WO2022045806A1 - R2r 공정을 이용한 오가노이드 실시간 모니터링 장치 제조 - Google Patents

R2r 공정을 이용한 오가노이드 실시간 모니터링 장치 제조 Download PDF

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WO2022045806A1
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리루크
조규진
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성균관대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a real-time monitoring device for an organoid, for example, a real-time monitoring device for an organoid manufactured by a roll-to-roll (R2R) process.
  • a real-time monitoring device for an organoid manufactured by a roll-to-roll (R2R) process.
  • Organoids are also referred to as 'organ analogues' or 'organ-like organs'. They are organ-specific cell aggregates manufactured by reaggregating and recombination of cells isolated from stem cells or organ origin cells using a three-dimensional culture method. It contains specific cells, reproduces a specific function of an organ, and spatial organization is possible in a form similar to that of an actual organ. For example, it has been reported that patient-derived tumor organoids represent the characteristics of cancer cells and cancer tissues of a patient as they are, and can also reproduce the genetic variation characteristics of patient cancer tissues.
  • the present inventors completed the present invention by manufacturing an organoid real-time monitoring device capable of analyzing the characteristics of an organoid in real time through a roll-to-roll process.
  • an object of the present invention to provide an organoid real-time monitoring device.
  • the present invention is a thin film; a 3D growth chamber in the form of a fine well provided in the thin film and in which organoids are grown or cultured; and a microfluidic device for growing an organoid having a microfluidic channel for supplying a fluid to the 3D growth chamber; and an organoid analysis device located at the lower end of the microfluidic device to analyze the organoid's properties or the response of the organoid to treatment with a substance (drug, drug candidate, etc.), Organoid real-time monitoring device to provide.
  • the organoid real-time monitoring device may be manufactured by a roll-to-roll process.
  • the microfluidic device for growing organoids may be manufactured by imprinting on a thin film using a roll-to-roll process.
  • the organoid analysis device may be manufactured by printing on a substrate in a roll-to-roll process.
  • the thin film is PVDF (Polyvinylidene fluoride), PET (Polyethylene terephthalate), PEN (Polyethylene naphthalate), PMMA (Poly (methyl methacrylate)), PE (Polyethylene), PP (Polypropylene), It may be selected from the group consisting of polycarbonate (PC), polyimide (PI), polyethersulfone (PES), polyester, polystyrene (PS), polydimethylsiloxane (PDMS), and combinations thereof.
  • PC polycarbonate
  • PI polyimide
  • PES polyethersulfone
  • PS polystyrene
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the microfluidic channel may be a perfusion channel for supplying a medium to the 3D growth chamber.
  • the organoid analysis device may include a device for polymerase chain reaction (PCR), ELISA (Enzyme linked immunosorbent assay), MALDI, and combinations thereof.
  • PCR polymerase chain reaction
  • ELISA Enzyme linked immunosorbent assay
  • MALDI MALDI
  • the apparatus for the polymerase chain reaction may be a photonic polymerase chain reaction (PCR) apparatus.
  • n x m 3D growth chambers may be arranged.
  • the present invention provides a method of manufacturing the organoid real-time monitoring device by a roll-to-roll process.
  • the present invention relates to an organoid real-time monitoring device, and by using the device of the present invention, the characteristics of the organoid can be analyzed in real time while culturing and growing the organoid.
  • the organoid real-time monitoring device of the present invention can be mass-produced at low cost within a short time through a roll-to-roll process.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a cross-section of an organoid real-time monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a microfluidic channel that is a perfusion channel for perfusion flow according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross-section of an organoid real-time monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the organoid real-time monitoring device 10 includes a microfluidic device for growing organoids 1 for culturing and growing organoids, and a lower end of the microfluidic device 1 . and an organoid analysis device 2 positioned in the to analyze the properties of the organoid or the response of the organoid to treatment with a substance (drug, drug candidate, etc.).
  • the microfluidic device 1 for organoid growth is provided in the thin film 1a and the thin film 1a, and a 3D growth chamber 1b and a 3D growth chamber 1b in the form of a fine well, which is a space in which organoids are grown or cultured. ) is provided with a microfluidic channel (1c) for supplying a fluid (medium, oxygen, etc.).
  • the thin film 1a functions as a substrate of the microfluidic device 1 for growing organoids, and the material of the thin film 1a is not particularly limited, and a device for detecting biomolecules such as a biosensor, a biochip, a microfluidic chip, etc. Materials commonly used for manufacturing (eg, plastic, glass, etc.) may be used without limitation.
  • PVDF Polyvinylidene fluoride
  • PET Polyethylene terephthalate
  • PEN Polyethylene naphthalate
  • PMMA Poly (methyl methacrylate)
  • PE Polyethylene
  • PP Polypropylene
  • PC A polymer material selected from the group consisting of (Polycarbonate), PI (Polyimide), PES (Polyethersulfone), Polyester, PS (Polystyrene), PDMS (Polydimethylsiloxane), and combinations thereof may be used.
  • the thin film 1a includes micropores, and biological materials such as nucleic acids, polypeptides, and proteins of organoids cultured or grown in the 3D growth chamber 1b pass through the micropores at the bottom of the 3D growth chamber 1b. It may be moved to the provided organoid analysis device 2 and analyzed by each analysis device provided in the organoid analysis device 2 .
  • the 3D growth chamber 1b is a microwell-shaped space in which organoids are placed and cultured.
  • organoids are directly dispensed into the 3D growth chamber 1b and then cultured to further grow (mature) the organoids, or cells are dispensed in the 3D growth chamber 1b and then divided into 3 It can be cultured dimensionally and grown into spheroids or organoids.
  • the anticancer effect can be tested by treating the anticancer drug candidate on the organoid, and the toxicity evaluation of the anticancer drug candidate can be performed after treating the anticancer drug candidate on general cell-derived organoids such as muscle and myocardial cells.
  • the microfluidic channel 1c serves to supply a fluid (medium, oxygen, etc.) to the organoids cultured in the 3D growth chamber 1b.
  • the microfluidic channel 1c may be designed in consideration of the type or properties of the medium, the flow resistance according to the width/thickness/length of the channel, or the amount of the medium in the 3D growth chamber 1b being diffused.
  • the depth of the chamber may be designed to be tens to hundreds of micrometers to have a depth sufficient to grow organoids.
  • FIG. 2 shows a microfluidic channel that is a perfusion channel for perfusion flow according to an embodiment of the present invention.
  • the microfluidic channel 1c for perfusion flow has a function of supplying nutrients, buffer solution and ions, etc. in a form surrounding the periphery of the 3D growth chamber 1b.
  • the organoid real-time monitoring apparatus may be connected to a medium supply device for controlling the supply of the medium supplied to each 3D growth chamber 1b through the microfluidic channel 1c.
  • the organoid real-time monitoring device of the present invention does not require the injection and extraction of medium or cells, so it monitors the growth of organoids by automating the entire process, or effectively controls the medium to grow the organoids can be controlled.
  • the organoid growth microfluidic device 1 may include n x m 3D growth chambers 1b.
  • the 3D growth chamber 1b is arranged in nxm numbers to design the microfluidic device 1 for growing organoids. will be.
  • the organoid analysis apparatus 2 may include a device for analyzing biochemical properties of organoids cultured in the 3D growth chamber 1b or for amplifying nucleic acids.
  • the organoid analysis device 2 may include a device for polymerase chain reaction (PCR), ELISA (Enzyme linked immunosorbent assay), MALDI, and combinations thereof.
  • the organoid analysis device may include a PCR device, an ELISA device disposed adjacent to the PCR device, and a MALDI device disposed adjacent to the ELISA device.
  • the order of the devices is not limited, and a device suitable for the purpose of analysis may be disposed at the lower end of each 3D growth chamber 1b to analyze and monitor the characteristics of the organoid.
  • the PCR apparatus may include a primer having a nucleotide sequence complementary to a target nucleic acid molecule, four types of dNTP molecules, and a sample solution for PCR, such as a polymerase.
  • the PCR device may be a photonic polymerase chain reaction (PCR) device.
  • the organoid analysis device 2 of the present invention includes an optical PCR device, it may include a metal nanopattern (plsamonic) for optical PCR.
  • the photo-PCR amplifies nucleic acid molecules using a phenomenon in which heating of a sample containing nucleic acid molecules is induced by induction of plasmonic photothermal light-to-heat conversion when light is irradiated onto the metallic thin film. way to do it
  • the content of the photo-PCR is disclosed in, for example, Korean Patent Laid-Open No. 10-2017-0106995.
  • the organoid analysis device 2 of the present invention includes a device for ELISA, it may contain an antigen and/or antibody for ELISA.
  • the antigen and/or antibody is selected from the organoid-derived proteins (including peptides and polypeptides) cultured in the 3D growth chamber (1b), and the antigen and/or antibody suitable for the target protein to be detected is selected, and the antigen and/or antibody ) can be provided by fixing to the substrate.
  • a matrix for MALDI may be prepared by printing on the substrate of the organoid analysis apparatus 2 .
  • materials commonly used in the manufacture of biosensors, biochips, microfluidic chips, etc. may be used without limitation, for example, metal, paper or plastic film. It can be used as a substrate.
  • the organoid analysis device 2 is equipped with all of the above-described devices, so that PCR, ELISA, and MALDI are performed simultaneously or sequentially, while the organoid grows or reacts to drugs or external conditions. Organoids can be monitored in real time by cell-free DNA testing with known nucleotide sequences and qualitative and quantitative analysis of unknown or known proteins to be released.
  • a driving example of the organoid real-time monitoring apparatus 10 is as follows.
  • Cell free DNA with known nucleotide sequence separated through a membrane (thin film, 1a) attached to the bottom of the 3D growth chamber (1b) where organoids grow is mixed with dNTP and PCR master mix in the photonic PCR chamber located at the bottom.
  • Qualitative and quantitative tests can be completed within 3 minutes through photonic PCR.
  • the unknown protein separated through the membrane 1a is mixed with an organic matrix coated in advance in the MALDI chamber, dried and separated, and then separated. Proteins can be analyzed qualitatively in less than 2 minutes by mass spectrometry.
  • the organic matrix may be any organic compound known to be used in conventional matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry.
  • the organic compound may include a commercially available matrix material (Matrix Substances for MALDI-MS, Sigma-Aldrich) sold by Sigma-Aldrich, etc., and one or a mixture of two or more organic compounds may be used.
  • an Instant ELISA kit suitable for the target protein is prepared in advance in microwells, so that the protein separated through the membrane (1a) is stored. It can be quantitatively analyzed. At this time, in the ELISA chamber, between 10-100 fine wells can be prepared and used using the R2R imprinting method.
  • the organoid real-time monitoring apparatus 10 may be manufactured by a roll-to-roll (R2R) process.
  • the roll-to-roll process apparatus refers to an apparatus for performing various types of processes on a roll-type film or web.
  • Such a roll-to-roll process device includes an unwinder that unwinds a film wound in a roll form, process units that perform various processes such as a printing process on a film, and a rewinder that winds the film back into a roll form. And, it may be provided with various transport units for transporting the film between them.
  • a roll-to-roll printing apparatus for forming various patterns on the surface of a film, which is an object to be processed, may be mentioned.
  • a recent roll-to-roll printing apparatus is used in various ways to manufacture various electronic components such as electronic circuits, sensors, and flexible displays.
  • the microfluidic device 1 for growing organoids may be manufactured by imprinting on the thin film 1a using a roll-to-roll process.
  • the organoid analysis apparatus 2 may be manufactured by being printed on a substrate by a roll-to-roll process.
  • the organoid real-time monitoring device (10) according to an embodiment of the present invention is converted into a roll-to-roll process can be manufactured.
  • the organoid real-time monitoring device manufactured using the roll-to-roll process of the present invention is expected to be usefully used to analyze the characteristics of the organoid in real time while culturing and growing the organoid.

Abstract

본 발명은 오가노이드의 실시간 모니터링 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치를 사용하면 오가노이드를 배양 및 성장시키면서 오가노이드의 특성을 실시간으로 분석할 수 있다. 또한, 본 발명의 오가노이드 실시간 모니터링 장치는 롤투롤 공정을 통하여 단시간 내에 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다.

Description

R2R 공정을 이용한 오가노이드 실시간 모니터링 장치 제조
본 발명은 오가노이드의 실시간 모니터링 장치, 예를 들어 롤투롤(roll-to-roll, R2R) 공정으로 제조된 오가노이드의 실시간 모니터링 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 08월 27일에 출원된 한국특허출원 제10-2020-0108808호에 기초한 우선권을 주장하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
신약 개발 시 후보물질의 독성과 효능을 체외에서 평가할 수 있는 세포 배양 시스템의 중요성은 날로 증가하고 있다. 그러나, 종래의 2D 세포주 배양법은 조직 고유의 성질 및 특성을 재현해 내기 힘들다는 단점이 있다. 또한, 동물실험 모델은 인체와 유전적, 생물학적인 특성이 상이하기 때문에 약물 시험 반응의 신뢰성에 한계가 있다. 이에 따라, 최근 스페로이드(spheroid) 및 오가노이드(organoid)를 이용한 실험 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
오가노이드는 '장기 유사체' 또는 '유사 장기'라고도 칭하는데, 줄기세포나 장기 기원 세포로부터 분리한 세포를 3차원 배양법으로 다시 응집·재조합하여 제조된 장기 특이적 세포 집합체로서, 모델로 하는 장기의 특이적 세포를 포함하고, 장기가 지닌 특정 기능을 재현하며, 실제 장기와 유사한 형태로 공간적 조직화가 가능하다. 예를 들어, 환자 유래 종양 오가노이드(patient-derived tumor organoid)는 환자의 암세포 및 암조직의 특성을 그대로 나타내며, 또한 환자 암조직의 유전적 변이 특성을 재현할 수 있다고 보고되었다.
이에 본 발명자들은 오가노이드의 특성을 실시간으로 분석할 수 있는 오가노이드 실시간 모니터링 장치를 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 제조함으로써, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 오가노이드 실시간 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 박막; 상기 박막에 마련되고, 오가노이드가 성장 또는 배양되는 공간인 미세 우물 형태의 3D 성장 챔버; 및 상기 3D 성장 챔버에 유체를 공급하기 위한 미세유체 채널을 구비하는 오가노이드 성장용 미세유체 장치(microfluidic device); 및 상기 미세유체 장치의 하단에 위치하여 상기 오가노이드의 특성 또는 물질(약물, 약물 후보물질 등) 처리에 대한 상기 오가노이드의 반응을 분석하는 오가노이드 분석 장치를 포함하는, 오가노이드 실시간 모니터링 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 오가노이드 실시간 모니터링 장치는 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 오가노이드 성장용 미세유체 장치는 롤투롤 공정으로 박막에 임프린팅 하여 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 오가노이드 분석 장치는 롤투롤 공정으로 기판에 인쇄되어 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 박막은 PVDF(Polyvinylidene fluoride), PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide), PES(Polyethersulfone), 폴리에스테르(Polyester), PS(Polystyrene), PDMS(Polydimethylsiloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 미세유체 채널은 3D 성장 챔버에 배지를 공급하기 위한 관류 채널(perfusion channel)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 오가노이드 분석 장치는 중합효소 연쇄반응(PCR), ELISA(Enzyme linked immunosorbent assay), MALDI 및 이들의 조합을 위한 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 중합효소 연쇄반응(PCR)을 위한 장치는 광 PCR(Photonic Polymerase Chain Reaction) 장치일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 오가노이드 성장용 미세유체 장치는 3D 성장 챔버가 n x m개로 배열될 수 있다.
또한, 본 발명은 롤투롤 공정으로 상기 오가노이드 실시간 모니터링 장치를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 오가노이드 실시간 모니터링 장치에 관한 것으로, 본 발명의 장치를 사용하면 오가노이드를 배양 및 성장시키면서 오가노이드의 특성을 실시간으로 분석할 수 있다. 또한, 본 발명의 오가노이드 실시간 모니터링 장치는 롤투롤 공정을 통하여 단시간 내에 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다.
도 1은 발명의 일 실시예에 따른 오가노이드 실시간 모니터링 장치의 단면을 개략적으로 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관류(perfusion) 유동을 위한 관류 채널(perfusion channel)인 미세유체 채널을 보여준다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되게 도시된 부분도 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도면을 참조하여 설명할 때 동일 하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오가노이드 실시간 모니터링 장치의 단면을 개략적으로 도시한 도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오가노이드 실시간 모니터링 장치(10)는 오가노이드를 배양시켜 성장시키는 오가노이드 성장용 미세유체 장치(1) 및 상기 미세유체 장치(1)의 하단에 위치하여 상기 오가노이드의 특성 또는 물질(약물, 약물 후보물질 등) 처리에 대한 상기 오가노이드의 반응을 분석하는 오가노이드 분석 장치(2)를 포함한다.
상기 오가노이드 성장용 미세유체 장치(1)는 박막(1a), 박막(1a)에 마련되고, 오가노이드가 성장 또는 배양되는 공간인 미세 우물 형태의 3D 성장 챔버(1b) 및 3D 성장 챔버(1b)에 유체(배지, 산소 등)를 공급하기 위한 미세유체 채널(1c)을 구비한다.
상기 박막(1a)은 오가노이드 성장용 미세유체 장치(1)의 기판으로서 기능하며, 박막(1a)의 재질은 크게 제한되지 않으며, 바이오센서, 바이오칩, 미세유체칩 등 생체분자의 검출을 위한 장치 제조에 통상적으로 사용되는 소재(예컨대, 플라스틱, 유리 등)를 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서는 박막(1a)으로 PVDF(Polyvinylidene fluoride), PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide), PES(Polyethersulfone), 폴리에스테르(Polyester), PS(Polystyrene), PDMS(Polydimethylsiloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 고분자 소재를 사용할 수 있다.
상기 박막(1a)은 미세 구멍을 포함하며, 3D 성장 챔버(1b)에서 배양 또는 성장되는 오가노이드의 핵산, 폴리펩티드, 단백질 등의 생물학적 물질은 상기 미세 구멍을 통하여 3D 성장 챔버(1b)의 하단에 마련된 오가노이드 분석 장치(2)로 이동되고, 오가노이드 분석 장치(2)에 마련된 각각의 분석장치에 의하여 분석될 수 있다.
상기 3D 성장 챔버(1b)는 오가노이드가 놓여져 배양되는 미세우물(microwell) 형태의 공간이다. 예를 들어, 상기 3D 성장 챔버(1b)에 오가노이드를 직접 분주한 후 배양하여 오가노이드를 더욱 더 성장(성숙)시키거나, 3D 성장 챔버(1b)에 세포를 분주한 후 분주된 세포를 3차원적으로 배양하여 스페로이드(spheroid)나 오가노이드로 성장시킬 수 있다. 오가노이드에 항암제 후보물질을 처리하여 항암 효과를 테스트 할 수 있으며, 근육, 심근 세포와 같은 일반 세포 유래 오가노이드에 항암제 후보물질을 처리한 후 항암제 후보물질의 독성 평가를 수행할 수도 있다.
상기 미세유체 채널(1c)은 3D 성장 챔버(1b)에서 배양되는 오가노이드에 유체(배지, 산소 등)를 공급하는 역할을 한다. 미세유체 채널(1c)은 배지의 종류나 물성, 채널의 넓이/두께/길이에 따른 유동 저항, 또는 3D 성장 챔버(1b) 내의 배지가 확산되는 양 등을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 3D 성장 챔버(1b)를 롤투톨 그라비아 임프린터로 제작 시 챔버(미세우물)의 깊이는 오가노이드를 성장시키는데 충분한 깊이를 가질 수 있도록 수십 내지 수백 마이크로미터로 설계될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관류(perfusion) 유동을 위한 관류 채널(perfusion channel)인 미세유체 채널을 보여준다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관류 유동을 위한 미세유체 채널(1c)은 3D 성장 챔버(1b)의 주변을 둘러싼 형태로 영양, 버퍼액 및 이온 등을 공급하는 기능을 하는 관류 유입부(perfusion inlet), 남은 영양, 버퍼액 및 이온 등을 배출하는 기능을 하는 관류 배출부(perfusion outlet), 세포를 유입하는 기능을 하는 로딩부(loading) 및 노폐물 배출 기능을 기능을 하는 노폐물 배출부(waste)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오가노이드 실시간 모니터링 장치는 미세유체 채널(1c)을 통하여 각각의 3D 성장 챔버(1b)로 공급되는 배지의 공급을 제어하기 위한 배지 공급 장치와 연결될 수 있다. 상기 배지 공급 장치와 연결됨에 따라, 본 발명의 오가노이드 실시간 모니터링 장치는 배지나 세포의 주입과 추출과정이 필요 없어 전공정 자동화로 오가노이드의 성장을 모니터링 하거나, 배지를 효과적으로 제어하여 오가노이드의 성장을 제어할 수 있다.
상기 오가노이드 성장용 미세유체 장치(1)는 n x m개의 3D 성장 챔버(1b)를 포함할 수 있다. 배양 또는 분석하고자 하는 오가노이드의 양이나, 분석하고자 하는 오가노이드의 특성 등을 고려하여 3D 성장 챔버(1b)가 n x m개로 배열된 형태로 오가노이드 성장용 미세유체 장치(1)를 설계할 수 있는 것이다.
상기 오가노이드 분석 장치(2)는 3D 성장 챔버(1b)에서 배양되는 오가노이드의 생화학적 특성을 분석하거나, 핵산 증폭을 위한 장치를 구비할 수 있다. 상기 오가노이드 분석 장치(2)는 중합효소 연쇄반응(PCR), ELISA(Enzyme linked immunosorbent assay), MALDI 및 이들의 조합을 위한 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 오가노이드 분석 장치는 PCR 장치, 상기 PCR 장치와 인접한 위치에 구비된 ELISA를 위한 장치, 상기 ELISA 장치의 인접한 위치에 구비된 MALDI를 위한 장치를 포함할 수 있다. 상기 장치들의 순서는 제한이 없으며, 분석하고자 하는 목적에 맞는 장치를 각 3D 성장 챔버(1b)의 하단에 배치하여 오가노이드의 특성을 분석 및 모니터링 할 수 있다.
상기 PCR 장치는 타겟 핵산 분자에 상보적인 염기서열을 갖는 프라이머, 4종의 dNTP 분자 및 중합효소 등의 PCR을 위한 시료 용액을 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 PCR 장치는 광 PCR(Photonic Polymerase Chain Reaction) 장치일 수 있다. 본 발명의 오가노이드 분석 장치(2)가 광 PCR 장치를 구비하는 경우, 광 PCR을 위한 금속 나노패턴(plsamonic)을 구비할 수 있다. 상기 광 PCR은 빛이 금속성 박막에 조사되면 플라즈몬 광열 광-열 변환(plasmonic photothermal light-to-heat conversion)의 유도에 의하여 핵산 분자를 포함하는 시료의 가열이 유도되는 현상을 이용하여 핵산분자를 증폭하는 방법이다. 상기 광 PCR에 대한 내용은, 예를 들어 대한민국 공개특허 제10-2017-0106995호에 개시되어 있다.
본 발명의 오가노이드 분석 장치(2)가 ELISA를 위한 장치를 구비하는 경우, ELISA를 위한 항원 및/또는 항체를 포함할 수 있다. 상기 항원 및/또는 항체는 3D 성장 챔버(1b)에서 배양되는 오가노이드 유래의 단백질(펩티드, 폴리펩티드 포함) 중에서 검출하고자 하는 목적 단백질에 맞는 항원 및/또는 항체를 선택하고 이를 오가노이드 분석 장치(2)의 기판에 고정시켜 마련할 수 있다.
본 발명의 오가노이드 분석 장치(2)가 MALDI를 위한 장치를 구비하는 경우, MALDI를 위한 매트릭스를 오가노이드 분석 장치(2)의 기판에 인쇄하여 마련할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오가노이드 분석 장치(2)의 기판은 바이오센서, 바이오칩, 미세유체칩 등의 제조에 통상적으로 사용되는 소재를 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 메탈, 종이 또는 플라스틱 필름을 기판으로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오가노이드 분석 장치(2)는 상술한 장치를 모두 구비함으로써, PCR, ELISA 및 MALDI를 동시에 혹은 순차적으로 수행하여, 오가노이드가 성장하면서 또는 약물이나 외부 조건에 반응하면서 방출하는 염기서열이 알려진 cell free DNA 검사와 방출되는 미지 또는 알려진 단백질을 정성 및 정량 분석함으로써 오가노이드를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 오가노이드 실시간 모니터링 장치(10)의 구동 예는 다음과 같다. 오가노이드가 성장하는 3D 성장 챔버(1b) 하부에 부착된 멤브레인(박막, 1a)을 통해 분리된 염기서열이 알려진 cell free DNA는 하부에 위치한 포토닉 PCR 챔버 내의 dNTP 및 PCR 마스터 믹스와 혼합된 후 포토닉 PCR을 통해 3분 이내에 정성 및 정량 검사를 마무리할 수 있으며, 또한 멤브레인(1a)을 통해 분리된 미지의 단백질은 MALDI 챔버 내에 미리 코팅해 놓은 유기 매트릭스와 혼합건조 되어 분리된 후, 별도의 질량분석기를 통해 단백질을 2분 내에 정성적으로 분석할 수 있다. 이때 유기 매트릭스는 종래 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 질량 분석법에 사용되는 것으로 알려진 어떠한 유기화합물이어도 무방하다. 일 예로, 유기화합물은 시그마 알드리치(Sigma-Aldrich) 등에서 판매하는 상용 매트릭스 물질(Matrix Substances for MALDI-MS, Sigma-Aldrich)을 포함할 수 있으며, 하나 또는 둘 이상의 유기화합물을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 오가노이드가 성장하는 3D 성장 챔버(1b) 하부 멤브레인(1a)에 부착된 ELISA 챔버에는 타겟 단백질에 적합한 Instant ELISA 키트를 미리 미세 웰에 준비시켜 놓아서, 멤브레인(1a)을 통해 분리되는 단백질을 정량적으로 분석할 수 있다. 이때 ELISA 챔버에는 R2R 임프린팅 방법을 이용하여 10-100개 사이의 미세 웰을 제조하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 오가노이드 실시간 모니터링 장치(10)는 롤투롤(roll-to-roll, R2R) 공정으로 제조될 수 있다. 롤투롤 공정 장치는 롤(roll) 형태의 필름(film) 또는 웹(web)에 다양한 종류의 공정을 수행하는 장치를 의미한다. 이러한 롤투롤 공정 장치는 롤 형태로 권취된 필름을 풀어주는 언와인더(unwinder), 필름에 인쇄 공정 등 다양한 공정을 수행하는 공정 유닛들, 필름을 다시 롤 형태로 감아주는 리와인더(rewinder)를 포함하며, 이들 사이에서 필름을 이송하기 위한 다양한 이송 유닛들을 구비할 수 있다. 롤투롤 공정 장치의 일 예로, 피공정물인 필름의 표면에 다양한 패턴을 형성하는 롤투롤 인쇄 장치를 들 수 있다. 최근의 롤투롤 인쇄 장치는 전자 회로, 센서, 플렉서블 디스플레이(flexible display) 등의 다양한 전자 부품의 제조에 다양하게 활용되고 있다.
일 실시예에서, 상기 오가노이드 성장용 미세유체 장치(1)는 롤투롤 공정으로 박막(1a)에 임프린팅 하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 오가노이드 분석 장치(2)는 롤투롤 공정으로 기판에 인쇄되어 제조될 수 있다. 이와 같이 롤투롤 공정으로 제조된 오가노이드 성장용 미세유체 장치(1)를 오가노이드 분석 장치(2)와 라미네이팅 하여 본 발명의 일실시예에 따른 오가노이드 실시간 모니터링 장치(10)를 롤투롤 공정으로 제조할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
[부호의 설명]
10: 오가노이드 실시간 모니터링 장치
1: 오가노이드 성장용 미세유체 장치
1a: 박막
1b: 3D 성장 챔버
1c: 미세유체 채널
2: 오가노이드 분석 장치
본 발명의 롤투롤 공정을 이용하여 제조한 오가노이드 실시간 모니터링 장치는 오가노이드를 배양 및 성장시키면서 오가노이드의 특성을 실시간으로 분석하는 데에 유용하게 이용될 것으로 기대된다.

Claims (9)

  1. 박막; 상기 박막에 마련되고, 오가노이드(organoid)가 성장 또는 배양되는 공간인 미세 우물 형태의 3D 성장 챔버; 및 상기 3D 성장 챔버에 유체를 공급하기 위한 미세유체 채널을 구비하는 오가노이드 성장용 미세유체 장치(microfluidic device); 및
    상기 미세유체 장치의 하단에 위치하여 상기 오가노이드의 특성 또는 물질 처리에 대한 상기 오가노이드의 반응을 분석하는 오가노이드 분석 장치를 포함하는, 오가노이드 실시간 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오가노이드 실시간 모니터링 장치는 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오가노이드 성장용 미세유체 장치는 롤투롤 공정으로 박막에 임프린팅 하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 오가노이드 분석 장치는 롤투롤 공정으로 기판에 인쇄되어 제조되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 박막은 PVDF(Polyvinylidene fluoride), PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide), PES(Polyethersulfone), 폴리에스테르(Polyester), PS(Polystyrene), PDMS(Polydimethylsiloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세유체 채널은 3D 성장 챔버에 배지를 공급하기 위한 관류 채널(perfusion channel)인 것을 특징으로 하는, 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 오가노이드 분석 장치는 중합효소 연쇄반응(PCR), ELISA(Enzyme linked immunosorbent assay), MALDI 및 이들의 조합을 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 중합효소 연쇄반응(PCR)을 위한 장치는 광 PCR(Photonic Polymerase Chain Reaction) 장치인 것을 특징으로 하는, 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 오가노이드 성장용 미세유체 장치는 3D 성장 챔버가 n x m개로 배열된 것을 특징으로 하는, 장치.
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