KR20230110031A - 콜라겐층이 구비된 역-미세둑 구조가 포함된 장기모사칩 및 이의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 약물의 효능 및 독성을 시험하기 위한 용도로 사용되고, 세포에 배양액을 공급하기 위한 배양액 공급부와 고정된 세포를 포함하는 세포 공급부와 배양액과 세포의 원활한 분리 주입 및 배양액 공급부에서 세포공급부로 확산을 통한 배양액 공급을 위한 콜라겐층이 구비된 역-미세둑 구조를 포함하는 장기모사칩, 상기 장기모사칩을 이용하여 세포에 미치는 약물의 효능을 평가하는 방법 및 상기 장기모사칩을 이용하여 세포에 미치는 약물의 독성을 평가하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩을 사용하면, 기존 2차원 in-vitro 세포 배양법의 인체 미세환경을 모방하지 못하는 한계점과 동물실험의 이종간의 차이에 따른 부정확성을 극복할 수 있고, 약물처리에 따른 세포에 대한 보다 정확한 효능 및 독성결과를 도출할 수 있다. 이에 따라, 동물실험 대체 시험법으로 이용함으로써 신약 개발 및 약물 스크리닝 시 필요한 비용 및 기간을 획기적으로 감소시킬 뿐 아니라 세포 미세환경 연구 및 다른 장기칩(organ-on-a-chip)의 연구, 신약 개발, 약물 대사 기전 연구 등에 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
Description
본 발명은 역-미세둑 구조가 포함된 장기모사칩 및 이의 용도에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 약물의 효능 및 독성을 시험하기 위한 용도로 사용되고, 세포에 배양액을 공급하기 위한 배양액 공급부와 고정된 세포를 포함하는 세포 공급부와 배양액과 세포의 원활한 분리 주입 및 배양액 공급부에서 세포공급부로 확산을 통한 배양액 공급을 위한 콜라겐층이 구비된 역-미세둑 구조를 포함하는 장기모사칩, 상기 장기모사칩을 이용하여 세포에 미치는 약물의 효능을 평가하는 방법 및 상기 장기모사칩을 이용하여 세포에 미치는 약물의 독성을 평가하는 방법에 관한 것이다.
약물 개발은 많은 시간과 노력을 필요로 하고 비용이 많이 들지만, 개발이 진행된 약들 중 극소수만이 승인을 받는다. 단일 의약품에 대한 규제 승인을 달성하기 위해선 약 25억 달러 이상의 엄청난 고비용과 10-15년 정도의 장 시간이 요구 된다. 이를 극복하기 위해, 많은 동물 또는 세포 기반 실험이 약물 개발의 초기 단계에서 일반적으로 수행되어 왔다.
동물에 기반한 실험은 고비용이고 장 시간이 필요하고 윤리적인 문제에서도 자유로울 수 없었으며, 인간과 다른 이온채널의 존재, 약동학적 차이 등 종간 차이(inter-species differences)라는 한계점을 지니고 있어 동물실험 결과가 인간에게 똑같이 적용되지 않는 경우가 많고, 동물실험을 거쳐 임상실험을 통과한다고 하더라도 부작용으로 다시 퇴출되는 경우가 있는 실정이다. 세포 기반 실험에서 세포는 보통 2차원 조건에서 배양된다. 이러한 2차원 세포 배양 모델은 취급의 용이성과 높은 처리량 면에서 장점이 있지만, 2차원 배양 과정에서 세포가 고유의 기능을 상실하여 잘못된 평가 결과가 나오기 때문에 이를 이용한 약물 효능 및 독성평가에는 한계가 있다. 인체 장기에서 세포는 세포외기질(ECM, Extracellular Matrix)과 함께 3차원 구조 환경에 있고 모세혈관에서 영양소와 산소를 확산으로 계속 공급받고 그 후 생성된 노폐물과 대사산물 그리고 이산화탄소를 혈관을 통해 확산 배출 시킨다. 따라서 실제 장기의 구조적, 생리적, 환경적 특성을 반영하는 효율적인 약물 효능 및 독성평가 플랫폼이 필요하다.
생체모사칩 또는 장기모사칩(organ-on-a-chip; OoC)는 인체 특정 장기의 내부 미세환경(microenvironment) 구조를 모방하여 마이크로챔버에 해당 장기를 구성하는 세포를 배양함으로써 그 특성을 구현하는 시스템이다. 따라서 장기모사칩은 이러한 동물실험의 한계점들을 극복할 수 있는 효과적인 대안이며, 조직 또는 장기 수준의 생리활성을 구현함으로써 전 임상 신약개발 플랫폼으로 기대되고 있다. 심장모사칩을 사용하는 연구는 주로 심근 모델링에 초점을 맞추고 있으며, 몇몇 연구그룹들은 심장 구조와 미세환경을 모방하여 심장 모사칩을 제작하였다. 이에 대한 국내 선행연구는 미비한 실정이며, 국외 선행연구에서 본 발명과 유사하며 가장 최근 발표된 심장모사칩 연구인 2015년에 발표된 A. Mathur et al., 그룹의 연구는 미세구조를 가진 칩에 심장 근육세포를 주입하여 약물 효능 및 독성평가를 진행한 유의적인 연구임에 불구하고, 세포외기질의 부재 등 심근세포의 주변 미세환경을 완벽하게 구현했다고는 보기 어렵다.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 다양한 인체 장기모사칩 제작에 이용 될 수 있는 배양액 공급부와 고정된 장기 특정 세포를 포함하는 세포 공급부 및 이들 세포의 원활한 분리 주입과 배양액 공급부에서 세포 공급부로 확산을 통한 배양액 공급을 위한 콜라겐층이 구비된 역-미세둑 구조를 포함하는 장기모사칩에 관한 발명을 완수 하였다. 일 예로 심장의 미세환경인 심근내막 수준으로 심근세포의 배양환경을 구현하는 방법을 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 심근세포에 배양액을 공급하기 위한 배양액 공급부와 심근세포의 원활한 주입을 위한 역 미세-둑 구조 및 고정된 심근세포를 포함하는 심근세포 공급부를 포함하는 심장모사칩을 이용할 경우, 심근세포의 박동수를 측정하여 심근세포에 미치는 약물의 효능과 독성을 용이하게 평가할 수 있음을 확인하였다.
Anurag Mathur, et al., Human iPSC-based Cardiac Microphysiological System For Drug Screening Applications, SCIENTIFIC REPORTS, 5:8883, 2015
본 발명의 주된 목적은 세포에 배양액을 공급하기 위한 배양액 공급부와 고정된 세포를 포함하는 세포 공급부 및 이들 세포의 원활한 주입과 배양액 공급부에서 세포 공급부로 배양액의 확산 공급을 위한 콜라겐층이 구비된 역-미세둑 구조를 포함하는 약물의 효능 및 독성 평가용 인체 장기모사칩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 장기모사칩을 이용하여 세포에 미치는 약물의 효능을 평가하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 장기모사칩을 이용하여 세포에 미치는 약물의 독성을 평가하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 약물의 심장 효능 및 독성 시험을 위한 생체모방 칩에 대한 개발을 수행한 바 있으며(한국등록특허 제10-2281857호, 제10-2157266호 및 제10-2325876호), 본 발명에서는 앞서 개발한 생체모방 칩을 개량한 장기모사칩을 제공하고자 하였다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시양태는
(a) 배양액 공급 챔버; 배양액 회수 챔버; 및, 상기 각 챔버와 연통하는 배양액 채널;을 포함하는 배양액 공급부; 및
(b) 일 측단에 구비된 세포 유입구; 다른 일 측단에 구비된 잔류물 유출구; 및, 상기 세포 유입구와 잔류물 유출구 사이에 구비되고, 상기 배양액 채널과 동일한 방향으로 연장되어 상기 배양액 채널의 일부와 연접하고, 상기 배양액 채널과의 연접부위에 배양액이 상호 유통할 수 있는 믹싱영역을 형성하는 세포 채널;을 포함하는 세포 공급부로 구성된, 장기모사칩에 있어서,
상기 믹싱영역은 배양액 채널의 일부, 상기 배양액 채널의 일부와 연접한 세포 채널의 일부 및 상기 각 채널의 연접부에 형성된 역-미세둑 구조물로 구성되고,
상기 역-미세둑 구조물은 상단부가 장기모사칩의 상단부와 연결되고, 하단부는 상기 연접부의 바닥과 이격되며, 상기 이격된 부위에 콜라겐 층이 구비된 형태를 구성하고,
상기 콜라겐층으로 인하여, 연접부 사이로 세포의 이동없이 배양액의 상호교류가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장기모사칩을 제공하는 것이다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 배양액 공급 챔버는 믹싱영역을 통해 세포 채널에 공급하기 위한 세포 배양용 배양액을 저장하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 약물의 효능 및 독성 평가를 위하여, 상기 배양액 공급 챔버에서 간세포를 추가로 배양하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 배양액 채널은 상기 배양액 공급 챔버로부터 배양액 회수 챔버로 배양액이 유통하는 경로가 될 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 세포 유입구는 세포 채널에 공급하기 위한 세포 혼합물을 유입하는 역할을 수행하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 세포 혼합물은 세포 및 세포의 유통과 고정을 보조하는 하이드로젤을 포함할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 세포 채널은 세포 유입구를 통해 공급된 세포 혼합물에 포함된 세포가 정렬하여 고정되고, 고정된 세포를 배양하는 배양용기로서의 역할을 수행할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 세포의 고정은 세포 혼합물에 포함된 하이드로젤의 경화에 의해 수행될 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 세포의 배양은 믹싱영역에 구비된 역-미세둑 구조물의 하단부와 연접부의 바닥 사이에 형성된 이격부위를 통해 배양액 채널로부터 공급된 배양액이 세포 채널에 고정된 세포에 공급되어 수행할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 이격부위는 세포 유입구를 통해 유입된 세포가 통과하지 못하는 크기의 간격을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 역-미세둑 구조물의 단면은 직방형 또는 호의 형태가 될 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 역-미세둑 구조물은 상기 믹싱영역, 심근세포 유입구, 잔류물 유출구 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 부위에 구비될 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 잔류물 유출구는 세포 채널에 고정된 세포를 배양하면서 상기 세포로부터 생성된 오염물을 외부로 배출하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 장기모사칩은 하나의 배양액 공급부와 하나의 세포 공급부를 포함할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 장기모사칩은 복수개의 배양액 공급부와 하나의 세포 공급부를 포함할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 장기모사칩은 하나의 배양액 공급부와 복수개의 세포 공급부를 포함할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 장기모사칩은 복수개의 배양액 공급부와 복수개의 세포 공급부를 포함할 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, (a) 두 개의 배양액 공급 챔버; 두 개의 배양액 회수 챔버; 두 개의 배양액 채널; 및 한 개의 세포 유입구와 한 개의 잔류물 유출구가 구비되고, 상기 배양액 채널과 연접한 세포 채널;을 포함하고; 및 (b) 상기 배양액 채널과 세포 채널 사이에 형성된 믹싱영역; 세포 유입구; 및 잔류물 유출구;에 역-미세둑 구조물이 구비된 형태가 될 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 배양액 채널의 폭은 20 내지 40㎛ 이고, 세포 채널의 폭은 50 내지 70㎛ 이며, 역-미세둑 구조물의 하단부와 연접부의 바닥 사이에 형성된 이격부위의 높이는 5 내지 10 ㎛가 될 수 있다.
상기 장기모사칩에 있어서, 상기 세포는, 장기모사칩의 세포 배양채널 내부에 고정되어 생체 내 기능을 모사하거나 또는 약물의 효능 및 독성평가를 위해 사용될 수 있는 한, 특별히 이에 제한되지 않으나, 일 예로서, 심근세포, 평활근 세포, 횡문근 세포, 신장세포, 간세포, 상피세포, 신경세포, 줄기세포, 혈관내피세포, 두피세포, 비장세포, 폐세포, 구강세포, 피부세포, 모낭세포, 뇌세포, 척수세포 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 세포가 될 수 있고, 다른 예로서, NEXEL사에서 제공하는 Cardiosight-S 심근세포 혹은 인간 줄기세포(hPSCs) 또는 인간 유도만능줄기세포 (hiPSCs)로부터 분화된 심근세포가 될 수 있으며, 또 다른 예로서, 인간 유도만능줄기세포 유래 심근세포 (Cardiosight-S)가 될 수 있다.
상기 세포를 고정배양하기 위한 배양액은 세포의 배양에 사용될 수 있다고 공지된 모든 종류의 배양액을 사용할 수 있으며, 상기 배양액에 첨가되는 물질은 필요에 따라 통상의 기술자에 의해 적절히 선택되어 사용될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 장기모사칩의 재질은 광학적으로 투명하고, 영구적인 변형이 없으며, 생물 친화적이고 화학적 안전성이 우수한 PDMS(poly(dimethylsiloxane))가 사용되었으나, 세포의 배양을 저해하거나 나쁜 영향을 미치지 않는 한, 특별히 이에 제한되지 않는다. 일 예로서, 폴리락틱산(polylactic acid, PLA), 폴리글리콜산(polyglycolic acid, PGA), 폴리디옥사논(polydioxanone, PDO) 등이 사용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩은 배양액 공급 챔버와 배양액 회수 챔버 및 각 챔버와 연통하는 배양액 채널을 포함한다. 또한 세포 배양 챔버의 측단 및 끝에 구비된 직방형과 호 형태의 역 미세-둑 구조물 및 세포 배양 챔버를 포함한다. 배양액 흐름의 방향은 배양액 공급챔버와 배양액 회수챔버의 배양액 양의 차이를 두어 배양액의 양이 많은 쪽에서 적은 쪽으로 중력의 힘에 의해 흐르게 함으로써, 어떠한 외부 배양액 주입 장치가 필요 없이 유체가 흐를 수 있게 하였다.
본 발명의 일 예인 심근세포 혼합물은 심근세포와 고정을 보조하는 보조성분을 포함할 수 있다. 본 발명의 심장모사칩은 이에 포함된 심근세포 배양채널 내부에 정렬되어 고정된 형태로 존재하는 심근세포를 포함하게 되는데, 상기 심근세포 채널 내부에 심근세포를 주입하고, 주입된 심근세포가 상기 심근세포 채널 내부에 고정되기 위해서는 이를 보조하는 보조성분을 필요로 한다. 상기 보조성분은 심장 내 심근 세포 주변의 미세환경에 존재하는 세포외기질을 모방한 것으로서, 심근세포의 3차원 세포배양에 필수적이며, 배양된 심근세포의 구조 및 기능이 생체 내의 것과 유사하도록 유지하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 보조성분은 심근세포의 유입과 고정을 보조할 수 있는 한, 특별히 이에 제한되지 않으나, 일 예로서, 하이드로젤을 사용할 수 있고, 다른 예로서, 콜라겐 하이드로젤, 젤마(GelMa) 하이드로젤 등을 사용할 수 있다.
상기 하이드로젤은 다양한 조건에 의해 경화될 수 있는데, 예를 들어, 콜라겐 하이드로젤은 냉각 후 인큐베이터 내에 1시간 이상 두어 온도상승을 유도하여 경화시킬 수 있고, 젤마 하이드로젤은 자외선을 조사한 후 인큐베이터 내에 1시간 이상 두어 온도상승을 유도하여 경화시킬 수 있다. 상기 심근세포와 하이드로젤의 혼합물이 심근세포 채널로 이동한 후, 이에 포함된 하이드로젤이 경화되면, 경화된 하이드로젤 내에 포함된 심근세포가 자연스럽게 고정될 수 있는데, 하이드로젤이 가진 다공성 특성으로 인하여, 하이드로젤을 거쳐 심근세포 배양액이 심근세포에 전달될 수 있어, 고정된 심근세포의 배양이 지속될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 배양액 채널은 장기를 구성하는 요소 중 하나인 세포에 영양을 공급하기 위한 모세혈관을 모사한 구성요소로서 해석될 수 있다. 이에 따라, 상기 배양액 채널의 폭은 모세혈관의 실제 기능을 모사할 수 있는 한 특별히 이에 제한되지 않으나, 일 예로서, 20 내지 40㎛의 폭을 가질 수 있고, 다른 예로서, 25 내지 35㎛의 폭을 가질 수 있으며, 또 다른 예로서, 30㎛의 폭을 가질 수 있다.
본 발명에 일 예인 심근 세포 배양 챔버에 있어서, 상기 심근 세포 배양 챔버는 콜라겐 세포외기질에 의한 3차원 심근세포 조직을 모사한 구성요소로서 해석 할 수 있다. 상기 심근세포 배양챔버의 폭은 심근세포의 배양과정을 수행할 수 있는 한 특별히 이에 제한되지 않으나, 일 예로서, 55 내지 65㎛의 폭을 가질 수 있으며, 또 다른 예로서, 50㎛의 폭을 가질 수 있다.
상기 세포 챔버는 세포 유입구와 잔류물 유출구 사이에 연통된 통로의 형태가 될 수 있는데, 상기 잔류물 유출구 및 세포 배양 챔버와 연통된 부위에는 콜라겐 층을 포함하는 역-미세둑 구조물이 구비되어 있고, 이러한 역-미세둑 구조물은 세포 배양 챔버의 양 옆과 끝에 위치하여, 세포의 유실을 차단하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 세포 유입구를 통해 공급된 세포 혼합물에 포함된 세포가 잔류물 유출구로 이동되지 않고, 세포 배양 챔버 내에 잔류하게 된다.
상기 역-미세둑 구조물에 포함된 콜라겐 층은 배양액채널에서 세포 배양채널로 확산에 의한 배지 공급 시 속도를 조절할 수 있도록 보조하여, 세포에 대한 shear stress를 감소 시켜 줄 수 있고, 이러한 감소는 세포의 손상을 감소시키는 역할을 수행할 수 있다.
상기 구조물의 두께 및 바닥으로부터의 높이는 크게 제한되지는 않으나, 세포가 빠져나가지 않되, 배양액은 통과할 수 있어야 하므로, 일 예로서, 두께 30 ㎛ 내지 50 ㎛ 및 바닥으로부터의 높이 5 ㎛ 내지 10 ㎛의 길이를 나타낼 수 있고, 또 다른 예로서, 두께 60 ㎛ 내지 100 ㎛ 및 바닥으로부터의 높이 7 ㎛ 내지 9 ㎛의 길이를 나타낼 수 있다.
한편, 배양액 채널의 일부는 세포 배양 챔버의 일부와 믹싱영역을 형성하고, 상기 믹싱영역을 통해 세포에 배양액을 공급하고, 세포 배양에 사용된 배양액을 회수함으로써, 결과적으로는 고정된 세포를 배양할 수 있다. 상기 믹싱영역은 배양액 채널의 일부, 상기 배양액 채널의 일부와 연접한 세포 배양 챔버의 일부, 상기 각 채널의 연접부에 형성된 부분 역-미세둑 구조로 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 역-미세둑 구조물은 그의 이격된 영역을 통해, 상호 연접된 배양액 채널의 일부와 세포 배양챔버의 일부를 완전히 개통하지 않고 부분적으로 개통하는 역할을 수행하는데, 이를 통해 세포의 유실, 이동, 보조성분의 희석을 방지하고, 배양액의 상호 유통을 허용할 수 있다.
또한 상기된 역-미세둑 구조의 형태는 상술한 기능성을 나타내는 한 특별히 이에 제한되지 않으나 직방형 및 호 형태의 미세 장벽 구조가 될 수 있는데, 이는 세포가 배양챔버 외부로 빠져나가지 않게 챔버 내에 위치하되 배양액만 통과할 수 있도록 제작된다. 일 예로 이를 위하여 세포 채널에 심근세포 혼합물을 주입할 때, 역-미세둑 구조물과 세포 배양 챔버 사이 부분에서 표면장력에 의해 경계가 형성되게끔 유도함으로써, 상기 역-미세둑 구조물을 중심으로 세포 배양챔버와 배양액 채널 사이에 칩 표면에서 역-미세둑 구조 표면까지 미세간격(gap)이 형성됨에 따라 분리 밸브 혹은 분리막의 존재가 없어도 각각의 분리 주입이 원활하게 수행되고 또한 배양액 채널에서 세포 배양챔버로 배양액이 확산 공급되게 하기 위함이다.
이러한 역-미세둑 구조물의 형상은 특별히 이에 제한되지 않으나, 직방형 및 호 형태로 구성되는데 상기 역-미세둑 구조물에 포함된 차단기둥의 크기는 특별히 제한되지 않으나, 일 예로서, 두께 60㎛ 내지 100㎛ 의 크기를 나타낼 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 실시양태는 상기 장기모사칩을 이용하여, 세포에 미치는 약물의 효능을 평가하는 방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 세포에 미치는 약물의 효능을 평가하는 하나의 방법은 (a) 상기 장기모사칩에 포함된 세포 채널에 포함된 세포를 배양하는 단계; (b) 상기 장기모사칩에 포함된 배양액 공급 챔버에 목적하는 약물을 투여하는 단계; 및, (c) 상기 배양된 세포의 변화를 측정하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 세포의 변화는 특별히 이에 제한되지 않으나, 일 예로서, 배양된 세포의 손상여부, 성장여부, 분비성분의 변화여부, 유전자 발현수준의 변화여부, 단백질 수준의 변화여부 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것이 될 수 있고, 다른 예로서, 상기 세포의 변화는 배양된 심근세포의 경우 심근세포의 박동수가 될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 세포에 미치는 약물의 효능을 평가하는 다른 방법은 (a) 상기 장기모사칩에 포함된 배양액 공급 챔버에서 간세포를 배양하는 단계; (b) 상기 장기모사칩에 포함된 세포 채널에 포함된 세포를 배양하는 단계; (c) 상기 배양된 간세포를 포함하는 배양액 공급 챔버에 목적하는 약물을 투여하는 단계; 및, (d) 상기 배양된 세포의 변화를 측정하는 단계를 포함한다.
배양되는 세포로서 심근세포를 사용할 경우, 배양 후, 약 1 내지 2일이 경과된 시점에서 심근세포의 박동이 확인되며, 이러한 심근세포의 박동은 안정화되어 배양 후 7일이 경과 후까지 일정한 수준으로 유지된다. 따라서, 상기 심근세포를 배양하여, 심근세포의 박동이 시작된 후, 배양액 공급 챔버에 약물을 투여하면, 상기 약물의 효과에 의하여 심근세포의 박동수가 변화를 관찰할 수 있다. 따라서, 상기 심근세포의 박동수를 측정하여, 상기 약물이 심근세포에 미치는 효과를 평가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 심장모사칩에 양성대조약물로 이소프로테레놀을 처리하면 심근세포의 박동수가 증가하는 것을 확인하였다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시양태는 상기 장기모사칩을 이용하여, 세포에 미치는 약물의 독성을 평가하는 방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 세포에 미치는 약물의 독성을 평가하는 하나의 방법은 (a) 상기 장기모사칩에 포함된 세포 채널에 포함된 세포를 배양하는 단계; (b) 상기 장기모사칩에 포함된 배양액 공급 챔버에 목적하는 약물을 투여하는 단계; 및, (c) 상기 배양된 세포의 사멸 또는 약화여부를 확인하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 제공하는 세포에 미치는 약물의 독성을 평가하는 다른 방법은 (a) 상기 장기모사칩에 포함된 배양액 공급 챔버에서 간세포를 배양하는 단계; (b) 상기 장기모사칩에 포함된 세포 채널에 포함된 세포를 배양하는 단계; (c) 상기 배양된 간세포를 포함하는 배양액 공급 챔버에 목적하는 약물을 투여하는 단계; 및, (d) 상기 배양된 세포의 사멸 또는 약화여부를 확인하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩을 사용하면, 약물처리에 따른 세포에 대한 보다 정확한 효능 및 독성결과를 도출할 수 있다. 이에 따라, 동물실험 대체 시험법으로 이용함으로써 신약 개발 및 약물 스크리닝 시 필요한 비용 및 기간을 획기적으로 감소시킬 뿐 아니라 세포 내 미세환경 연구 및 다른 장기칩(organ-on-a-chip)의 연구 등에 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 입체도와 미세구조도 및 칩 내 구성요소가 포함된 전체 모식도이다.
도 2는 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 입체도이다.
도 3은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 평면도이다.
도 4는 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예 인 심장모사칩의 세포 배양챔버와 배양액 채널의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 역-미세둑 구조물의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 콜라겐 층이 구비된 역-미세둑 구조물의 단면을 나타내는 부분 확대도이다.
도 7은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 인 심장모사칩의 실제 사진과 칩 내부의 각 채널 내로 식용 색소를 주입한 결과를 나타내는 부분 및 심근세포 배양 결과의 확대사진이다.
도 8은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 인 심장모사칩에서 심근세포를 7일 동안 배양하고, 심근박동수의 변화를 주는 대조양성약물인 이소프로테레놀을 처리한 다음, 심근세포의 박동수의 변화를 대조군과 비교 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 장기모사칩 내 심근세포를 7일 동안 배양하고 심근박동수의 변화를 주는 약물인 이소프로테레놀을 처리하지 않은 대조군을 motion tracking program을 통해 심근박동 수, 빠르기 혹은 세기, 형태의 변화 등을 관찰한 비디오 기반 심근 모션 추적 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 장기모사칩 내 심근세포를 7일 동안 배양하고 심근박동수의 변화를 주는 약물인 이소프로테레놀을 5 μM 농도로 처리한 후 1시간 뒤에 motion tracking program을 통해 심근박동 수, 빠르기 혹은 세기, 형태의 변화 등을 관찰한 비디오 기반 심근 모션 추적 그래프이다.
도 2는 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 입체도이다.
도 3은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 평면도이다.
도 4는 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예 인 심장모사칩의 세포 배양챔버와 배양액 채널의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 역-미세둑 구조물의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 심장모사칩의 콜라겐 층이 구비된 역-미세둑 구조물의 단면을 나타내는 부분 확대도이다.
도 7은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 인 심장모사칩의 실제 사진과 칩 내부의 각 채널 내로 식용 색소를 주입한 결과를 나타내는 부분 및 심근세포 배양 결과의 확대사진이다.
도 8은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 장기모사칩의 일 예인 인 심장모사칩에서 심근세포를 7일 동안 배양하고, 심근박동수의 변화를 주는 대조양성약물인 이소프로테레놀을 처리한 다음, 심근세포의 박동수의 변화를 대조군과 비교 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 장기모사칩 내 심근세포를 7일 동안 배양하고 심근박동수의 변화를 주는 약물인 이소프로테레놀을 처리하지 않은 대조군을 motion tracking program을 통해 심근박동 수, 빠르기 혹은 세기, 형태의 변화 등을 관찰한 비디오 기반 심근 모션 추적 그래프이다.
도 9b는 본 발명의 장기모사칩 내 심근세포를 7일 동안 배양하고 심근박동수의 변화를 주는 약물인 이소프로테레놀을 5 μM 농도로 처리한 후 1시간 뒤에 motion tracking program을 통해 심근박동 수, 빠르기 혹은 세기, 형태의 변화 등을 관찰한 비디오 기반 심근 모션 추적 그래프이다.
이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명의 실시양태가 기재되었지만, 이들 실시양태가 본 발명의 모든 가능한 형태를 기재하지는 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 제한하려기 보다는 설명을 위한 용어이며, 본 발명의 취지와 범주에서 벗어나지 않는 한 다양한 변형이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예 1: 역-미세둑 구조 심장모사칩의 제작
본 발명의 심장모사칩은 PDMS(polydimethylsiloxane)탄성중합체와 슬라이드글라스 (slide glass)를 이용하여 제작하였다.
감광액 패터닝(PR patterning)이 완료된 주형(mold) 위에 PDMS 실리콘계 엘라스토머(silicone base elastomer)와 경화제(curing agent, SYLGARD 184 silicone elastomer kit, Dow Corning)의 비율을 10:1로 섞은 후 플라즈마 처리기(plasma processing system, CUTE, FEMTO Science)의 진공 시스템을 이용하여 믹싱 시 발생하는 기포를 제거하였다. 이후 SU-8 주형 위에 상기 혼합물을 부은뒤 80℃의 열판 위에서 10시간 동안 열처리를 가해 고형화 하였다. 이를 주형으로부터 분리해 낸 후, 칩의 적정 크기에 따라 자른 후 원통형 1.2mm 및 8mm 직경의 생검 펀치(biopsy punch)를 이용하여 세포 및 하이드로젤 혼합물 유입구 및 유출구와 배지 저장 및 유입구 및 유출구를 각각의 크기에 맞게 펀치아웃(punch out)하여 미세유체소자를 제작하였다.
상기 제작된 미세유체소자를 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)이 담겨있는 초음파 발생 장치(sonicator)에 PDMS 기반 미세유체소자를 담가 초음파 처리(sonication)를 수행하여 세척한 후, 에어건(air-gun)으로 완전히 건조시켰다.
세척이 완료 된 PDMS기반 미세유체소자와 슬라이드글라스는 80℃ 드라이 오븐(dry oven) 내에서 10분 동안 건조시킨 뒤 30분 동안 자외선에 노출시켜 멸균시켰다. 최종적으로, PDMS 기반 미세유체소자와 슬라이드 글라스를 플라즈마 처리기에 넣고 산소 플라즈마 처리(oxygen plasma treatment)를 통해 접착시켜 심장모사칩을 제작하였다. 제작 된 심장모사칩을 35mm 페트리 디쉬(petri dish)에 넣고, 플라즈마 처리에 의한 접착력을 단단하게 하기 위해 80℃로 가열된 핫플레이트(hot plate) 위에서 30분 동안 열을 가하였다.
상기와 같이 제작된 심장모사칩의 전체 크기는 가로 2.7cm, 세로 2cm 이며 칩 내 모든 채널 미세구조의 높이는 50㎛ 이며, 역 미세 둑 구조 이외의 높이는 5㎛이다. 심근세포 채널의 폭 사이즈는 600㎛로, 이는 생체 내 심근다발의 직경인 약 200㎛의 3배 정도의 크기이다.
배양액 채널의 폭은 30㎛이며, 이는 생체 내 모세혈관의 직경인 약 10㎛의 3배 정도로, 심근세포 배양 챔버를 중심으로 양쪽 최외각에 배치함으로써 심근섬유들의 사이사이에 위치하고 있는 모세혈관망을 모방하고자 디자인 하였다.
세포 배양 챔버의 잔류물 유출구 방향에 위치한 역-미세둑 구조는 챔버가 좁아지는 직전 부분에 두께 60㎛으로 유출구 방향으로 호 형태로 위치하고, 상기 역-미세둑 구조물 내부에 역-미세둑 구조물과 바닥사이의 이격부위를 차단하도록 콜라겐 층을 구비하여, 주입되는 세포-하이드로젤 혼합물이 잔류물 유출구 쪽으로 빠져나가지 않고 누적되게끔 유도하기 위한 디자인하였으며, 원활한 주입과 주입 시 발생하는 압력만은 잔류물 유출구 쪽으로 빠져나갈 수 있게 하였다. 세포 배양 챔버 배양액 채널 사이에 존재하는 역-미세둑 구조는 두께 100μm의 직사각형 형태로 디자인하였으며, 마찬가지로 세포-하이드로젤 혼합물이 세포 배양 챔버 바깥으로 빠져나가지 않고 누적되게끔 디자인하였다. 심근세포 배양 챔버와 연결되어 있는 각 유입구(inlet)와 유출구(outlet)의 지름은 1.5mm 이며, 배양액 공급챔버 및 회수챔버에 연결된 배양액 채널의 지름은 8mm으로 설정하였다.
실시예 2: 심근세포 배양
NEXEL 사의 인간 줄기세포(hPSCs)로부터 분화된 심근세포(Cardiosight-S)를 콜라젠(collagen)과 같은 하이드로젤(hydrogel)과 섞어서 본 발명의 심장칩 내로 주입하고, Supplement(75X)를 보충한 Cardiosight-S Media로 7일 동안 배양하였다. 또한 세포를 37℃ 및 5% CO2에서 조건의 가습한 인큐베이터에 배양하였다.
실시예 3: 역-미세둑 구조와 심근세포를 포함하는 심장모사칩을 이용한 약물의 효능 및 독성평가
실시예 3-1: 심장칩의 기능 평가
상기 실시예 2에서 제작한 본 발명의 심장모사칩이 정상적으로 기능을 수행하는지를 평가하였다.
대략적으로, 붉은색 및 노란색 식용색소를 적절한 농도 및 점도로 설정하여 붉은색 식용색소 용액을 배양액 공급 챔버 및 회수 챔버에 각각 200㎕ 로딩하고 파이펫을 이용하여 각 양쪽에 위치한 배양액 채널의 내부에 식용색 소용액을 채운 다음, 나머지 한 세트의 배양액 공급 챔버 및 회수 챔버에도 각각 200㎕을 로딩하여 각 챔버간에 붉은색소 용액의 흐름이 연결되도록 하였다. 이때, 미세 둑 구조물의 배양액 채널 쪽 방향으로 소수성에 의해 배지가 경계를 이루는 것을 확인하였다. 이 후 노란색 식용색소 용액을 syringe pump (NE-1000, NEWERA)를 이용하여 20㎕/ min의 속도로 심근 세포 배양 챔버에 주입하였다(도 7).
도 7은 본 발명에서 제공하는 약물의 효능 및 독성 평가용 심장모사칩의 실제 사진과 칩 내부의 각 부분으로 식용 색소를 주입한 결과를 나타내는 부분 확대사진 이다.
도 7에서 보듯이, 역-미세둑 구조물을 경계로 배양액 채널과 심근세포 배양챔버 사이에 표면장력에 의해 노란색소 용액이 경계를 이루는 것을 확인 함으로써, 성공적으로 선택적 액체가 분리 주입되었음을 확인하였다.
실시예 3-2: 3차원 심장모사칩 제조 및 배양
먼저, 상기 실시예 1에서 제작한 본 발명의 심장모사칩에 포함된 한 세트의 배양액 공급 챔버 및 회수 챔버에 각각 200㎕의 배양액을 로딩하고 파이펫을 이용하여 각 챔버간에 배양액의 흐름이 연결되도록 한 뒤 각 양쪽에 위치한 배양액 채널의 내부에 배양액을 채워 최종적으로 배지 흐름을 만들어주었다. 이때 역-미세둑 구조물을 경계로 배양액 채널과 심근세포 배양챔버 사이에 표면장력에 의해 배지가 경계를 이루는 것을 확인하였다. 추가적으로, 심근세포 유입구에 파이펫을 이용하여 심근세포 혼합물(2 x 106개 심근세포/2㎕ 콜라젠의 비율로 제작 후 여러 개 칩에 주입)을 로딩하고, 파이펫팅을 이용하여 심근세포 배양챔버에 이를 주입하였다. 마찬가지로 표면장력에 의해 심근세포 혼합물이 경계를 이루는 것을 확인함으로써, 심근세포 혼합물과 배양액이 각각 성공적으로 분리 주입되었음을 확인하였다.
이어, 주입된 심근세포 혼합물에 포함된 하이드로젤을 경화시켜서, 심근세포 채널 내에 심근세포를 고정시켰다. 하이드로젤의 종류에 따라 경화 방법을 달리하여 경화를 수행하게 되는데 콜라젠의 경우 인큐베이터 내에 1시간 이상 두어 온도변화에 의한 경화를 수행하였다. 상기 하이드로젤이 경화된 심장칩에서 미세 둑 구조물을 중심으로 형성된 간격(gap)은 일시적으로 형성됨에 따라 37℃ 인큐베이터에서 자연스럽게 사라지며, 이후 지속적으로 인큐베이터에서 심근세포를 배양하였다. 배양 2일까지 배양액 공급 챔버 및 회수 챔버에 모두 200㎕의 배양액을 로딩함으로써, 배지의 흐름을 최소화하여 심근세포가 새로운 심장칩 내 환경에서 적응할 수 있는 시간을 부여하였고, 이후 배양 7일까지는 배양액 공급 챔버에는 200㎕의 배양액을 로딩하고, 배양액 회수 챔버에는 125㎕의 배양액을 로딩하여 배지의 높낮이 차이를 줌으로써 중력에 의해 배지흐름이 발생하도록 유도하였다. 상기 배양액은 매일 신선한 배양액으로 교체하여 지속적인 배지흐름과 신선한 영양분을 제공하였고, 배지교체 시 각 배양액 공급 챔버 및 회수 챔버에 있는 기존에 있던 배양액을 제거함으로써 노폐물을 제거하면서 배양하였다.
한편, 상기 심장모사칩 내 심근세포의 박동은 빠르면 배양 1~2일쯤에 발생하기 시작하는데, 배양시간이 지나면서 심근박동 수는 증가하고, 1분 내 심근박동수(beat per minute, BPM)를 기준으로 최적 심근박동수에 맞추어 약물효능 및 독성평가 전 배양기간을 7일로 설정하였다(도 7).
실시예 3-3: 약물의 효능 및 독성 평가
상기 실시예 3-2를 통해 본 발명의 심장모사칩의 배양액 공급 챔버에 심근박동수에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 약물인 이소프로테레놀(isoproterenol)을 각기 처리하였고, 이에 따른 심근 세포 박동 변화를 광학현미경으로 관찰하고, 심근 세포의 박동수 및 박동 간격을 측정한 다음, 이를 분석하였다(도 8).
도 8에서 보듯이, 이소프로테레놀을 처리하기 전 1분당 심근박동 수(bpm)는 약 60회 정도로 정상 맥박 상태를 나타내었다. 약물의 농도는 5μM로 처리하였고, 1시간 간격으로 6시간까지, 이후 3시간 간격으로 총 12시간 동안 관찰하였을 때, 전체적인 경향은 약물 처리 후 박동수가 증가하고 처리 후 1시간에서 최고 박동수를 나타내었고 이후 시간이 흐를수록 박동수가 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이에 반해 대조군은 상기 명시한 12시간 관찰 시간 동안 분당 60회 전후의 일정한 박동수를 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 심근세포가 이소프로테레놀의 효능에 의해서 심근박동수가 증가하나 최대 심근박동수를 기록한 후의 약물처리 시간을 오래하였을 때 동 약물의 독성에 의해 세포기능 감소로 오히려 심근박동수가 감소되는 것을 확인 할 수 있었으며, 약물의 효능 및 독성이 관찰됨을 확인할 수 있었다.
한편, 약물에 따른 심근박동수 변화 외에 심근박동의 세기 혹은 빠르기 및 형태 변화 등을 관찰하기 위하여 비디오 기반 motion tracking program을 통해 대조군 및 5μM의 농도의 이소프로테레놀(isoproterenol)을 처리군의 변화를 그래프화하여 관찰하였다(도 9a 내지 9b).
도 9b에서 보듯이, 약물 처리 1시간 후 심근박동은 약 140bpm을 기록하였으며 규칙적인 간격으로 박동하고 있음을 확인할 수 있으며, 약물 처리에 따른 박동 수 증가도 확인할 수 있었다. 박동의 빠르기 혹은 세기는 음성대조군(약물 미처리 군)과 비교하였을 때, 매 박동간의 차이는 좀 더 커지긴 했지만 비교적 비슷한 수준을 유지하고 있다고 보이며 수축 및 이완 박동이 평균적으로 약 11㎛/s을 기록함으로써 대조군의 평균인 약 7㎛/s 비해 증가함을 확인하였다.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그 리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : PDMS 기반 미세유체 소자
2 : 슬라이드 글라스
3 : 배양액 공급챔버
4 : 배양액 회수챔버
5 : 심근세포 유입구
6 : 잔류물 유출구
7 : 배양액 채널
8 : 심근세포 배양 챔버
9 : 세포 배양 챔버 측면의 역 미세 둑 구조
10 : 세포 배양 챔버 후면의 역 미세 둑 구조
2 : 슬라이드 글라스
3 : 배양액 공급챔버
4 : 배양액 회수챔버
5 : 심근세포 유입구
6 : 잔류물 유출구
7 : 배양액 채널
8 : 심근세포 배양 챔버
9 : 세포 배양 챔버 측면의 역 미세 둑 구조
10 : 세포 배양 챔버 후면의 역 미세 둑 구조
Claims (26)
- (a) 배양액 공급 챔버; 배양액 회수 챔버; 및, 상기 각 챔버와 연통하는 배양액 채널;을 포함하는 배양액 공급부; 및
(b) 일 측단에 구비된 세포 유입구; 다른 일 측단에 구비된 잔류물 유출구; 및, 상기 세포 유입구와 잔류물 유출구 사이에 구비되고, 상기 배양액 채널과 동일한 방향으로 연장되어 상기 배양액 채널의 일부와 연접하고, 상기 배양액 채널과의 연접부위에 배양액이 상호 유통할 수 있는 믹싱영역을 형성하는 세포 채널;을 포함하는 세포 공급부로 구성된, 장기모사칩에 있어서,
상기 믹싱영역은 배양액 채널의 일부, 상기 배양액 채널의 일부와 연접한 세포 채널의 일부 및 상기 각 채널의 연접부에 형성된 역-미세둑 구조물로 구성되고,
상기 역-미세둑 구조물은 상단부가 장기모사칩의 상단부와 연결되고, 하단부는 상기 연접부의 바닥과 이격되고, 상기 이격된 부위에 콜라겐 층을 구비된 형태를 구성하며,
상기 콜라겐층으로 인하여, 연접부 사이로 세포의 이동없이 배양액의 상호교류가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 배양액 공급 챔버는 믹싱영역을 통해 세포 채널에 공급하기 위한 세포 배양용 배양액을 저장하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
약물의 효능 및 독성 평가를 위하여, 상기 배양액 공급 챔버에서 간세포를 추가로 배양하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 배양액 채널은 상기 배양액 공급 챔버로부터 배양액 회수 챔버로 배양액이 유통하는 경로인 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 세포 유입구는 세포 채널에 공급하기 위한 세포 혼합물을 유입하는 역할을 수행하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 세포 혼합물은 세포 및 세포의 유통과 고정을 보조하는 하이드로젤을 포함하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 세포 채널은 세포 유입구를 통해 공급된 세포 혼합물에 포함된 세포가 정렬하여 고정되고, 고정된 세포를 배양하는 배양용기로서의 역할을 수행하는 것인, 장기모사칩.
- 제7항에 있어서,
상기 세포의 고정은 세포 혼합물에 포함된 하이드로젤의 경화에 의해 수행되는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 세포의 배양은 믹싱영역에 구비된 역-미세둑 구조물의 하단부와 연접부의 바닥 사이에 형성된 이격부위를 통해 배양액 채널로부터 공급된 배양액이 세포 채널에 고정된 세포에 공급되어 수행되는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 이격부위는 세포 유입구를 통해 유입된 세포가 통과하지 못하는 크기의 간격을 갖도록 형성되는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 역-미세둑 구조물의 단면은 직방형 또는 호의 형태인 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 역-미세둑 구조물은 상기 믹싱영역, 심근세포 유입구, 잔류물 유출구 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 부위에 구비되는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 잔류물 유출구는 세포 채널에 고정된 세포를 배양하면서 상기 세포로부터 생성된 오염물을 외부로 배출하는 역할을 수행하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 장기모사칩은 하나의 배양액 공급부와 하나의 세포 공급부를 포함하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 장기모사칩은 복수개의 배양액 공급부와 하나의 세포 공급부를 포함하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 장기모사칩은 하나의 배양액 공급부와 복수개의 세포 공급부를 포함하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 장기모사칩은 복수개의 배양액 공급부와 복수개의 세포 공급부를 포함하는 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
(a) 두 개의 배양액 공급 챔버; 두 개의 배양액 회수 챔버; 두 개의 배양액 채널; 및 한 개의 세포 유입구와 한 개의 잔류물 유출구가 구비되고, 상기 배양액 채널과 연접한 세포 채널;을 포함하고; 및
(b) 상기 배양액 채널과 세포 채널 사이에 형성된 믹싱영역; 세포 유입구; 및 잔류물 유출구;에 역-미세둑 구조물이 구비된 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 배양액 채널의 폭은 20 내지 40㎛ 이고, 세포 채널의 폭은 50 내지 70㎛ 이며, 역-미세둑 구조물의 하단부와 연접부의 바닥 사이에 형성된 이격부위의 높이는 5 내지 10 ㎛인 것인, 장기모사칩.
- 제1항에 있어서,
상기 세포는, 심근세포, 평활근 세포, 횡문근 세포, 신장세포, 간세포, 상피세포, 신경세포, 줄기세포, 혈관내피세포, 두피세포, 비장세포, 폐세포, 구강세포, 피부세포, 모낭세포, 뇌세포, 척수세포 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 세포인 것인, 장기모사칩.
- (a) 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 장기모사칩에 포함된 근세포 채널에 포함된 세포를 배양하는 단계;
(b) 상기 장기모사칩에 포함된 배양액 공급 챔버에 목적하는 약물을 투여하는 단계; 및,
(c) 상기 배양된 세포의 변화를 측정하는 단계를 포함하는, 세포에 미치는 약물의 효능을 평가하는 방법.
- 제21항에 있어서,
상기 세포의 변화는 배양된 세포의 손상여부, 성장여부, 분비성분의 변화여부, 유전자 발현수준의 변화여부, 단백질 수준의 변화여부 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 방법.
- (a) 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 장기모사칩에 포함된 배양액 공급 챔버에서 간세포를 배양하는 단계;
(b) 상기 장기모사칩에 포함된 세포 채널에 포함된 세포를 배양하는 단계;
(c) 상기 배양된 간세포를 포함하는 배양액 공급 챔버에 목적하는 약물을 투여하는 단계; 및,
(d) 상기 배양된 세포의 변화를 측정하는 단계를 포함하는, 세포에 미치는 약물의 효능을 평가하는 방법.
- 제23항에 있어서,
상기 세포의 변화는 배양된 세포의 손상여부, 성장여부, 분비성분의 변화여부, 유전자 발현수준의 변화여부, 단백질 수준의 변화여부 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 방법.
- (a) 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 장기모사칩에 포함된 근세포 채널에 포함된 세포를 배양하는 단계;
(b) 상기 장기모사칩에 포함된 배양액 공급 챔버에 목적하는 약물을 투여하는 단계; 및,
(c) 상기 배양된 세포의 사멸 또는 약화여부를 확인하는 단계를 포함하는, 세포에 미치는 약물의 독성을 평가하는 방법.
- (a) 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 장기모사칩에 포함된 배양액 공급 챔버에서 간세포를 배양하는 단계;
(b) 상기 장기모사칩에 포함된 세포 채널에 포함된 세포를 배양하는 단계;
(c) 상기 배양된 간세포를 포함하는 배양액 공급 챔버에 목적하는 약물을 투여하는 단계; 및,
(d) 상기 배양된 세포의 사멸 또는 약화여부를 확인하는 단계를 포함하는, 세포에 미치는 약물의 독성을 평가하는 방법.
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| KR1020220006036A KR20230110031A (ko) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 콜라겐층이 구비된 역-미세둑 구조가 포함된 장기모사칩 및 이의 용도 |
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| KR102157266B1 (ko) | 2019-11-22 | 2020-09-18 | 차의과학대학교 산학협력단 | 심근주막 수준 생체모방 심장칩 및 이의 용도 |
| KR102281857B1 (ko) | 2019-08-22 | 2021-07-28 | 차의과학대학교 산학협력단 | 약물의 심장 효능 및 독성 시험을 위한 심근내막 수준 생체모방 심장칩 |
| KR102325876B1 (ko) | 2019-12-05 | 2021-11-12 | 차의과학대학교 산학협력단 | 신경에 대한 효능 및 독성평가를 위한 생체모방 신경칩 및 이의 용도 |
-
2022
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Anurag Mathur, et al., Human iPSC-based Cardiac Microphysiological System For Drug Screening Applications, SCIENTIFIC REPORTS, 5:8883, 2015 |
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