KR20230143372A - A chip that mimics organs - Google Patents

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KR20230143372A
KR20230143372A KR1020220042173A KR20220042173A KR20230143372A KR 20230143372 A KR20230143372 A KR 20230143372A KR 1020220042173 A KR1020220042173 A KR 1020220042173A KR 20220042173 A KR20220042173 A KR 20220042173A KR 20230143372 A KR20230143372 A KR 20230143372A
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성건용
김형섭
이주비
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한림대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 장기 모사 칩 구조체 및 이를 이용하는 방법에 관한 것으로서, 각각에서 세포가 배양된 하나 이상의 인서트 모듈; 상기 인서트 모듈의 삽입 배치가 가능한 칩을 포함하되, 상기 칩에 상기 인서트 모듈이 삽입되어 칩을 형성하고, 상기 칩은 상부 유체채널과 하부 유체채널 및 상기 상부 유체채널의 단면적을 조절할 수 있는 상부 유체채널 유속 조절부를 포함하며, 장기가 모사된 장기 모사 칩을 형성하며, 상기 장기 모사 칩에 대해 공 배양을 진행하여 상기 다중 장기 미세유체 칩 구조체가 형성되는 것인 장기 모사 칩 구조체와 이를 이용하여 생체의 내강과 장기 내부에서 시험대상 약물의 약동학적 거동을 시험하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organ simulating chip structure and a method of using the same, comprising: one or more insert modules in which cells are cultured; It includes a chip capable of inserting and arranging the insert module, wherein the insert module is inserted into the chip to form a chip, and the chip is an upper fluid channel, a lower fluid channel, and an upper fluid capable of adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel. An organ simulating chip structure comprising a channel flow rate control unit, forming an organ simulating chip in which an organ is simulated, and co-culturing the organ simulating chip to form the multi-organ microfluidic chip structure, and a living organism using the same. It relates to a method of testing the pharmacokinetic behavior of the drug under test within the lumen and organs of the organ.

Description

장기 모사 칩 {A chip that mimics organs}A chip that mimics organs}

본 발명은 장기 모사 칩에 관한 것으로서, 각각에서 세포가 배양된 하나 이상의 인서트 모듈; 상기 인서트 모듈의 삽입 배치가 가능한 칩을 포함하되, 상기 칩에 상기 인서트 모듈이 삽입되어 칩을 형성하고, 상기 칩은 상부 유체채널과 하부 유체채널 및 상기 상부 유체채널의 단면적을 조절할 수 있는 상부 유체채널 유속 조절부를 포함하며, 장기가 모사된 장기 모사 칩을 형성하며, 상기 장기 모사 칩에 대해 공 배양을 진행하여 상기 다중 장기 미세유체 칩 구조체가 형성되는 것인 장기 모사 칩 구조체와 이를 이용하여 생체의 내강과 장기 내부에서 시험대상 약물의 약동학적 거동을 시험하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organ simulation chip, comprising: one or more insert modules, each of which has cells cultured; It includes a chip capable of inserting and arranging the insert module, wherein the insert module is inserted into the chip to form a chip, and the chip is an upper fluid channel, a lower fluid channel, and an upper fluid capable of adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel. An organ simulating chip structure comprising a channel flow rate control unit, forming an organ simulating chip in which an organ is simulated, and co-culturing the organ simulating chip to form the multi-organ microfluidic chip structure, and a living organism using the same. It relates to a method of testing the pharmacokinetic behavior of the drug under test within the lumen and organs of the organ.

신약 개발은 엄청난 비용과 긴 시간이 요구되지만 성공률은 10% 이하로 매우 낮다. 이런 문제를 해결하기 위해 장기 칩 (Organ-on-a-chip) 연구가 활발하게 진행되고 있다.1 장기 칩은 동물실험을 하지 않고 사람의 조직을 대체할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다. 많은 장기 칩이 개발 및 실험되고 있으며 약물 투여 후 체내 흡수, 분포, 대사, 배설 과정을 모사할 수 있는 생체 모사 다중장기 조직칩도 개발되고 있으며,2, 3 이러한 다중장기 조직칩을 이용하면 장, 간, 신장 등을 통해 약물이 장기에서 일어나는 변화를 예측할 수 있어 신약개발에 용이하다.4 또, 생체 모사 다중장기 조직칩을 통해 특정 질병을 유도하고 약물의 체내 흡수, 분포, 대사, 배설 특성을 이용하여 질병에 대한 약물의 효과 예측과 분석을 할 수 있다. 그러나 생체 모사 다중 장기조직 칩은 공동의 배양액으로 여러 장기들의 고유 기능들이 체내와 유사하게 발현되도록 유지해야 하므로 단일 장기 조직칩 제조보다 기술적 난이도가 높다. 이러한 문제점은 단일 장기 조직을 인서트 (insert)에서 독립적으로 배양한 후 각 장기조직이 배양된 인서트들을 하나의 통합된 칩 상에 집적하여 약물 시험을 할 수 있는 다중 장기 생체조직칩을 제조함으로 해결될 수 있다.Developing new drugs requires enormous costs and a long time, but the success rate is very low, less than 10%. To solve this problem, organ-on-a-chip research is actively underway. 1 Organ chips have the great advantage of being able to replace human tissue without animal testing. Many organ chips are being developed and tested, and biomimetic multi-organ tissue chips that can simulate the absorption, distribution, metabolism, and excretion processes in the body after drug administration are also being developed. 2, 3 Using these multi-organ tissue chips, the intestines, It is easy to develop new drugs because it is possible to predict changes that occur in organs due to drugs through the liver and kidneys. 4 In addition, a biomimetic multi-organ tissue chip can induce a specific disease and predict and analyze the effect of a drug on the disease by using the absorption, distribution, metabolism, and excretion characteristics of the drug in the body. However, biomimetic multi-organ tissue chips require a common culture medium to maintain the unique functions of multiple organs similar to those in the body, so the technical difficulty is higher than single-organ tissue chip manufacturing. This problem can be solved by cultivating single organ tissues independently on inserts and then integrating the cultured inserts of each organ tissue onto one integrated chip to manufacture a multi-organ tissue chip that can perform drug testing. You can.

생체 내 장기의 표면에는 생체 내로 들어오는 음식 및 소화액 등과 직접 접촉하는 상피세포가 있고, 상피세포를 통과하여 흡수된 성분은 장기 내측에 형성된 내피세포를 거쳐 혈액을 통해 간, 신장 등의 다른 기관으로 이동하고/하거나 분포, 대사, 배설 과정을 거치게 된다. 장, 간, 신장 등의 상피세포가 접하는 내강과 내피세포가 접하는 장기 내부는 서로 다른 환경을 이루며, 특히 다른 종류의 유체가 흐르게 된다. 예컨대, 소장의 내강에는 음식물, 소화액 등이 존재하며, 소장의 내측 내피세포가 접하는 쪽에는 혈액이 흐르고 있다. On the surface of organs in the living body, there are epithelial cells that come into direct contact with food and digestive juices entering the body, and components absorbed through the epithelial cells pass through the endothelial cells formed inside the organ and then move through the blood to other organs such as the liver and kidneys. and/or undergo distribution, metabolism, and excretion processes. The lumen where epithelial cells, such as intestines, liver, and kidneys, come into contact with, and the inside of organs where endothelial cells come into contact, form different environments, and in particular, different types of fluids flow. For example, food, digestive juices, etc. exist in the lumen of the small intestine, and blood flows through the side where the inner endothelial cells of the small intestine come into contact.

그런데, 이와 같은 양측 유체가 흐르는 통로는 화학적 환경이 전혀 다를 뿐만 아니라, 물리적 조건 또한 전혀 다르다. 이뿐만 아니라, 이러한 현상은 개인 간에도 차이가 있다. 예컨대 고혈압 환자의 경우 내강 쪽에는 유체의 흐름이 활발하고 통로의 단면적이 넓은데 비해, 장기 내측에는 혈관의 단면적이 작아져 일반인에 비해 혈액이 매우 느리게 이동한다. 이러한 거동 특성으로 인하여 특정 시험대상 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설 특성은 정상인에 비하여 다른 특징을 나타낼 수 있다.However, the passages through which fluids flow on both sides not only have completely different chemical environments, but also completely different physical conditions. In addition, this phenomenon also differs between individuals. For example, in patients with high blood pressure, fluid flow is active in the lumen and the cross-sectional area of the passage is wide, but the cross-sectional area of blood vessels inside the organ is small, so blood moves very slowly compared to the general population. Due to these behavioral characteristics, the absorption, distribution, metabolism, and excretion characteristics of a specific test drug may show different characteristics compared to normal people.

나아가, 장기의 종류에 따라서 장기 내측에 미세한 혈관이 흐르는 구조가 있을 수 있다. 예컨대 신장의 사구체나 세뇨관은 여타 조직에 비하여 단면적이 매우 작은 혈관이 분포되어 있다.Furthermore, depending on the type of organ, there may be a structure with fine blood vessels flowing inside the organ. For example, the glomeruli and tubules of the kidney are distributed with blood vessels whose cross-sectional area is very small compared to other tissues.

위와 같이, 개인별 및/또는 장기 조직별 특성에 따라 장기 내측의 유체 통로 단면적을 조절함으로써 생체 내 장기와 더욱 유사한 장기 모사 칩을 제공할 수 있다.As above, an organ simulation chip that is more similar to an in vivo organ can be provided by adjusting the cross-sectional area of the fluid passage inside the organ according to the characteristics of each individual and/or organ tissue.

한국등록특허 10-1744663 (2017.06.01. 등록) "위-장-간 생체 모사 마이크로 칩"Korean registered patent 10-1744663 (registered on 2017.06.01.) “Stomach-intestinal-liver biomimetic microchip” 한국공개특허공보 10-2018-0040407 (2018.04.20. 공개) "피부조직과 혈관을 모사한 무펌프 미세유체 스킨칩의 제작과 다중세포 배양방법"Korean Patent Publication No. 10-2018-0040407 (published on April 20, 2018) “Manufacturing of a pump-less microfluidic skin chip that simulates skin tissue and blood vessels and multi-cell culture method”

M. Rothbauer et al., Micromachines (Basel), 2021, 12.M. Rothbauer et al., Micromachines (Basel), 2021, 12. S. Ishida, Drug Metab Pharmacokinet, 2018, 33, 49-54.S. Ishida, Drug Metab Pharmacokinet, 2018, 33, 49-54. S. Fowler et al., Lab Chip, 2020, 20, 446-467.S. Fowler et al., Lab Chip, 2020, 20, 446-467. M. J. Wilmer et al., Trends in biotechnology, 2016, 34, 156-170.M. J. Wilmer et al., Trends in biotechnology, 2016, 34, 156-170. Wu et al. BioMed Eng OnLine (2020) 19:9, https://doi.org/10.1186/s12938-020-0752-0Wu et al. BioMed Eng OnLine (2020) 19:9, https://doi.org/10.1186/s12938-020-0752-0

본 발명은 인체 장기의 상피세포와 내피세포를 쌍으로 공배양하여 장기를 통한 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설 등의 약동학적 거동을 파악하므로써 전임상이나 임상시험을 거치지 않고 신약의 약효와 부작용등을 검증 하기위한 장기 모사 칩을 제공하려는 것을 목적으로 한다.The present invention co-cultivates epithelial cells and endothelial cells of human organs in pairs to determine the pharmacokinetic behavior of drugs such as absorption, distribution, metabolism, and excretion through organs, thereby determining the efficacy and side effects of new drugs without undergoing preclinical or clinical trials. The purpose is to provide a long-term simulation chip to verify.

또한, 본 발명은 장기 상피세포와 내피세포 (혈관세포)에 인가되는 유체의 전단응력이 인체내에서 서로 상이하기 때문에 각 세포층에 흐르는 유속을 다르게 조절할 수 있도록 설계된 장기 모사 칩을 제공하려는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide an organ simulation chip designed to differently control the flow rate through each cell layer because the shear stress of fluid applied to organ epithelial cells and endothelial cells (vascular cells) is different in the human body. do.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 장기 모사 칩에서 두 종류의 유체채널을 형성하고 내피세포에 해당하는 상부 유체채널에는 유속 조절부 (3)를 형성함으로써 장기 조직별로 유속을 조절할 수 있으며, 고혈압 환자와 같이 혈관의 단면적이 작은 경우에도 시험대상 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설 거동을 좀 더 정확하게 시험해볼 수 있다.In order to achieve the above object, the present inventors formed two types of fluid channels in an organ simulation chip and formed a flow rate control unit (3) in the upper fluid channel corresponding to the endothelial cells, so that the flow rate can be adjusted for each organ tissue, and patients with high blood pressure can control the flow rate. Even when the cross-sectional area of blood vessels is small, the absorption, distribution, metabolism, and excretion behavior of the drug under test can be tested more accurately.

본 발명에서 유속의 조절 방식에 특별한 제한은 없으며, 탄성을 가진 상부 유체채널과 접하는 탄성을 가진 칩 프레임의 일측이 아래쪽으로 눌리도록 하여 상부 유체채널의 단면적을 조절할 수 있다. In the present invention, there is no particular limitation on the method of controlling the flow rate, and the cross-sectional area of the upper fluid channel can be adjusted by pressing downward on one side of the elastic chip frame in contact with the elastic upper fluid channel.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 유체채널이 형성된 유연한 재질의 상부 채널 패턴층 (22) 위에 있는 칩 프레임 (21)에 나사구멍을 형성하고, 이 나사구멍에 조절나사 (3)를 넣어 조임으로써 상부 유체채널 (232)의 특정 부분 및/또는 칩 프레임 (21)의 특정 부분이 아래쪽으로 이동하는 방식으로 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절하여 상부 유체채널 (232)과 하부 유체채널 (242)의 유속을 다르게 만들 수 있다. 상기 조절나사는 제2 배양액 챔버가 있는 일측에만 하나 이상 형성할 수 있고, 제2 배양액 챔버가 있는 일측과 제2 배양액 출구가 있는 타측에 모두 각각 하나 이상의 조절나사를 형성할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a screw hole is formed in the chip frame 21 on the upper channel pattern layer 22 of a flexible material in which a fluid channel is formed, and an adjustment screw 3 is inserted into the screw hole and tightened. By adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232 in such a way that a specific part of the upper fluid channel 232 and/or a specific part of the chip frame 21 moves downward, the upper fluid channel 232 and the lower fluid channel 242 ) can be made different. One or more adjustment screws may be formed only on one side where the second culture medium chamber is located, and one or more adjustment screws may be formed on both one side where the second culture medium chamber is located and the other side where the second culture medium outlet is located.

본 발명의 다른 구체예에 따르면, 유체채널이 형성된 유연한 재질의 상부 채널 패턴층 위에 있는 칩 프레임에 홀을 형성하고 홀 내부에 중량체 (예컨대 분동과 같은 단위 중량체)를 하나 이상 넣음으로써 상부 유체채널 (232)의 특정 부분 및/또는 칩 프레임 (21)의 특정 부분이 아래쪽으로 이동하는 방식으로 상부 유체채널의 단면적을 조절하여 상부 유체채널 (232)과 하부 유체채널 (242)의 유속을 다르게 만들 수 있다. 중량체는 하나 이상의 단위 중량체를 사용하는 것이 바람직하다. 단위 중량체의 숫자를 늘리거나 또는 무거운 단위 중량체를 넣음으로써 상부 유체채널 (232)의 단면적과 유속을 조절할 수 있다. 유속 조절부 (3)의 일종으로서 상기 중량체를 넣는 홀은 제2 배양액 챔버가 있는 일측에만 하나 이상 형성할 수 있고/있거나, 제2 배양액 챔버가 있는 일측과 제2 배양액 출구가 있는 타측에 모두 각각 하나 이상의 중량체를 넣는 홀을 형성할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a hole is formed in a chip frame on an upper channel pattern layer of a flexible material in which a fluid channel is formed, and one or more weights (e.g., unit weights such as weights) are placed inside the hole to allow the upper fluid to flow. By adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel in such a way that a specific part of the channel 232 and/or a specific part of the chip frame 21 moves downward, the flow rate of the upper fluid channel 232 and the lower fluid channel 242 is varied. You can make it. It is preferable to use one or more unit weights as the weight. The cross-sectional area and flow rate of the upper fluid channel 232 can be adjusted by increasing the number of unit weights or adding heavier unit weights. As a type of flow rate control unit (3), one or more holes for inserting the weight may be formed only on one side where the second culture fluid chamber is located, and/or on both one side where the second culture fluid chamber is located and the other side where the second culture fluid outlet is located. Each hole can be formed to insert one or more weights.

본 발명의 또다른 구체예에 따르면, 상부 유체채널 (232)의 아래쪽에는 영구자석을 설치하고 이에 대응되는 상부 유체채널(232)의 위쪽 즉, 상부 유체채널 (232)의 특정 부분 및/또는 칩 프레임 (21)의 특정 부분에는 전자석을 설치하여 필요에 따라 전자석에 강하거나 약한 전기를 인가하거나 인가하지 않음으로써 전자석의 자력을 조절하여 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절하여 유속을 조절할 수 있다. 유속 조절부 (3)의 일종으로서 상기 전자석은 제2 배양액 챔버가 있는 일측에만 하나 이상 형성할 수 있고/있거나, 제2 배양액 챔버가 있는 일측과 제2 배양액 출구가 있는 타측에 모두 각각 하나 이상 형성할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a permanent magnet is installed below the upper fluid channel 232 and the corresponding upper fluid channel 232, that is, a specific portion and/or chip of the upper fluid channel 232. An electromagnet is installed in a specific part of the frame 21, and the magnetic force of the electromagnet is adjusted by applying or not applying strong or weak electricity to the electromagnet as needed. The cross-sectional area of the upper fluid channel 232 can be adjusted to control the flow rate. . As a type of flow rate control unit (3), one or more electromagnets may be formed only on one side where the second culture fluid chamber is located, and/or one or more electromagnets may be formed on both one side where the second culture fluid chamber is located and the other side where the second culture fluid outlet is located. can do.

본 발명의 또다른 구체예에 따르면, 유속 조절부 (3)의 일종으로서 칩 프레임 (21)의 특정 부분에 홀을 형성하고, 형성된 홀의 내주면에 걸림턱을 다수 개 형성한 다음 홀에 일정 높이의 누름 부재를 위치하게 한 다음 누름 부재를 홀 내부로 깊이 눌러 특정 높이의 걸림턱에 걸리도록 작동시키는 방식으로 상부 유체채널 (232)의 단면을 조절할 수 있고, 이에 따라 상부 유체채널 (232) 내부의 유속을 조절할 수 있다. 유속 조절부 (3)의 일종으로서 상기 내주에 걸림턱이 다수 개 형성된 홀 및 그 내부에 위치하는 누름 부재는 제2 배양액 챔버가 있는 일측에만 하나 이상 형성할 수 있고/있거나, 제2 배양액 챔버가 있는 일측과 제2 배양액 출구가 있는 타측에 모두 각각 하나 이상 형성할 수 있다.According to another specific example of the present invention, a hole is formed in a specific part of the chip frame 21 as a type of flow rate control unit 3, a plurality of locking protrusions are formed on the inner peripheral surface of the formed hole, and then a certain height is placed in the hole. The cross-section of the upper fluid channel 232 can be adjusted by positioning the pressing member and then pressing the pressing member deeply into the hole so that it is caught on a stop at a specific height. Accordingly, the cross section of the upper fluid channel 232 can be adjusted. The flow rate can be adjusted. As a type of flow rate control unit (3), one or more holes having a plurality of locking protrusions formed on the inner circumference and a pressing member located inside the hole may be formed only on one side where the second culture medium chamber is located, and/or the second culture medium chamber may be formed at least one hole. One or more can be formed on both the one side where the second culture medium outlet is located and the other side where the second culture medium outlet is located.

위와 같이 유속 조절부 (3)는 다양한 형태 및/또는 방식으로 형성할 수 있으며, 위에 제시된 구체예들은 예시적인 것일 뿐 본 발명의 유속 조절부가 이에 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.As described above, the flow rate control unit 3 can be formed in various shapes and/or methods, and the specific examples presented above are merely illustrative, and the flow rate control unit of the present invention is not limited thereto, as is commonly known in the technical field to which the present invention pertains. It is self-evident to those who have the knowledge of

또한, 본 발명에서는 다공성 막을 사용하여 다공성 막의 양측에 각각 내피세포와 상피세포를 배양하고 여기에 전단 응력을 가하여 인체 장기를 모사한 칩을 제공한다.In addition, the present invention provides a chip that simulates human organs by using a porous membrane to culture endothelial cells and epithelial cells on both sides of the porous membrane and applying shear stress to them.

본 발명의 장기 모사 칩에서 유체채널을 통해 흐르는 유체의 흐름은 펌프와 같은 장치를 이용하여 형성할 수 있고, 바람직하게는 중력을 이용하여 장기 모사 칩을 특정 각도로 기울여 별도의 동력을 가하지 않고도 유체의 흐름을 만들 수 있을 뿐만 아니라, 펌프와 칩을 연결하는 관을 사용하지 않아도 되므로 관을 통한 공기방울의 유입이나 오염에 의한 감염을 방지할 수 있다.The flow of fluid flowing through the fluid channel in the organ simulation chip of the present invention can be formed using a device such as a pump, and preferably, the organ simulation chip can be tilted at a specific angle using gravity to fluidize the organ without applying additional power. Not only can it create a flow, but there is no need to use a pipe connecting the pump and the chip, preventing infection due to the inflow of air bubbles or contamination through the pipe.

본 발명의 일 구현예에 따른 장기 모사 칩의 구조는 다음과 같다.The structure of the organ simulation chip according to one embodiment of the present invention is as follows.

기판 (25), 하부 채널 패턴층 (24), 중간 분리 패턴층 (23), 상부 채널 패턴층 (22), 칩 프레임 (21) 순서대로 쌓아올려 칩 (2)을 만든다.A chip (2) is made by stacking the substrate (25), lower channel pattern layer (24), middle separation pattern layer (23), upper channel pattern layer (22), and chip frame (21) in that order.

유체의 흐름은 중력기반시스템을 사용하여 형성하였다.The fluid flow was created using a gravity-based system.

하부 유체채널에 제공되는 배지 (또는 제1 배양액)(240)는 제1 배양액 챔버 (241)에서 하부 유체채널 (242)을 통해 반대편의 제1 배양액 출구 (243)로 나온다.The medium (or first culture medium) 240 provided to the lower fluid channel exits from the first culture medium chamber 241 through the lower fluid channel 242 to the first culture medium outlet 243 on the opposite side.

상부 유체채널에 제공되는 배지 (또는 제2 배양액)(230)는 제2 배양액 챔버 (231)에서 상부 유체채널 (232)을 통해 반대편의 제2 배양액 출구 (233)로 나온다.The medium (or second culture medium) 230 provided to the upper fluid channel comes out of the second culture medium chamber 231 through the upper fluid channel 232 to the second culture medium outlet 233 on the opposite side.

상부 유체채널을 통해 배지가 흐를 때 인서트에는 상부 유체 채널 연결구멍 (13)을 통해 유체가 흐르게 된다.When the medium flows through the upper fluid channel, fluid flows through the upper fluid channel connection hole (13) in the insert.

제1 배양액 챔버 (241)로부터 하부 유체채널 (242)을 통해 흐르는 배지는 인서트 (1)의 다공성 막 (112) 바닥에 시딩된 세포에 영양분을 공급한다.The medium flowing from the first culture medium chamber 241 through the lower fluid channel 242 supplies nutrients to the cells seeded on the bottom of the porous membrane 112 of the insert 1.

제2 배양액 챔버 (231)로부터 상부 유체채널 (232)을 통해 흐르는 배지는 인서트 (1)의 다공성 막 (112) 위에 시딩된 세포에 영양분을 공급한다.The medium flowing from the second culture chamber 231 through the upper fluid channel 232 supplies nutrients to the cells seeded on the porous membrane 112 of the insert 1.

상부 유체채널 유속 조절부 (3)는 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절함으로써 유속을 조절한다.The upper fluid channel flow rate controller (3) controls the flow rate by adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel (232).

기판은 재질에 특별한 제한이 있는 것은 아니며, 하부 유체채널을 통해 흐르는 배양액 또는 시험대상 물질과 화학반응을 일으키지 않는 재질이면 가능하다. 바람직하게는 유리 재질을 사용할 수 있다.There is no particular limitation on the material of the substrate, and any material that does not cause a chemical reaction with the culture medium flowing through the lower fluid channel or the substance to be tested can be used. Preferably, glass material can be used.

제1 배양액 챔버 (241), 하부 유체채널 (242), 제1 배양액 출구 (243), 제2 배양액 챔버 (231), 상부 유체채널 (232), 제2 배양액 출구 (233)는 배양액 또는 시험대상 물질과 반응하지 않는 재질이면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 금속 몰드를 사용하여 PDMS 재질로 제작할 수 있다.The first culture medium chamber (241), the lower fluid channel (242), the first culture medium outlet (243), the second culture medium chamber (231), the upper fluid channel (232), and the second culture medium outlet (233) are the culture medium or test object. There is no particular limitation as long as it is a material that does not react with the substance, but it can preferably be made of PDMS material using a metal mold.

칩 프레임 (21)은 배양액 또는 시험대상 물질과 반응하지 않는 재질이면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 폴리카보네이트 또는 폴리스타이렌 재질일 수 있다. The chip frame 21 is not particularly limited as long as it is made of a material that does not react with the culture medium or the material to be tested, but is preferably made of polycarbonate or polystyrene.

중간 분리 패턴층 (23)은 상부 채널 패턴층 (22)과 하부 채널 패턴층 (24) 사이에 위치하여 두 층을 분리하는 기능을 하나, 필수적인 구성요소는 아니다.The middle separation pattern layer 23 is located between the upper channel pattern layer 22 and the lower channel pattern layer 24 and functions to separate the two layers, but is not an essential component.

또한, 하부 채널 패턴층 (24)과 상부 채널 패턴층 (22)은 별도의 판재로 형성하지 않고, 하나의 판재에 상부 유체채널 (232), 하부 유체채널 (242) 등을 형성하는 것도 가능하다.In addition, the lower channel pattern layer 24 and the upper channel pattern layer 22 are not formed from separate plates, but it is also possible to form the upper fluid channel 232, lower fluid channel 242, etc. on a single plate. .

또한, 하부 채널 패턴층 (24), 중간 분리 패턴층 (23)과 상부 채널 패턴층 (22)은 별도의 판재로 형성하지 않고, 하나의 판재에 상부 유체채널 (232), 하부 유체채널 (242) 등을 형성하는 것도 가능하다.In addition, the lower channel pattern layer 24, the middle separation pattern layer 23, and the upper channel pattern layer 22 are not formed from separate plates, but the upper fluid channel 232 and the lower fluid channel 242 are formed from a single plate. ), etc. are also possible.

또한, 하부 채널 패턴층 (24), 중간 채널 패턴층 (23), 상부 채널 패턴층 (22)과 칩 프레임 (21)은 별도의 판재로 형성하지 않고, 하나의 판재에 상부 유체채널 (232), 하부 유체채널 (242) 등을 형성하는 것도 가능하다.In addition, the lower channel pattern layer 24, the middle channel pattern layer 23, the upper channel pattern layer 22, and the chip frame 21 are not formed of separate plates, but the upper fluid channel 232 is formed on a single plate. , it is also possible to form a lower fluid channel 242, etc.

위와 같은 층의 구분은 칩 제작의 편의를 위한 것일 뿐 필수적인 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.It is obvious to those skilled in the art that the above division of layers is only for the convenience of chip manufacturing and is not essential.

인서트 (1)에 다공성 막 (112)을 붙이고, 인서트 (1)와 칩 (2) 사이에 오링 (12)을 끼워 누수를 방지한다. 다공성 막 (112)의 위쪽과 아래쪽에는 모두 세포를 부착하여 배양한다. 인서트 (1)와 칩 (2)의 인서트 결합부 (26) 간 결합 방식에 특별한 제한은 없으나, 억지끼움 하거나 또는 스크류 형식으로 돌려끼울 수 있다.Attach a porous membrane (112) to the insert (1), and insert an O-ring (12) between the insert (1) and the chip (2) to prevent water leakage. Cells are attached and cultured on both the top and bottom of the porous membrane 112. There is no particular limitation on the coupling method between the insert (1) and the insert coupling portion (26) of the chip (2), but it can be press-fitted or screw-fitted.

본 발명의 장기 모사 칩은 신장, 간, 위, 소장, 대장, 폐를 비롯한 다양한 장기를 모사하는 칩으로 이용할 수 있다.The organ simulation chip of the present invention can be used as a chip to simulate various organs, including the kidney, liver, stomach, small intestine, large intestine, and lung.

본 발명은 장기 모사 칩 구조체에 있어서,The present invention relates to an organ simulation chip structure,

각각에서 세포가 배양된 하나 이상의 인서트 (1) 모듈; 및One or more inserts (1) modules, each with cells cultured; and

상기 인서트 (1) 모듈의 삽입 배치가 가능한 칩을 포함하되,Includes a chip capable of inserting and placing the insert (1) module,

상기 칩에 상기 복수의 인서트 (1) 모듈이 삽입되어 장기 모사 칩을 형성하고,The plurality of insert (1) modules are inserted into the chip to form an organ simulation chip,

상기 장기 모사 칩은 상부 유체채널 (232)과 하부 유체채널 (242) 및 상기 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절할 수 있는 상부 유체채널 유속 조절부 (3)를 포함하며,The organ simulation chip includes an upper fluid channel 232, a lower fluid channel 242, and an upper fluid channel flow rate controller 3 capable of adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232,

상기 장기 모사 칩에 대해 공 배양을 진행하여 상기 장기 모사 칩 구조체가 형성되는 것인, 장기 모사 칩 구조체에 관한 것이다.It relates to an organ simulating chip structure, wherein the organ simulating chip structure is formed by co-culturing the organ simulating chip.

또한, 본 발명은 상기 장기 모사 칩 구조체가In addition, the present invention is that the organ simulating chip structure is

기판 (25), 상기 기판 (25) 위에 적층되는 하부채널 패턴층 (24), 상기 하부채널 패턴층 (24) 위에 적층되는 상부채널 패턴층 (22), 및 상기 상부채널 패턴층 (22) 위에 적층되는 칩 프레임 (21)을 포함하도록 형성되고,A substrate 25, a lower channel pattern layer 24 laminated on the substrate 25, an upper channel pattern layer 22 laminated on the lower channel pattern layer 24, and on the upper channel pattern layer 22. Formed to include a stacked chip frame (21),

제1 배양액 챔버 (241); 제2 배양액 챔버 (231); 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈 각각을 삽입할 수 있도록 상측이 개구된 상태로 하향 함몰 형성되는 하나 이상의 인서트 결합부 (26); 제1 배양액 출구 (243); 제2 배양액 출구 (233);First culture medium chamber 241; a second culture chamber (231); One or more insert coupling portions (26) that are downwardly recessed with their upper sides open so that each of the one or more insert (1) modules can be inserted; First culture outlet (243); second culture outlet (233);

상기 제1 배양액 챔버 (241)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제1 배양액 출구 (243) 사이에서 제1 배양액 (240)의 이동이 가능하도록 상기 제1 배양액 챔버 (241)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제1 배양액 출구 (243)를 연결하는 하부 유체채널 (242)을 포함하며,The first culture medium chamber 241 to enable movement of the first culture medium 240 between the one or more insert cell culture chambers 111 and the first culture medium outlet 243. It includes a lower fluid channel 242 connecting the one or more insert cell culture chambers 111 and the first culture outlet 243,

상기 제2 배양액 챔버 (231)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제2 배양액 출구 (233) 사이에서 제2 배양액 (230)의 이동이 가능하도록 상기 제2 배양액 챔버 (231)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제2 배양액 출구 (233)를 연결하는 상부 유체채널 (232)을 포함하며,The second culture medium chamber 231 to enable movement of the second culture medium 230 between the second culture medium chamber 231 and the one or more insert cell culture chambers 111 and the second culture medium outlet 233. It includes an upper fluid channel (232) connecting the one or more insert cell culture chambers (111) and the second culture outlet (233),

인서트 (1)는 상기 칩 프레임 (21), 상기 상부채널 패턴층 (22), 상기 하부 채널 패턴층 (24)을 관통하여 수직 방향으로 형성되며, 인서트 세포배양 챔버 (111)가 내부에 형성되며, 상기 인서트 세포배양 챔버 (111)의 일측에 다공성 막 (112)이 형성되며, 상기 다공성 막 (112)의 양측 표면에 각각 상피 세포와 내피 세포가 배양되며,The insert 1 is formed in a vertical direction through the chip frame 21, the upper channel pattern layer 22, and the lower channel pattern layer 24, and an insert cell culture chamber 111 is formed therein. , a porous membrane 112 is formed on one side of the insert cell culture chamber 111, and epithelial cells and endothelial cells are cultured on both surfaces of the porous membrane 112, respectively,

상부 유체채널 유속 조절부 (3)는 상기 칩 프레임 (21)에 형성되며, 상기 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절하여 상부 유체채널 (232)의 유속을 조절하는 것인, 장기 모사 칩 구조체에 관한 것이다.The upper fluid channel flow rate control unit 3 is formed on the chip frame 21 and controls the flow rate of the upper fluid channel 232 by adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232. Long-term simulation chip structure. It's about.

또한, 본 발명은 상기 장기 모사 칩 구조체가 In addition, the present invention is that the organ simulating chip structure is

(가) 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈에 동일한 종류의 장기가 모사된 것 또는(a) one or more inserts (1) that simulate the same type of organ in the module; or

(나) 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈에 각각 다른 종류의 장기가 모사된 것인, 장기 모사 칩 구조체에 관한 것이다.(B) It relates to an organ simulation chip structure in which different types of organs are simulated in the one or more modules of the insert (1).

또한, 본 발명은 상기 칩 프레임 (21)이 탄성 재질로 형성되는, 장기 모사 칩 구조체에 관한 것이다.Additionally, the present invention relates to a long-term simulating chip structure in which the chip frame 21 is formed of an elastic material.

또한, 본 발명은 상부 유체채널 유속 조절부 (3)가 나사, 중량체 또는 탄성체를 포함하는 것인, 장기 모사 칩 구조체에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to an organ simulation chip structure in which the upper fluid channel flow rate control unit 3 includes a screw, a weight, or an elastic body.

또한, 본 발명은 상기 하부 유체채널 (242)이 장기의 내강을 모사하고, 상기 상부 유체채널 (232)이 장기의 내측을 모사하는 것을 특징으로 하는 장기 모사 칩 구조체에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to an organ simulation chip structure, wherein the lower fluid channel 242 simulates the lumen of the organ, and the upper fluid channel 232 simulates the inside of the organ.

또한, 본 발명은 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈 각각에 공급되는 배지의 성분 및 양이 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈 각각에서 배양되는 세포별 배양 요구조건을 고려하여 개별적으로 조절되는 것인, 장기 모사 칩 구조체에 관한 것이다.In addition, the present invention is one in which the components and amounts of the medium supplied to each of the one or more insert (1) modules are individually adjusted in consideration of the culture requirements for each cell cultured in each of the one or more insert (1) modules, It is about a long-term simulation chip structure.

이뿐만 아니라, 본 발명은 장기 모사 칩 구조체를 이용하여 시험대상 약물의 약동학 거동을 시험하는 방법에 있어서,In addition, the present invention relates to a method for testing the pharmacokinetic behavior of a drug to be tested using an organ simulating chip structure,

상기 장기 모사 칩 구조체는The long-term simulation chip structure is

세포가 배양된 하나 이상의 인서트 (1) 모듈; 및One or more inserts (1) module in which cells are cultured; and

상기 인서트 모듈의 삽입 배치가 가능한 칩을 포함하되,Includes a chip capable of inserting and placing the insert module,

상기 칩에 상기 인서트 모듈이 결합되어 장기 모사 칩을 형성하고,The insert module is combined with the chip to form an organ simulation chip,

상기 장기 모사 칩은 상부 유체채널 (232)과 하부 유체채널 (242) 및 상기 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절할 수 있는 상부 유체채널 유속 조절부 (3)를 포함하며,The organ simulation chip includes an upper fluid channel 232, a lower fluid channel 242, and an upper fluid channel flow rate controller 3 capable of adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232,

상부 유체채널 (232)과 하부 유체채널 (242)에는 각각 다른 유체가 흐르도록 하고,Different fluids flow through the upper fluid channel 232 and the lower fluid channel 242, respectively.

상부 유체채널 (232)은 조건에 따라 상부 유체채널 유속 조절부 (3)로 단면적을 조절하여 유체의 유속을 조절할 수 있음을 특징으로 하는, 시험대상 약물의 약동학 거동을 시험하는 방법에 관한 것이다.The upper fluid channel 232 relates to a method of testing the pharmacokinetic behavior of a drug to be tested, characterized in that the flow rate of the fluid can be adjusted by adjusting the cross-sectional area with the upper fluid channel flow rate controller 3 according to conditions.

또한, 본 발명은 상기 방법에서 장기 모사 칩 구조체가In addition, the present invention provides an organ simulation chip structure in the above method.

기판 (25), 상기 기판 (25) 위에 적층되는 하부채널 패턴층 (24), 상기 하부채널 패턴층 (24) 위에 적층되는 상부채널 패턴층 (22), 및 상기 상부채널 패턴층 (22) 위에 적층되는 칩 프레임 (21)을 포함하도록 형성되고,A substrate 25, a lower channel pattern layer 24 laminated on the substrate 25, an upper channel pattern layer 22 laminated on the lower channel pattern layer 24, and on the upper channel pattern layer 22. Formed to include a stacked chip frame (21),

제1 배양액 챔버 (241); 제2 배양액 챔버 (231); 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈 각각을 삽입할 수 있도록 상측이 개구된 상태로 하향 함몰 형성되는 하나 이상의 인서트 결합부 (26); 제1 배양액 출구 (243); 제2 배양액 출구 (233);First culture medium chamber 241; a second culture chamber (231); One or more insert coupling portions (26) that are downwardly recessed with their upper sides open so that each of the one or more insert (1) modules can be inserted; First culture outlet (243); second culture outlet (233);

상기 제1 배양액 챔버 (241)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제1 배양액 출구 (243) 사이에서 제1 배양액 (240)의 이동이 가능하도록 상기 제1 배양액 챔버 (241)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제1 배양액 출구 (243)를 연결하는 하부 유체채널 (242)을 포함하며,The first culture medium chamber 241 to enable movement of the first culture medium 240 between the one or more insert cell culture chambers 111 and the first culture medium outlet 243. It includes a lower fluid channel 242 connecting the one or more insert cell culture chambers 111 and the first culture outlet 243,

상기 제2 배양액 챔버 (231)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제2 배양액 출구 (233) 사이에서 제2 배양액 (230)의 이동이 가능하도록 상기 제2 배양액 챔버 (231)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제2 배양액 출구 (233)를 연결하는 상부 유체채널 (232)을 포함하며,The second culture medium chamber 231 to enable movement of the second culture medium 230 between the second culture medium chamber 231 and the one or more insert cell culture chambers 111 and the second culture medium outlet 233. It includes an upper fluid channel (232) connecting the one or more insert cell culture chambers (111) and the second culture outlet (233),

인서트 (1)는 상기 칩 프레임 (21), 상기 상부채널 패턴층 (22), 상기 하부 채널 패턴층 (24)을 관통하여 수직 방향으로 형성되며, 인서트 세포배양 챔버 (111)가 내부에 형성되며, 상기 인서트 세포배양 챔버 (111)의 일측에 다공성 막 (112)이 형성되며, 상기 다공성 막 (112)의 양측 표면에 각각 상피 세포와 내피 세포가 배양되며,The insert 1 is formed in a vertical direction through the chip frame 21, the upper channel pattern layer 22, and the lower channel pattern layer 24, and an insert cell culture chamber 111 is formed therein. , a porous membrane 112 is formed on one side of the insert cell culture chamber 111, and epithelial cells and endothelial cells are cultured on both surfaces of the porous membrane 112, respectively,

상부 유체채널 유속 조절부 (3)는 상기 칩 프레임 (21)에 형성되며, 상기 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절하여 상부 유체채널 (232)의 유속을 조절하는 것인, 시험대상 약물의 약동학 거동을 시험하는 방법에 관한 것이다.The upper fluid channel flow rate control unit 3 is formed on the chip frame 21 and controls the flow rate of the upper fluid channel 232 by adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232. It relates to methods for testing pharmacokinetic behavior.

약동학 거동 시험의 일례로서 약동학적 거동 중 근위세뇨관 조직의 배설 기능을 확인하기 위해 내피세포에서 약물을 흡수하여 외피세포에서 외부로 배출하는 약물 배설 기능의 평가는 투여된 약물 농도와 배설된 약물 농도를 측정하여 비율로 결정한다.As an example of a pharmacokinetic behavior test, in order to determine the excretory function of the proximal tubule tissue during pharmacokinetic behavior, the evaluation of the drug excretory function, which absorbs drugs from endothelial cells and excretes them to the outside from outer epithelial cells, is performed by comparing the administered drug concentration and the excreted drug concentration. Measure and determine the ratio.

본 발명의 장기 모사 칩은 장기의 상피와 내피를 모사하고, 필요에 따라 내피 측의 유체채널 단면적을 적절하게 조절함으로써 좀 더 생체의 장기 조직과 유사한 환경을 모사할 수 있다.The organ simulation chip of the present invention simulates the epithelium and endothelium of an organ, and can simulate an environment more similar to organ tissue in a living body by appropriately adjusting the cross-sectional area of the fluid channel on the endothelium side as needed.

또한, 본 발명의 장기 모사 칩은 모사 대상 장기에 따라 및/또는 고혈압과 같은 특정 질병에 따라 유체채널의 단면적을 간단한 방법으로 조절할 수 있으므로 장기별 및/또는 질병별 시험대상 약물의 약동학을 좀 더 정확하게 시험할 수 있다.In addition, the organ simulation chip of the present invention can adjust the cross-sectional area of the fluid channel in a simple manner according to the organ to be simulated and/or a specific disease such as high blood pressure, so that the pharmacokinetics of the drug to be tested for each organ and/or disease can be better understood. It can be tested accurately.

도 1a와 도 1b는 생체조직 모사 칩의 측면 모식도이다. 도 1a는 단일 장기 조직 칩이고, 도 1b는 다중 장기 조직 칩이다.
도 2a와 도 2b는 인서트를 장기 조직 칩에 장착한 모습을 나타낸 것이다. 좌측은 아래에서부터 차례로 하부 채널 패턴층, 중간 분리 패턴층, 상부 채널 패턴층 및 칩 프레임의 평면도이다. 도 2a는 단일 장기 조직 칩에 인서트를 장착한 모양이고, 도 2b는 다중 장기 조직 칩에 인서트를 장착한 모양이다.
도 3은 세포가 배양된 인서트가 장착된 장기 조직 칩에 제1 배양액과 제2 배양액을 넣은 상태를 나타낸다. (a) 인서트 배양 플레이트, (b) 인서트 배양 플레이트에 인서트를 뒤집은 상태로 끼우고, 다공성 막 위에 콜라겐층을 형성하고, 그 위에 상피세포를 부착 및 배양하는 모식도, (c) 상피세포가 배양된 인서트를 장기 조직 칩에 끼워넣고 다공성 막 위에 콜라겐 층을 형성하고, 그 위에 내피세포를 부착 및 배양한 상태를 나타낸 모식도.
도 4는 인서트 배양 플레이트의 3D 모식도이다.
도 5는 인서트 배양 플레이트에 인서트를 끼운 상태 사진이다. 왼쪽 위 사진은 인서트 배양 플레이트 아래쪽에 인서트를 끼운 상태이며, 오른쪽 위 사진은 인서트에 배양액 (핑크색 액체)을 넣은 상태의 사진이고, 아래쪽 사진은 인서트를 끼운 상태의 인서트 배양 플레이트의 측면 사진이다.
1A and 1B are side schematic diagrams of a biological tissue simulation chip. Figure 1A is a single organ tissue chip, and Figure 1B is a multi-organ tissue chip.
Figures 2a and 2b show the insert mounted on an organ tissue chip. On the left is a plan view of the lower channel pattern layer, the middle separation pattern layer, the upper channel pattern layer, and the chip frame, in order from the bottom. Figure 2a shows an insert mounted on a single organ tissue chip, and Figure 2b shows an insert mounted on a multi-organ tissue chip.
Figure 3 shows a state in which a first culture medium and a second culture medium were placed in an organ tissue chip equipped with an insert in which cells were cultured. (a) Insert culture plate, (b) Insert culture plate A schematic diagram of inserting the insert in an inverted state, forming a collagen layer on a porous membrane, and attaching and culturing epithelial cells thereon; (c) inserting the insert with cultured epithelial cells into an organ tissue chip and forming a collagen layer on the porous membrane; A schematic diagram showing the state in which endothelial cells are formed and endothelial cells are attached and cultured thereon.
Figure 4 is a 3D schematic diagram of an insert culture plate.
Figure 5 is a photograph of the insert inserted into the insert culture plate. The upper left photo is a photo with the insert placed under the insert culture plate, the upper right photo is a photo with the culture medium (pink liquid) placed in the insert, and the lower photo is a side photo of the insert culture plate with the insert inserted.

아래에서는 구체적인 실시예를 들어 본 발명의 구성을 좀 더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 실시예의 기재에 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.Below, the configuration of the present invention will be described in more detail through specific examples. However, it is obvious to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to the description of the examples.

장치 제작Device fabrication

본 발명의 일 실시예에 의한 장기 모사 칩은 기판, PDMS (Polydimethylsiloxane)로 제조된 상부 채널 패턴층, 중간 분리 패턴층 및 하부 채널 패턴층, PC (Polycarbonate)로 제조된 칩 프레임 및 인서트를 포함한다 (도 1a, 도 1b). 양각된 알루미늄 금속 몰드를 사용하여 폭 0.25 mm, 높이 0.2 mm인 미세유체 채널이 패턴된 PDMS 층 (하부채널 패턴층, 상부채널 패턴층, 중간분리 패턴층)을 제작하였다. PDMS는 실리콘 탄성 주제 (Silicone Elastomer Base)와 실리콘 탄성 경화제 (Silicone Elastomer Curing Agent; Sylgard 184, K1 solution)를 10:1로 섞어 사용하였다. 몰드에 들어있는 PDMS의 윗면을 밀어 평평하게 만들어 주었다. PDMS 층 위에 PET 필름을 기포가 생기지 않도록 얹었다. 무게가 있는 중량체로 덮고 양쪽 사이드를 클립으로 고정한 후 80 ℃ 오븐에서 1시간 동안 열을 가하여 굳혔다. 몰드로부터 PDMS를 떼어내고 필요한 부분에 바이오 펀치로 홀을 형성하였다.The long-term simulation chip according to an embodiment of the present invention includes a substrate, an upper channel pattern layer made of PDMS (Polydimethylsiloxane), a middle separation pattern layer and a lower channel pattern layer, and a chip frame and insert made of PC (Polycarbonate). (Figure 1a, Figure 1b). Using an embossed aluminum metal mold, a PDMS layer (lower channel pattern layer, upper channel pattern layer, and middle separation pattern layer) patterned with microfluidic channels with a width of 0.25 mm and a height of 0.2 mm was fabricated. PDMS was used by mixing Silicone Elastomer Base and Silicone Elastomer Curing Agent (Sylgard 184, K1 solution) in a ratio of 10:1. The top surface of the PDMS in the mold was pushed and made flat. A PET film was placed on the PDMS layer to prevent bubbles from forming. It was covered with a weighted body, fixed on both sides with clips, and hardened by heating in an oven at 80°C for 1 hour. PDMS was removed from the mold, and holes were formed with a bio-punch in the necessary areas.

PC 층 (칩 프레임)은 PC 기판을 기계적으로 가공하여 배지를 넣을 수 있는 배지챔버와 인서트를 끼울 수 있는 인서트 챔버로 제작하였다.The PC layer (chip frame) was manufactured by mechanically processing a PC board into a badge chamber into which badges can be placed and an insert chamber into which inserts can be inserted.

O2 플라즈마 처리를 통해 유리 기판과 PDMS 3개의 층 즉, 하부채널 패턴층, 중간 분리 패턴층, 상부채널 패턴층을 부착하였다.Through O 2 plasma treatment, three layers of PDMS were attached to the glass substrate: the lower channel pattern layer, the middle separation pattern layer, and the upper channel pattern layer.

PC 층 (칩 프레임)에 양면테이프를 기포가 생기지 않게 붙인 후 필요한 부분에 바이오 펀치로 홀을 형성하였다. 칩 프레임의 양면테이프를 제거하고 상부채널 패턴층에 단단하게 붙였다.After attaching double-sided tape to the PC layer (chip frame) to prevent bubbles from forming, holes were formed with a bio-punch in the necessary areas. The double-sided tape on the chip frame was removed and firmly attached to the upper channel pattern layer.

인서트 세포배양 챔버에 오링을 끼운 후 오토클레이브에서 121 ℃로 5분간 처리하였다.After inserting the O-ring into the insert cell culture chamber, it was treated in an autoclave at 121°C for 5 minutes.

칩 구조체 한 쪽 끝에 위치한 제1 배양액 챔버, 제2 배양액 챔버 및 다른 쪽 끝에 위치한 제1 배양액 출구 및 제2 배양액 출구는 PDMS 층에 형성된 상부 유체채널 및 하부 유체채널을 통하여 기울인 상태에서 중력에 의해 높은 쪽 챔버에서 낮은 쪽 출구로 배지가 흐름에 따라 그 사이에 위치한 인서트들의 다공성 막을 통과하여 흐르게 된다.The first culture medium chamber, the second culture medium chamber located at one end of the chip structure, and the first culture medium outlet and second culture medium outlet located at the other end are tilted through the upper fluid channel and the lower fluid channel formed in the PDMS layer by gravity. As the medium flows from the lower chamber to the lower outlet, it flows through the porous membrane of the inserts located between them.

인서트 세포배양 챔버 내 측면에는 인서트를 나사식으로 고정할 수 있도록 스크류 와 오링을 끼울 수 있는 홈을 만들었다. 인서트도 PC 재질을 사용할 수 있으며, 인서트 외부 측면에도 칩에 끼울 수 있도록 스크류 가공을 하고, 세포 배양을 위해 기공 직경이 0.45 μm이고, 기공 밀도가 3.5x106 pores/cm2인 다공성 막 (Polyester Membrane filter, It4ip)을 에폭시 (Resin + hardener, 하이템프코리아)를 사용하여 인서트 하단부에 부착하고, 24시간 건조한 후 칩 프레임에 조립하였다.On the side of the insert cell culture chamber, a groove was made into which a screw and an O-ring could be inserted to screw the insert. The insert can also be made of PC material, and the outer side of the insert is also screw-processed so that it can be inserted into a chip. For cell culture, a porous membrane (Polyester Membrane) with a pore diameter of 0.45 μm and a pore density of 3.5x10 6 pores/cm 2 is used. filter, It4ip) was attached to the lower part of the insert using epoxy (Resin + hardener, Hi Temp Korea), dried for 24 hours, and then assembled on the chip frame.

세포배양 및 배양 조건Cell culture and culture conditions

에폭시가 굳기 전에 인서트 위에 에폭시를 얇게 바른 후 다공성 막 (0.4 μm, 5.6mm)을 붙이고 하루 동안 굳힌 후 오토클레이브 (121도, 5분)로 처리하였다.Before the epoxy hardened, a thin layer of epoxy was applied on the insert, a porous membrane (0.4 μm, 5.6 mm) was attached, it was hardened for a day, and then autoclaved (121 degrees, 5 minutes).

콜라겐 1 (5mg/ml) : NaHCO3 : HEPES = 8 : 1 : 1로 섞어 콜라겐 용액을 만들었다.Collagen 1 (5mg/ml) : NaHCO 3 : HEPES = 8 : 1 : 1 was mixed to create a collagen solution.

인서트 (1)를 인서트 세포 배양 플레이트 (5)에 끼운 후 인서트 (1)의 다공성 막 (112) 위쪽에 콜라겐 용액을 5 ul씩 골고루 펴지게 넣고 30분간 인큐베이터 (37 ℃, 5%)에 넣어 코팅하였다.After inserting the insert (1) into the insert cell culture plate (5), spread 5 ul of collagen solution evenly on top of the porous membrane (112) of the insert (1) and place in an incubator (37°C, 5%) for 30 minutes to coat. did.

내피세포의 일종으로서 HUVEC (Human Umbilical Vein Endothelial Cells; 3 X 106 cell/ml)을 100 ul씩 콜라겐 용액 코팅으로 콜라겐 층 (6)이 형성된 인서트에 넣고 1시간 동안 5% CO2, 37 ℃ 조건의 인큐베이터에서 배양하였다. 배양 배지로는 시판 중인 내피세포 성장 배지를 사용하였고 실험에는 계대번호 6~8번의 세포가 사용되었다.As a type of endothelial cell, HUVEC (Human Umbilical Vein Endothelial Cells; 3 Cultured in an incubator. As a culture medium A commercially available endothelial cell growth medium was used, and cells with passage numbers 6 to 8 were used in the experiment.

칩의 하부 유체채널과 상부 유체채널을 PBS로 1회, 배지로 1회 이상 세척하였다. 상부 유체채널은 REGM (Renal epithelial cell growth medium)으로, 하부 유체채널은 EGM2 (Epithelial cell growth medium 2)로 세척하였다.The lower and upper fluid channels of the chip were washed once with PBS and more than once with medium. The upper fluid channel was washed with REGM (Renal epithelial cell growth medium), and the lower fluid channel was washed with EGM2 (Epithelial cell growth medium 2).

시딩이 끝난 인서트 (1)는 플레이트 (5)에 장착된 상태로 하루 동안 배양하였다. 하루 뒤 플레이트 (5)에서 인서트 (1)를 회수하여 칩의 인서트 결합부 (26)와 오링 (12)이 장착된 칩 (2)에 끼운 후 세포배양 챔버 (111)에 배지를 조금 가하고 하부 유체채널 (242)에 EGM2를 추가하였다. 인서트의 다공성 막 (112) 위쪽으로 올라온 용액을 제거하고, 인서트 다공성 막 (112) 위쪽에 콜라겐 용액을 5 ul씩 골고루 펴지게 넣고 30분간 37 ℃, 5% CO2로 배양하였다. The seeded insert (1) was mounted on the plate (5) and cultured for one day. One day later, retrieve the insert (1) from the plate (5), insert it into the chip (2) equipped with the chip's insert coupling portion (26) and O-ring (12), add a little medium to the cell culture chamber (111), and add the lower fluid. EGM2 was added to channel (242). The solution that rose to the top of the insert's porous membrane (112) was removed, and 5 ul of the collagen solution was spread evenly on top of the insert's porous membrane (112) and incubated at 37°C for 30 minutes in 5% CO 2 .

상피세포의 일종으로서 RPTEC (renal primary tubule epithelail cell, Lonza)은 5% CO2, 37 ℃ 조건의 인큐베이터에서 배양하였다. RPTEC의 배양 배지는 REGM(REBM 500mL, hEGF 0.5mL, Insulin 0.5mL, Hydrocortisone 0.5mL, GA-1000 0.5%, FBS 2.5mL Transferrin 0.5mL, Triiodothyronine 0.5mL, Epinephrine 0.5mL)을 사용하였고 실험에는 계대번호 6~8번 정도의 세포가 사용되었다.RPTEC (renal primary tubule epithelail cell, Lonza), a type of epithelial cell, was cultured in an incubator at 5% CO 2 and 37°C. The culture medium for RPTEC was REGM (REBM 500mL, hEGF 0.5mL, Insulin 0.5mL, Hydrocortisone 0.5mL, GA-1000 0.5%, FBS 2.5mL, Transferrin 0.5mL, Triiodothyronine 0.5mL, Epinephrine 0.5mL), and the passage number was used in the experiment. Approximately 6 to 8 cells were used.

RPTEC (3 × 106 cells/ml)을 100 ul씩 인서트에 넣고 1시간 동안 배양하였다. 인서트에 REGM 배지, 인서트 세포배양 챔버에 각기 알맞은 배지를 채워 장기 모사 칩 구조체를 완성하였다. rocker에 10°, 500초 간격으로 3, 7, 14일간 배양하였다.100 ul of RPTEC (3 × 10 6 cells/ml) were added to the insert and cultured for 1 hour. The organ-simulating chip structure was completed by filling the insert with REGM medium and the insert cell culture chamber with each appropriate medium. Cultured on a rocker at 10°, 500 second intervals for 3, 7, and 14 days.

1: 인서트 11: 인서트 구조물
111: 인서트 세포배양 챔버 112: 다공성 분리막
12: 오링 13: 상부 유체채널 연결구멍
2: 칩 21: 칩 프레임
22: 상부 채널 패턴층 23: 중간 분리 패턴층
230: 제2 배양액 231: 제2 배양액 챔버
232: 상부 유체채널 233: 제2 배양액 출구
24: 하부 채널 패턴층 240: 제1 배양액
241: 제1 배양액 챔버 242: 하부 유체채널
243: 제1 배양액 출구 25: 기판
26: 인서트 결합부 3: 유속 조절부
41: 상피세포 42: 내피세포
5: 인서트 세포 배양 플레이트 51: 배양액 주입구
52: 인서트 삽입구 6: 콜라겐 층
1: Insert 11: Insert structure
111: Insert cell culture chamber 112: Porous separation membrane
12: O-ring 13: Upper fluid channel connection hole
2: Chip 21: Chip Frame
22: upper channel pattern layer 23: middle separation pattern layer
230: second culture medium 231: second culture medium chamber
232: upper fluid channel 233: second culture fluid outlet
24: lower channel pattern layer 240: first culture medium
241: first culture chamber 242: lower fluid channel
243: first culture medium outlet 25: substrate
26: Insert coupling part 3: Flow rate control part
41: Epithelial cell 42: Endothelial cell
5: Insert cell culture plate 51: Culture fluid injection port
52: Insert insertion hole 6: Collagen layer

Claims (9)

장기 모사 칩 구조체에 있어서,
각각에서 세포가 배양된 하나 이상의 인서트 (1) 모듈; 및
상기 인서트 (1) 모듈의 삽입 배치가 가능한 칩을 포함하되,
상기 칩에 상기 복수의 인서트 (1) 모듈이 삽입되어 장기 모사 칩을 형성하고,
상기 장기 모사 칩은 상부 유체채널 (232)과 하부 유체채널 (242) 및 상기 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절할 수 있는 상부 유체채널 유속 조절부 (3)를 포함하며,
상기 장기 모사 칩에 대해 공 배양을 진행하여 상기 장기 모사 칩 구조체가 형성되는 것인, 장기 모사 칩 구조체.
In the long-term simulation chip structure,
One or more inserts (1) modules, each with cells cultured; and
Includes a chip capable of inserting and placing the insert (1) module,
The plurality of insert (1) modules are inserted into the chip to form an organ simulation chip,
The organ simulation chip includes an upper fluid channel 232, a lower fluid channel 242, and an upper fluid channel flow rate controller 3 capable of adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232,
An organ simulating chip structure in which the organ simulating chip structure is formed by co-culturing the organ simulating chip.
청구항 1에 있어서,
상기 장기 모사 칩 구조체는
기판 (25), 상기 기판 (25) 위에 적층되는 하부채널 패턴층 (24), 상기 하부채널 패턴층 (24) 위에 적층되는 상부채널 패턴층 (22), 및 상기 상부채널 패턴층 (22) 위에 적층되는 칩 프레임 (21)을 포함하도록 형성되고,
제1 배양액 챔버 (241); 제2 배양액 챔버 (231); 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈 각각을 삽입할 수 있도록 상측이 개구된 상태로 하향 함몰 형성되는 하나 이상의 인서트 결합부 (26); 제1 배양액 출구 (243); 제2 배양액 출구 (233);
상기 제1 배양액 챔버 (241)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제1 배양액 출구 (243) 사이에서 제1 배양액 (240)의 이동이 가능하도록 상기 제1 배양액 챔버 (241)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제1 배양액 출구 (243)를 연결하는 하부 유체채널 (242)을 포함하며,
상기 제2 배양액 챔버 (231)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제2 배양액 출구 (233) 사이에서 제2 배양액 (230)의 이동이 가능하도록 상기 제2 배양액 챔버 (231)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제2 배양액 출구 (233)를 연결하는 상부 유체채널 (232)을 포함하며,
인서트 (1)는 상기 칩 프레임 (21), 상기 상부채널 패턴층 (22), 상기 하부 채널 패턴층 (24)을 관통하여 수직 방향으로 형성되며, 인서트 세포배양 챔버 (111)가 내부에 형성되며, 상기 인서트 세포배양 챔버 (111)의 일측에 다공성 막 (112)이 형성되며, 상기 다공성 막 (112)의 양측 표면에 각각 상피 세포와 내피 세포가 배양되며,
상부 유체채널 유속 조절부 (3)는 상기 칩 프레임 (21)에 형성되며, 상기 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절하여 상부 유체채널 (232)의 유속을 조절하는 것인,
장기 모사 칩 구조체.
In claim 1,
The long-term simulation chip structure is
A substrate 25, a lower channel pattern layer 24 laminated on the substrate 25, an upper channel pattern layer 22 laminated on the lower channel pattern layer 24, and on the upper channel pattern layer 22. Formed to include a stacked chip frame (21),
First culture medium chamber 241; a second culture chamber (231); One or more insert coupling portions (26) that are downwardly recessed with their upper sides open so that each of the one or more insert (1) modules can be inserted; First culture outlet (243); second culture outlet (233);
The first culture medium chamber 241 to enable movement of the first culture medium 240 between the one or more insert cell culture chambers 111 and the first culture medium outlet 243. It includes a lower fluid channel (242) connecting the one or more insert cell culture chambers (111) and the first culture outlet (243),
The second culture medium chamber 231 to enable movement of the second culture medium 230 between the second culture medium chamber 231 and the one or more insert cell culture chambers 111 and the second culture medium outlet 233. It includes an upper fluid channel (232) connecting the one or more insert cell culture chambers (111) and the second culture outlet (233),
The insert 1 is formed in a vertical direction through the chip frame 21, the upper channel pattern layer 22, and the lower channel pattern layer 24, and an insert cell culture chamber 111 is formed therein. , a porous membrane 112 is formed on one side of the insert cell culture chamber 111, and epithelial cells and endothelial cells are cultured on both surfaces of the porous membrane 112, respectively,
The upper fluid channel flow rate control unit 3 is formed on the chip frame 21 and adjusts the flow rate of the upper fluid channel 232 by adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232,
Long-term simulation chip structure.
청구항 1에 있어서,
상기 장기 모사 칩 구조체는
(가) 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈에 동일한 종류의 장기가 모사된 것 또는
(나) 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈에 각각 다른 종류의 장기가 모사된 것인, 장기 모사 칩 구조체.
In claim 1,
The organ simulation chip structure is
(a) one or more inserts (1) that simulate the same type of organ in the module; or
(B) An organ simulation chip structure in which different types of organs are simulated in each of the one or more modules of the insert (1).
청구항 1에 있어서,
상기 칩 프레임 (21)은 탄성 재질로 형성되는, 장기 모사 칩 구조체.
In claim 1,
The chip frame 21 is a long-term simulating chip structure formed of an elastic material.
청구항 1에 있어서,
상부 유체채널 유속 조절부 (3)는 나사, 중량체 또는 탄성체를 포함하는 것인, 장기 모사 칩 구조체.
In claim 1,
The upper fluid channel flow rate control unit (3) is a long-term simulating chip structure including a screw, a weight, or an elastic body.
청구항 1에 있어서,
상기 하부 유체채널 (242)은 장기의 내강을 모사하고,
상기 상부 유체채널 (232)은 장기의 내측을 모사하는 것인,
장기 모사 칩 구조체.
In claim 1,
The lower fluid channel 242 simulates the lumen of an organ,
The upper fluid channel 232 simulates the inside of the organ,
Long-term simulation chip structure.
청구항 1에 있어서,
상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈 각각에 공급되는 배지의 성분 및 양은, 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈 각각에서 배양되는 세포별 배양 요구조건을 고려하여 개별적으로 조절되는 것인, 장기 모사 칩 구조체.
In claim 1,
The components and amounts of the medium supplied to each of the one or more modules of the insert (1) are individually adjusted in consideration of the culture requirements of each cell cultured in each of the one or more modules of the insert (1). Organ simulation chip structure.
장기 모사 칩 구조체를 이용하여 시험대상 약물의 약동학 거동을 시험하는 방법에 있어서,
상기 장기 모사 칩 구조체는
세포가 배양된 하나 이상의 인서트 (1) 모듈; 및
상기 인서트 모듈의 삽입 배치가 가능한 칩을 포함하되,
상기 칩에 상기 인서트 모듈이 결합되어 장기 모사 칩을 형성하고,
상기 장기 모사 칩은 상부 유체채널 (232)과 하부 유체채널 (242) 및 상기 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절할 수 있는 상부 유체채널 유속 조절부 (3)를 포함하며,
상부 유체채널 (232)과 하부 유체채널 (242)에는 각각 다른 유체가 흐르도록 하고,
상부 유체채널 (232)은 조건에 따라 상부 유체채널 유속 조절부 (3)로 단면적을 조절하여 유체의 유속을 조절할 수 있음을 특징으로 하는, 시험대상 약물의 약동학 거동을 시험하는 방법.
In a method of testing the pharmacokinetic behavior of a test drug using a long-term simulating chip structure,
The organ simulation chip structure is
One or more inserts (1) module in which cells are cultured; and
Includes a chip capable of inserting and placing the insert module,
The insert module is combined with the chip to form an organ simulation chip,
The organ simulation chip includes an upper fluid channel 232, a lower fluid channel 242, and an upper fluid channel flow rate controller 3 capable of adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232,
Different fluids flow through the upper fluid channel 232 and the lower fluid channel 242, respectively.
A method for testing the pharmacokinetic behavior of a drug to be tested, characterized in that the upper fluid channel (232) can control the flow rate of the fluid by adjusting the cross-sectional area with the upper fluid channel flow rate control unit (3) according to conditions.
청구항 8에 있어서,
상기 장기 모사 칩 구조체는
기판 (25), 상기 기판 (25) 위에 적층되는 하부채널 패턴층 (24), 상기 하부채널 패턴층 (24) 위에 적층되는 상부채널 패턴층 (22), 및 상기 상부채널 패턴층 (22) 위에 적층되는 칩 프레임 (21)을 포함하도록 형성되고,
제1 배양액 챔버 (241); 제2 배양액 챔버 (231); 상기 하나 이상의 인서트 (1) 모듈 각각을 삽입할 수 있도록 상측이 개구된 상태로 하향 함몰 형성되는 하나 이상의 인서트 결합부 (26); 제1 배양액 출구 (243); 제2 배양액 출구 (233);
상기 제1 배양액 챔버 (241)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제1 배양액 출구 (243) 사이에서 제1 배양액 (240)의 이동이 가능하도록 상기 제1 배양액 챔버 (241)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제1 배양액 출구 (243)를 연결하는 하부 유체채널 (242)을 포함하며,
상기 제2 배양액 챔버 (231)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제2 배양액 출구 (233) 사이에서 제2 배양액 (230)의 이동이 가능하도록 상기 제2 배양액 챔버 (231)와 상기 하나 이상의 인서트 세포배양 챔버 (111)와 상기 제2 배양액 출구 (233)를 연결하는 상부 유체채널 (232)을 포함하며,
인서트 (1)는 상기 칩 프레임 (21), 상기 상부채널 패턴층 (22), 상기 하부 채널 패턴층 (24)을 관통하여 수직 방향으로 형성되며, 인서트 세포배양 챔버 (111)가 내부에 형성되며, 상기 인서트 세포배양 챔버 (111)의 일측에 다공성 막 (112)이 형성되며, 상기 다공성 막 (112)의 양측 표면에 각각 상피 세포와 내피 세포가 배양되며,
상부 유체채널 유속 조절부 (3)는 상기 칩 프레임 (21)에 형성되며, 상기 상부 유체채널 (232)의 단면적을 조절하여 상부 유체채널 (232)의 유속을 조절하는 것인, 시험대상 약물의 약동학 거동을 시험하는 방법.
In claim 8,
The organ simulation chip structure is
A substrate 25, a lower channel pattern layer 24 laminated on the substrate 25, an upper channel pattern layer 22 laminated on the lower channel pattern layer 24, and on the upper channel pattern layer 22. Formed to include a stacked chip frame (21),
First culture medium chamber 241; a second culture chamber (231); One or more insert coupling portions (26) that are downwardly recessed with their upper sides open so that each of the one or more insert (1) modules can be inserted; First culture outlet (243); second culture outlet (233);
The first culture medium chamber 241 to enable movement of the first culture medium 240 between the one or more insert cell culture chambers 111 and the first culture medium outlet 243. It includes a lower fluid channel 242 connecting the one or more insert cell culture chambers 111 and the first culture outlet 243,
The second culture medium chamber 231 to enable movement of the second culture medium 230 between the second culture medium chamber 231 and the one or more insert cell culture chambers 111 and the second culture medium outlet 233. It includes an upper fluid channel (232) connecting the one or more insert cell culture chambers (111) and the second culture outlet (233),
The insert 1 is formed in a vertical direction through the chip frame 21, the upper channel pattern layer 22, and the lower channel pattern layer 24, and an insert cell culture chamber 111 is formed therein. , a porous membrane 112 is formed on one side of the insert cell culture chamber 111, and epithelial cells and endothelial cells are cultured on both surfaces of the porous membrane 112, respectively,
The upper fluid channel flow rate control unit 3 is formed on the chip frame 21 and controls the flow rate of the upper fluid channel 232 by adjusting the cross-sectional area of the upper fluid channel 232. Methods for testing pharmacokinetic behavior.
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