KR20220086395A - 인체에서 약물 반응을 예측할 수 있는 오간온어칩 및 이를 이용한 세포추적시스템 - Google Patents

인체에서 약물 반응을 예측할 수 있는 오간온어칩 및 이를 이용한 세포추적시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 세포추적시스템은, 인체 장기를 모사한 오간온어칩을 가지는 마이크로인큐베이터, 상기 오간온어칩에 공급되는 영양분이 저장된 저장부 및 상기 저장부 및 상기 오간온어칩에 연결되어 상기 오간온어칩에 영양분을 공급하는 펌프부를 포함할 수 있다.

Description

인체에서 약물 반응을 예측할 수 있는 오간온어칩 및 이를 이용한 세포추적시스템{ORGAN ON A CHIP FOR PREDICTION OF HUMAN MEDICAL REACTION}
본 발명은 인체에서 약물 반응을 예측할 수 있는 오간온어칩에 관한 것이다.
인체 모방 오간온어칩은 동물 시험 대체가 가능하며, 세포에 나노 입자를 이용하여 세포 변화를 장기 미세환경에 의한 세포의 생물학적 특성을 실시간 세포 추적 시스템에서 그 효과를 실시간으로 관찰이 가능하다.
감염병 진단, 현장진단 검사법, 생활환경에서 건강 유해인자 발굴, 건강관리 등과 같은 분야에서, 정확하고 경제적인 랩온어칩의 개발을 통해 보건산업분야에서 산업화가 진행되고 있다. 구체적으로, 랩온어칩 기술은 생체적합성 재료를 기반으로 생체 모방 장기칩으로 개발됨으로 생체외에서 인체 생리 현상을 정량적 분석함으로 약물 반응 시험의 새로운 플랫폼 개발 가능성을 제시하고 있다.
최근, 미세유체 기반 랩온어칩 기술 기반으로 개발된 생체장기칩(오간온어칩, Organ-on-a-chip)과 디지털 헬스케어 기술이 병합하여 새로운 보건산업을 견인하고 있다. 현재 개발되고 있는 오간온어칩은 인체의 장기 중 특성 장기를 모방한 것으로 오가온어 칩에서 세포를 배양하여 분석하는 방법으로 이용되고 있지만, 극히 소량의 세포를 분석하고 있으며, 단일 장기를 분석하는 것으로 장기간의 상호작용을 분석하는데 많은 문제점을 제시하고 있다.
상기와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로서, 본 발명은 복수개의 반응 챔버를 통해 약물 반응 및 검출이 가능하고, 세포를 3D 기법으로 배양시켜 보다 인체 모사칩과 유사한 구조를 갖는 오간온어칩을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세포추적시스템은, 인체 장기를 모사한 오간온어칩을 가지는 마이크로인큐베이터, 상기 오간온어칩에 공급되는 영양분이 저장된 저장부 및 상기 저장부 및 상기 오간온어칩에 연결되어 상기 오간온어칩에 영양분을 공급하는 펌프부를 포함할 수 있다.
상기 오간온어칩은, 복수개의 유입홀이 형성된 덮개, 상기 덮개 하부에 연결되어 상기 유입홀을 내부에 위치시키도록 형성되고, 미디어가 채워지는 미디어부를 가지는 상부층, 상기 상부층 하부로 연결되고, 상기 미디어부보다 작은 크기로 상기 미디어부에 연결되는 배양부를 가지는 하부층, 상기 상부층 및 상기 하부층 사이에서 상기 미디어부에 연결된 필터부 및 상기 배양부를 밀폐시키면서 상기 하부층에 결합되는 바닥판을 포함할 수 있다.
상기 미디어부가 외부로 노출되지 않도록 상기 유입홀에 끼워지는 뚜껑을 더 포함할 수 있다.
상기 배양부는, 상기 하부층에 복수개로 형성되며, 각각의 상기 배양부를 연결하는 미디어 유로가 형성될 수 있다.
상기 하부층은, 상기 미디어유로에서 상기 상부층을 향해 돌출된 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 상부층은, 상기 돌출부 위치에서 덮개 방향으로 만입된 만입부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오간온어칩은, 복수개의 반응 챔버를 통해 약물 반응 및 검출이 가능하고, 세포를 3D 기법으로 배양시켜 보다 인체 모사칩과 유사한 구조를 갖을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포추적시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 오간온어칩의 사시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 오간온어칩의 분리사시도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 오간온어칩을 Ⅳ-Ⅳ의 선을 따라 잘라서 본 도면이다.
도 5는 도 3에 나타낸 하부층의 평면도이다.
도 6은 도 5에 하부층의 미디어라인의 흐름을 나타낸 상세도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참고부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포추적시스템의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 세포추적시스템(200)은 마이크로인큐베이터(210) 및 펌프부(220)를 포함할 수 있다.
마이크로인큐베이터(210)는 내부에 오간온어칩(100)을 포함할 수 있다. 마이크로인큐베이터는 오간온어칩(100)을 외부 오염으로부터 방지하고, 내부에 위치된 오간온어칩(100)을 보다 용이하게 관찰하기 위해 투명한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, PDMS(poly dimethylsiloxane) 또는 PC(Polycarbonates) 재질로 형성될 수 있다. 마이크로인큐베이터(210) 외부에는 카메라모듈(230)이 설치되어, 오간온어칩(100) 내부의 세포의 생장을 보다 용이하게 관찰할 수 있다.
카메라모듈(230)은 x, y, z축으로 동작할 수 있어 원하는 위치에서 관찰할 수 있다. 또한, 정확한 이미지 확보를 위하여 자동초점 유지기능을 포함할 수 있다.
펌프부(220)는 마이크로인큐베이터(210) 외부에 위치하고, 오간온어칩(100)과 연결될 수 있다. 오간온어칩(100) 내부로 미디어를 공급하여 오간온어칩(100) 내부의 세포에 영양분을 공급할 수 있다. 예를 들면, 미디어는 혈액일 수 있다.
펌프부(220)는 미디어를 공급하는 제1 펌프(221)와 미디어를 순환시키는 제2 펌프(222)를 포함할 수 있다. 제1 펌프(221)의 공급유량은 제2 펌프(222)의 순환유량보다 작을 수 있다. 이를 통해, 미디어를 저속으로 흐르게 하여 세포에 가해질 수 있는 충격을 최소화할 수 있다.
펌프부(220)는 저장부(240)와 연결될 수 있다. 저장부(240)에는 미디어가 저장되어 있으며, 이를 통해 장시간 세포 배양에 필요한 미디어를 오간온어칩(100)에 공급할 수 있다. 또한, 저장부(240)에 저장된 미디어의 성분을 분석할 수 있다. 예를 들면, 세포 배양시 세포로부터 배출된 성분이 저장부(240)에 저장될 수 있으며, 이의 성분을 분석하여 세포 독성 배출 여부 등을 파악할 수 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 오간온어칩의 사시도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 오간온어칩의 분리사시도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 오간온어칩(100)은 덮개(10), 상부층(20), 하부층(30) 및 바닥층(40)으로 구성될 수 있다. 오간온어칩(100)은 덮개(10), 상부층(20), 하부층(30) 및 바닥층(40)이 상호 밀착 결합될 수 있다. 따라서, 오간온어칩(100)은 유입홀(11)을 제외하고 밀폐된 구조일 수 있다. 예를 들면, 오간온어칩(100)은 전체적으로 사각형으로 형성될 수 있으며, 상부 덮개(10)에 복수개의 유입홀(11)이 형성될 수 있다. 유입홀(11)을 통해 세포 또는 약물이 주입될 수 있다. 주입된 약물 등에 의한 세포의 반응을 관찰 할 수 있다.
상부층은 덮개(10) 하부에 연결되며 복수개의 미디어부(21)가 형성될 수 있다. 미디어부(21)는 상부층(20)을 관통한 홀로 형성되나 덮개와 하부층(30)의 결합에 의해 공간이 형성될 수 있다.
미디어부(21)는 덮개(10)의 유입홀(11)을 내부에 위치시키면서 덮개(10)와 연결될 수 있다. 상부층(20)에는 미디어로 채워질 수 있다. 특히, 각 미디어부(21)는 상부층(20) 내에서 독립적으로 형성되어 있으나, 미디어부(21) 하부로 하부층(30)에 형성된 미디어유로(30a)가 노출되어, 미디어부(21)에 채워진 미디어는 오간온어칩(100) 내부를 순환할 수 있다. 이를 통해, 유입홀(11)을 통해 미디어부(21)로 제공된 약물 등이 각 미디어부(21)로 흘러가면서 배양부(31) 내부에서 배양되는 세포에 어떠한 영향을 미치는지를 알 수 있다. 이와 같은 구현을 통해, 인체 장기의 각 세포를 각 배양부(31)에서 독립적으로 배양하면서, 약물에 반응하는 인체 장기의 반응을 오간온어칩(100)에서 모두 확인할 수 있다.
하부층(30)은 상부층(20) 하부로 연결되고, 미디어부(21)보다 작은 크기로 형성된 복수개의 배양부(31)를 포함할 수 있다. 복수개의 배양부(31) 내부에서 세포가 성장할 수 있다. 즉, 배양부(31)는 특정 세포를 배양하기 위한 공간이다. 예를 들면, 중앙의 5개 세포 배양 성장 공간을 위한 배양부(31)를 배치하고 양쪽 끝에는 세포를 성장시키기 위한 미디어의 inlet과 outlet 버퍼 공간을 형성할 수 있다. 5개의 세포 배양 성장 공간을 위한 배양부(31)에는 심장, 폐, 위, 간 또는 뇌와 같은 인체 장기의 세포를 주입시켜 배양할 수 있다.
배양부(31)는 미디어부(21) 하부에 연결되며, 미디어부(21)와 배양부(31) 사이에 크기 차이로 인한 단차가 형성될 수 있다. 하부층(30) 표면에 오목하게 미디어유로(30a)가 형성될 수 있다. 미디어유로(30a)는 각각의 배양부(31)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 미디어부(21)에 채워진 미디어는 미디어유로(30a)를 따라 순환하면서 세포에 영양분을 공급할 수 있다. 미디어유로(30a) 내에는 하부층(30)으로 부터 돌출된 돌출부(30d)가 형성되고 돌출부(30d)의 위치에 일치하도록 상부층(20)에서 만입된 만입부(20a)가 형성될 수 있다. 돌출부(30d)와 만입부(20a)는 미디어유로(30a) 내에서 미디어 흐름에 변화를 주고, 미디어가 일방향으로 흐를 수 있게 할 수 있다. 이에 따라, 미디어가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
바닥면(40)은 하부층(30) 하부로 연결되며 하부층(30)에 형성된 배양부(31)를 밀폐시킬 수 있다. 예를 들면, 바닥면(40)은 glass 계열의 투명한 재질로 형성될 수 있다.
필터부(35)는 미디어부(21)와 배양부(31) 사이의 단차에 안착되어 미디어부(21)와 배양부(31)를 구분할 수 있다. 미디어는 필터부(35)를 관통하여 이동이 가능하나 세포는 이동이 불가하다. 이에 따라, 세포는 필터부(35)에 안정적으로 고정될 수 있다. 또한, 필터부(35)의 크기는 세포 크기 보다 작게 형성되어 세포 필터부(35)를 관통하는 것을 방지할 수 있다. 필터부(35) 재질은 배양부(31)내에서 배양되는 세포의 종류에 따라 달라질 수 있다. 이를 통해, 보다 안정적으로 세포를 배양하면서도 영양분을 공급할 수 있다.
도 4는 도 2에 나타낸 오간온어칩을 Ⅳ-Ⅳ의 선을 따라 잘라서 본 도면이다.
도 4를 참조하면, 오간온어칩(100) 내부에 미디어부(21) 및 배양부(31)가 형성되며, 중간에 필터부(35)가 개재될 수 있다. 배양부(31)의 미디어유로(30a)는 미디어부(21) 내측으로 노출될 수 있다. 미디어부(21)는 배양부(31)보다 직경이 크게 형성될 수 있다. 따라서 하부층(30) 표면에 형성되어 배양부(31)로 이어진 미디어유로(30a)는 미디어부(21)로 노출될 수 있다. 미디어부(21)에는 미디어가 채워져 있어 미디어는 미디어유로(30a)를 통해 오간온어칩(100) 내부를 순환할 수 있다.
배양부(31)의 내측면은 경사지게 형성될 수 있다. 예를 들면, 내측면은 미디어부(21)에 가까워질수록 미디어부(21) 중심을 향해 돌출되면서 미디어부(21)와 배양부(31) 사이에 단차를 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이 단차에는 필터부(35)가 안정적으로 안착될 수 있다. 또한, 배양부(31) 내부로 주입되는 미디어 또는 세포는 경사진 배양부(31) 내측면을 따라 배양부(31) 내부로 주입하게 되어 유동에 의한 충격을 최소화할 수 있다.
세포는 인체 장기 세포일 수 있다. 세포는 필터부(35)에 안착되어 배양시킬 수 있다. 필터부(35)에 안착된 채 배양부(31)에 위치할 수 있다. 세포는 배양부(31) 공간에서 특정 방향에 구속되지 않고 배양될 수 있다. 즉, 평면적으로 배양할 경우와 달리 평면 뿐 만 아니라 평면에 수직한 방향, 즉 세포는 중력 방향 또는 반대 방향으로 자유롭게 배양될 수 있다. 이를 통해, 미디어 및 약물이 주입된 세포가 자연적으로 반응하여 배양되는 것을 확인할 수 있다. 다른 예로, 세포는 배양부(31) 내부에 주입시켜 바닥면(40)에 안착시켜 배양시킬 수 있다.
또 다른 예로, 세포는 필터부(35)에 안착된 채 미디어부(21)에 위치할 수 있다. 이 경우, 유입홀(11)을 통해 세포를 주입할 수 있다. 이를 통해, 인체 장기의 다양한 상태를 구현하여 보다 정확한 세포의 배양상태를 확인할 수 있다. 예를 들면, 필터부(35) 하부에 위치한 배양부(31)에 일정양의 약물을 외부에서 투입하여, 약물이 미디어의 흐름속에서도 지속적으로 확산하여 세포에 어떠한 영향을 주는지 확인 가능할 수 있다.
세포 이미지는 카메라모듈(230)의 렌즈 초점 거리 변화로 확인 가능하다. 세포는 부착성이기 때문에, 미디어 흐름 속도를 저속으로 유지하여 인접한 다른 배양부(31)로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 도 3에 나타낸 하부층의 평면도이고, 도 6은 도 5에 하부층의 미디어라인의 흐름을 나타낸 상세도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 하부층(30)은 배양부(31)를 덮으면서 미디어부(21)와 배양부(31) 사이에 위치하는 필터부(35)를 포함할 수 있다. 필터부(35)는 배양부(31)와 미디어부(21) 사이를 구분하며, 미디어 및 약물은 필터부(35)를 사이에 두고 세포에 영향을 줄 수 있다. 필터부(35)는 미디어유로(30a)의 단부를 덮으면서 연결될 수 있다. 따라서, 미디어유로(30a)를 통해 미디어가 순환하면서 배양부(31) 내측에 미디어를 공급할 수 있다.
배양부(31)는 크게 5개의 요소로 나눌 수 있다. 세포를 배양하거나 성장 시 필요한 미디어의 유입 버퍼를 위한 제1 배양부(31) 및 유출 버퍼를 위한 제2 배양부(31)가 설치 될 수 있다. 제1 배양부(31) 및 제2 배양부(31) 사이에 인체 장기의 세포를 배양할 수 있는 복수의 배양부(31)를 배치하여 각 배양부(31)에 미디어를 저속으로 공급하게 된다. 이를 통해, 미디어의 유입 및 유출량이 안정적으로 유지되면서 세포가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들면, 제3 배양부(31)는 인간의 장기 세포를 배양 가능한 배양부들이다. 제1 배양부(31)를 통해 유입되는 미디어를 세포가 주입된 제3 배양부(31)에 영양분을 공급할 수 있다. 제1 배양부(31)로 부터 공급된 미디어는 제3 배양부(31)를 통과한 후 제2 배양부(31)에 모여서 다시 외부의 펌프와 연결된 미디어 공급 장치로 회수된 후 다시 제1 배양부(31)로 반복 공급될 수 있다. 제3 배양부(31)에는 특정 세포를 배양부(31) 내부에 주입하기 세포장착유로(30c)가 형성될 수 있다. 이를 통해, 오간온어칩(100)을 밀폐시킨 뒤, 세포를 배양부(31)로 주입할 수 있어, 세포나 미디어의 손실을 방지할 수 있다. 구체적으로, 제3 배양부(31)를 덮는 필터부(35) 위로 미디어가 공급되어 세포가 성장하는데 필요한 영양분을 공급하며, 목적에 따라서 특정 약물이나 기타 다른 것을 투입하여 인간 장기 세포의 영향이나 효력을 테스트 하면서 다른 장기에 어떠한 영향을 미치는지 관찰할 수 있다.
또한 미디어가 펌프부(220)를 통하여 미디어유로(30a)를 통과 할 때, 배양부(31) 내측면이 경사지게 형성되어 미디어의 역류를 방지할 수 있다. 또한, 세포의 사이즈가 작아서 필터부(35)를 통과 할 경우 다른 세포와 섞이지 않게 할 수 있다.
도 6을 참고하면, 세포장착유로(30c)는 필터부(35) 아래 부분에 제작되고, 초기 테스트가 진행되기 전 제3 배양부(31)에 독립적으로 구성되어 *?*_각각 다른 세포를 배양 할 수 있게 분리 되게 제작될 수 있다. 또한, 필터부(35)를 기준으로 상부에는 미디어유로(30a)가 제작되고 필터부(35) 하부에는 세포장착유로(30c)가 서로 엇갈리게 제작될 수 있다.
세포 안착 내지는 장착시 제3 배양부(31)의 경사진 내측면(31a)을 따라 세포가 이동될 수 있어, 세포 충격을 최소로 하며 장착될 때 세포의 양과 모양을 실시간 세포 추적 시스템을 통하여 세팅이 가능할 수 있다. 또한, 주입하는 세포 양 조절이 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
200: 세포추적시스템 210: 마이크로인큐베이터
220: 펌프부 221: 제1 펌프
222: 제2 펌프 230: 카메라모듈
240: 저장부 100: 오간온어칩
10: 덮개 11: 유입홀
20: 상부층 20a: 만입부
21: 미디어부 21a: 내측면
30: 하부층
31: 배양부 311: 제1 배양부
312: 제2 배양부 313: 제3 배양부
31a: 내측면 30b: 순환유로
30a: 미디어유로 30c: 세포장착유로
30d: 돌출부 35: 필터부

Claims (6)

  1. 인체 장기를 모사한 오간온어칩을 가지는 마이크로인큐베이터;
    상기 오간온어칩에 공급되는 영양분이 저장된 저장부; 및
    상기 저장부 및 상기 오간온어칩에 연결되어 상기 오간온어칩에 영양분을 공급하는 펌프부를 포함하는 세포추적시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오간온어칩은,
    복수개의 유입홀이 형성된 덮개;
    상기 덮개 하부에 연결되어 상기 유입홀을 내부에 위치시키도록 형성되고, 미디어가 채워지는 미디어부를 가지는 상부층;
    상기 상부층 하부로 연결되고, 상기 미디어부보다 작은 크기로 상기 미디어부에 연결되는 배양부를 가지는 하부층;
    상기 상부층 및 상기 하부층 사이에서 상기 미디어부에 연결된 필터부; 및
    상기 배양부를 밀폐시키면서 상기 하부층에 결합되는 바닥판을 포함하는 세포추적시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미디어부가 외부로 노출되지 않도록 상기 유입홀에 끼워지는 뚜껑을 더 포함하는 세포추적시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 배양부는,
    상기 하부층에 복수개로 형성되며, 각각의 상기 배양부를 연결하는 미디어 유로가 형성된 세포추적시스템.
  5. 제 5 항에 있어서,
    상기 하부층은,
    상기 미디어유로에서 상기 상부층을 향해 돌출된 돌출부를 포함하는 세포추적시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 상부층은,
    상기 돌출부 위치에서 덮개 방향으로 만입된 만입부를 포함하는 세포추적시스템.
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