 약물 스크리닝에 유용하게 쓰이기 위하여 균일한 크기로 제조되어야 함에도 불구하고 미세유체 칩에서 배양한 결과와 비교하였을 때, 효용성이 크게 저하된 것을 확인하였다.As a result, unlike the case of culturing in the microfluidic chip according to an embodiment of the present invention, the size of the organoids did not grow evenly in the A1 chip, and poor results in both morphology and viability It can be seen that appears (see FIGS. 1b and 2). It was confirmed that sustainable culture was no longer possible due to a significant decrease in growth in the A1 chip. Compared with the result of culturing in a microfluidic chip, the efficacy was significantly higher despite the fact that it had to be prepared in a uniform size to be useful for drug screening. was confirmed to be lowered.

실시예 2. 마우스 또는 환자 유래 췌장 오가노이드의 약물 반응성 시험Example 2. Drug reactivity test of mouse or patient-derived pancreatic organoids

실시예 1을 참조하여, 미세유체칩을 이용하여 마우스 및 환자 유래 췌장 오가노이드를 배양한 후, 하기의 단계를 수행하여 약물 반응성을 시험하였다. 구체적으로 마우스 또는 환자로부터 분리한 췌장 조직을 해리시키고, 해리된 췌장 조직으로부터 췌관 세포를 포함하는 세포 펠렛을 수집한 후, 수집된 세포 펠렛을 생체 기질 물질과 함께 37 ℃, 5 % 탄산 가스 세포 배양기에서 키웠다. 오가노이드로 배양 구축한 후 24 내지 48 시간 경과한 시점부터 하기의 약물 스크리닝을 위한 약물 처리 시점 직전까지, 상기 오가노이드 추가로 배양하였다. 이 후 마우스 또는 환자 유래 오가노이드로부터 약물을 오가노이드 배양 배지에 희석한 후 오가노이드에 처리하였다. Referring to Example 1, after culturing mouse and patient-derived pancreatic organoids using a microfluidic chip, the following steps were performed to test drug reactivity. Specifically, after dissociating the pancreatic tissue isolated from the mouse or patient, and collecting the cell pellet containing the pancreatic duct cells from the dissociated pancreatic tissue, the collected cell pellet together with the biomaterial in a 37°C, 5% carbon dioxide gas cell incubator was brought up in From the time point 24 to 48 hours after the establishment of culture with the organoid until just before the time point of drug treatment for the following drug screening, the organoids were further cultured. Thereafter, drugs from mouse or patient-derived organoids were diluted in the organoid culture medium and then treated with the organoids.

2D 유방암 세포주인 MCF10A와 MCF7, KrasG12D 돌연변이 마우스와 야생형(wild type) 마우스 또는 환자 유래 조직으로부터 제조된 췌장 오가노이드에 항암 약물을 0 uM, 100 uM, 200 uM, 500 uM를 처리한 후 3 내지 5 일째 되는 날 도립 현미경(inverted microscope; Zeiss)으로 관찰한 사진을 도 3 내지 도 5에 나타내었다. 2D breast cancer cell lines MCF10A, MCF7, Kras G12D mutant mice and wild type mice or pancreatic organoids prepared from patient-derived tissues were treated with 0 uM, 100 uM, 200 uM, 500 uM of anticancer drugs and then 3 to Photos observed with an inverted microscope (Zeiss) on the fifth day are shown in FIGS. 3 to 5 .

2D 세포주로서 유방암 세포주인 MCF10A와 MCF7에 항암 약물을 미처리 또는 처리한 군을 비교한 결과를 도 3에 나타내었다. 또한, 매트리젤이 있는 상태에서의 KrasG12D 돌연변이 마우스와 야생형(wild type) 마우스 유래 오가노이드의 약물 스크리닝 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 매트리젤 없이 미세유체 칩을 활용하여 2 차 배양한 KrasG12D 돌연변이 마우스와 야생형(wild type) 마우스와 환자 유래 오가노이드에 상기 약물을 처리한 결과를 도 5에 나타내었다.As a 2D cell line, the results of comparing the groups in which the cancer cell lines MCF10A and MCF7 were not treated with or treated with anticancer drugs are shown in FIG. 3 . In addition, the drug screening results of organoids derived from Kras G12D mutant mice and wild type mice in the presence of Matrigel are shown in FIGS. 4A and 4B . Figure 5 shows the results of treatment with the drug in Kras G12D mutant mice, wild type mice, and patient-derived organoids that were secondary-cultured using a microfluidic chip without Matrigel.

상기 얻어진 결과를 종합하면, 도 5에 나타난 바와 같이 시험된 약물에 대한 반응성이 본 발명의 미세유체 칩(microfluidic chip)을 사용했는지 여부에 따라 상이하게 나타나는 것을 관찰하였다. 특히 2D 세포주와 비교하였을 때 3D 오가노이드의 약물 반응성이 더 좋게 확인되었으며, 더 나아가 매트리젤이 있는 상태에 비하여 매트리젤이 없는 상태인 경우 비교적 저농도에도 동일한 약물 스크리닝 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 즉, 다시 말하여 마우스 및 환자 유래 췌장 오가노이드에서 매트리젤이 없는 미세유체 칩을 활용하였을 때 매트리젤이 있는 상태에서의 오가노이드에 약물을 100 uM 처리한 것에 비해 적은 농도인 50 uM로도 같은 효과를 볼 수 있음을 알 수 있다. 이를 통하여 후보 약물의 효과 확인 및/또는 약물 스크리닝에 있어 본 발명의 미세유체 칩이 유용하게 사용될 수 있다.Summarizing the obtained results, as shown in FIG. 5 , it was observed that the reactivity to the tested drug was different depending on whether the microfluidic chip of the present invention was used. In particular, it was confirmed that the drug reactivity of the 3D organoid was better compared to the 2D cell line, and furthermore, it was confirmed that the same drug screening effect could be obtained at a relatively low concentration in the state without Matrigel compared to the state with Matrigel. In other words, when a microfluidic chip without Matrigel was used in pancreatic organoids derived from mice and patients, the same effect was achieved even at a lower concentration of 50 uM compared to 100 uM treatment of the drug in the state with Matrigel. It can be seen that . Through this, the microfluidic chip of the present invention can be usefully used in confirming the effect of a candidate drug and/or in drug screening.

실시예 3. 미세유체 칩을 활용하여 제조된 오가노이드의 다양한 용도Example 3. Various uses of organoids manufactured using microfluidic chips

3.1 미세유체 칩을 활용하여 제조되는 오가노이드에서 세포 생존력 분석(cell viability assay; MTT assay)3.1 Cell viability assay (MTT assay) in organoids manufactured using microfluidic chips

MTT assay는 세포의 대사 활동을 측정하는 방법으로 살아있는 세포에서 보라색을 띈다. 실시예 1과 동일한 방법으로, 약물을 처리하지 않은 상태의 환자 유래 오가노이드를 제조한 뒤 MTT 시약으로 생존 능력을 측정하여 도 6a에 나타내었다. 또한, 환자 유래 오가노이드에 각 yap 억제제 (0 uM, 5 uM)와 AP-1 억제제 (0 uM, 200 uM) 약물을 처리한 후 4 일째 되는 날 MTT 시약으로 생존 능력을 측정한 결과를 도 6b에 나타내었다. 상기 도면은 미세유체 칩에 오가노이드를 접종한 후 MTT assay 기법을 적용한 후에 촬영한 사진이다. MTT assay is a method of measuring the metabolic activity of cells, and shows purple color in living cells. In the same manner as in Example 1, a patient-derived organoid was prepared in an untreated state, and then viability was measured with MTT reagent, and is shown in FIG. 6a. In addition, the results of measuring viability with MTT reagent on the 4th day after each yap inhibitor (0 uM, 5 uM) and AP-1 inhibitor (0 uM, 200 uM) drugs were treated in patient-derived organoids are shown in FIG. 6b shown in The figure is a photograph taken after applying the MTT assay technique after inoculating the microfluidic chip with organoids.

그 결과, 본 발명의 미세유체 칩에서 생존력을 갖는 오가노이드의 배양이 가능하다는 것을 확인할 수 있었고(도 6a 참조), 약물을 처리한 오가노이드의 경우 세포가 죽어 오가노이드의 모양을 유지하지 못하며, 보라색으로 염색이 되지 않음을 확인할 수 있다(도 6b 참조). 이처럼, 보통의 일반 오가노이드 배양 방법으로는 시약이 오가노이드 내로 제대로 침투되지 아니하여 염색이 잘 되지 않는 문제점이 존재하였으나, 본 발명에서와 같이 매트리젤이 제거된 2 차 배양이 이루어진 오가노이드는 해당 시약뿐만 아니라 약물의 침투도 용이함을 시사한다. 이러한 기법을 사용하여 미세유체 칩을 약물 테스트 과정에 적용하여 약물 처리 반응에 대한 추적, 균등한 사이즈 상태에서의 약물 처리, 더 나아가 약물 처리 후 정량화를 가능하게 한다. As a result, it was confirmed that it was possible to culture organoids with viability in the microfluidic chip of the present invention (see Fig. 6a), and in the case of organoids treated with drugs, cells died and the shape of the organoids could not be maintained, It can be confirmed that the dye is not purple (see FIG. 6b). As such, there was a problem in that the reagent did not penetrate well into the organoid, so that the dye did not work well in the normal general organoid culture method. This suggests that the penetration of the drug as well as the reagent is easy. Using this technique, the microfluidic chip is applied to the drug test process to enable tracking of drug treatment response, drug treatment in an even size state, and further quantification after drug treatment.

3.2 면역형광검사(Immunofluorescence assay; IFA)를 통한 줄기세포능(stemness) 확인3.2 Confirmation of stemness through immunofluorescence assay (IFA)

상기 3.1에서와 같이 미세유체 칩에 오가노이드를 접종한 다음 날 4 % 파라포름알데하이드(paraformaldehyde; PFA)를 넣어 세포를 고정하고, PFA를 제거한 이후 1x PBS로 3 회 세척하였다. 1 % PBS-T로 RT 조건에서 1 시간 동안 침투 (permeabilize) 시켜준 후 0.2 % PBS-T로 추가로 3 회 세척하였다. 3 % BSA로 RT 조건에서 1 시간 동안 블록킹 해준 이후 1 차 항체(primary antibody)인 알파튜블린, CD44, CD24를 RT 조건에서 하루 동안 붙여주었다. 0.2 % PBS-T로 3 회 세척해준 이후 형광이 달린 2 차 항체(secondary antibody)를 RT 조건에서 하루 동안 붙여주었다. 0.2 % PBS-T로 3 회 세척하고 DAPI 염색 이후 미세유체 칩에서 8 웰 챔버로 오가노이드를 옮겨준 이후 PBS-T를 제거하였다. Vectashield로 마운팅 해준 이후 공초점 현미경으로 촬영하여 형광 이미지를 관찰하였다(도 7 및 도 8 참조). 기존의 오가노이드를 면역형광염색하여 현미경으로 촬영하는 경우 별도의 절차로 매트리젤을 제거하여야 하였으며, 1 차 및/또는 2 차 항체의 처리 기간이 길고, 세척 과정 역시 중력으로 가라앉혀야 하였기 때문에 시간이 오래 걸린다는 단점과 항체의 양을 많이 처리해야 하는 단점 등이 존재하였다. 이러한 불편함을 본 발명의 미세유체 칩을 사용함으로써 염색하였을 경우 시간적, 경제적 효용성이 향상되며, 보다 편리하다는 장점이 있다.As in 3.1 above, the microfluidic chip was inoculated with organoids the next day, and the cells were fixed by adding 4% paraformaldehyde (PFA), and after removing the PFA, they were washed 3 times with 1x PBS. After permeabilizing for 1 hour at RT with 1% PBS-T, it was further washed 3 times with 0.2% PBS-T. After blocking with 3% BSA under RT conditions for 1 hour, primary antibodies, alpha-tubulin, CD44, and CD24, were attached at RT conditions for one day. After washing 3 times with 0.2% PBS-T, a fluorescence secondary antibody was attached at RT for one day. After washing 3 times with 0.2% PBS-T and DAPI staining, the organoids were transferred from the microfluidic chip to the 8-well chamber, and then PBS-T was removed. After mounting with Vectashield, fluorescence images were observed by photographing with a confocal microscope (see FIGS. 7 and 8). In the case of imaging under a microscope after immunofluorescent staining of existing organoids, Matrigel had to be removed as a separate procedure, the treatment period of primary and/or secondary antibodies was long, and the washing process had to be submerged by gravity. The disadvantage of taking a long time and the disadvantage of having to process a large amount of antibody existed. When this inconvenience is dyed by using the microfluidic chip of the present invention, time and economic utility are improved, and there is an advantage of more convenience.

3.33.3 오가노이드의 유전체 분석Genome analysis of organoids

또한, 앞서 제조된 환자 유래 오가노이드를 이용하여 유전체 분석을 수행하였다. 도 9를 참조하면 본 발명의 미세유체 칩을 활용하여 생체 기질 물질 없이 배양한 오가노이드를 이용하여 유전체 분석을 한 결과이다(도 9 참조). In addition, genomic analysis was performed using the patient-derived organoids prepared above. Referring to FIG. 9 , it is a result of genomic analysis using organoids cultured without a biological matrix material using the microfluidic chip of the present invention (see FIG. 9 ).

도 9를 참조하면 오가노이드를 사용하여 유전체 분석을 하는 경우, 조직 (fine-needle biopsy; FNB)을 이용한 경우와 비교하였을 때 세포충실성 (cellularity)이 현저히 뛰어난 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 9 , it can be seen that when genome analysis is performed using organoids, cellularity is remarkably superior when compared to cases using tissue (fine-needle biopsy; FNB).

3.43.4 미세유체 칩을 활용한 오가노이드 형질 주입Organoid Transfection Using Microfluidic Chips

상기 실시예 1과 같이 미세유체칩에 오가노이드를 접종하고 하루 지난 후에 상기 오가노이드에 형질 주입(transfection)함으로써 형질 감염시키고자 하였다. 먼저, 인간 PLK1 유전자 부위의 CRISPR/Cas9 효소가 인식할 수 있는 sgRNA을 선정하기 위해 각 엑손 영역을 CRISPR RGEN tools에 삽입하여 가이드 RNA로서의 hPLK1 exon2 gRNA (5'-CGTAGGTAGTATCGGGCCTC-3'시퀀스(서열번호 1))를 디자인하였다. 상기 gRNA는 유전자를 합성한 후 부위-지정 돌연변이 (Site directed mutagenesis) 방법으로 Cas9 효소가 포함된 벡터인 pCMV에 클로닝하여 pCMV-hPLK1-Cas9-RFP 벡터를 제작하였다. 당업계에 공개된 프로토콜에 따라, 제조한 CRISPR/Cas9 재조합 벡터를 미세유체 칩 내 오가노이드 조직에 도입하여 형질 주입시켰다. 이때, Etube A에는 OptiMEM 200 ul와 DNA 5 ug을 포함하고, Etube B에는 OptiMEM 200 ul와 PEI 20 ul을 포함하도록 준비한 후 Etube A와 Etube B를 섞어 5 내지 10 분 인큐베이션시켰다. 그 후 기존에 있던 미디어를 제거하여 새로운 오가노이드 배지 800 내지 1000 ul와 인큐베이션 시켜준 혼합액을 섞어 미세유체 칩에 부어주는 방식으로 CRISPR/Cas9 형질 주입시켰다. CRISPR/Cas9으로 형질 주입시킨 후 이틀째 되는 날 형질 주입 여부의 확인을 위하여 DNA를 붉은색 형광 단백질 (red fluorescent protein; RFP) 검출을 수행하였다. As in Example 1, the microfluidic chip was inoculated with organoids and transfected by transfection on the organoids after one day. First, in order to select a sgRNA that can be recognized by the CRISPR/Cas9 enzyme of the human PLK1 gene region, each exon region was inserted into the CRISPR RGEN tools to serve as a guide RNA hPLK1 exon2 gRNA (5'-CGTAGGTAGTATCGGGCCTC-3' sequence (SEQ ID NO: 1) )) was designed. The gRNA was cloned into pCMV, a vector containing a Cas9 enzyme, by site-directed mutagenesis after synthesizing the gene to prepare a pCMV-hPLK1-Cas9-RFP vector. According to a protocol published in the art, the prepared CRISPR/Cas9 recombinant vector was introduced into the organoid tissue in the microfluidic chip and transfected. At this time, Etube A contained 200 ul of OptiMEM and 5 ug of DNA, and Etube B was prepared to contain 200 ul of OptiMEM and 20 ul of PEI, and then, Etube A and Etube B were mixed and incubated for 5 to 10 minutes. After that, CRISPR/Cas9 was transfected by removing the existing media, mixing 800 to 1000 ul of new organoid medium and the incubated mixture, and pouring it onto the microfluidic chip. On the second day after transfection with CRISPR/Cas9, red fluorescent protein (RFP) detection was performed on DNA to confirm transfection.

그 결과, 환자 유래 췌장 오가노이드에 RFP로 인한 붉은색 형광 단백질이 검출됨에 따라 형질 주입이 잘 이루어진 것을 확인하였다(도 10 참조). 또한, 해당 오거노이드들을 모아 10 % SDS-PAGE 겔에 로딩하여 단백질을 분리하였으며, 웨스턴 블롯 분석을 진행한 결과 PDO_SgPLK1 군에서 CRISPR/Cas9으로 PLK1이 줄어든 것을 확인할 수 있었다(도 10 참조).As a result, it was confirmed that the transfection was well performed as the red fluorescent protein caused by RFP was detected in the patient-derived pancreatic organoid (see FIG. 10). In addition, the corresponding organoids were collected and loaded on a 10% SDS-PAGE gel to separate proteins, and as a result of Western blot analysis, it was confirmed that PLK1 was reduced by CRISPR/Cas9 in the PDO_SgPLK1 group (see FIG. 10 ).

이처럼, 본 발명에서와 같이 매트리젤이 제거된 미세유체 칩 상에서의 오가노이드 형질 주입 또한 용이함을 시사한다. 이러한 기법을 사용하여 미세유체 칩을 활용한 형질 주입 기법을 적용하여 다양한 용도로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. As such, it suggests that organoid transfection on the microfluidic chip from which Matrigel is removed as in the present invention is also easy. It is expected that this technique can be used for various purposes by applying the transfection technique using a microfluidic chip.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above in detail a specific part of the present invention, for those of ordinary skill in the art, this specific description is only a preferred embodiment, and it is clear that the scope of the present invention is not limited thereto. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

<110> Seoul National University R&DB Foundation Next&Bio Inc. <120> Method for preparing organoids using microfluidic chip <130> PDPB201842 <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 20 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> sgRNA <400> 1 cgtaggtagt atcgggcctc 20 <110> Seoul National University R&DB Foundation Next&Bio Inc. <120> Method for preparing organoids using microfluidic chip <130> PDPB201842 <160> 1 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 20 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> sgRNA <400> 1 cgtaggtagt atcgggcctc 20

Claims (32)

미세유체 칩에서 프리-오가노이드(pre-organoid)를 배양하는 단계를 포함하는, 오가노이드의 제조 방법. A method for producing an organoid, comprising the step of culturing a pre-organoid in a microfluidic chip. 제 1항에 있어서,
상기 미세유체 칩은 챔버가 구비된 플레이트를 포함하고,
상기 챔버는 사각 기둥의 형상으로 이루어지며,
상기 챔버는 프리-오가노이드를 수용 및 배양할 수 있는 쉘을 적어도 1개 포함하는, 오가노이드의 제조 방법.
The method of claim 1,
The microfluidic chip includes a plate provided with a chamber,
The chamber is made in the shape of a square pillar,
The method of claim 1, wherein the chamber includes at least one shell capable of accommodating and culturing pre-organoids.
제 2항에 있어서,
상기 쉘은 상기 프리-오가노이드가 수용되도록 개방된 유입부와, 상기 프리-오가노이드가 담지되어 배양이 이루어지는 폐쇄된 수용부를 포함하는, 오가노이드의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The shell comprises an inlet that is opened to accommodate the pre-organoids, and a closed receiver in which the pre-organoids are supported and cultured.
제 3항에 있어서,
상기 유입부는 단면이 육각 구조이고,
상기 수용부는 프리-오가노이드가 수용되는 공간이 형성되며, 상기 유입부로부터 소정의 깊이를 갖도록 기둥 형태로 구성되고, 바닥면은 하부로 돌출된 반구형을 이루는 것인, 오가노이드의 제조 방법.
4. The method of claim 3,
The inlet section has a hexagonal structure,
The accommodating part has a space in which the pre-organoids are accommodated, is configured in a columnar shape to have a predetermined depth from the inlet part, and the bottom surface is a hemispherical shape protruding downwards, the method of manufacturing an organoid.
제 4항에 있어서,
상기 쉘은 상기 챔버 내에 복수 개 포함되며, 상기 쉘의 유입부의 어느 일 모서리로부터 이웃하는 쉘의 어느 일 모서리 사이의 간격은 0.01mm 내지 1.0mm인, 오가노이드의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
A plurality of the shells are included in the chamber, and the distance between any one edge of the neighboring shell from any one edge of the inlet part of the shell is 0.01 mm to 1.0 mm, the method of manufacturing an organoid.
제 1항에 있어서,
상기 미세유체 칩의 재질은 PDMS (Polydimethylsiloxane), Polycarbonate, PTMSP (poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)), PTFE (Polytetrafluoroethylene), 우레탄, PET (Polyethylene terephthalate) 및 아가로스 (Agarose)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인, 오가노이드의 제조 방법.
The method of claim 1,
The material of the microfluidic chip is from the group consisting of PDMS (Polydimethylsiloxane), Polycarbonate, PTMSP (poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)), PTFE (Polytetrafluoroethylene), urethane, PET (Polyethylene terephthalate) and agarose. Any one or more selected, the method for producing an organoid.
제 1항에 있어서,
상기 프리-오가노이드는 목적하는 개체로부터 분리된 생물학적 시료를 생체 기질 물질과 혼합하여 배양하는 단계에 의해 얻어진 것인, 오가노이드의 제조 방법.
The method of claim 1,
The pre-organoid is a method for producing an organoid, obtained by mixing and culturing a biological sample isolated from a target individual with a biological matrix material.
제 7항에 있어서,
상기 프리-오가노이드는,
(a) 목적하는 개체로부터 분리된 생물학적 시료를 해리시키는 단계;
(b) 해리된 시료로부터 세포 펠렛을 수집하는 단계; 및
(c) 수집된 세포 펠렛을 생체 기질 물질과 함께 배양하는 단계로부터 얻어지는 것인, 오가노이드의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The pre-organoids are
(a) dissociating the biological sample isolated from the subject of interest;
(b) collecting a cell pellet from the dissociated sample; and
(c) a method for producing an organoid, which is obtained from the step of incubating the collected cell pellet with a biological matrix material.
제 7항에 있어서,
상기 생체 기질 물질은 콜라젠, 피브린, 아가로즈, 한천, 매트리젤, 알지네이트, 젤라틴, 또는 히알루론산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 오가노이드의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The biomaterial is collagen, fibrin, agarose, agar, matrigel, alginate, gelatin, or a method of producing an organoid comprising at least one selected from the group consisting of hyaluronic acid.
제 7항에 있어서,
상기 생물학적 시료는 전혈(whole blood), 백혈구(leukocytes), 말초혈액 단핵 세포(peripheral blood mononuclear cells), 백혈구 연층(buffy coat), 혈장(plasma), 혈청(serum), 객담(sputum), 눈물(tears), 점액(mucus), 세비액(nasal washes), 비강 흡인물(nasal aspirate), 호흡(breath), 소변(urine), 정액(semen), 침(saliva), 복강 세척액(peritoneal washings), 복수(ascites), 낭종액(cystic fluid), 뇌척수막 액(meningeal fluid), 양수(amniotic fluid), 선액(glandular fluid), 췌장액(pancreatic fluid), 림프액(lymph fluid), 흉수(pleural fluid), 유두 흡인물(nipple aspirate), 기관지 흡인물(bronchial aspirate), 활액(synovial fluid), 관절 흡인물(joint aspirate), 기관 분비물(organ secretions), 조직(tissue), 세포(cell), 세포 추출물(cell extract) 및 뇌척수액(cerebrospinal fluid)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 오가노이드의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The biological sample includes whole blood, leukocytes, peripheral blood mononuclear cells, buffy coat, plasma, serum, sputum, tears ( tears), mucus, nasal washes, nasal aspirate, breath, urine, semen, saliva, peritoneal washings, Ascites, cystic fluid, meningeal fluid, amniotic fluid, glandular fluid, pancreatic fluid, lymph fluid, pleural fluid, nipple aspirate, bronchial aspirate, synovial fluid, joint aspirate, organ secretions, tissue, cell, cell extract extract) and at least one selected from the group consisting of cerebrospinal fluid, a method for producing an organoid.
제 7항에 있어서,
상기 제조 방법은, 상기 생체 기질 물질과 혼합하여 배양하는 단계 이후에, 상기 프리-오가노이드로부터 생체 기질 물질을 제거하는 후처리 단계를 더 포함하는, 오가노이드의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
The method for producing an organoid, further comprising a post-treatment step of removing the biomaterial from the pre-organoid, after the step of culturing by mixing with the biomaterial.
제 11항에 있어서,
상기 프리-오가노이드로부터 생체 기질 물질을 제거하는 후처리 단계는,
배양된 프리-오가노이드에 기계적으로 응력을 가하여 파쇄하는 단계;
리커버리 용액(recovery solution)의 존재 하에서 배양하는 단계; 및
원심 분리하여 프리-오가노이드 펠렛을 수득하는 단계를 포함하는, 오가노이드의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
The post-treatment step of removing the biomaterial from the pre-organoid is,
crushing the cultured pre-organoids by mechanically applying stress;
culturing in the presence of a recovery solution; and
A method for producing organoids, comprising the step of centrifuging to obtain a pre-organoid pellet.
제 12항에 있어서,
상기 리커버리 용액(recovery solution)의 존재 하에 배양하는 단계는 3 내지 7℃에서 30분 내지 72시간 동안 수행되는, 오가노이드의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
The step of culturing in the presence of the recovery solution (recovery solution) is performed at 3 to 7 ℃ for 30 minutes to 72 hours, the method for producing an organoid.
제 12항에 있어서,
상기 원심 분리는 2 내지 6℃에서 1000 내지 1500rpm으로 3 내지 10분 동안 수행되는, 오가노이드의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
The centrifugation is performed at 2 to 6 ℃ 1000 to 1500 rpm for 3 to 10 minutes, the method for producing an organoid.
제 1항에 있어서,
상기 미세유체 칩에서 프리-오가노이드를 배양하는 단계에서의 배양은 35 내지 37℃ 및 8 내지 12 부피% CO2 조건에서 1 내지 10일 동안 수행되는 것인, 오가노이드의 제조 방법.
The method of claim 1,
The culturing in the step of culturing the pre-organoids in the microfluidic chip is 35 to 37° C. and 8 to 12 vol% CO 2 The method for producing an organoid, which is performed for 1 to 10 days.
제 1항에 있어서,
상기 제조 방법은, 상기 미세유체 칩에서 프리-오가노이드를 배양하는 단계에 앞서, 상기 미세유체 칩을 전처리하는 단계를 더 포함하는, 오가노이드의 제조 방법.
The method of claim 1,
The method for producing an organoid, further comprising pre-treating the microfluidic chip prior to culturing the pre-organoid in the microfluidic chip.
제 16항에 있어서,
상기 미세유체 칩을 전처리하는 단계는,
미세유체 칩에 배지를 추가하여 배양하는 단계; 및
상기 배지를 제거하는 단계를 포함하는, 오가노이드의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
The step of pre-processing the microfluidic chip,
culturing by adding a medium to the microfluidic chip; and
A method for producing an organoid comprising removing the medium.
제 17항에 있어서,
상기 배지는 DMEM(Dulbeco's Modified Eagle's Medium), MEM(Minimal essential Medium), BME(Basal Medium Eagle), RPMI-1640 및 GMEM(Glasgow's Minimal essential Medium)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 오가노이드의 제조 방법.
18. The method of claim 17,
The medium is at least one selected from the group consisting of DMEM (Dulbeco's Modified Eagle's Medium), MEM (Minimal essential Medium), BME (Basal Medium Eagle), RPMI-1640 and GMEM (Glasgow's Minimal essential Medium), a method for producing an organoid .
제 1항에 있어서,
상기 프리-오가노이드를 배양하는 단계는, 프리-오가노이드를 1차로 배양하는 단계; 및
1차로 배양하여 수득한 오가노이드를 미세유체 칩에 재접종하여 2차로 배양하는 단계;를 포함하는 오가노이드의 제조 방법.
The method of claim 1,
The culturing of the pre-organoids may include: culturing the pre-organoids primarily; and
Method for producing an organoid comprising; reinoculating the organoid obtained by primary culturing in a microfluidic chip and culturing secondary.
제 19항에 있어서,
상기 2차로 배양하는 단계에 앞서, 1000 내지 1500rpm으로 3 내지 10분 동안 원심 분리하는 단계를 더 포함하는, 오가노이드의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
Prior to the second culturing step, the method for producing an organoid further comprising the step of centrifuging at 1000 to 1500 rpm for 3 to 10 minutes.
제 19항에 있어서,
상기 2차로 배양하는 단계에 앞서, 원심 분리된 오가노이드를 새로운 배양 배지에 재부유(resuspension)하는 단계를 더 포함하는, 오가노이드의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
Prior to the second culturing step, the method for producing an organoid, further comprising the step of resuspending the centrifuged organoid in a new culture medium.
제 19항에 있어서,
상기 2차로 배양하는 단계는 1회 이상 반복하여 계대 배양이 가능한, 오가노이드의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
The second culturing step can be subcultured by repeating one or more times, a method for producing an organoid.
제 1항 내지 제 22항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 오가노이드.23. An organoid prepared by the method of any one of claims 1 to 22. (a) 제 23항의 오가노이드에 후보 약물을 처리하는 단계; 및,
(b) 상기 오가노이드의 세포생존율(viability)을 측정하는 단계;를 포함하는, 후보 약물을 스크리닝하는 방법.
(a) treating the organoid of claim 23 with a candidate drug; and,
(b) measuring the cell viability (viability) of the organoid; comprising, a method of screening a candidate drug.
제 23항의 오가노이드에 목적하는 단백질을 코딩하는 유전자 또는 목적하는 유전자를 조작하는 단계를 포함하는, 유전자 조작된 오가노이드의 제조 방법.24. A method for producing a genetically engineered organoid, comprising the step of engineering a gene encoding a protein of interest or a gene of interest in the organoid of claim 23. 제 25항에 있어서,
상기 방법은 미세유체 칩 상에서 이루어지는 것인, 방법.
26. The method of claim 25,
wherein the method is on a microfluidic chip.
제 25항에 있어서,
상기 유전자를 조작하는 단계는 목적하는 단백질을 코딩하는 유전자 또는 목적하는 유전자를 상기 오가노이드에 형질 주입하는 방식으로 수행되는 것인, 방법.
26. The method of claim 25,
The method of manipulating the gene is performed in such a way that the organoid is transfected with a gene encoding a target protein or a gene of interest.
제 27항에 있어서,
상기 형질 주입하는 방식은 바이러스성 벡터 또는 비바이러스성 벡터를 이용하여 수행되는 것인, 방법.
28. The method of claim 27,
The method of transfection will be performed using a viral vector or a non-viral vector.
제 28항에 있어서,
상기 벡터의 형질 주입 시 미세주사, 세포융합, 칼슘 포스페이트 침전법, 리포좀 매개된 형질 주입 (liposome-mediated transfection), DEAE 덱스트란-매개된 형질 주입 (DEAE Dextran- mediated transfection), 폴리브렌-매개된 형질 주입 (polybrene-mediated transfection), 전기침공법 (electroporation) 및 유전자 총 (gene gun)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 방법으로 수행되는 것인, 방법.
29. The method of claim 28,
For transfection of the vector, microinjection, cell fusion, calcium phosphate precipitation, liposome-mediated transfection, DEAE Dextran-mediated transfection, polybrene-mediated transfection The method, which is performed by any one method selected from the group consisting of transfection (polybrene-mediated transfection), electroporation (electroporation) and gene gun (gene gun).
제 25항에 있어서,
상기 유전자 조작은 징크 핑거 뉴클레이즈 (zinc finger nuclease; ZFN), 탈렌 (transcription activator-like effector nuclease; TALEN) 및 크리스퍼 (clustered regularly interspaced short palindromic repeat; CRISPR)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 유전자 편집 방법으로 수행되는 것인, 방법.
26. The method of claim 25,
The genetic manipulation is any one gene selected from the group consisting of zinc finger nuclease (ZFN), transcription activator-like effector nuclease (TALEN) and CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat; CRISPR). The method of any one of the preceding claims.
제 30항에 있어서,
상기 방법은 CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat) 방법으로 수행되는 것인, 방법.
31. The method of claim 30,
The method is to be carried out by the CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat) method, the method.
제 25항에 있어서,
상기 유전자 조작 여부의 확인은 웨스턴 블롯(western blot) 또는 간접적인 세포 내 염색 유세포 분석에 의해 확인하는 방식으로 수행되는 것인, 방법.
26. The method of claim 25,
Confirmation of whether the genetic manipulation will be performed in a manner that is confirmed by western blot or indirect intracellular staining flow cytometry analysis.
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