WO2017155170A1 - Microfluidic element and single cell treatment method using same - Google Patents

Microfluidic element and single cell treatment method using same Download PDF

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WO2017155170A1
WO2017155170A1 PCT/KR2016/009420 KR2016009420W WO2017155170A1 WO 2017155170 A1 WO2017155170 A1 WO 2017155170A1 KR 2016009420 W KR2016009420 W KR 2016009420W WO 2017155170 A1 WO2017155170 A1 WO 2017155170A1
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WO
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well
single cell
solution
microfluidic device
microchannel
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Application number
PCT/KR2016/009420
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
문희성
김연정
유창은
한경연
박웅양
Original Assignee
삼성전자 주식회사
사회복지법인 삼성생명공익재단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers

Definitions

  • a microfluidic device and a single cell treatment method using the same.
  • CTCs circulating tumor cells
  • the CTC collection methods that have been published so far include a gene reading method using a polymerase chain reaction (PCR), a centrifugation method, a reading method using magnetophoresis, and a method using fluorescence staining or a filter.
  • PCR polymerase chain reaction
  • centrifugation method a centrifugation method
  • magnetophoresis a reading method using magnetophoresis
  • fluorescence staining or a filter a method using fluorescence staining or a filter.
  • the conventional methods may result in the loss of a single cell while undergoing a process of removing a large number of blood cells contained in blood for CTC detection.
  • a treatment such as staining by injecting the single cells from which the blood cells are removed again into a separate experimental device, there is a possibility that a single cell loss occurs.
  • microfluidic device capable of minimizing the loss of a single cell during various processing of a single cell.
  • the present invention also provides a single cell processing method capable of continuously processing a single cell through a microfluidic device.
  • a target solution containing a single cell as a target cell, or a reagent containing a first well, a second well disposed spaced apart from the first well, and a second from the lower surface of the first well A microfluidic device including two or more microchannels extending to the bottom surface of the well and connecting the first well and the second well, the width of the microchannel being smaller than the size of the single cell.
  • the ratio of the area of the lower surface of the first well to the width direction cross-sectional area of the microchannel may be 1000: 1 to 400000000: 1.
  • the first reservoir may further include a first reservoir formed between the two or more microchannels and the second well, and the two or more microchannels and the second well may be connected to the first reservoir.
  • the two or more microchannels may connect the first well and the second well in parallel.
  • the width of the fine flow path may be 0.5 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • the bottom surface of the first well and the bottom surface of the second well may be coplanar.
  • the lower surface of the first well as viewed from the top may have a circular shape.
  • the bottom surface diameter of the first well may be 1 mm to 50 mm.
  • the microfluidic device may include two or more single cell processing units including the first well, the second well, and the two or more microchannels.
  • the two or more single cell processing units may be arranged to have a matrix form.
  • a single cell treatment method using the microfluidic device injecting a sample solution containing a single cell into the first well, injecting a fixed solution into the first well to fix the single cell
  • a single cell treatment method comprising the steps of: injecting a permeate solution into the first well to pretreat the fixed single cell; and injecting a dye solution into the first well to stain the pretreated single cell.
  • a negative force may be applied to the second well to remove the sample solution, the fixative solution, the penetrating solution, and the dye solution from the first well.
  • the sample solution, the fixer, the penetrant, and the dye solution removed from the first well may be accommodated in the second well through the microchannel.
  • the flow rate of the sample solution, the fixed solution, the penetrating solution, and the dye solution passing through the microchannel by the negative pressure applied may be greater than the moving speed of the single cell induced by the negative pressure.
  • the single cell treatment method may further include the step of washing the first well by injecting a washing solution into the first well.
  • the washing liquid may be removed from the first well by applying a negative force to the second well.
  • microfluidic device capable of minimizing the loss of a single cell during various processes of single cell.
  • FIG. 1 is a perspective view of a microfluidic device according to one embodiment
  • FIG. 2 is a plan view from above of the microfluidic device of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a microfluidic device including two or more single cell processing units according to another embodiment
  • FIG 8 to 18 are views sequentially showing a single cell treatment method according to one embodiment.
  • a "single-cell” which is a target cell, is a very rare cell, for example with only a few to several dozens present in a sample, for example, a drug in the blood. It refers to a circulating tumor cell (CTC), etc. present in one of the billion cells of blood cells.
  • CTC circulating tumor cell
  • "reagent” means various kinds of drugs for biochemical treatment of the single cell, and includes, for example, washing solution such as buffer solution, fixed solution, penetrating solution, dye solution, and the like. to be.
  • sample liquid means that the "single cell" is contained in a reagent such as a buffer solution.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a microfluidic device according to an embodiment
  • FIG. 2 is a plan view of the microfluidic device of FIG. 1 as viewed from above.
  • the microfluidic device 100 is disposed on the substrate 10 and the substrate 10, and is a single cell processor configured to receive and process a single cell as a target cell. And 20.
  • the substrate 10 may be formed of a material that does not chemically react with various reagents.
  • the substrate 10 may be made of an optically transparent material to confirm the presence of a single cell in the sample.
  • the substrate 10 may be made of a material such as glass or plastic. For example, a slide glass may be used as the substrate 10.
  • the single cell processing unit 20 is disposed directly on the substrate 10.
  • the single cell processing unit 20 includes a body 21, a first well 22, a second well 23, and two or more microchannels 24.
  • the body 21 is formed on the substrate 10 and may have a cross-sectional area corresponding to the cross-sectional area of the substrate 10.
  • the body 21 may be made of an optically transparent material so as to confirm the presence of a single cell in the sample.
  • the body 21 may be made of a material such as glass or plastic.
  • the body 21 may be formed of a material having hydrophobicity, for example, polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the body 21 is formed of a hydrophobic material, so that a strong fluid resistance is applied to the inside of the microchannel 24 so that a first external force is not applied. Reagents in the well 22 can be prevented from flowing into the microchannel 24 and the second well 23.
  • one embodiment is not necessarily limited thereto, and may be formed of a material having hydrophilicity, and at least, the surface forming the sidewalls of the first well 22 and the second well 23 and the fine flow path 24 will be described.
  • the surfaces to be formed may be controlled to have hydrophobicity through surface modification or the like.
  • the first well 22 is a semi-closed space in which the body 21 is opened up and down, but the upper surface formed by contact with the upper surface of the substrate 10 is opened. That is, the sidewall of the first well 22 is the body 21, but the lower surface of the first well 22 is the upper surface of the substrate 10.
  • a sample or reagent may be injected through the first well 22.
  • the second well 23 is also a semi-closed space with an open top surface formed by the same method as the first well 22.
  • the second well 23 may receive and remove a sample or a reagent contained in the first well 22 through the microchannel 24.
  • the first well 22 and the second well 23 may be formed to have a circular shape.
  • the shape of the first well 22 and the second well 23 may have a polygonal shape such as a triangular shape, a square shape, a hexagonal shape, an octagonal shape, an elliptic shape, or the like.
  • the microchannel 24 extends from the bottom surface of the first well 22 to the bottom surface of the second well 23 to connect the first well 22 and the second well 23 to each other.
  • the micro-channel 24 according to the exemplary embodiment may be a space formed between the substrate 10 and the body 21 by contacting the substrate 10 after pattern etching the lower surface of the body 21.
  • two or more micro-channels 24 may extend from the first well 22 toward the second well 23.
  • two or more microchannels 24 extend from the first well 22 toward the second well 23 in parallel, respectively, and then the first well. At one point between the 22 and the second well 23 may be formed in a shape that is combined into one path and connected to the second well 23.
  • the microchannel 24 serves as a passage for supplying the sample liquid or the reagent contained in the first well 22 to the second well 23. That is, the microchannel 24 may serve as a drainage way for discharging the reagent contained in the first well 22 to the second well 23.
  • the width of the microchannel 24 is smaller than the size of a single cell.
  • a single cell may not pass through the microchannel 24 and remain inside the first well 22. That is, the micro channel 24 may discharge only the sample liquid or the reagent except the single cell inside the first well 22 to the second well 23.
  • the sample liquid or reagent contained in the first well 22 has a predetermined pressure or more. Only to be discharged to the second well 23 through the micro-channel 24.
  • the microfluidic device 100 may be formed of a sample liquid including a single cell injected into the first well 22, or a sample fluid containing only a single cell except for a single cell. Can be removed by moving to two wells (23).
  • the sample liquid or reagent contained in the first well 22 may have a predetermined positive pressure to overcome the high hydraulic resistance of the microchannel 24. 22), or a predetermined negative pressure must be applied to the second well 23.
  • Equation 1 The hydraulic resistance applied to the fine flow path 24 is expressed by Equation 1 below.
  • Equation 1 R h denotes a hydraulic resistance applied to the fine passage 24, ⁇ P denotes a pressure change amount to be applied, and Q denotes a flow rate through the fine passage 24, respectively.
  • a first pressure may be applied to the second well 23 by applying a negative pressure greater than the product of the hydraulic resistance of the microchannel 24 and the flow rate through the microchannel 24 using a pipette or the like.
  • the sample liquid contained in 22) or the sample can be moved to the second well 23.
  • the pressure capable of overcoming the hydraulic resistance of the micro-channel 24 (for example, a negative pressure greater than or equal to a threshold pressure due to the hydraulic resistance of the micro-channel 24) is equal to the first well 22 or the second well 23. )
  • the sample liquid or reagent contained in the first well 22 remains entirely in the first well 22 due to the high hydraulic resistance of the microchannel 24. That is, the micro flow path 24 may serve as a kind of check valve.
  • the microfluidic device 100 selectively removes only the sample solution including the single cells injected into the first well 22 or only the remainder except the single cells in the sample from the first well 22. It is possible to easily control the flow of the sample liquid or reagent moving from the first well 22 to the microchannel 24 without providing a separate valve in the microchannel.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 2.
  • the microchannel 24 has a predetermined width D2 and a predetermined length H2.
  • the width of the micro-channel 24 may have various values depending on the type of single cell to be a target cell, for example, 0.5 ⁇ m to 15 ⁇ m, for example 1 ⁇ m to 15 ⁇ m, eg For example, 1 ⁇ m to 12 ⁇ m, for example 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the width of the micro-channel 24 is less than 0.5 ⁇ m, the removal time of the sample liquid or reagent for treating single cells is excessively increased, thereby reducing the treatment efficiency, and the width of the micro-channel 24 exceeds 15 ⁇ m.
  • the size of the microchannel 24 is about the same as that of the single cell into which the microchannel 24 is inserted, and the single cell is sucked into the microchannel 24 by the negative pressure applied to the second well 23. By closing or moving to the second well 23 to be removed, a single cell loss can occur.
  • the cross section in the width direction of the micro-channel 24 may be variously designed in consideration of the ease of processing of the body 21, for example, may be formed in a semicircle, an ellipse, a square shape, or the like.
  • the length of the micro-channel 24 is the interval between the first well 22 and the second well 23, the amount of sample liquid or sample injected into the first well 22, the second well 23 It can be variously designed according to the sound pressure applied to, for example, 5 ⁇ m to 1 mm, for example 5 ⁇ m to 800 ⁇ m, for example 5 ⁇ m to 600 ⁇ m, for example 5 ⁇ m to 500 ⁇ m have.
  • the length of the micro-channel 24 When the length of the micro-channel 24 is less than 5 ⁇ m, the flow rate of the fluid passing through the micro-channel 24 is excessively increased due to the negative pressure applied to the second well 23, so that the sample liquid in the first well 22, or It is difficult to precisely control the amount of sample. On the other hand, when the length of the micro-channel 24 exceeds 1mm, the magnitude of the negative pressure to be applied to the second well 23 increases, while the removal of the sample liquid or the sample slows down, so that the single cell treatment process time This may increase excessively.
  • the heights of the first well 22 and the second well 23 may have the same value H1.
  • the height of the first well 22 and the second well 23 can be variously set, for example 1 mm to 50 mm, 1 mm to 20 mm, for example 1 mm to 10 mm Can be.
  • the amount of the sample liquid or reagent injected into the first well 22 may be insufficient, and the first well 22 and the second well may be insufficient.
  • the height of the well 23 exceeds 50 mm, an unnecessary amount of reagent may be injected into the first well 22, and after the single cell treatment, the sample liquid or reagent may be removed through the second well 23. Is difficult, and the single cell processing process time can be long.
  • the bottom surface of the first well 22 and the bottom surface of the second well 23 may be coplanar, as shown in FIG. 3, that is, in one embodiment, The bottom surface of the first well 22, the bottom surface of the second well 23, and the bottom surface of the microchannel 24 may all be coplanar.
  • the lower surface of the first well 22, the lower surface of the second well 23, and the lower surface of the fine flow path 24 are positioned on the same plane without the step, thereby providing the first well 22 with the first well 22.
  • the sample liquid or reagent stored therein can be easily moved to the fine flow path 24 by the negative pressure applied to the second well 23.
  • the bottom surface diameter D1 of the first well 22 is larger than the bottom surface diameter D3 of the second well 23, but the bottom surface of the first well 22 Diameters of the lower surfaces of the second wells 23 may be the same as or different from each other, and the amount of the sample liquid or reagent injected or discharged, the diameter of the sample liquid or the pipette for injecting the reagent, and the like. It can be set in various ways.
  • the lower surface diameter D1 of the first well 22 and the diameter D3 of the lower surface of the second well 23 are each, for example, 1 mm to 50 mm, 1 mm to 20 mm, for example 1 mm to 10 mm. Can be.
  • the diameters of the lower surfaces of the first well 22 and the second well 23 are less than 1 mm, the amount of the sample liquid or reagent injected into the first well 22 may be somewhat insufficient. It is difficult to induce drag force.
  • the diameter of the bottom surface of the first well 22 and the second well 23 exceeds 50 mm, the amount of reagent to be injected for single cell treatment may be excessively increased.
  • the majority of single cells sink to the lower surface of the first well 22.
  • the flow rate of the sample liquid passing through the micro-channel 24 is rapidly changed by the negative pressure. Will be moved to.
  • the single cells are hardly affected by the negative pressure applied to the second well 23 and show little movement in the lower surface of the first well 22.
  • the behavior of these single cells within the first well 22 is influenced by the ratio of the bottom surface area of the first well 22 to the widthwise cross-sectional area of the microchannel 24.
  • the ratio of the area of the lower surface of the first well 22 to the widthwise cross-sectional area of the microchannel 24 is the width D2 of the microchannel 24 described above and the bottom of the first well 22. It can be variously adjusted according to the surface diameter D1, for example 1000: 1 to 800000000: 1, for example 1000: 1 to 400000000: 1.
  • the single cells are not affected by the negative pressure applied to the second well 23. It may remain on the bottom surface of one well 22.
  • valves formed in a microchannel or multiple pumped devices are used.
  • Such a general microfluidic device is troublesome to precisely control valves or to connect a fluid adapter or a syringe pump each time a specific fluid removal process is performed.
  • the microfluidic device when the microfluidic device is centrifuged by another method for concentrating a single cell, loss of the single cell may occur in the course of aspiration of the sample liquid or reagent after centrifugation.
  • loss of a single cell may occur in the process of washing, and then the single cell may be recovered and further processed. Is required, for example, when a single cell has to be recovered after characterization and extracted from DNA, etc., loss of a single cell may occur during recovery.
  • the body 21 is formed of a hydrophobic material so that a single cell may be formed in the microchannel 24 and the second well in a situation in which no external force is applied. 23) can be prevented from entering.
  • the ratio of the area of the lower surface of the first well 22 to the widthwise cross-sectional area of the microchannel 24 can be controlled.
  • the microfluidic device 100 may more easily remove only a specific fluid from the first well 22 through a simple tool such as a pipette to continuously remove a sample liquid or various reagents. Even after removal into one well 22, no single cell loss occurs.
  • the single cell treatment process may be continuously performed in the microfluidic device 100 while minimizing the loss of the single cell during various treatments of the single cell.
  • the single cell processing unit may be arranged such that two or more microchannels 24 ′ connect the first well 22 and the second well 23 in parallel.
  • the fine flow passage 24 ′ can move the sample liquid or the reagent independently of the fine flow passage 24 of FIGS. 1 to 3 described above.
  • the fine flow passage 24 ′ has a structure in which five flow passages are arranged in parallel to each other, but are not necessarily limited thereto, and the magnitude of the hydraulic resistance that varies according to the quantity of the fine flow passage 24 ′,
  • the diameter of the first well 22, the cross-sectional area, and the magnitude of the sound pressure applied to the second well 23 may be set in various ways.
  • the single cell processing unit may further include a first reservoir 25 formed between two or more microchannels 24 and the second well 23. That is, the first reservoir 25 having a larger area as compared with FIGS. 1 to 3 described above, so that the sample liquid or reagents may be temporarily stored and finally discharged through the second well 23. May be formed.
  • the length of the microchannel 24 is reduced to correspond to the area occupied by the first reservoir 25, but is not necessarily limited thereto, and the specific shape of the first reservoir 25, an acceptable volume, and the like are not limited thereto.
  • the interval between the first well 22 and the second well 23, the sample solution that can be accommodated by the first well 22 and the second well 23, or the amount of the reagent may be variously set.
  • the single cell processing unit may further include a second reservoir 26 formed in each of two or more microchannels 24. That is, as compared with the above-described FIGS. 1 to 3, the second reservoir 26 having a width wider than the width of the fine passage 24 may be formed at one side of the fine passage 24. That is, it provides a space in which the sample liquid or reagents that are moving inside the microchannel 24 may be temporarily stored.
  • the second reservoir 26 is formed independently for each of the fine flow paths 24, but is not necessarily limited thereto, and the second reservoirs 26 may be formed to be connected to each other.
  • the specific shape of the reservoir 26, the acceptable volume, etc. are the width and length of the micro-channel 24, the distance between the first well 22 and the second well 23, the first well 22 and the second
  • the amount of the sample liquid or reagent that can be accommodated in the well 23, and the flow rate of the fluid flowing through the microchannel 24 in the presence of the second reservoir 26 may be set in various ways.
  • the microfluidic device 100 may be a single cell, even more specifically, a single cell processing unit 20, more specifically, the micro-channel 24 is designed in various ways. While minimizing the loss, the single cell treatment process may be continuously performed in the microfluidic device 100.
  • FIG. 7 is an image showing a microfluidic device including two or more single cell processing units according to another embodiment.
  • the microfluidic device 200 includes two or more single cell processing units 20, and may be arranged in a row between neighboring single cell processing units 20. That is, the two or more single cell processing units 20 may be arranged to have a matrix form.
  • single cell processing of each of the single cell processing units 20 may be performed independently.
  • the microfluidic device 200 may be, for example, a well-plate having a plurality of single cell processing units 20, but is not limited thereto.
  • the single cell processing unit 20 can also be applied to various experimental tools.
  • the microfluidic device 200 may include two or more single cell processing units 20 to enable independent single cell processing, thereby improving single cell processing efficiency.
  • Single cell treatment method the step of injecting a sample solution containing a single cell into the first well 22, the step of fixing the single cell by injecting a fixed solution into the first well 22, Injecting the permeate solution into the first well 22 to pretreat the fixed single cell, and injecting the dye solution into the first well 22 to stain the pretreated single cell.
  • the sample liquid 3 including the single cell 2 is injected into and received in the first well 22.
  • the accommodated sample liquid 3 does not move inside the microchannel 24 due to the hydraulic resistance of the microchannel 24 and remains in the first well 22.
  • the single cells 2 mostly sink to the bottom surface of the first well 22.
  • the first well 22 when a negative pressure greater than or equal to the threshold pressure due to the hydraulic resistance of the microchannel 24 is applied to the second well 23 using a pipette or the like, the first well 22 may be accommodated.
  • the sample liquid 3 flows along the fine flow path 24 toward the second well 23 at the first speed V1.
  • the single cells 2 that have sunk on the lower surface of the first well 22 are induced by the negative pressure, and move toward the micro-channel 24 at the second speed V2.
  • the widthwise length of the microchannel 24 is formed to be smaller than the size of the single cell 2, so that the single cells 2 do not pass through the microchannel 24 and enter the first well 22. Will remain. Further, by adjusting the cross-sectional area of the micro channel 24 in the width direction cross-sectional area and a first well 22 of the second speed V2 than the first speed V1 at least 10 - it shows a low speed of about six times. Accordingly, even if the sample liquid 3 is removed from the first well 22 as shown in FIG. 10, the single cells 2 still remain in the first well 22.
  • it may further comprise the step of washing the first well 22 by injecting a washing solution into the first well 22, the washing step is the sample solution injection step, fixing step, infiltration
  • the washing step is the sample solution injection step, fixing step, infiltration
  • the removal of the sample solution, the fixed solution, the penetrating solution and the staining solution except for the single cell 2 may be performed.
  • the washing liquid 4 in the washing step, when the washing liquid 4 is injected into the first well 22 of FIG. 10, the washing liquid 4 is also formed by the hydraulic resistance of the micro-channel 24. (22) It exists inside. Subsequently, when a negative pressure is applied to the second well 23, as shown in FIG. 9 described above, the washing liquid 4 passes through the microchannel 24 and is received in the second well 23, whereas a single cell is used. (2) hardly move inside the first well 22.
  • the fixing solution 5 is injected into the first well 22 of FIG. 12 to fix the single cell 2 to the lower surface of the first well 22.
  • the single cells 2 fixed to the lower surface of the first well 22 by the fixation solution 5 are removed together with a small amount of fixation solution 5 as shown in FIG. 14 even if the fixation solution 5 is removed by negative pressure. It remains inside the one well 22.
  • the inside of the first well 22 is cleaned by performing the washing process as illustrated in FIG. 11 once, and then a negative pressure is applied to the second well 23 to remain in the first well 22. Remove the fixed solution (5) and wash solution. If some of the fixed single cells 2 are detached from the lower surface of the first well 22 in the course of performing the washing process, the width of the microchannel 24, the hydraulic resistance, and the single cells 2 are described above. Due to the drag induced, the single cell 2 remains inside the first well 22.
  • the permeate solution 6 is injected into the first well 22 to pass through the cell membrane of the single cell 2 fixed to the lower surface of the first well 22.
  • a negative pressure is applied to the second well 23 to remove the permeate solution 6 as shown in FIG. 16.
  • the inside of the first well 22 is cleaned by performing the washing process as illustrated in FIG. 11 once, and then a negative pressure is applied to the second well 23 to remain in the first well 22. Remove the permeate (6) and wash solution.
  • the dye solution 7 is injected into the first well 22 to perform staining of the infiltrated single cell 2, and then the second well 23. Negative pressure is applied to remove the dye solution 7 as shown in FIG.
  • the inside of the first well 22 is cleaned by performing the washing process as illustrated in FIG. 11 once, and then a negative pressure is applied to the second well 23 to remain in the first well 22. Remove the dye solution (7) and wash solution.
  • a sample cell injected into the first well 22 of the microfluidic device 100, or a cell treatment process for continuously exchanging various reagents is performed, It may remain in the first well 22 without being lost.
  • one embodiment may provide a single cell processing method capable of continuously processing a single cell 2 through the microfluidic device 100.
  • a predetermined groove pattern is formed on the surface of the upper surface of a PDMS (Dow Corning Co., Ltd.) substrate having a width of 75 mm, a length of 25 mm, and a thickness of 5 mm using a soft lithography method.
  • the depth of the formed groove pattern may be 10 ⁇ m, and the line width may be 6 ⁇ m.
  • the PDMS substrate is punched to form a first open portion and a second open portion that open the PDMS substrate in the vertical direction.
  • the first open portion and the second open portion may have a circular cross-sectional shape, the cross-sectional diameter of the first open portion may be 4 mm, and the cross-sectional diameter of the second open portion may be 0.3 mm.
  • the formed first open portion and the second open portion are connected to the groove pattern, respectively.
  • the slide glass is attached to the upper surface of the PDMS substrate on which the groove pattern is formed, and then the upper and lower sides of the PDMS substrate to which the slide glass is attached are inverted, thereby manufacturing the microfluidic device as illustrated in FIG. 1.
  • the space formed by the first open portion and the slide glass is the first well
  • the space formed by the second open portion and the slide glass is the second well
  • the space formed by the groove and the slide glass is the micro flow path.
  • MCF7 breast cancer cells
  • PBS phosphate buffered saline
  • PFA paraformaldehyde
  • the first and the Hoechst blue
  • FITC green
  • PE red
  • 0.1% saponin 0.1%
  • saponin 0.1%
  • a mixed solution 20 ⁇ L of PBS to the staining solution to the first well injection, and performs MCF7 dyeing of over 90 minutes.
  • the stained MCF7 is observed through a fluorescence microscope.
  • the nuclear nucleus portion of MCF7 is well colored by Hoechst
  • the cytokeratin portion of MCF7 is green by FITC
  • the EpCAM portion of MCF7 is red by PE.
  • prostate cancer cells PC3
  • melanoma M14
  • colorectal cancer cells HT29
  • gastric cancer cells HGC27, NUGC2, MKN7, MKN28
  • ovary MCF7 as a single cell Cancer cells (OVCA433) or the like
  • PC3 prostate cancer cells
  • M14 melanoma
  • HT29 colorectal cancer cells
  • HGC27, NUGC2, MKN7, MKN28 gastric cancer cells
  • OVCA433 ovary MCF7 as a single cell Cancer cells
  • the cytokeratin portion may be dyed red using PE, and the CD45 portion may be dyed green using Alexa488.
  • microfluidic device As such, using the microfluidic device according to the embodiment, it is possible to continuously perform various cell treatments of a single cell in the microfluidic device.
  • MCF7 as a single cell, about 10 to 40 pre-fixed MCF7s are injected into the first well of the microfluidic device, 20 ⁇ L of PBS is injected into the first well, and the pipette is placed in the second well. The process of removing the PBS remaining in the first well by applying negative pressure is repeated a total of 32 times. The quantity of MCF7 remaining in the first well is recorded for each iteration step, and the number of times the MCF7 is lost is determined. The results are shown in Table 1 below.
  • the number of times MCF7 loss occurred was only 2 out of 32 times. You can check it. That is, by using the microfluidic device according to the embodiment, it is possible to minimize the loss of a single cell even when undergoing repeated cell treatment step unlike the general centrifugation method.

Abstract

Provided are: a microfluidic element comprising a first well in which a sample solution containing a single cell, as a target cell, or a reagent is accommodated, a second well disposed to be spaced apart from the first well, and two or more microchannels for connecting the first well and the second well by extending from the lower surface of the first well to the lower surface of the second well, wherein the width of the microchannels is smaller than the size of the single cell; and a single cell treatment method using the same.

Description

미세 유체 소자, 및 이를 이용한 단일 세포 처리 방법Microfluidic device, and single cell treatment method using the same
미세 유체 소자, 및 이를 이용한 단일 세포 처리 방법에 관한 것이다.A microfluidic device, and a single cell treatment method using the same.
암(Cancer)은 현재 대한민국뿐 아닌, 전세계를 통틀어 질병으로 인한 사망 원인 1위를 차지하는 질병이다. 암환자의 사망률에 지대한 영향을 미치는 것은 전이성 암세포의 존재유무에 달려있다. 즉, 혈액 내 약 수 억개의 혈구 세포 중 한 개 꼴로 존재하는 순환 종양 세포(circulating tumor cell, CTC)와 같은 단일 세포(single cell)를 손실 없이 정확하게 찾아내는 기술이 환자의 암 치료 전후 생존율을 향상에 필수적이다.Cancer is currently the number one cause of death from diseases not only in Korea, but throughout the world. The significant impact on mortality in cancer patients depends on the presence of metastatic cancer cells. In other words, the technology to accurately and without loss of single cells, such as circulating tumor cells (CTCs), present in one of the hundreds of millions of blood cells in the blood, improves the survival rate of patients before and after cancer treatment. It is essential.
예를 들어, 유방암의 경우 혈액 약 7.5 ml에서 5개 미만, 대장암의 경우 3개 미만, 전립선암의 경우 5개 미만으로 찾아내야만 하며, 처리능(throughput, 단위시간 당 분리할 수 있는 단일 세포 수), 세포회수율(recovery, 주입된 단일 세포 수 대비 분리/포집된 단일 세포 수의 비율), 포집효율(purity, 분리/포집된 단일 세포의 순도)과 같은 3가지 기본 조건을 충족하는 마이크로 세포 분리 기술이 요구된다. For example, less than 5 in about 7.5 ml of blood for breast cancer, less than 3 for colorectal cancer, and less than 5 for prostate cancer, must be found in a single throughput that can be separated per unit time. Micros meeting three basic conditions: cell count), cell recovery (recovery, ratio of single cells harvested / collected to single cell injected), and collection efficiency (purity, purity of single cells harvested / collected). Cell separation techniques are required.
현재까지 발표된 CTC 포집 방법들은 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)을 이용한 유전자 검침법과, 원심 분리법, 자기영동을 이용한 검침법, 그리고 형광염색법이나 필터를 이용한 방법 등이 있다.The CTC collection methods that have been published so far include a gene reading method using a polymerase chain reaction (PCR), a centrifugation method, a reading method using magnetophoresis, and a method using fluorescence staining or a filter.
그러나, 상기 기존의 방법들은 CTC 검출을 위한 혈액에 포함된 많은 수의 혈구세포를 제거하는 과정을 거치면서 단일 세포의 손실이 발생할 수 있다. 또한, 상기 혈구세포가 제거된 단일 세포를 별도의 실험 장치로 다시 주입하여 염색 등의 처리를 수행하는 과정에서, 단일 세포의 손실이 발생할 가능성도 있다.However, the conventional methods may result in the loss of a single cell while undergoing a process of removing a large number of blood cells contained in blood for CTC detection. In addition, in the process of performing a treatment such as staining by injecting the single cells from which the blood cells are removed again into a separate experimental device, there is a possibility that a single cell loss occurs.
단일 세포의 다양한 처리 과정 중, 단일 세포의 손실을 최소화 할 수 있는 미세 유체 소자를 제공한다. Provided is a microfluidic device capable of minimizing the loss of a single cell during various processing of a single cell.
또한, 미세 유체 소자를 통해 연속적으로 단일 세포를 처리할 수 있는 단일 세포 처리 방법을 제공한다.The present invention also provides a single cell processing method capable of continuously processing a single cell through a microfluidic device.
일 구현예에 따르면, 표적 세포로서 단일 세포를 포함하는 시료액, 또는 시약이 수용되는 제1웰, 상기 제1웰과 이격되어 배치되는 제2웰, 및 상기 제1웰의 하부면으로부터 제2웰의 하부면으로 연장되어 상기 제1웰과 상기 제2웰을 연결하는 2 이상의 미세 유로를 포함하되, 상기 미세 유로의 폭은 상기 단일 세포의 크기보다 작은 미세 유체 소자가 제공된다.According to one embodiment, a target solution containing a single cell as a target cell, or a reagent containing a first well, a second well disposed spaced apart from the first well, and a second from the lower surface of the first well A microfluidic device including two or more microchannels extending to the bottom surface of the well and connecting the first well and the second well, the width of the microchannel being smaller than the size of the single cell.
상기 미세 유로의 폭 방향 단면적에 대한 상기 제1웰의 하부면 면적의 비는 1000:1 내지 400000000:1 일 수 있다.The ratio of the area of the lower surface of the first well to the width direction cross-sectional area of the microchannel may be 1000: 1 to 400000000: 1.
상기 2 이상의 미세 유로와 상기 제2웰 사이에 형성된 제1저수부를 더 포함하고, 상기 2 이상의 미세 유로와 상기 제2웰은 상기 제1저수부와 각각 연결될 수 있다. The first reservoir may further include a first reservoir formed between the two or more microchannels and the second well, and the two or more microchannels and the second well may be connected to the first reservoir.
상기 2 이상의 미세 유로는 상기 제1웰과 상기 제2웰을 병렬적으로 연결할 수 있다.The two or more microchannels may connect the first well and the second well in parallel.
상기 미세 유로의 폭은 0.5 ㎛ 내지 15 ㎛ 일 수 있다.The width of the fine flow path may be 0.5 μm to 15 μm.
상기 제1웰의 하부면과 상기 제2웰의 하부면은 동일 평면 상에 위치할 수 있다.The bottom surface of the first well and the bottom surface of the second well may be coplanar.
상부에서 바라본 상기 제1웰의 하부면은 원형 형상을 가질 수 있다.The lower surface of the first well as viewed from the top may have a circular shape.
상기 제1웰의 하부면 직경은 1 mm 내지 50 mm 일 수 있다.The bottom surface diameter of the first well may be 1 mm to 50 mm.
한편, 상기 미세 유체 소자는 상기 제1웰, 상기 제2웰, 상기 2 이상의 미세 유로를 구비한 단일 세포 처리부를 2 이상 포함할 수 있다.The microfluidic device may include two or more single cell processing units including the first well, the second well, and the two or more microchannels.
상기 2 이상의 단일 세포 처리부는 행렬(matrix) 형태를 갖도록 배열되어 있을 수 있다.The two or more single cell processing units may be arranged to have a matrix form.
한편, 다른 구현예에 따르면, 상기 미세 유체 소자를 이용한 단일 세포 처리 방법으로서, 상기 제1웰에 단일 세포를 포함한 시료액을 주입하는 단계, 상기 제1웰에 고정액을 주입하여 상기 단일 세포를 고정하는 단계, 상기 제1웰에 침투액을 주입하여 상기 고정된 단일 세포를 전처리하는 단계, 및 상기 제1웰에 염색액을 주입하여 상기 전처리된 단일 세포를 염색하는 단계를 포함하는 단일 세포 처리 방법이 제공된다.On the other hand, according to another embodiment, as a single cell treatment method using the microfluidic device, injecting a sample solution containing a single cell into the first well, injecting a fixed solution into the first well to fix the single cell A single cell treatment method comprising the steps of: injecting a permeate solution into the first well to pretreat the fixed single cell; and injecting a dye solution into the first well to stain the pretreated single cell. Is provided.
상기 제2웰에 음압(negative force)을 인가하여, 상기 제1웰로부터 상기 시료액, 상기 고정액, 상기 침투액, 및 상기 염색액을 제거할 수 있다.A negative force may be applied to the second well to remove the sample solution, the fixative solution, the penetrating solution, and the dye solution from the first well.
상기 제1웰로부터 제거된 상기 시료액, 고정액, 침투액, 및 염색액은 상기 미세 유로를 통과하여 상기 제2웰에 수용될 수 있다.The sample solution, the fixer, the penetrant, and the dye solution removed from the first well may be accommodated in the second well through the microchannel.
인가된 상기 음압에 의하여 미세 유로를 통과하는 상기 시료액, 고정액, 침투액, 및 염색액의 유속은 상기 음압에 의하여 유도되는 상기 단일 세포의 이동 속도보다 클 수 있다.The flow rate of the sample solution, the fixed solution, the penetrating solution, and the dye solution passing through the microchannel by the negative pressure applied may be greater than the moving speed of the single cell induced by the negative pressure.
상기 단일 세포 처리 방법은 상기 제1웰에 세척액을 주입하여 상기 제1웰을 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.The single cell treatment method may further include the step of washing the first well by injecting a washing solution into the first well.
상기 세척 단계가 종료되면, 상기 제2웰에 음압(negative force)을 인가하여 상기 세척액을 상기 제1웰로부터 제거할 수 있다.When the washing step is completed, the washing liquid may be removed from the first well by applying a negative force to the second well.
단일 세포의 다양한 처리 과정 중, 단일 세포의 손실을 최소화 할 수 있는 미세 유체 소자를 제공할 수 있다.It is possible to provide a microfluidic device capable of minimizing the loss of a single cell during various processes of single cell.
또한, 미세 유체 소자를 통해 연속적으로 단일 세포를 처리할 수 있는 단일 세포 처리 방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a single cell processing method capable of continuously processing a single cell through a microfluidic device.
도 1은 일 구현예에 따른 미세 유체 소자를 나타낸 사시도이고,1 is a perspective view of a microfluidic device according to one embodiment;
도 2는 도 1의 미세 유체 소자를 위에서 바라본 평면도이고,2 is a plan view from above of the microfluidic device of FIG. 1;
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 으로 자른 단면을 나타낸 것이고,3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG.
도 4 내지 도 6은 일 구현예에 따른 단일 세포 처리부의 다양한 변형예를 나타낸 것이고,4 to 6 show various modifications of the single cell treatment unit according to one embodiment,
도 7은 다른 구현예에 따른 단일 세포 처리부를 2 이상 포함하는 미세 유체 소자를 나타낸 사시도이고,7 is a perspective view showing a microfluidic device including two or more single cell processing units according to another embodiment;
도 8 내지 도 18은 일 구현예에 따른 단일 세포 처리 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.8 to 18 are views sequentially showing a single cell treatment method according to one embodiment.
이하, 일 구현예에 대하여 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.Hereinafter, an embodiment will be described in detail so that a person of ordinary skill in the art may easily implement the present embodiment. However, they may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. When a portion of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on top" of another part, this includes not only when the other part is "right over" but also when there is another part in the middle. On the contrary, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle.
일 구현예에서 표적 세포가 되는 "단일 세포(single-cell)" 는, 예를 들어 시료 내에 단지 몇 개에서 몇 수십개 정도만이 존재하는 매우 희소(rare)한 세포로서, 예를 들어 혈액 내 약 수 억개의 혈구 세포 중 한 개 꼴로 존재하는 순환 종양 세포(circulating tumor cell, CTC) 등을 의미한다.In one embodiment a "single-cell", which is a target cell, is a very rare cell, for example with only a few to several dozens present in a sample, for example, a drug in the blood. It refers to a circulating tumor cell (CTC), etc. present in one of the billion cells of blood cells.
일 구현예에서 "시약(reagent)" 이란, 상기 단일 세포의 생물화학적 처리를 위한 다양한 종류의 약품을 의미하며, 예를 들어 버퍼 용액과 같은 세척액이나, 고정액, 침투액, 염색액 등을 포괄하는 의미이다.In one embodiment, "reagent" means various kinds of drugs for biochemical treatment of the single cell, and includes, for example, washing solution such as buffer solution, fixed solution, penetrating solution, dye solution, and the like. to be.
한편, 일 구현예에서 "시료액" 은, 상기 "단일 세포"가 버퍼 용액(buffer solution) 등과 같은 시약에 담긴 것을 의미한다.Meanwhile, in one embodiment, "sample liquid" means that the "single cell" is contained in a reagent such as a buffer solution.
우선, 이하에서는 도 1 및 도 2를 통해 일 구현예에 따른 미세 유체 소자의 개략적인 구조를 설명한다. First, a schematic structure of a microfluidic device according to an embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.
도 1은 일 구현예에 따른 미세 유체 소자를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 미세 유체 소자를 위에서 바라본 평면도이다.1 is a perspective view illustrating a microfluidic device according to an embodiment, and FIG. 2 is a plan view of the microfluidic device of FIG. 1 as viewed from above.
도 1, 및 도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 미세 유체 소자(100)는 기판(10)과, 기판(10) 위에 배치되되, 표적 세포로서, 단일 세포가 수용 및 처리되는 단일 세포 처리부(20)를 포함한다.1 and 2, the microfluidic device 100 according to the embodiment is disposed on the substrate 10 and the substrate 10, and is a single cell processor configured to receive and process a single cell as a target cell. And 20.
일 구현예에서 기판(10)은, 각종 시약들과 화학적으로 반응하지 않는 소재로 이루어질 수 있다. 또한, 기판(10)은, 시료 내 단일 세포의 존재를 확인할 수 있도록 광학적으로 투명한 소재로 이루어질 수 있다. 일 구현예에서 기판(10)은 예를 들어 유리, 플라스틱 따위의 소재로 이루어 질 수 있으며, 예를 들어, 기판(10)으로 슬라이드 글라스(slide glass)를 사용할 수도 있다.In one embodiment, the substrate 10 may be formed of a material that does not chemically react with various reagents. In addition, the substrate 10 may be made of an optically transparent material to confirm the presence of a single cell in the sample. In one embodiment, the substrate 10 may be made of a material such as glass or plastic. For example, a slide glass may be used as the substrate 10.
단일 세포 처리부(20)는 기판(10)의 바로 위에 배치된다. 단일 세포 처리부(20)는 몸체(21), 제1웰(22), 제2웰(23), 및 2 이상의 미세 유로(24)를 포함한다.The single cell processing unit 20 is disposed directly on the substrate 10. The single cell processing unit 20 includes a body 21, a first well 22, a second well 23, and two or more microchannels 24.
몸체(21)는 기판(10) 위에서 형성되되, 기판(10)의 단면적에 상응하는 단면적을 가질 수 있다. 몸체(21)는 시료 내 단일 세포의 존재를 확인할 수 있도록 광학적으로 투명한 소재로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 유리, 플라스틱 따위의 소재로 이루어질 수 있다. The body 21 is formed on the substrate 10 and may have a cross-sectional area corresponding to the cross-sectional area of the substrate 10. The body 21 may be made of an optically transparent material so as to confirm the presence of a single cell in the sample. For example, the body 21 may be made of a material such as glass or plastic.
한편, 몸체(21)는 소수성을 갖는 재료, 예를 들어 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 형성되어 있을 수 있다. 일반적으로 시료액이나 각종 시약들은 친수성을 갖는 유체이므로, 몸체(21)를 소수성을 갖는 재료로 형성함으로써, 미세 유로(24) 내부에 강한 유체저항이 걸려 별도의 외력을 인가하지 않은 상태에서 제1웰(22)의 시약이 미세 유로(24) 및 제2웰(23)로 흘러 들어가는 것을 방지할 수 있다.Meanwhile, the body 21 may be formed of a material having hydrophobicity, for example, polydimethylsiloxane (PDMS). In general, since the sample liquid and various reagents are hydrophilic fluids, the body 21 is formed of a hydrophobic material, so that a strong fluid resistance is applied to the inside of the microchannel 24 so that a first external force is not applied. Reagents in the well 22 can be prevented from flowing into the microchannel 24 and the second well 23.
다만, 일 구현예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 친수성을 갖는 재료로 형성되되, 적어도, 후술할 제1웰(22), 제2웰(23)의 측벽을 이루는 표면과, 미세 유로(24)를 이루는 표면을 각각 표면개질 등의 방법을 통해 소수성을 갖도록 제어할 수도 있다.However, one embodiment is not necessarily limited thereto, and may be formed of a material having hydrophilicity, and at least, the surface forming the sidewalls of the first well 22 and the second well 23 and the fine flow path 24 will be described. The surfaces to be formed may be controlled to have hydrophobicity through surface modification or the like.
제1웰(22)은 몸체(21)를 상하로 개방하되, 기판(10) 상부면과의 접촉에 의해 형성된 상부면이 개구된 반폐쇄형 공간이다. 즉, 제1웰(22)의 측벽은 몸체(21)이나, 제1웰(22)의 하부면은 기판(10) 상부면이 된다. 일 구현예에서는 상기 제1웰(22)을 통해 시료, 또는 시약이 주입될 수 있다.The first well 22 is a semi-closed space in which the body 21 is opened up and down, but the upper surface formed by contact with the upper surface of the substrate 10 is opened. That is, the sidewall of the first well 22 is the body 21, but the lower surface of the first well 22 is the upper surface of the substrate 10. In one embodiment, a sample or reagent may be injected through the first well 22.
제2웰(23) 또한, 상기 제1웰(22)과 동일한 방법에 의하여 형성된, 상부면이 개구된 반폐쇄형 공간이다. 제2웰(23)은 상기 제1웰(22)에 수용되어 있는 시료, 또는 시약을, 미세 유로(24)를 통해 공급받아 제거할 수 있다.The second well 23 is also a semi-closed space with an open top surface formed by the same method as the first well 22. The second well 23 may receive and remove a sample or a reagent contained in the first well 22 through the microchannel 24.
상기 제1웰(22)과 제2웰(23)은 도 2에 도시된 바와 같이 상부에서 바라본 각각의 하부면은 원형 형상을 갖도록 형성될 수도 있다. 다만, 일 구현예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 제1웰(22)과 제2웰(23)의 형상이 삼각, 사각, 육각, 팔각 등의 다각 형상이나, 타원 형상 등을 가질 수도 있다. As illustrated in FIG. 2, the first well 22 and the second well 23 may be formed to have a circular shape. However, one embodiment is not necessarily limited thereto, and the shape of the first well 22 and the second well 23 may have a polygonal shape such as a triangular shape, a square shape, a hexagonal shape, an octagonal shape, an elliptic shape, or the like.
미세 유로(24)는 제1웰(22)의 하부면으로부터 제2웰(23)의 하부면으로 연장되어 제1웰(22)과 제2웰(23)을 서로 연결시킨다. 일 구현예에 따른 미세 유로(24)는 몸체(21)의 하부면을 패턴 식각한 후, 기판(10)과 접촉시킴으로써 기판(10)과 몸체(21) 사이에 형성되는 공간일 수 있다. The microchannel 24 extends from the bottom surface of the first well 22 to the bottom surface of the second well 23 to connect the first well 22 and the second well 23 to each other. The micro-channel 24 according to the exemplary embodiment may be a space formed between the substrate 10 and the body 21 by contacting the substrate 10 after pattern etching the lower surface of the body 21.
한편, 미세 유로(24)는 2 이상이 제1웰(22)로부터 제2웰(23)을 향해 연장되어 있을 수 있다. 일 구현예는, 도 1, 및 도 2에 도시된 바와 같이 2 이상의 미세 유로(24)는 제1웰(22)로부터 각각 병렬적으로 제2웰(23)을 향해 연장되었다가, 제1웰(22)과 제2웰(23) 사이의 어느 한 지점에서 하나의 경로로 합쳐져 제2웰(23)로 연결되는 형상으로 형성될 수 있다.On the other hand, two or more micro-channels 24 may extend from the first well 22 toward the second well 23. In one embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, two or more microchannels 24 extend from the first well 22 toward the second well 23 in parallel, respectively, and then the first well. At one point between the 22 and the second well 23 may be formed in a shape that is combined into one path and connected to the second well 23.
미세 유로(24)는 제1웰(22)에 수용되어 있는 시료액, 또는 시약을 제2웰(23)에 공급하는 통로 역할을 수행한다. 즉, 미세 유로(24)는 제1웰(22)에 수용된 시약을 제2웰(23)로 배출하기 위한 배수로(drainage way) 역할을 수행할 수 있다.The microchannel 24 serves as a passage for supplying the sample liquid or the reagent contained in the first well 22 to the second well 23. That is, the microchannel 24 may serve as a drainage way for discharging the reagent contained in the first well 22 to the second well 23.
일 구현예에서, 미세 유로(24)의 폭은 단일 세포의 크기보다 작게 형성되어 있다. 이에 따라, 단일 세포가 미세 유로(24)를 통과하지 못하고 제1웰(22) 내부에 잔류할 수 있다. 즉, 미세 유로(24)는 제1웰(22) 내부의 단일 세포를 제외한 시료액, 또는 시약만을 제2웰(23)로 배출할 수 있다.In one embodiment, the width of the microchannel 24 is smaller than the size of a single cell. As a result, a single cell may not pass through the microchannel 24 and remain inside the first well 22. That is, the micro channel 24 may discharge only the sample liquid or the reagent except the single cell inside the first well 22 to the second well 23.
한편, 미세 유로(24)이 폭이 일반적으로 수십 내지 수백 마이크로 미터 크기를 갖는 단일 세포의 크기보다 작게 형성되므로, 제1웰(22) 내부에 수용되어 있는 시료액, 또는 시약은 일정 압력 이상을 받아야만 미세 유로(24)를 통해 제2웰(23)로 배출될 수 있다.On the other hand, since the micro-channel 24 is formed to be smaller than the size of a single cell having a width of several tens to hundreds of micrometers in general, the sample liquid or reagent contained in the first well 22 has a predetermined pressure or more. Only to be discharged to the second well 23 through the micro-channel 24.
즉, 일 구현예에 따른 미세 유체 소자(100)는 제1웰(22)로 주입된 단일 세포를 포함한 시료액, 또는 시료 중, 단일 세포를 제외한 나머지만을 선택적으로 미세 유로(24)를 통해 제2웰(23)로 이동시켜 제거할 수 있다.That is, the microfluidic device 100 according to the exemplary embodiment may be formed of a sample liquid including a single cell injected into the first well 22, or a sample fluid containing only a single cell except for a single cell. Can be removed by moving to two wells (23).
보다 상세히, 제1웰(22) 내부에 수용되어 있는 시료액, 또는 시약은 미세 유로(24)의 높은 유압 저항(hydraulic resistance)을 극복할 수 있도록 소정의 정압(positive pressure)이 제1웰(22)에 가해지거나, 소정의 음압(negative pressure)이 제2웰(23)에 가해져야 한다.In more detail, the sample liquid or reagent contained in the first well 22 may have a predetermined positive pressure to overcome the high hydraulic resistance of the microchannel 24. 22), or a predetermined negative pressure must be applied to the second well 23.
미세 유로(24)에 인가되는 유압 저항은 아래 수학식 1과 같다.The hydraulic resistance applied to the fine flow path 24 is expressed by Equation 1 below.
Figure PCTKR2016009420-appb-M000001
Figure PCTKR2016009420-appb-M000001
수학식 1에서 Rh는 미세 유로(24)에 인가되는 유압 저항을, ΔP 는 인가되어야 하는 압력 변화량을, Q는 미세 유로(24)를 통과하는 유량(flow rate)을 각각 의미한다. In Equation 1, R h denotes a hydraulic resistance applied to the fine passage 24, ΔP denotes a pressure change amount to be applied, and Q denotes a flow rate through the fine passage 24, respectively.
일 구현예에서는 피펫(pipette) 등을 이용하여 미세 유로(24)의 유압 저항과 미세 유로(24)를 통과하는 유량의 곱보다 큰 음압을 제2웰(23)에 인가함으로써, 제1웰(22)에 수용되어 있는 시료액, 또는 시료를 제2웰(23)로 이동시킬 수 있다. In one embodiment, a first pressure may be applied to the second well 23 by applying a negative pressure greater than the product of the hydraulic resistance of the microchannel 24 and the flow rate through the microchannel 24 using a pipette or the like. The sample liquid contained in 22) or the sample can be moved to the second well 23.
만약, 상기 미세 유로(24)의 유압 저항을 극복할 수 있는 압력(예를 들어, 미세 유로(24)의 유압 저항에 의한 임계 압력 이상의 음압)이 제1웰(22) 또는 제2웰(23)에 가해지지 않는 경우, 제1웰(22)에 수용되어 있는 시료액, 또는 시약은 미세 유로(24)의 높은 유압 저항(hydraulic resistance)에 의해 제1웰(22)에 전부 머물러 있게 된다. 즉, 미세 유로(24)는 일종의 체크 밸브(check valve) 역할을 수행할 수 있다.If the pressure capable of overcoming the hydraulic resistance of the micro-channel 24 (for example, a negative pressure greater than or equal to a threshold pressure due to the hydraulic resistance of the micro-channel 24) is equal to the first well 22 or the second well 23. ), The sample liquid or reagent contained in the first well 22 remains entirely in the first well 22 due to the high hydraulic resistance of the microchannel 24. That is, the micro flow path 24 may serve as a kind of check valve.
따라서, 일 구현예에 따른 미세 유체 소자(100)는 제1웰(22)로 주입된 단일 세포를 포함한 시료액, 또는 시료 중, 단일 세포를 제외한 나머지만을 선택적으로 제1웰(22)로부터 제거할 수 있으면서도, 미세 유로에 별도의 밸브를 설치하지 않고도 제1웰(22)로부터 미세 유로(24)로 이동하는 시료액 또는 시약의 흐름을 용이하게 제어할 수 있다. Therefore, the microfluidic device 100 according to the exemplary embodiment selectively removes only the sample solution including the single cells injected into the first well 22 or only the remainder except the single cells in the sample from the first well 22. It is possible to easily control the flow of the sample liquid or reagent moving from the first well 22 to the microchannel 24 without providing a separate valve in the microchannel.
그러면, 이하에서는 도 3과 전술한 전술한 도 1, 도 2를 함께 참고하여, 일 구현예에 따른 단일 세포 처리부(20)의 구조를 보다 상세히 설명한다.Then, the structure of the single cell processing unit 20 according to an embodiment will be described in more detail with reference to FIG. 3 and FIG. 1 and FIG. 2 described above.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ으로 자른 단면을 나타낸 것이다.3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 2.
도 3을 참고하면, 미세 유로(24)는 소정의 폭 D2와 소정의 길이 H2를 갖는다. 미세 유로(24)의 폭은, 전술한 바와 같이, 표적 세포가 되는 단일 세포의 종류에 따라 다양한 값을 가질 수 있으며, 예를 들어 0.5 ㎛ 내지 15 ㎛, 예를 들어 1 ㎛ 내지 15 ㎛, 예를 들어 1 ㎛ 내지 12 ㎛, 예를 들어 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있다. Referring to FIG. 3, the microchannel 24 has a predetermined width D2 and a predetermined length H2. As described above, the width of the micro-channel 24 may have various values depending on the type of single cell to be a target cell, for example, 0.5 μm to 15 μm, for example 1 μm to 15 μm, eg For example, 1 μm to 12 μm, for example 1 μm to 10 μm.
미세 유로(24)의 폭이 0.5 ㎛ 미만인 경우, 단일 세포의 처리를 위한 시료액, 또는 시약의 제거 시간이 과도하게 증가하여 처리 효율이 저하되고, 미세 유로(24)의 폭이 15 ㎛ 를 초과하게 되면, 미세 유로(24)가 투입된 단일 세포의 크기와 비슷한 수준의 크기가 되어, 단일 세포가 제2웰(23)에 가해지는 음압에 의해 미세 유로(24)로 빨려 들어가 미세 유로(24)를 폐쇄하거나, 제2웰(23)로 이동하여 제거됨으로써, 단일 세포의 손실이 발생할 수 있다. When the width of the micro-channel 24 is less than 0.5 μm, the removal time of the sample liquid or reagent for treating single cells is excessively increased, thereby reducing the treatment efficiency, and the width of the micro-channel 24 exceeds 15 μm. In this case, the size of the microchannel 24 is about the same as that of the single cell into which the microchannel 24 is inserted, and the single cell is sucked into the microchannel 24 by the negative pressure applied to the second well 23. By closing or moving to the second well 23 to be removed, a single cell loss can occur.
미세 유로(24)의 폭 방향 단면은, 몸체(21)의 가공 용이성 등을 고려하여 다양하게 설계할 수 있으며, 예를 들어 반원, 타원, 사각 형상 등으로 형성될 수 있다. The cross section in the width direction of the micro-channel 24 may be variously designed in consideration of the ease of processing of the body 21, for example, may be formed in a semicircle, an ellipse, a square shape, or the like.
한편, 미세 유로(24)의 길이는, 제1웰(22)과 제2웰(23)간의 간격, 제1웰(22)에 주입되는 시료액, 또는 시료의 양, 제2웰(23)에 가해지는 음압 등에 따라 다양하게 설계할 수 있으며, 예를 들어 5 ㎛ 내지 1 mm, 예를 들어 5 ㎛ 내지 800 ㎛, 예를 들어 5 ㎛ 내지 600 ㎛, 예를 들어 5 ㎛ 내지 500 ㎛ 일 수 있다. On the other hand, the length of the micro-channel 24 is the interval between the first well 22 and the second well 23, the amount of sample liquid or sample injected into the first well 22, the second well 23 It can be variously designed according to the sound pressure applied to, for example, 5 ㎛ to 1 mm, for example 5 ㎛ to 800 ㎛, for example 5 ㎛ to 600 ㎛, for example 5 ㎛ to 500 ㎛ have.
미세 유로(24)의 길이가 5 ㎛ 미만일 경우, 제2웰(23)에 가해진 음압에 의해 미세 유로(24)를 통과하는 유체의 유속이 지나치게 빨라져 제1웰(22) 내부의 시료액, 또는 시료의 양을 정밀하게 제어하기 어렵다. 한편, 미세 유로(24)의 길이가 1mm 를 초과할 경우, 제2웰(23)에 가해야 하는 음압의 크기가 커지는 한편, 시료액, 또는 시료의 제거가 더디게 진행됨에 따라 단일 세포 처리 공정 시간이 과도하게 증가할 수 있다.When the length of the micro-channel 24 is less than 5 μm, the flow rate of the fluid passing through the micro-channel 24 is excessively increased due to the negative pressure applied to the second well 23, so that the sample liquid in the first well 22, or It is difficult to precisely control the amount of sample. On the other hand, when the length of the micro-channel 24 exceeds 1mm, the magnitude of the negative pressure to be applied to the second well 23 increases, while the removal of the sample liquid or the sample slows down, so that the single cell treatment process time This may increase excessively.
일 구현예에 따른 제1웰(22)과 제2웰(23)의 높이는 서로 동일한 값 H1을 가질 수 있다. 일 구현예에 따른 제1웰(22)과 제2웰(23)의 높이는 다양하게 설정 가능하며, 예를 들어 1 mm 내지 50 mm, 1 mm 내지 20 mm, 예를 들어 1 mm 내지 10 mm 일 수 있다. 제1웰(22)과 제2웰(23) 높이가 1 mm 미만인 경우, 제1웰(22)에 주입되는 시료액, 또는 시약의 양이 부족할 수 있고, 제1웰(22)과 제2웰(23) 높이가 50 mm 을 초과할 경우, 제1웰(22)에 불필요하게 많은 시약이 주입될 수 있고, 단일 세포 처리 후 제2웰(23)을 통해 시료액, 또는 시약을 제거하기가 어려우며, 단일 세포 처리 공정 시간이 길어질 수 있다.According to an embodiment, the heights of the first well 22 and the second well 23 may have the same value H1. The height of the first well 22 and the second well 23 according to one embodiment can be variously set, for example 1 mm to 50 mm, 1 mm to 20 mm, for example 1 mm to 10 mm Can be. When the height of the first well 22 and the second well 23 is less than 1 mm, the amount of the sample liquid or reagent injected into the first well 22 may be insufficient, and the first well 22 and the second well may be insufficient. If the height of the well 23 exceeds 50 mm, an unnecessary amount of reagent may be injected into the first well 22, and after the single cell treatment, the sample liquid or reagent may be removed through the second well 23. Is difficult, and the single cell processing process time can be long.
일 구현예에 따른 제1웰(22)의 하부면과 제2웰(23)의 하부면은, 도 3에 도시된 바와 같이 동일 평면 상에 위치할 수 있다, 즉, 일 구현예에서, 제1웰(22)의 하부면, 제2웰(23)의 하부면 및 미세 유로(24)의 하부면은 모두 동일 평면 상에 위치할 수 있다. 이와 같이 제1웰(22) 하부면, 제2웰(23) 하부면, 및 미세 유로(24)의 하부면이 단차(段差) 없이 서로 동일한 평면상에 위치함으로써, 제1웰(22)에 수용되어 있는 시료액, 또는 시약이 제2웰(23)에 인가된 음압에 의해 미세 유로(24)로 용이하게 이동 가능하다. The bottom surface of the first well 22 and the bottom surface of the second well 23 according to one embodiment may be coplanar, as shown in FIG. 3, that is, in one embodiment, The bottom surface of the first well 22, the bottom surface of the second well 23, and the bottom surface of the microchannel 24 may all be coplanar. As such, the lower surface of the first well 22, the lower surface of the second well 23, and the lower surface of the fine flow path 24 are positioned on the same plane without the step, thereby providing the first well 22 with the first well 22. The sample liquid or reagent stored therein can be easily moved to the fine flow path 24 by the negative pressure applied to the second well 23.
한편, 도 3을 참고하면, 일 구현예에서는 제1웰(22)의 하부면 직경 D1 이 제2웰(23)의 하부면 직경 D3 보다 크게 형성되나, 제1웰(22)의 하부면과 제2웰(23)의 하부면의 직경은 서로 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있으며, 주입 및 배출되는 시료액, 또는 시약의 양, 상기 시료액, 또는 시약을 주입하기 위한 피펫의 직경 등을 고려하여 다양하게 설정할 수 있다. Meanwhile, referring to FIG. 3, in one embodiment, the bottom surface diameter D1 of the first well 22 is larger than the bottom surface diameter D3 of the second well 23, but the bottom surface of the first well 22 Diameters of the lower surfaces of the second wells 23 may be the same as or different from each other, and the amount of the sample liquid or reagent injected or discharged, the diameter of the sample liquid or the pipette for injecting the reagent, and the like. It can be set in various ways.
제1웰(22)의 하부면 직경 D1과 제2웰(23) 하부면의 직경 D3 은 각각, 예를 들어 1 mm 내지 50 mm, 1 mm 내지 20 mm, 예를 들어 1 mm 내지 10 mm 일 수 있다. 제1웰(22)과 제2웰(23) 하부면의 직경이 1 mm 미만인 경우, 제1웰(22)에 주입되는 시료액, 또는 시약의 양이 다소 부족할 수 있고, 후술할 단일 세포의 항력(drag force)를 유발시키기 어렵다. 또한, 제1웰(22)과 제2웰(23) 하부면의 직경이 50 mm 를 초과할 경우, 단일 세포 처리를 위해 주입해야 할 시약의 양이 과도하게 증가할 수 있다.The lower surface diameter D1 of the first well 22 and the diameter D3 of the lower surface of the second well 23 are each, for example, 1 mm to 50 mm, 1 mm to 20 mm, for example 1 mm to 10 mm. Can be. When the diameters of the lower surfaces of the first well 22 and the second well 23 are less than 1 mm, the amount of the sample liquid or reagent injected into the first well 22 may be somewhat insufficient. It is difficult to induce drag force. In addition, when the diameter of the bottom surface of the first well 22 and the second well 23 exceeds 50 mm, the amount of reagent to be injected for single cell treatment may be excessively increased.
일 구현예에서 제1웰(22)에 시료액이 주입되고 시간이 경과하면, 단일 세포들 대다수는 제1웰(22) 하부면에 가라앉게 된다. 이 때, 제2웰(23)에 음압을 가하여 미세 유로(24)로 시료액을 뽑아내면, 미세 유로(24)를 통과하는 시료액의 유속은 상기 음압에 의해 신속하게 제2웰(23)로 이동하게 된다. 반면, 단일 세포들은 제2웰(23)에 가해진 음압에 큰 영향을 받지 않고 제1웰(22) 하부면에서 거의 이동하지 않는 모습을 보인다.In one embodiment, as the sample solution is injected into the first well 22 and over time, the majority of single cells sink to the lower surface of the first well 22. At this time, when the sample liquid is drawn out to the micro-channel 24 by applying a negative pressure to the second well 23, the flow rate of the sample liquid passing through the micro-channel 24 is rapidly changed by the negative pressure. Will be moved to. On the other hand, the single cells are hardly affected by the negative pressure applied to the second well 23 and show little movement in the lower surface of the first well 22.
이는, 제2웰(23)에 음압이 인가됨에 따라, 시료액 내에 존재하는 단일 세포들에 가해지는 힘으로 중력(gravity)과 부력(buoyancy) 외에 유체 이동에 의한 항력(drag force)이 추가적으로 인가되면서, 시료액이 미세 유로(24)를 통과하는 유속보다 느린 속도로 이동하기 때문이다. As the negative pressure is applied to the second well 23, drag force due to fluid movement is applied in addition to gravity and buoyancy as a force applied to the single cells existing in the sample liquid. This is because the sample liquid moves at a slower speed than the flow rate passing through the microchannel 24.
즉, 유체 이동을 위해 제2웰(23)에 음압이 인가되면, 미세 유로(24)와 제1웰(22)에 걸리는 압력 강하 효과는 미세 유로(24)에도 대부분 집중되고, 미세 유로(24)에 비해 비교적 넓은 단면적을 갖는 제1웰(22) 내부의 세포에는 미약한 정도의 압력 강하가 효과가 인가된다.That is, when a negative pressure is applied to the second well 23 for fluid movement, the pressure drop effect applied to the fine flow passage 24 and the first well 22 is mostly concentrated in the fine flow passage 24, and the fine flow passage 24 is applied. A slight pressure drop is applied to the cells inside the first well 22 having a relatively large cross-sectional area.
제1웰(22) 내부에서 이러한 단일 세포들의 거동은, 미세 유로(24)의 폭 방향 단면적에 대한 제1웰(22)의 하부면 면적의 비율에 영향을 받는다. The behavior of these single cells within the first well 22 is influenced by the ratio of the bottom surface area of the first well 22 to the widthwise cross-sectional area of the microchannel 24.
일 구현예에서, 미세 유로(24)의 폭 방향 단면적에 대한 제1웰(22)의 하부면 면적의 비는, 전술한 미세 유로(24)의 폭 D2와, 제1웰(22)의 하부면 직경 D1 에 따라 다양하게 조절될 수 있으며, 예를 들어 1000:1 내지 800000000:1, 예를 들어 1000:1 내지 400000000:1 일 수 있다.In one embodiment, the ratio of the area of the lower surface of the first well 22 to the widthwise cross-sectional area of the microchannel 24 is the width D2 of the microchannel 24 described above and the bottom of the first well 22. It can be variously adjusted according to the surface diameter D1, for example 1000: 1 to 800000000: 1, for example 1000: 1 to 400000000: 1.
미세 유로(24)의 폭 방향 단면적에 대한 제1웰(22)의 하부면 면적의 비를 상기 범위 내로 조절함으로써, 단일 세포들이 제2웰(23)에 인가된 음압에 별다른 영향을 받지 않고 제1웰(22) 하부면에 잔류해 있을 수 있다.By adjusting the ratio of the area of the lower surface of the first well 22 to the width-wise cross-sectional area of the micro-channel 24 within the above range, the single cells are not affected by the negative pressure applied to the second well 23. It may remain on the bottom surface of one well 22.
일반적인 미세 유체 소자에서 특정 유체만을 제거하기 위한 공정에서는 미세 유로에 형성된 밸브들을 이용하거나, 복합화(multiplexed)된 별도의 펌프(pump) 장치 등을 이용하고 있다. 이러한 일반적인 미세 유체 소자는 특정 유체 제거 공정 수행 시 마다 밸브들을 정밀 제어하거나, 유체 어댑터(fluidic adapter)나 시린지 펌프(syringe pump)를 연결해야 하는 번거로움이 있다.In a process for removing only a specific fluid from a general microfluidic device, valves formed in a microchannel or multiple pumped devices are used. Such a general microfluidic device is troublesome to precisely control valves or to connect a fluid adapter or a syringe pump each time a specific fluid removal process is performed.
한편, 단일 세포의 농축을 위한 다른 방법으로, 미세 유체 소자를 원심 분리하는 경우, 원심 분리 이후, 시료액, 또는 시약을 흡인(aspiration)하는 과정에서 단일 세포의 손실이 발생할 수 있다.On the other hand, when the microfluidic device is centrifuged by another method for concentrating a single cell, loss of the single cell may occur in the course of aspiration of the sample liquid or reagent after centrifugation.
또한, 상기와 같은 방법을 통해 얻어진 단일 세포를 기판에 부착(smear) 후 후속 처리를 진행 할 경우에도, 세척 등의 과정에서 단일 세포의 손실이 발생할 수 있으며, 이후 상기 단일 세포를 회수하여 추가적인 처리가 필요할 경우(예를 들어, 단일 세포의 형질 확인 후 회수하여 DNA를 추출해야 하는 경우 등)에도, 회수 중 단일 세포의 손실이 발생할 수 있다.In addition, even if a single cell obtained through the above method is attached to a substrate (smear) and then further processed, loss of a single cell may occur in the process of washing, and then the single cell may be recovered and further processed. Is required, for example, when a single cell has to be recovered after characterization and extracted from DNA, etc., loss of a single cell may occur during recovery.
그러나, 일 구현예에 따른 미세 유체 소자(100)의 경우, 몸체(21)를 소수성을 갖는 재료로 형성하여 별도의 외력이 인가되지 않은 상황에서 단일 세포가 미세 유로(24) 및 제2웰(23)로 흘러 들어가는 것을 방지할 수 있다. 또한, 미세 유로(24)의 폭 방향 단면적에 대한 제1웰(22)의 하부면 면적의 비율을 조절함으로써 미세 유로(24) 자체의 높은 유압 저항과 단일 세포에 인가되는 항력을 조절할 수 있다.  However, in the case of the microfluidic device 100 according to an embodiment, the body 21 is formed of a hydrophobic material so that a single cell may be formed in the microchannel 24 and the second well in a situation in which no external force is applied. 23) can be prevented from entering. In addition, by adjusting the ratio of the area of the lower surface of the first well 22 to the widthwise cross-sectional area of the microchannel 24, the high hydraulic resistance of the microchannel 24 itself and the drag applied to a single cell can be controlled.
이에 따라, 일 구현예에 따른 미세 유체 소자(100)는 피펫과 같은 간단한 도구를 통해 보다 용이하게 제1웰(22)로부터 특정 유체만을 제거해 낼 수 있어, 시료액, 또는 다양한 시약들을 연속적으로 제1웰(22)에 투입 후 제거하더라도 단일 세포의 손실이 발생하지 않는다. Accordingly, the microfluidic device 100 according to an embodiment may more easily remove only a specific fluid from the first well 22 through a simple tool such as a pipette to continuously remove a sample liquid or various reagents. Even after removal into one well 22, no single cell loss occurs.
즉, 일 구현예에 따르면, 단일 세포의 다양한 처리 과정 중, 단일 세포의 손실을 최소화 하는 동시에, 미세 유체 소자(100) 내에서 연속적으로 단일 세포 처리 공정을 진행할 수 있다.That is, according to the exemplary embodiment, the single cell treatment process may be continuously performed in the microfluidic device 100 while minimizing the loss of the single cell during various treatments of the single cell.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참고하여, 일 구현예에 따른 단일 세포 처리부의 다양한 변형예를 설명한다.Hereinafter, various modifications of the single cell processing unit according to one embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 6.
도 4를 참고하면, 단일 세포 처리부는, 2 이상의 미세 유로(24')가 제1웰(22)과 제2웰(23)을 병렬적으로 각각 연결하도록 배치되어 있을 수 있다. 미세 유로(24')는 전술한 도 1 내지 도 3의 미세 유로(24) 대비, 각각 독립적인 시료액, 또는 시약의 이동이 가능하다. Referring to FIG. 4, the single cell processing unit may be arranged such that two or more microchannels 24 ′ connect the first well 22 and the second well 23 in parallel. The fine flow passage 24 ′ can move the sample liquid or the reagent independently of the fine flow passage 24 of FIGS. 1 to 3 described above.
도 4에서, 미세 유로(24')는 5개의 유로가 서로 평행하게 병렬 배치된 구조를 나타내나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 미세 유로(24')의 수량에 따라 변화되는 유압 저항의 크기, 제1웰(22)의 직경, 및 단면적, 제2웰(23)에 인가되는 음압의 크기 등을 고려하여 다양하게 설정할 수 있다.In FIG. 4, the fine flow passage 24 ′ has a structure in which five flow passages are arranged in parallel to each other, but are not necessarily limited thereto, and the magnitude of the hydraulic resistance that varies according to the quantity of the fine flow passage 24 ′, The diameter of the first well 22, the cross-sectional area, and the magnitude of the sound pressure applied to the second well 23 may be set in various ways.
한편, 도 5를 참고하면, 단일 세포 처리부는 2 이상의 미세 유로(24)와 제2웰(23) 사이에 형성된 제1저수부(25)를 더 포함할 수 있다. 즉, 시료액, 또는 시약들이 임시적으로 저장되었다가 최종적으로 제2웰(23)을 통해 배출될 수 있도록, 전술한 도 1 내지 도 3 과 대비할 때 보다 넓은 영역을 갖는 제1저수부(25)가 형성되어 있을 수 있다. Meanwhile, referring to FIG. 5, the single cell processing unit may further include a first reservoir 25 formed between two or more microchannels 24 and the second well 23. That is, the first reservoir 25 having a larger area as compared with FIGS. 1 to 3 described above, so that the sample liquid or reagents may be temporarily stored and finally discharged through the second well 23. May be formed.
도 5에서는 제1저수부(25)가 차지하는 영역에 상응하여 미세 유로(24)의 길이가 축소되었으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 제1저수부(25)의 구체적인 형상, 수용 가능한 부피 등은 제1웰(22)과 제2웰(23) 간 간격, 제1웰(22)과 제2웰(23)이 수용 가능한 시료액, 또는 시약의 양 등에 따라 다양하게 설정할 수 있다.In FIG. 5, the length of the microchannel 24 is reduced to correspond to the area occupied by the first reservoir 25, but is not necessarily limited thereto, and the specific shape of the first reservoir 25, an acceptable volume, and the like are not limited thereto. The interval between the first well 22 and the second well 23, the sample solution that can be accommodated by the first well 22 and the second well 23, or the amount of the reagent may be variously set.
한편, 도 6를 참고하면, 단일 세포 처리부는 2 이상의 미세 유로(24) 각각에 형성된 제2저수부(26)를 더 포함할 수도 있다. 즉, 전술한 도 1 내지 도 3과 대비할 때, 미세 유로(24)의 일측에 미세 유로(24)의 폭보다 넓은 폭을 갖는 제2저수부(26)가 형성되어 있을 수 있다. 즉, 미세 유로(24) 내부를 이동 중인 시료액, 또는 시약들이 임시적으로 저장될 수 있는 공간을 제공한다. Meanwhile, referring to FIG. 6, the single cell processing unit may further include a second reservoir 26 formed in each of two or more microchannels 24. That is, as compared with the above-described FIGS. 1 to 3, the second reservoir 26 having a width wider than the width of the fine passage 24 may be formed at one side of the fine passage 24. That is, it provides a space in which the sample liquid or reagents that are moving inside the microchannel 24 may be temporarily stored.
도 5에서는 제2저수부(26)가 각각의 미세 유로(24)마다 독립적으로 형성되어 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 제2저수부(26)들끼리 서로 연결되도록 형성될 수도 있으며, 제2저수부(26)의 구체적인 형상, 수용 가능한 부피 등은 미세 유로(24)의 폭, 길이, 제1웰(22)과 제2웰(23) 간 간격, 제1웰(22)과 제2웰(23)이 수용 가능한 시료액, 또는 시약의 양, 제2저수부(26) 존재 시 미세 유로(24)를 흐르는 유체의 유속 등에 따라 다양하게 설정할 수 있다.In FIG. 5, the second reservoir 26 is formed independently for each of the fine flow paths 24, but is not necessarily limited thereto, and the second reservoirs 26 may be formed to be connected to each other. 2 The specific shape of the reservoir 26, the acceptable volume, etc. are the width and length of the micro-channel 24, the distance between the first well 22 and the second well 23, the first well 22 and the second The amount of the sample liquid or reagent that can be accommodated in the well 23, and the flow rate of the fluid flowing through the microchannel 24 in the presence of the second reservoir 26 may be set in various ways.
이상에서 살펴본 바와 같이, 일 구현예에 따른 미세 유체 소자(100)는 단일 세포 처리부(20), 보다 구체적으로 미세 유로(24)를 다양하게 설계하여도, 단일 세포의 다양한 처리 과정 중, 단일 세포의 손실을 최소화 하는 동시에, 미세 유체 소자(100) 내에서 연속적으로 단일 세포 처리 공정을 진행할 수 있다.As described above, the microfluidic device 100 according to an embodiment may be a single cell, even more specifically, a single cell processing unit 20, more specifically, the micro-channel 24 is designed in various ways. While minimizing the loss, the single cell treatment process may be continuously performed in the microfluidic device 100.
이하에서는, 도 7을 참고하여 다른 구현예에 따른 미세 유체 소자를 설명한다. Hereinafter, a microfluidic device according to another embodiment will be described with reference to FIG. 7.
7은 다른 구현예에 따른 단일 세포 처리부를 2 이상 포함하는 미세 유체 소자를 나타낸 이미지이다.7 is an image showing a microfluidic device including two or more single cell processing units according to another embodiment.
도 7을 참고하면, 다른 구현예에 따른 미세 유체 소자(200)는 2 이상의 단일 세포 처리부(20)를 포함하며, 이웃하는 단일 세포 처리부(20) 간에는 서로 열을 이루어 배열되어 있을 수 이다. 즉, 2 이상의 단일 세포 처리부(20)는 행렬(matrix) 형태를 갖도록 배열되어 있을 수 있다.Referring to FIG. 7, the microfluidic device 200 according to another embodiment includes two or more single cell processing units 20, and may be arranged in a row between neighboring single cell processing units 20. That is, the two or more single cell processing units 20 may be arranged to have a matrix form.
즉, 다른 구현예에 따른 미세 유체 소자(200)의 이웃하는 단일 세포 처리부(20) 간에는 별도의 유로가 형성되어 있지 않으므로, 단일 세포 처리부(20) 각각 독립적인 단일 세포 처리가 가능하다. That is, since no separate flow path is formed between the neighboring single cell processing units 20 of the microfluidic device 200 according to another embodiment, single cell processing of each of the single cell processing units 20 may be performed independently.
다른 구현예에 따른 미세 유체 소자(200)는, 예를 들어 다수의 단일 세포 처리부(20)를 구비한 웰 플레이트(well-plate)일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 세포 분석에 사용되는 다양한 실험 도구에도 상기 단일 세포 처리부(20)를 적용할 수 있다.The microfluidic device 200 according to another embodiment may be, for example, a well-plate having a plurality of single cell processing units 20, but is not limited thereto. The single cell processing unit 20 can also be applied to various experimental tools.
이상에서 살펴본 바와 같이, 다른 구현예에 따른 미세 유체 소자(200)는 2 이상의 단일 세포 처리부(20)를 포함하여 각각 독립적인 단일 세포 처리가 가능한 바, 단일 세포 처리 효율성을 향상시킬 수 있다.As described above, the microfluidic device 200 according to another embodiment may include two or more single cell processing units 20 to enable independent single cell processing, thereby improving single cell processing efficiency.
이하에서는, 도 8 내지 도 18을 참고하여 일 구현예에 따른 미세 유체 소자를 이용한 단일 세포 처리 방법을 순차적으로 설명한다. Hereinafter, a single cell treatment method using a microfluidic device according to an embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 8 to 18.
일 구현예에 따른 단일 세포 처리 방법은, 제1웰(22)에 단일 세포를 포함한 시료액을 주입하는 단계와, 제1웰(22)에 고정액을 주입하여 상기 단일 세포를 고정하는 단계와, 제1웰(22)에 침투액을 주입하여 고정된 단일 세포를 전처리하는 단계, 및 제1웰(22)에 염색액을 주입하여 상기 전처리된 단일 세포를 염색하는 단계를 포함한다. Single cell treatment method according to one embodiment, the step of injecting a sample solution containing a single cell into the first well 22, the step of fixing the single cell by injecting a fixed solution into the first well 22, Injecting the permeate solution into the first well 22 to pretreat the fixed single cell, and injecting the dye solution into the first well 22 to stain the pretreated single cell.
우선, 시료액 주입 단계에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 단일 세포(2)를 포함하는 시료액(3)이 제1웰(22)에 주입, 수용된다. 수용된 시료액(3)은 미세 유로(24)의 유압 저항에 의하여, 미세 유로(24) 내부로 이동하지 못하고 제1웰(22)에 머물러 있다. 또한, 단일 세포(2)들은 대부분 제1웰(22)의 하부면에 가라앉아 있다.First, in the sample liquid injection step, as shown in FIG. 8, the sample liquid 3 including the single cell 2 is injected into and received in the first well 22. The accommodated sample liquid 3 does not move inside the microchannel 24 due to the hydraulic resistance of the microchannel 24 and remains in the first well 22. In addition, the single cells 2 mostly sink to the bottom surface of the first well 22.
이후, 도 9에 도시된 바와 같이, 피펫 등을 이용하여 제2웰(23)에 미세 유로(24)의 유압 저항에 의한 임계 압력 이상의 음압을 인가하면, 제1웰(22)에 수용되어 있던 시료액(3)은 미세 유로(24)를 따라 제1 속도 V1으로 제2웰(23)을 향해 흐르게 된다. 이 때, 제1웰(22) 하부면에 가라앉아 있던 단일 세포(2)들은 상기 음압에 의해 항력이 유도되어, 제2 속도 V2로 미세 유로(24)를 향해 이동한다.Subsequently, as shown in FIG. 9, when a negative pressure greater than or equal to the threshold pressure due to the hydraulic resistance of the microchannel 24 is applied to the second well 23 using a pipette or the like, the first well 22 may be accommodated. The sample liquid 3 flows along the fine flow path 24 toward the second well 23 at the first speed V1. At this time, the single cells 2 that have sunk on the lower surface of the first well 22 are induced by the negative pressure, and move toward the micro-channel 24 at the second speed V2.
일 구현예에서는, 미세 유로(24)의 폭 방향 길이가 단일 세포(2)의 크기보다 작게 형성되는 바, 단일 세포(2)들은 미세 유로(24)를 통과하지 못하고 제1웰(22)에 잔류하게 된다. 또한, 미세 유로(24)의 폭 방향 단면적과 제1웰(22)의 단면적을 조절함으로써, 제1 속도 V1에 비해 제2 속도 V2가 최소 10- 6 배 가량의 느린 속도를 나타낸다. 이에 따라, 도 10에 도시된 바와 같이 시료액(3)을 제1웰(22)로부터 제거하더라도, 단일 세포(2) 들은 여전히 제1웰(22)에 잔류하게 된다. In one embodiment, the widthwise length of the microchannel 24 is formed to be smaller than the size of the single cell 2, so that the single cells 2 do not pass through the microchannel 24 and enter the first well 22. Will remain. Further, by adjusting the cross-sectional area of the micro channel 24 in the width direction cross-sectional area and a first well 22 of the second speed V2 than the first speed V1 at least 10 - it shows a low speed of about six times. Accordingly, even if the sample liquid 3 is removed from the first well 22 as shown in FIG. 10, the single cells 2 still remain in the first well 22.
한편, 시료액(3)의 제거가 완료된 이후에도, 제1웰(22) 내부에 미량의 시료액(3)이 남아있을 수 있으나, 미세 유로(24)의 유압 저항에 의한 임계 압력 이상의 음압이 인가되지 않은 도 10의 상태에서는 잔류한 미량의 시료액(3)이 미세 유로(24)를 통과하지 못한다.On the other hand, even after the removal of the sample liquid 3 is completed, a small amount of the sample liquid 3 may remain inside the first well 22, but a negative pressure greater than the threshold pressure due to the hydraulic resistance of the micro-channel 24 is applied. In the state of FIG. 10, the remaining trace liquid sample 3 does not pass through the fine flow path 24.
한편, 일 구현예에서는, 상기 제1웰(22)에 세척액을 주입하여 상기 제1웰(22)을 세척하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 세척 단계는 상기 시료액 주입 단계, 고정 단계, 침투 단계, 염색 단계 각각에서, 단일 세포(2)를 제외한 시료액, 고정액, 침투액 및 염색액 제거가 종료된 후에 수행될 수 있다.On the other hand, in one embodiment, it may further comprise the step of washing the first well 22 by injecting a washing solution into the first well 22, the washing step is the sample solution injection step, fixing step, infiltration In each of the steps and staining steps, the removal of the sample solution, the fixed solution, the penetrating solution and the staining solution except for the single cell 2 may be performed.
즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 세척 단계에서는 도 10의 제1웰(22)에 세척액(4)을 주입할 경우, 세척액(4) 또한 미세 유로(24)의 유압 저항에 의해 제1웰(22) 내부에 존재하게 된다. 이후, 제2웰(23)에 음압을 인가하면, 전술한 도 9에 도시된 바와 같이, 세척액(4)은 미세 유로(24)를 통과하여 제2웰(23)에 수용되는 반면, 단일 세포(2)들은 제1웰(22) 내부에서 거의 이동하지 않는다.That is, as shown in FIG. 11, in the washing step, when the washing liquid 4 is injected into the first well 22 of FIG. 10, the washing liquid 4 is also formed by the hydraulic resistance of the micro-channel 24. (22) It exists inside. Subsequently, when a negative pressure is applied to the second well 23, as shown in FIG. 9 described above, the washing liquid 4 passes through the microchannel 24 and is received in the second well 23, whereas a single cell is used. (2) hardly move inside the first well 22.
그 결과, 시료액의 세척이 완료되면, 도 12에 도시된 바와 같이 미량의 세척액(4)과 단일 세포(2)들만이 제1웰(22) 내부에 잔류하게 된다.As a result, when the washing of the sample liquid is completed, only a small amount of the washing liquid 4 and the single cells 2 remain in the first well 22, as shown in FIG.
이후, 고정 단계에서는 도 12의 제1웰(22) 내부로 고정액(5)을 주입하여, 단일 세포(2)를 제1웰(22) 하부면에 고정하는 작업을 수행한다. 고정액(5)에 의해 제1웰(22) 하부면에 고정된 단일 세포(2)들은, 음압에 의해 고정액(5)을 제거하더라도 도 14에 도시된 바와 같이 미량의 고정액(5)과 함께 제1웰(22) 내부에 잔류하게 된다.Subsequently, in the fixing step, the fixing solution 5 is injected into the first well 22 of FIG. 12 to fix the single cell 2 to the lower surface of the first well 22. The single cells 2 fixed to the lower surface of the first well 22 by the fixation solution 5 are removed together with a small amount of fixation solution 5 as shown in FIG. 14 even if the fixation solution 5 is removed by negative pressure. It remains inside the one well 22.
이후, 전술한 도 11에 도시된 것과 같은 세척 공정을 한 차례 수행하여 제1웰(22)의 내부를 세척한 후, 제2웰(23)에 음압을 인가하여 제1웰(22)에 잔류하던 고정액(5)과 세척액을 제거한다. 만약, 세척 공정 수행 과정에서 고정된 단일 세포(2) 중 일부가 제1웰(22) 하부면으로부터 탈착되더라도, 전술한 바와 같이 미세 유로(24)의 폭, 유압 저항, 및 단일 세포(2)에 유도되는 항력에 의하여, 단일 세포(2)는 제1웰(22) 내부에 잔류하게 된다.Thereafter, the inside of the first well 22 is cleaned by performing the washing process as illustrated in FIG. 11 once, and then a negative pressure is applied to the second well 23 to remain in the first well 22. Remove the fixed solution (5) and wash solution. If some of the fixed single cells 2 are detached from the lower surface of the first well 22 in the course of performing the washing process, the width of the microchannel 24, the hydraulic resistance, and the single cells 2 are described above. Due to the drag induced, the single cell 2 remains inside the first well 22.
이후, 침투 단계에서는, 도 15에 도시된 바와 같이 제1웰(22) 내부로 침투액(6)을 주입하여, 제1웰(22) 하부면에 고정된 단일 세포(2)의 세포막을 통과하여 침투액(6)을 침투시키는 과정을 수행한 후, 제2웰(23)에 음압을 인가하여 도 16에 도시된 바와 같이 침투액(6)을 제거한다. Subsequently, in the infiltration step, as shown in FIG. 15, the permeate solution 6 is injected into the first well 22 to pass through the cell membrane of the single cell 2 fixed to the lower surface of the first well 22. After performing the process of infiltrating the permeate solution 6, a negative pressure is applied to the second well 23 to remove the permeate solution 6 as shown in FIG. 16.
이후, 전술한 도 11에 도시된 것과 같은 세척 공정을 한 차례 수행하여 제1웰(22)의 내부를 세척한 후, 제2웰(23)에 음압을 인가하여 제1웰(22)에 잔류하던 침투액(6)과 세척액을 제거한다.Thereafter, the inside of the first well 22 is cleaned by performing the washing process as illustrated in FIG. 11 once, and then a negative pressure is applied to the second well 23 to remain in the first well 22. Remove the permeate (6) and wash solution.
이후, 염색 단계에서는, 도 17에 도시된 바와 같이 제1웰(22) 내부로 염색액(7)을 주입하여, 침투 처리된 단일 세포(2)의 염색을 수행한 후, 제2웰(23)에 음압을 인가하여 도 17에 도시된 바와 같이 염색액(7)을 제거한다. Subsequently, in the staining step, as shown in FIG. 17, the dye solution 7 is injected into the first well 22 to perform staining of the infiltrated single cell 2, and then the second well 23. Negative pressure is applied to remove the dye solution 7 as shown in FIG.
이후, 전술한 도 11에 도시된 것과 같은 세척 공정을 한 차례 수행하여 제1웰(22)의 내부를 세척한 후, 제2웰(23)에 음압을 인가하여 제1웰(22)에 잔류하던 염색액(7)과 세척액을 제거한다.Thereafter, the inside of the first well 22 is cleaned by performing the washing process as illustrated in FIG. 11 once, and then a negative pressure is applied to the second well 23 to remain in the first well 22. Remove the dye solution (7) and wash solution.
이와 같이, 일 구현예는 미세 유체 소자(100)의 제1웰(22)에 주입되는 시료액, 또는 다양한 시약들을 연속적으로 교환(exchange)하는 세포 처리 과정을 수행하더라도, 단일 세포(2)가 손실되지 않고 제1웰(22)에 계속 잔류될 수 있다.As such, in one embodiment, even if a sample cell injected into the first well 22 of the microfluidic device 100, or a cell treatment process for continuously exchanging various reagents is performed, It may remain in the first well 22 without being lost.
즉, 일 구현예는 미세 유체 소자(100)를 통해 연속적으로 단일 세포(2)를 처리할 수 있는 단일 세포 처리 방법을 제공할 수 있다. That is, one embodiment may provide a single cell processing method capable of continuously processing a single cell 2 through the microfluidic device 100.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 제시한다. 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.Hereinafter, specific examples of the present invention are presented. The examples described below are merely to specifically illustrate or explain the present invention, and the present invention is not limited thereto. In addition, the description is not described herein, so those skilled in the art that can be sufficiently technically inferred, the description thereof will be omitted.
미세 유체 소자의 제조Fabrication of Microfluidic Devices
가로 75 mm, 세로 25 mm, 두께 5 mm 의 PDMS(Dow corning 社 제조) 기재 상부면을 소프트 리소그래피(soft lithography) 방법을 이용하여 표면에 소정의 그루브(groove) 패턴을 형성한다. 형성된 그루브 패턴의 깊이는 10 ㎛ 일 수 있고, 선폭은 6 ㎛ 일 수 있다.A predetermined groove pattern is formed on the surface of the upper surface of a PDMS (Dow Corning Co., Ltd.) substrate having a width of 75 mm, a length of 25 mm, and a thickness of 5 mm using a soft lithography method. The depth of the formed groove pattern may be 10 μm, and the line width may be 6 μm.
이후, PDMS 기재를 펀칭(punching) 가공하여, PDMS 기재를 상하 방향으로 개방하는 제1개방부와 제2개방부를 형성한다. 제1개방부와 제2개방부는 원형의 단면 형상을 가지며, 제1개방부의 단면 직경은 4 mm, 제2개방부의 단면 직경은 0.3 mm 일 수 있다. 형성된 제1개방부와 제2개방부는 각각 그루브 패턴과 연결되어 있다.Thereafter, the PDMS substrate is punched to form a first open portion and a second open portion that open the PDMS substrate in the vertical direction. The first open portion and the second open portion may have a circular cross-sectional shape, the cross-sectional diameter of the first open portion may be 4 mm, and the cross-sectional diameter of the second open portion may be 0.3 mm. The formed first open portion and the second open portion are connected to the groove pattern, respectively.
이후, 그루브 패턴이 형성된 PDMS 기재의 상부면에 슬라이드 글라스를 부착한 후, 슬라이드 글라스가 부착된 PDMS 기재의 상하를 반전시킴으로써, 전술한 도 1에 도시된 바와 같은 미세 유체 소자를 제조한다. Thereafter, the slide glass is attached to the upper surface of the PDMS substrate on which the groove pattern is formed, and then the upper and lower sides of the PDMS substrate to which the slide glass is attached are inverted, thereby manufacturing the microfluidic device as illustrated in FIG. 1.
제조된 미세 유체 소자는 각각, 제1개방부와 슬라이드 글라스가 이루는 공간이 제1웰, 제2개방부와 슬라이드 글라스가 이루는 공간이 제2웰, 그루브와 슬라이드 글라스가 이루는 공간이 미세 유로가 된다.In the manufactured microfluidic device, the space formed by the first open portion and the slide glass is the first well, the space formed by the second open portion and the slide glass is the second well, and the space formed by the groove and the slide glass is the micro flow path. .
평가 1: 면역 세포 화학(immunocy tochemistry)을 통한 단일 세포 처리Evaluation 1: Single Cell Treatment via Immunocytochemistry
단일 세포로 MCF7(유방암 세포) 이 인산 완충 식염수(phosphate buffered saline, PBS)에 분산되어 있는 시료액을 준비한다. MCF7 는 시료액 약 30 μL 을 기준으로 약 10 내지 20 개 가량 함유되어 있다.As a single cell, prepare a sample solution in which MCF7 (breast cancer cells) is dispersed in phosphate buffered saline (PBS). MCF7 is based on the sample solution of about 30 μ L can contain from about 10 to about 20.
준비된 시료액 30 μL 를 제조된 미세 유체 소자의 제1웰에 주입한 후, 제2웰에 피펫을 배치하고 음압을 가하여, 시료액 중 PBS 를 약 100 μL/min 이하의 유속으로 피펫을 향해 이동하도록 조절한다.30 μL of the prepared sample solution is injected into the first well of the prepared microfluidic device, and then a pipette is placed in the second well and a negative pressure is applied to the pipette at a flow rate of about 100 μL / min or less. Adjust to move toward
이후, 제1웰에 세척액으로 20 μL의 PBS 를 주입하여 제1웰을 세척한 후, 제2웰에 피펫을 배치하고 음압을 가하여, 제1웰에 잔류한 PBS를 약 100 μL/min 이하의 유속으로 피펫을 향해 이동하도록 조절한다.Thereafter, 20 μL of PBS is injected into the first well to wash the first well, and then a pipette is placed in the second well and a negative pressure is applied to the PBS remaining in the first well, about 100 μL / min. Adjust to move toward the pipette at the following flow rates.
이후, 제1웰에 고정액으로 20μL 의 4 % 파라포름 알데히드(paraform aldehyde, PFA)를 주입하고, 10 분에 걸쳐 슬라이드 글라스 위에 MCF7 을 고정한다. 이후, 제2웰에 피펫을 배치하고 음압을 가하여, 제1웰에 잔류한 PFA 를 제거한다.Then, 20 μL of 4% paraformaldehyde (PFA) is injected into the first well as a fixative solution, and MCF7 is fixed on the slide glass over 10 minutes. The pipette is then placed in a second well and a negative pressure is applied to remove PFA remaining in the first well.
이후, 제1웰에 세척액으로 20 μL의 PBS 를 주입하여 제1웰을 세척한 후, 제2웰에 피펫을 배치하고 음압을 가하여, 제1웰에 잔류한 PBS를 제거한다.Thereafter, 20 μL of PBS is injected into the first well to wash the first well, and then a pipette is placed in the second well and negative pressure is applied to remove the PBS remaining in the first well.
이후, 제1웰에 침투액으로 20μL 의 0.1% 사포닌(saponin)을 주입하고, 10 분에 걸쳐 슬라이드 글라스 위에 고정된 MCF7 의 세포막에 침투액을 침투시키는 작업을 수행한다. Then, the injection of 0.1% saponin (saponin) of 20 μ L into chimtuaek the first well, and performs the task of penetrating the cell membrane of the chimtuaek MCF7 fixed on a slide glass over a period of 10 minutes.
이후, 제1웰에 세척액으로 20 μL의 PBS 를 주입하여 제1웰을 세척한 후, 제2웰에 피펫을 배치하고 음압을 가하여, 제1웰에 잔류한 사포닌을 제거한다.Thereafter, 20 μL of PBS is injected into the first well to wash the first well, and then a pipette is placed in the second well and a negative pressure is applied to remove the saponin remaining in the first well.
이후, 제1웰에 염색액으로 Hoechst(청색), FITC(녹색) 및 PE(적색), 0.1% 사포닌, 및 PBS 의 혼합액 20μL 를 주입하고, 90 분에 걸쳐 MCF7 의 염색을 수행한다. Then, the first and the Hoechst (blue), FITC (green) and PE (red), 0.1% saponin, and a mixed solution 20 μ L of PBS to the staining solution to the first well injection, and performs MCF7 dyeing of over 90 minutes.
이후, 제1웰에 세척액으로 20 μL의 PBS 를 주입하여 제1웰을 세척한 후, 제2웰에 피펫을 배치하고 음압을 가하여, 제1웰에 잔류한 염색액을 제거한다.Thereafter, 20 μL of PBS is injected into the first well to wash the first well, and then a pipette is placed in the second well and a negative pressure is applied to remove the stain remaining in the first well.
이후, 염색된 MCF7 을 함유한 미세 유체 소자를 건조한 후, 형광현미경을 통해 염색된 MCF7 을 관찰한다. Then, after drying the microfluidic device containing the dyed MCF7, the stained MCF7 is observed through a fluorescence microscope.
그 결과, MCF7 의 세포핵 부분은 Hoechst 에 의하여 청색으로, MCF7 의 사이토케라틴(cytokeratin) 부분은 FITC 에 의하여 녹색으로, MCF7 의 EpCAM 부분은 PE 에 의하여 적색으로 각각 잘 염색됨을 확인할 수 있다.As a result, it can be confirmed that the nuclear nucleus portion of MCF7 is well colored by Hoechst, the cytokeratin portion of MCF7 is green by FITC, and the EpCAM portion of MCF7 is red by PE.
한편, 일 구현예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니고, 단일 세포로 MCF7 이 아닌 전립선 암세포(PC3), 흑색종(M14), 대장암 세포(HT29), 위암 세포(HGC27, NUGC2, MKN7, MKN28), 난소암 세포(OVCA433) 등을 사용할 수도 있고, 만약 시료액으로 MCF7 에서 혈구세포가 제거되지 않은 전혈(whole blood) 등과 같은 혈액을 사용할 경우, 상기 수행된 처리 공정 이외에도, 적혈구 세포를 용해시켜 제거하는 공정 등의 추가 공정을 수행할 수도 있다. On the other hand, one embodiment is not necessarily limited thereto, prostate cancer cells (PC3), melanoma (M14), colorectal cancer cells (HT29), gastric cancer cells (HGC27, NUGC2, MKN7, MKN28), not ovary MCF7 as a single cell Cancer cells (OVCA433) or the like may be used, and in the case of using blood such as whole blood in which the blood cells are not removed from the MCF7 as a sample solution, in addition to the above-described treatment process, a process of dissolving and removing red blood cells Additional processes such as may also be carried out.
또한, 염색제로서, 사이토케라틴 부분을 PE를 이용하여 적색으로, CD45 부분을 Alexa488 를 이용하여 녹색으로 각각 염색할 수도 있다.As the dye, the cytokeratin portion may be dyed red using PE, and the CD45 portion may be dyed green using Alexa488.
이와 같이, 일 구현예에 따른 미세 유체 소자를 이용하면, 미세 유체 소자 내에서 연속적으로 단일 세포의 각종 세포 처리를 수행할 수 있다.As such, using the microfluidic device according to the embodiment, it is possible to continuously perform various cell treatments of a single cell in the microfluidic device.
평가 2: 연속적인 시약 교환 Evaluation 2: Continuous Reagent Exchange
단일 세포로 MCF7을 사용하며, 사전 고정 처리된 MCF7 약 10 개 내지 40 개를 미세 유체 소자의 제1웰로 주입하고, 제1웰로 20 μL의 PBS 를 주입한 후, 제2웰에 피펫을 배치하고 음압을 가하여, 제1웰에 잔류한 PBS을 제거하는 과정을 총 32 회 반복한다. 각각의 반복 수행 단계마다 제1웰 안에 잔류하는 MCF7 의 수량을 기록하여, MCF7 의 손실이 발생한 단계의 횟수를 파악하고, 그 결과를 아래 표 1에 나타낸다.Using MCF7 as a single cell, about 10 to 40 pre-fixed MCF7s are injected into the first well of the microfluidic device, 20 μL of PBS is injected into the first well, and the pipette is placed in the second well. The process of removing the PBS remaining in the first well by applying negative pressure is repeated a total of 32 times. The quantity of MCF7 remaining in the first well is recorded for each iteration step, and the number of times the MCF7 is lost is determined. The results are shown in Table 1 below.
MCF7 손실 발생MCF7 Loss Occurred MCF7 손실 발생 없음No MCF7 Loss
횟수Count
2 회Episode 2 30 회30 times
표 1을 참고하면, 32회에 걸친 반복 실험을 수행한 결과, MCF7 의 손실이 발생한 단계의 횟수는 총 32 회 중 2 회뿐이며, 약 94 % 의 높은 확률로 MCF7 가 제1셀 내에 잔류하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 일 구현예에 따른 미세 유체 소자를 이용하면, 일반적인 원심 분리법 등과 달리 반복적인 세포 처리 단계를 거칠 경우에도 단일 세포의 손실을 최소화할 수 있다.Referring to Table 1, as a result of 32 repeated experiments, the number of times MCF7 loss occurred was only 2 out of 32 times. You can check it. That is, by using the microfluidic device according to the embodiment, it is possible to minimize the loss of a single cell even when undergoing repeated cell treatment step unlike the general centrifugation method.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of the invention.

Claims (16)

  1. 표적 세포로서 단일 세포를 포함하는 시료액, 또는 시약이 수용되는 제1웰,A first well containing a sample solution or a reagent containing a single cell as a target cell,
    상기 제1웰과 이격되어 배치되는 제2웰, 및A second well disposed spaced apart from the first well, and
    상기 제1웰의 하부면으로부터 제2웰의 하부면으로 연장되어 상기 제1웰과 상기 제2웰을 연결하는 2 이상의 미세 유로를 포함하되,At least two micro-channels extending from the lower surface of the first well to the lower surface of the second well connecting the first well and the second well,
    상기 미세 유로의 폭은 상기 단일 세포의 크기보다 작은 미세 유체 소자.The microfluidic device having a width smaller than the size of the single cell.
  2. 제1항에서,In claim 1,
    상기 미세 유로의 폭 방향 단면적에 대한 상기 제1웰의 하부면 면적의 비는 1000:1 내지 400000000:1 인 미세 유체 소자.And a ratio of the area of the lower surface of the first well to the widthwise cross-sectional area of the microchannel is in a range of 1000: 1 to 400000000: 1.
  3. 제1항에서,In claim 1,
    상기 2 이상의 미세 유로와 상기 제2웰 사이에 형성된 제1저수부를 더 포함하고,Further comprising a first reservoir formed between the two or more micro-channel and the second well,
    상기 2 이상의 미세 유로와 상기 제2웰은 상기 제1저수부와 각각 연결되는 미세 유체 소자.The two or more micro-channel and the second well is connected to the first reservoir portion, respectively.
  4. 제1항에서,In claim 1,
    상기 2 이상의 미세 유로는 상기 제1웰과 상기 제2웰을 병렬적으로 연결하는 미세 유체 소자.And the two or more microchannels connect the first well and the second well in parallel.
  5. 제1항에서,In claim 1,
    상기 미세 유로의 폭은 0.5 ㎛ 내지 15 ㎛ 인 미세 유체 소자.The microfluidic device has a width of 0.5 μm to 15 μm.
  6. 제1항에서,In claim 1,
    상기 제1웰의 하부면과 상기 제2웰의 하부면은 동일 평면 상에 위치하는 미세 유체 소자.And a bottom surface of the first well and a bottom surface of the second well are coplanar.
  7. 제1항에서,In claim 1,
    상부에서 바라본 상기 제1웰의 하부면은 원형 형상을 갖는 미세 유체 소자.A microfluidic device having a circular shape at a lower surface of the first well as viewed from the top.
  8. 제7항에서,In claim 7,
    상기 제1웰의 하부면 직경은 1 mm 내지 50 mm 인 미세 유체 소자.The lower surface diameter of the first well is 1 mm to 50 mm microfluidic device.
  9. 제1항에서,In claim 1,
    상기 제1웰, 상기 제2웰, 상기 2 이상의 미세 유로를 구비한 단일 세포 처리부를 2 이상 포함하는 미세 유체 소자.A microfluidic device comprising two or more single cell processing units having the first well, the second well, and the two or more microchannels.
  10. 제1항에서,In claim 1,
    상기 2 이상의 단일 세포 처리부는 행렬(matrix) 형태를 갖도록 배열되어 있는 미세 유체 소자.Wherein said two or more single cell processing units are arranged to have a matrix form.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 미세 유체 소자를 이용한 단일 세포 처리 방법으로서,A single cell treatment method using the microfluidic device according to any one of claims 1 to 10,
    상기 제1웰에 단일 세포를 포함한 시료액을 주입하는 단계,Injecting a sample solution containing a single cell into the first well,
    상기 제1웰에 고정액을 주입하여 상기 단일 세포를 고정하는 단계,Fixing the single cell by injecting a fixed solution into the first well,
    상기 제1웰에 침투액을 주입하여 상기 고정된 단일 세포를 전처리하는 단계, 및Pretreatment of the fixed single cell by injecting the infiltration solution into the first well, and
    상기 제1웰에 염색액을 주입하여 상기 전처리된 단일 세포를 염색하는 단계Dyeing the pretreated single cell by injecting a stain solution into the first well
    를 포함하는 단일 세포 처리 방법.Single cell treatment method comprising a.
  12. 제11항에서,In claim 11,
    상기 제2웰에 음압(negative force)을 인가하여, 상기 제1웰로부터 상기 시료액, 상기 고정액, 상기 침투액, 및 상기 염색액을 제거하는 단일 세포 처리 방법.Applying a negative force to the second well to remove the sample solution, the fixative solution, the permeate solution, and the dye solution from the first well.
  13. 제12항에서,In claim 12,
    상기 제1웰로부터 제거된 상기 시료액, 고정액, 침투액, 및 염색액은 상기 미세 유로를 통과하여 상기 제2웰에 수용되는 단일 세포 처리 방법.The sample solution, the fixing solution, the penetrating solution, and the staining solution removed from the first well are received in the second well through the micro-channel.
  14. 제12항에서,In claim 12,
    인가된 상기 음압에 의하여 미세 유로를 통과하는 상기 시료액, 고정액, 침투액, 및 염색액의 유속은 상기 음압에 의하여 유도되는 상기 단일 세포의 이동 속도보다 큰 단일 세포 처리 방법.The flow rate of the sample solution, the fixed solution, the penetrating solution, and the dye solution passing through the microchannel by the negative pressure applied is greater than the moving speed of the single cell induced by the negative pressure.
  15. 제12항에서,In claim 12,
    상기 제1웰에 세척액을 주입하여 상기 제1웰을 세척하는 단계를 더 포함하는 단일 세포 처리 방법.Injecting the washing solution into the first well to wash the first well further comprising the step.
  16. 제15항에서,The method of claim 15,
    상기 세척 단계가 종료되면, 상기 제2웰에 음압(negative force)을 인가하여 상기 세척액을 상기 제1웰로부터 제거하는 단일 세포 처리 방법.When the washing step is completed, a single cell treatment method of applying a negative force to the second well to remove the wash solution from the first well.
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