KR20230145820A - Microfluidic channel device, system and method for drug screening using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세 유체 채널 장치, 이를 이용한 약물 스크리닝 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 도파민성 신경 세포를 배양시켜, 파킨슨 병 치료용 약물의 효능을 검증하기 위한 미세 유체 채널 장치, 이를 이용한 약물 스크리닝 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic channel device, a drug screening system using the same, and a method thereof. The present invention relates to a microfluidic channel device for culturing dopaminergic neurons to verify the efficacy of a drug for treating Parkinson's disease, a drug screening system using the same, and It's about how.
알츠하이머 치매와 함께 대표적인 퇴행성 뇌 질환으로 잘 알려져 있는 파킨슨 병은 뇌 속 도파민의 항상성 유지가 무너지면서 발생하는 것으로 알려져 있다.Parkinson's disease, which is well known as a representative degenerative brain disease along with Alzheimer's dementia, is known to be caused by a breakdown in the homeostasis of dopamine in the brain.
상세하게는, 우리 뇌 속에는 여러 가지 신경 전달 물질이 있는데, 그 중에서 운동에 꼭 필요한 도파민(뇌에서 보상(쾌락)과 동기, 운동 그리고 호르몬 분비에 관여)이라는 신경 전달 물질이 있다. 파킨슨 병은 중뇌에 위치한 흑질이라는 뇌의 특정 부위에서 이러한 도파민을 분비하는 신경 세포가 원인 모르게 서서히 소실되어 가는 질환으로, 파킨슨 환자들에게서는 서동증(운동 느림), 안정시 떨림, 근육 강직, 자세 불안정 등의 증상이 발생한다.In detail, there are various neurotransmitters in our brain, and among them, there is a neurotransmitter called dopamine (involved in reward (pleasure), motivation, exercise, and hormone secretion in the brain) that is essential for exercise. Parkinson's disease is a disease in which nerve cells that secrete dopamine are gradually lost without cause in a specific part of the brain called the substantia nigra located in the midbrain. Parkinson's patients suffer from bradykinesia (slow movement), resting tremor, muscle rigidity, and postural instability. Symptoms occur.
즉, 도파민 항상성(homeostasis) 유지가 정상적으로 이루어지지 않음에 따라, 파킨슨 병 뿐 아니라, 조현병, 우울증, 뇌전증과 같은 뇌 질환이 발생하게 된다.In other words, as dopamine homeostasis is not maintained normally, brain diseases such as schizophrenia, depression, and epilepsy, as well as Parkinson's disease, occur.
이러한 뇌 질환 발명의 기전과 치료 방법을 연구하기 위해, 뇌 속의 도파민 농도와 뇌 질환 간의 관계를 밝혀내고자 하는 연구들이 다양한 모델(세포 모델 및 동물 모델 등)을 이용하여 진행되고 있다.In order to study the mechanisms and treatment methods for the invention of these brain diseases, studies aimed at uncovering the relationship between dopamine concentration in the brain and brain diseases are being conducted using various models (cell models, animal models, etc.).
일 예를 들자면, 종래에는 도파민 신경 세포에서 분비되는 도파민 농도에 따라 측정되는 전류값을 분석하여, 도파민 항상성의 모니터링을 수행하였다. 그렇지만, 이 경우, 세포에서 분비되는 도파민의 농도를 측정하는 것일 뿐, 세포 내의 도파민 농도 자체는 측정하지 못하고 있기 때문에, 외부 자극(약물 주입 등)에 의한 세포 자체의 반응을 검증하지 못하는 문제점이 있다.For example, in the past, dopamine homeostasis was monitored by analyzing current values measured according to the concentration of dopamine secreted from dopamine neurons. However, in this case, since the concentration of dopamine secreted from the cell is only measured and the dopamine concentration itself within the cell is not measured, there is a problem in that the response of the cell itself due to external stimulation (drug injection, etc.) cannot be verified. .
이와 관련해서, 국내 공개 특허 제10-2009-0104923호("파킨슨씨 병 치료를 위한 도파민성 신경 및 증식-컴피턴트 전구세포")에서는 특정 임상 조건의 치료에서 사용을 위한 더욱 최적화된 신경 세포의 집단을 제고하기 위한 기술을 개시하고 있다.In this regard, Korean Patent Publication No. 10-2009-0104923 (“Dopaminergic neurons and proliferative-competent progenitor cells for the treatment of Parkinson's disease”) discloses more optimized neural cells for use in the treatment of specific clinical conditions. We are launching a technology to improve the group.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 배양 형태에 구애받지 않는 도파민성 세포를 배양시킬 수 있는 미세 유체 채널 장치를 제공함에 있다.Therefore, the present invention was devised to solve the problems described above, and the purpose of the present invention is to provide a microfluidic channel device capable of culturing dopaminergic cells regardless of the culture type.
또한, 폐루프 제어를 통해, 배양된 세포에 파킨슨 병 치료용 약물을 투입 정도를 지속적으로 제어하여, 비교적 신속하게 약물이 세포에 어떠한 영향을 미치는지 검증할 수 있는 약물 스크리닝 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.In addition, we provide a drug screening system and method that can relatively quickly verify the effect of the drug on cells by continuously controlling the degree of injection of the drug for treating Parkinson's disease into cultured cells through closed-loop control. there is.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 미세 유체 채널 장치는, 주입되는 유체가 일정한 방향으로 흐르는 미세 유체 채널 장치에 있어서, 기판, 상기 기판 상부에 적층되는 미세 유체 채널 소자를 포함하며, 상기 미세 유체 채널 소자는 적어도 두 개의 유체 주입구, 상기 두 개의 유체 주입구로부터 각각 주입되는 유체들을 이동시키며, 혼합하는 유체 혼합 채널, 상기 유체 혼합 채널에 의해 혼합 처리된 유체가 공급되는 세포 배양 챔버 및 상기 유체 혼합 채널과 상기 세포 배양 챔버 사이에 형성되어, 상기 혼합 처리된 유체를 이동시키는 유체 이동 채널를 포함하는 것이 바람직하다.A microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention to solve the problems described above is a microfluidic channel device in which injected fluid flows in a certain direction, including a substrate and a microfluidic channel element stacked on top of the substrate. The microfluidic channel element includes at least two fluid inlets, a fluid mixing channel for moving and mixing fluids injected from the two fluid inlets, and a cell to which the mixed fluid is supplied by the fluid mixing channel. It is preferable to include a fluid movement channel formed between the culture chamber and the fluid mixing channel and the cell culture chamber to move the mixed fluid.
더 나아가, 상기 세포 배양 챔버는 기설정된 소정 높이를 갖되, 상기 유체 이동 채널의 출구 측 높이가 상기 세포 배양 챔버의 입구 측 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.Furthermore, the cell culture chamber preferably has a predetermined height, but the height of the outlet side of the fluid movement channel is lower than the height of the inlet side of the cell culture chamber.
더 나아가, 상기 기판은 기설정된 물질을 이용하여, 상기 세포 배양 챔버의 바닥면과 맞닿는 영역에 코팅 처리된 것이 바람직하다.Furthermore, the substrate is preferably coated on the area in contact with the bottom surface of the cell culture chamber using a predetermined material.
더 나아가, 상기 기판은 기설정된 물질을 이용하여, 상기 미세 유체 채널 소자의 바닥면과 맞닿는 영역에 코팅 처리된 것 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the substrate is coated with a predetermined material on the area in contact with the bottom surface of the microfluidic channel element.
더 나아가, 상기 미세 유체 채널 소자는 상기 세포 배양 챔버에서 배양하고자 하는 세포를 주입하는 세포 주입구, 상기 세포 주입구와 상기 세포 배양 챔버 사이에 형성되어, 상기 세포 주입구로부터 주입되는 세포를 이동시키는 세포 주입 채널 및 상기 세포 배양 챔버와 연결되어, 상기 유체 이동 채널에 의해 공급된 유체를 외부로 배출시키는 유체 배출부를 더 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the microfluidic channel element includes a cell injection port for injecting cells to be cultured in the cell culture chamber, and a cell injection channel formed between the cell injection port and the cell culture chamber to move the cells injected from the cell injection port. and a fluid discharge unit connected to the cell culture chamber and discharging the fluid supplied by the fluid transfer channel to the outside.
더 나아가, 상기 기판은 유리(glass)로 이루어지며, 상기 미세 유체 채널 소자는 폴리디메틸실록산(PMDS, Polydimethylsiloxane)으로 이루어지는 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the substrate is made of glass, and the microfluidic channel element is made of polydimethylsiloxane (PMDS).
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 시스템은, 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 의해, 약물에 의한 스크리닝을 수행하고자 하는 세포를 배양하는 미세 유체 채널 장치, 상기 미세 유체 채널 장치의 상부에 형성된 관측 영역을 통해 상기 세포를 관측하는 광학 센서부, 상기 미세 유체 채널 장치의 적어도 두 개의 유체 주입구와 결합되어, 입력되는 제어 신호에 의해 상기 세포로 주입되는 약물의 주입 정도를 제어하는 주입부 및 상기 광학 센서부로부터 센싱 데이터를 전송받아, 상기 세포의 형광 세기값을 분석하고, 분석 결과에 따라 상기 주입부의 동작 상태를 제어하는 상기 제어 신호를 생성하는 분석 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.A drug screening system using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention to solve the problems described above is, according to any one of claims 1 to 6, a method for performing screening by drugs. A microfluidic channel device for cultivating cells, an optical sensor unit for observing the cells through an observation area formed on an upper portion of the microfluidic channel device, and a control signal coupled to at least two fluid injection ports of the microfluidic channel device and inputting the control signal. Receives sensing data from the injection unit and the optical sensor unit, which controls the injection level of the drug injected into the cell, analyzes the fluorescence intensity value of the cell, and controls the operating state of the injection unit according to the analysis results. It is desirable to include an analysis control unit that generates the control signal.
더 나아가, 상기 광학 센서부는 기설정된 관심 영역에 대한 상기 세포의 형광 세기값을 분석한 수치 데이터를 상기 센싱 데이터로 전송하는 것이 바람직하다.Furthermore, the optical sensor unit preferably transmits numerical data analyzing the fluorescence intensity value of the cells for a preset region of interest as the sensing data.
더 나아가, 상기 광학 센서부는 상기 세포의 관측 이미지 데이터를 상기 센싱 데이터로 전송하고, 상기 분석 제어부는 상기 관측 이미지 데이터에서 기설정된 관심 영역에 대한 상기 세포의 형광 세기값을 분석하는 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the optical sensor unit transmits the observation image data of the cell as the sensing data, and the analysis control unit analyzes the fluorescence intensity value of the cell for a preset region of interest in the observation image data.
더 나아가, 상기 분석 제어부는 기설정된 기준 밝기값을 이용하여, 분석한 상기 형광 세기값이 기준 밝기값 이하일 경우, 상기 주입부를 통한 약물의 주입이 이루어지도록 제어 신호를 생성하는 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the analysis control unit uses a preset reference brightness value to generate a control signal so that the drug is injected through the injection unit when the analyzed fluorescence intensity value is less than the reference brightness value.
더 나아가, 상기 분석 제어부는 상기 주입부를 통한 약물의 주입이 이루어진 후, 분석한 상기 형광 세기값이 기준 밝기값 초과일 경우, 상기 주입부를 통한 약물의 주입 중단이 이루어지도록 제어 신호를 생성하는 것이 바람직하다.Furthermore, the analysis control unit preferably generates a control signal to stop the injection of the drug through the injection unit if the analyzed fluorescence intensity value exceeds the reference brightness value after the drug is injected through the injection unit. do.
더 나아가, 상기 분석 제어부는 폐루프(Closed-loop) 제어 방식을 적용하여, 상기 주입부를 통한 약물의 주입 또는, 약물의 주입 중단을 반복 수행하는 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the analysis control unit applies a closed-loop control method to repeatedly inject the drug or stop the injection of the drug through the injection unit.
더 나아가, 상기 약물 스크리닝 시스템은 상기 분석 제어부에 의한 상기 제어 신호에 대응하는 상기 세포의 형광 세기 변화값을 산출하여, 상기 약물에 의한 상기 세포의 반응 정도를 분석하는 스크리닝 분석부를 더 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the drug screening system preferably further includes a screening analysis unit that analyzes the degree of response of the cell to the drug by calculating a change in fluorescence intensity of the cell corresponding to the control signal by the analysis control unit. do.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 방법은, 분석 제어부에서, 광학 센서부로부터 미세 유체 채널 장치에서 배양한 세포를 관측한 센싱 데이터를 입력받는 데이터 입력 단계, 분석 제어부에서, 상기 데이터 입력 단계에 의한 센싱 데이터를 이용하여 상기 세포의 형광 세기값을 분석하는 세기 분석 단계, 분석 제어부에서, 기설정된 기준 밝기값을 이용하여, 상기 세기 분석 단계에 의해 분석한 상기 형광 세기값을 판단하는 판단 단계 및 분석 제어부에서, 상기 판단 단계의 판단 결과에 따라, 상기 미세 유체 채널 장치를 통해 상기 세포로 주입되는 약물의 주입 정도를 제어하는 제어 단계를 포함하며, 폐루프(Closed-loop) 제어 방식을 적용하여, 상기 단계들을 반복 수행하는 것이 바람직하다.In order to solve the problems described above, the drug screening method using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention includes the analysis control unit receiving sensing data observing cells cultured in the microfluidic channel device from the optical sensor unit. A data input step, an intensity analysis step in which the analysis control unit analyzes the fluorescence intensity value of the cell using the sensing data from the data input step, and the analysis control unit analyzes the intensity using a preset reference brightness value. A determination step of determining the fluorescence intensity value analyzed by the step and a control step of controlling, in the analysis control unit, the degree of injection of the drug injected into the cell through the microfluidic channel device according to the determination result of the determination step. It is desirable to repeat the above steps by applying a closed-loop control method.
더 나아가, 상기 제어 단계는 상기 판단 단계의 판단 결과에 따라, 상기 형광 세기값이 기준 밝기값 이하일 경우, 상기 미세 유체 채널 장치를 통해 상기 세포로 약물의 주입이 이루어지도록 제어하는 주입 제어 단계를 수행하는 것이 바람직하다.Furthermore, the control step performs an injection control step to control injection of the drug into the cell through the microfluidic channel device when the fluorescence intensity value is below the reference brightness value according to the determination result of the determination step. It is desirable to do so.
더 나아가, 상기 제어 단계는 상기 형광 세기값이 기준 밝기값 초과일 경우, 상기 미세 유체 채널 장치를 통해 상기 세포로 약물의 주입 중단이 이루어지도록 제어하는 주입 중단 단계를 수행하는 것이 바람직하다.Furthermore, the control step is preferably performed to stop injection of the drug into the cell through the microfluidic channel device when the fluorescence intensity value exceeds the reference brightness value.
더 나아가, 상기 약물 스크리닝 방법은 스크리닝 분석부에서, 상기 제어 단계에 의한 약물의 주입 정도에 대응하는 상기 세포의 형광 세기 변화값을 산출하여, 상기 약물에 의한 상기 세포의 반응 정도를 분석하는 스크리닝 분석 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the drug screening method is a screening analysis in which the degree of response of the cell to the drug is analyzed by calculating the fluorescence intensity change value of the cell corresponding to the degree of injection of the drug by the control step in the screening analysis unit. It is desirable to include further steps.
더 나아가, 상기 스크리닝 분석 단계는 상기 주입 제어 단계에 의한 약물의 주입량을 산출하는 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable that the screening analysis step calculates the amount of drug injected by the injection control step.
더 나아가, 상기 데이터 입력 단계는 기설정된 관심 영역에 대한 상기 세포의 형광 세기값을 분석한 수치 데이터를 상기 센싱 데이터로 입력받는 것이 바람직하다.Furthermore, in the data input step, it is preferable to receive numerical data obtained by analyzing the fluorescence intensity value of the cells for a preset region of interest as the sensing data.
더 나아가, 상기 데이터 입력 단계는 상기 세포의 관측 이미지 데이터를 상기 센싱 데이터로 입력받으며, 상기 세기 분석 단계는 상기 관측 이미지 데이터에서 기설정된 관심 영역에 대한 상기 세포의 형광 세기값을 분석하는 것이 바람직하다.Furthermore, the data input step receives observation image data of the cell as the sensing data, and the intensity analysis step preferably analyzes the fluorescence intensity value of the cell for a preset region of interest in the observation image data. .
더 나아가, 상기 약물 스크리닝 방법은 상기 데이터 입력 단계를 수행하기 전, 미세 유체 채널 장치를 이용하여, 약물에 의한 스크리닝을 수행하고자 하는 세포를 배양시키는 세포 배양 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.Furthermore, the drug screening method preferably further includes a cell culture step of culturing cells for which drug screening is to be performed using a microfluidic channel device before performing the data input step.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치는, 세포 배양 챔버의 형성 높이를 제어함으로써, 세포의 위치 구속을 위해 설치되는 미세 구조물 없이도 배양 중인 세포를 세포 배양 챔버에 안전하게 구속시킬 수 있을 뿐 아니라, 배양 가능한 세포의 범위를 늘릴 수 있는 장점이 있다.The microfluidic channel device according to a preferred embodiment of the present invention not only allows the cells being cultured to be safely confined to the cell culture chamber without a microstructure installed to restrain the position of the cells, by controlling the formation height of the cell culture chamber. , it has the advantage of increasing the range of cells that can be cultured.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 시스템 및 그 방법은, 지속적으로 약물 투여를 모사할 수 있으며, 약물이 세포의 도파민 농도 항상성 유지에 어떻게 영향을 미치는지 검증을 할 수 있어, 보다 정확하게 후보 약물의 효능을 검증하게 된다.In addition, the drug screening system and method using a microfluidic channel device according to a preferred embodiment of the present invention can continuously simulate drug administration and can verify how the drug affects the maintenance of cellular dopamine concentration homeostasis. This allows the efficacy of candidate drugs to be verified more accurately.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치의 세포 배양 챔버로의 세포 주입이 이루어지는 과정을 나타낸 예시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 시스템을 나타낸 구성 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 방법을 나타낸 순서 예시도이다.1 is an exemplary diagram showing a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view showing a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an exemplary diagram showing a process of injecting cells into a cell culture chamber of a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention.
Figures 4 and 5 are diagrams illustrating the configuration of a drug screening system using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is an exemplary flow diagram showing a drug screening method using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 미세 유체 채널 장치, 이를 이용한 약물 스크리닝 시스템 및 그 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, the microfluidic channel device of the present invention, the drug screening system and method using the same will be described in detail with reference to the attached drawings. The drawings introduced below are provided as examples so that the idea of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms. Additionally, like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.At this time, if there is no other definition in the technical and scientific terms used, they have meanings commonly understood by those skilled in the art to which this invention pertains, and the gist of the present invention is summarized in the following description and attached drawings. Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure are omitted.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치, 이를 이용한 약물 스크리닝 시스템 및 그 방법은, 미세 유체 채널 장치를 통해서 타겟하고자 하는 세포(파킨슨 병 감염 세포, in vitro PD 모델)를 배양한 후, 미세 유체 채널 장치에 스크리닝하고자 하는 후보 약물을 주입함으로써, 실시간으로 세포의 도파민 레벨의 변화 정도를 모니터링할 수 있어, 후보 약물의 효능을 검증할 수 있는 기술에 관한 것이다.The microfluidic channel device, the drug screening system using the same, and the method according to an embodiment of the present invention include culturing cells to be targeted (Parkinson's disease-infected cells, in vitro PD model) through the microfluidic channel device, It relates to a technology that can monitor the degree of change in cellular dopamine levels in real time by injecting a candidate drug to be screened into a fluid channel device, thereby verifying the efficacy of the candidate drug.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치에 대해서 알아보자면, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 기판 및 상기 기판의 상부에 적층되는 미세 유체 채널 소자를 포함하여 구성되게 된다. 이 때, 상기 미세 유체 채널 장치는 주입되는 유체가 일정한 방향으로 흐르도록 유체 흐름이 제어된다.First, let's look at the microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 1 to 3, it is comprised of a substrate and a microfluidic channel element stacked on top of the substrate. At this time, the fluid flow of the microfluidic channel device is controlled so that the injected fluid flows in a constant direction.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치는 상기 기판과 상기 미세 유체 채널 소자의 적층 과정에 대해서는 한정하지 않으며, 상용 기술에 따라, 산소 플라즈마 처리에 의해 서로 접합되거나, 별도의 접합 처리 없이 적층되는 등, 다양하게 적용될 수 있다.The microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention is not limited to the stacking process of the substrate and the microfluidic channel element, and is bonded to each other by oxygen plasma treatment according to a commercial technology, or stacked without a separate bonding process. It can be applied in various ways.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치는 상기 기판은 유리(glass) 기판으로 형성하고, 상기 미세 유체 채널 소자는 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)으로 이루어지는 것이 바람직하다.However, in the microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention, the substrate is preferably formed of a glass substrate, and the microfluidic channel element is preferably made of polydimethylsiloxane (PDMS).
폴리디메틸실록산은 생물학, 의학, 약학, 재료공학 및 기계공학 등 다양한 분야에 걸쳐 활용되는 투명한 고분자 물질로서, 우수한 생체 적합성(Bio-compativility)으로 인해 최근들어 장기 모사 칩(Organ-on-a-chip) 연구 등에 활용되고 있다.Polydimethylsiloxane is a transparent polymer material used in various fields such as biology, medicine, pharmacy, materials engineering, and mechanical engineering. Due to its excellent bio-compatibility, it has recently been used as an organ-on-a-chip. ) is being used in research, etc.
장기 모사 칩은 인체 장기의 생리, 의/약학적 특성을 모사할 수 있는 체외 디바이스로서, 의약학 연구에서 인간 피실험체를 대신할 수 있는 테스트베드(test-bed)로 활용되고 있다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치 역시도 상기 미세 유체 채널 소자로 폴리디메틸실록산을 활용하여, 세포를 배양시킴으로써, 이를 통해서 퇴행성 뇌 질환(특히, 도파민성 뇌 질환인 파킨슨 병 등)에 대한 효능이 있는 약물을 검출하기 위한 스크리닝을 수행하게 된다.An organ simulation chip is an in vitro device that can simulate the physiology and medical/pharmaceutical characteristics of human organs, and is used as a test bed that can replace human subjects in pharmaceutical research. In consideration of this, the microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention also utilizes polydimethylsiloxane as the microfluidic channel element and cultivates cells, thereby preventing degenerative brain diseases (in particular, dopaminergic brain diseases). Screening is performed to detect drugs that are effective against Parkinson's disease, etc.
상기 미세 채널 유체 소자는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 유체 주입구(inlet), 유체 혼합 채널(mixing/perfusion channel), 세포 배양 챔버(cell culture chamber), 유체 이동 채널(loading channel)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.As shown in FIGS. 1 and 2, the microchannel fluidic device includes a fluid inlet, a fluid mixing channel, a cell culture chamber, and a loading channel. It is desirable that it be configured to include.
이 때, 상기 유체 주입구는 도 1에 도시된 바와 같이, 적어도 두 개의 유체 주입구로 구성되는 것이 바람직하다.At this time, the fluid inlet is preferably composed of at least two fluid inlets, as shown in FIG. 1.
상기 적어도 두 개의 유체 주입구 중 하나로는, 세포 배양액이 주입되며, 나머지 하나로는, 세포 기능 및 상태 조절을 야기시키는 화합물 또는, 스크리닝하고자 하는 후보 약물을 주입하게 된다. 그렇기 때문에, 상기 미세 채널 유체 소자는 적어도 두 개의 유체 주입구를 형성하게 되며, 필요에 따라서 추가적인 주입구를 더 형성할 수도 있어, 둘 이상의 개수에 대해서는 한정하는 것은 아니다. 또한, 유체의 주입은 상기 미세 유체 채널 장치의 외부에 연결되어 있는 시린지 펌프를 통해서 수행되는 것이 바람직하다.A cell culture medium is injected into one of the at least two fluid inlets, and a compound that causes cell function and state regulation or a candidate drug to be screened is injected into the other one. Therefore, the micro-channel fluid device forms at least two fluid injection ports, and additional injection ports may be formed as needed, so the number of two or more is not limited. Additionally, the injection of fluid is preferably performed through a syringe pump connected to the outside of the microfluidic channel device.
상기 적어도 두 개의 유체 주입구로부터 각각 주입된 유체들은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 유체 혼합 채널을 지나면서 혼합되게 된다.As shown in FIGS. 1 and 2, the fluids injected from the at least two fluid injection ports are mixed as they pass through the fluid mixing channel.
상기 세포 배양 챔버는 상기 유체 혼합 채널에 의해 혼합 처리된 유체가 공급되어, 세포가 배양되게 된다. 사용 가능한 세포로는 셀라인, 초대배양세포, 환자유래세포 등 생물 실험에서 실험용으로 사용 중인 모든 종류의 세포 배양이 가능하다.The cell culture chamber is supplied with a mixed fluid through the fluid mixing channel, thereby cultivating cells. All types of cells used for experimental purposes in biological experiments are possible, including cell lines, primary culture cells, and patient-derived cells.
상기 유체 이동 채널을 통해서 상기 유체 혼합 채널과 상기 세포 배양 챔버가 연결되게 되며, 이를 통해서, 상기 유체 이동 채널을 통해서 상기 유체 혼합 채널에 의해 혼합 처리된 유체를 상기 세포 배양 챔버로 이동시키게 된다.The fluid mixing channel and the cell culture chamber are connected through the fluid movement channel, and through this, the fluid mixed by the fluid mixing channel is moved to the cell culture chamber through the fluid movement channel.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치는 상기 세포 배양 챔버를 통해서, 세포 형태가 이차원(monolayer) 형태 및 삼차원(spheroid, cell mixed with gel)형태 모두 배양 가능하도록 형성하고 있다.At this time, the microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention is formed so that cells can be cultured in both two-dimensional (monolayer) and three-dimensional (spheroid, cell mixed with gel) forms through the cell culture chamber.
상세하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 세포 배양 챔버가 미리 설정된 소정 높이를 갖도록 형성하여, 상기 세포 배양 챔버의 입구 측 높이가 상기 유체 이동 채널의 출구 측 높이보다 높도록 형성하게 된다.In detail, as shown in FIG. 2, the cell culture chamber is formed to have a predetermined height, so that the height of the inlet side of the cell culture chamber is higher than the height of the outlet side of the fluid movement channel.
보다 상세하게는, 상기 세포 배양 챔버가 250 ㎛를 갖도록 형성함으로써, 상기 세포 배양 챔버를 통해서 세포 형태가 삼차원 형태로 배양할 수 있다. 즉, 통상적인 상기 유체 이동 채널(상기 세포 배양 챔버의 앞단에 위치한 구성)의 높이인 70 ㎛ 보다 상기 세포 배양 챔버의 높이를 키움으로써, 삼차원 형태를 갖는 세포의 배양까지 가능하게 된다.More specifically, by forming the cell culture chamber to have a thickness of 250 ㎛, cells can be cultured in a three-dimensional form through the cell culture chamber. In other words, by increasing the height of the cell culture chamber from 70 ㎛, which is the typical height of the fluid movement channel (configuration located at the front end of the cell culture chamber), it becomes possible to cultivate cells with a three-dimensional shape.
단순히 유체가 이동하는 모든 채널의 높이를 키울 경우, 배양 중인 세포가 상기 세포 배양 챔버에 위치하지 못하고 상기 유체 이동 채널로 유출되거나, 상기 유체 이동 채널은 넘어 상기 유체 혼합 채널까지 넘어가게 되는 현상이 발생하게 된다.If you simply increase the height of all channels through which fluid moves, a phenomenon occurs in which cells in culture cannot be located in the cell culture chamber and leak into the fluid movement channel, or go beyond the fluid movement channel and into the fluid mixing channel. I do it.
이러한 문제점을 해소하기 위하여, 종래의 미세 유체 채널 장치는 세포의 위치를 상기 세포 배양 챔버로 구속시키기 위하여, 상기 유체 이동 채널(또는, 상기 유체 혼합 채널)과 상기 세포 배양 챔버 사이에 미세 구조물을 설치하고 있으나, 현미경으로 관측 가능한 세포가 배양되는 미세 유체 채널 장치에 미세 구조물을 설치하는 것 자체가 테그니컬한 어려움이 있음이 당연하다.In order to solve this problem, the conventional microfluidic channel device installs a microstructure between the fluid movement channel (or the fluid mixing channel) and the cell culture chamber to constrain the position of the cells to the cell culture chamber. However, it is natural that there are technical difficulties in installing microstructures in microfluidic channel devices where cells that can be observed under a microscope are cultured.
그렇기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치는 세포의 위치 구속을 위해 설치되는 미세 구조물 없이도 배양 중인 세포를 세포 배양 챔버에 안전하게 구속시킬 수 있을 뿐 아니라, 상기 세포 배양 챔버의 형성 높이를 제어하여, 배양 가능한 세포의 범위를 늘릴 수 있는 장점이 있다.Therefore, the microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention can not only safely confine cells in culture to a cell culture chamber without a microstructure installed to confine the position of the cells, but also can secure the height of the cell culture chamber. There is an advantage in that the range of cells that can be cultured can be increased by controlling .
더불어, 상기 미세 유체 채널 소자는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 세포 주입구, 세포 주입 채널 및 유체 배출구를 더 포함하여 구성되게 된다.In addition, the microfluidic channel device is configured to further include a cell injection port, a cell injection channel, and a fluid outlet, as shown in FIGS. 1 to 3.
상기 세포 주입구는 상기 세포 배양 챔버에서 배양하고자 하는 세포를 주입하게 되며, 상기 세포 주입 채널은 상기 세포 주입구로부터 주입된 세포를 상기 세포 배양 챔버로 이동시키기 위하여, 상기 세포 주입구와 상기 세포 배양 챔버 사이에 형성되게 된다.The cell injection port injects cells to be cultured in the cell culture chamber, and the cell injection channel is provided between the cell injection port and the cell culture chamber to move the cells injected from the cell injection port to the cell culture chamber. is formed.
상기 세포 주입구가 상기 세포 배양 챔버의 상부에 형성되지 않고, 상기 세포 배양 챔버와 다른 위치에 구비되는 것은, 추후에 광학 센서부(현미경 등)를 통해서 상기 세포 배양 챔버를 관측할 때, 상기 세포 주입구로 인해 광학 센서부의 관측 영역에 영향을 주는 것을 최소화하기 위함이다.The fact that the cell injection port is not formed at the top of the cell culture chamber and is provided in a location different from the cell culture chamber means that when observing the cell culture chamber through an optical sensor unit (microscope, etc.) later, the cell injection port is not formed at the top of the cell culture chamber. This is to minimize the influence on the observation area of the optical sensor unit.
또한, 상기 유체 배출부는 상기 세포 배양 챔버와 연결되어, 상기 유체 이동 채널에 의해 공급된 유체를 외부로 배출시키게 된다. 즉, 상기 유체 주입구를 통해서 주입되는 유체들이 상기 유체 배출부를 통해서 상기 미세 유채 채널 소자 외부로 배출된다.Additionally, the fluid discharge unit is connected to the cell culture chamber and discharges the fluid supplied by the fluid movement channel to the outside. That is, the fluid injected through the fluid inlet is discharged to the outside of the fine oil channel element through the fluid discharge part.
통상적으로, 상기 세포 배양 챔버에서 배양되는 세포는 상기 유체 주입구로부터 지속적으로 주입되는 세포 배양액의 공급을 통해서 장기간(최대 한달) 배양이 가능하게 된다.Typically, cells cultured in the cell culture chamber can be cultured for a long period of time (up to a month) through the supply of cell culture medium continuously injected from the fluid inlet.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치는 미리 설정된 물질을 이용하여, 상기 기판을 코팅하게 된다.In addition, the microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention coats the substrate using a preset material.
상기 기판의 코팅 영역에 대해서 가장 바람직하게는, 상기 세포 배양 챔버의 바닥면과 맞닿는 영역이나, 경우에 따라, 상기 미세 유체 채널 소자의 전체 바닥면, 다시 말하자면, 상기 기판의 상부 전체면에 코팅층을 형성할 수도 있다.With respect to the coating area of the substrate, the coating layer is most preferably applied to the area in contact with the bottom surface of the cell culture chamber or, in some cases, to the entire bottom surface of the microfluidic channel element, that is, to the entire upper surface of the substrate. It can also be formed.
미리 설정된 물질로는, 세포 부착 및 분화를 돕는 화합물 또는, 세포외 기질, 재조합 단백질(일 예를 들자면, PLL, PDL, collagen, matrigel, laminin) 등을 포함하여 구성되며, 세포 부착 및 분화를 돕는 기능을 위해 구성되는 만큼 상기 세포 배양 챔버의 바닥면과 맞닿는 영역의 상기 기판에 코팅 처리를 수행하는 것이 가장 바람직하다.Preset substances include compounds that help cell attachment and differentiation, extracellular matrix, and recombinant proteins (for example, PLL, PDL, collagen, matrigel, laminin), etc., and help cell attachment and differentiation. It is most desirable to perform coating treatment on the substrate in the area in contact with the bottom surface of the cell culture chamber as it is configured for function.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 시스템을 나타낸 구성 예시도이다.Figures 4 and 5 are diagrams illustrating the configuration of a drug screening system using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 시스템은, 미세 유체 채널 장치, 광학 센서부, 주입부 및 분석 제어부를 포함하여 구성되게 된다.As shown in FIGS. 4 and 5, the drug screening system using the microfluidic channel device includes a microfluidic channel device, an optical sensor unit, an injection unit, and an analysis control unit.
각 구성에 대해서 자세히 알아보자면,To learn more about each configuration,
상기 미세 유체 채널 장치는 상술한 바와 같이, 상기 세포 배양 챔버의 입구 측 높이가 상기 유체 이동 채널의 출구 측 높이보다 높도록 형성되어 이차원 형태 뿐 아니라, 3차원 형태의 세포도 배양할 수 있어, 약물에 의한 스크리닝을 수행하고자 하는 세포를 형태의 제한 없이 배양시킬 수 있다.As described above, the microfluidic channel device is formed so that the height of the inlet side of the cell culture chamber is higher than the height of the outlet side of the fluid movement channel, so that not only two-dimensional cells but also three-dimensional cells can be cultured, Cells for which screening is to be performed can be cultured without restrictions on their form.
상기 미세 유체 채널 장치를 이용한 세포 배양 과정에 대해서 설명하자면,To explain the cell culture process using the microfluidic channel device,
먼저, 외부에서 사전이 상기 미세 유채 채널 장치 안에 배양할 수 있는 정상 상태 세포를 준비하여, 상기 세포 주입구를 통해서 주입하게 된다.First, steady-state cells that can be cultured in the micro rape channel device are prepared from the outside and injected through the cell injection port.
이 후, 주입한 정상 상태 세포가 도파민성 신경 세포로 분화될 수 있도록 선택되는 어느 하나의 유체 주입구를 통해서 retinoic acid를 주입하게 된다. 이 때, 또다른 하나의 유체 주입구를 통해서는 세포 배양액이 주입되게 된다.Afterwards, retinoic acid is injected through any fluid injection port selected so that the injected steady-state cells can be differentiated into dopaminergic neurons. At this time, the cell culture medium is injected through another fluid inlet.
이러한 도파민성 신경 세포에 대한 도파민 농도를 모니터링하기 위해, 상기 어느 하나의 유체 주입구를 통해서 단백질 도파민 센서(dLight)를 주입하여, 도파민성 신경 세포를 감염시키게 된다. 이는 세포의 도파민 농도를 형광 세기로 센싱하기 위함이다. 이 때, 또다른 하나의 유체 주입구를 통해서는 세포 배양액이 주입되게 된다.In order to monitor the dopamine concentration in these dopaminergic neurons, a protein dopamine sensor (dLight) is injected through one of the fluid injection ports to infect the dopaminergic neurons. This is to sense the dopamine concentration of the cell through fluorescence intensity. At this time, the cell culture medium is injected through another fluid inlet.
dLight는 세포 내부의 도파민 양을 형광 세기로 센싱하는 센서로서, 광학 센서부(일 예를 들자면, 현미경 등)를 이용하여 세포의 형광 세기를 관찰하여 세포 내 도파민 농도를 추정할 수 있다.dLight is a sensor that senses the amount of dopamine inside a cell using fluorescence intensity, and can estimate the intracellular dopamine concentration by observing the fluorescence intensity of the cell using an optical sensor unit (for example, a microscope, etc.).
이 후, 파킨슨 병의 유도 약물인 MPP+을 상기 어느 하나의 유체 주입구를 통해서 주입하여, 체외 파킨슨 병 모델(PD 모델, in vitro PD 모델)을 제작함으로써, 세포 배양이 완성되게 된다.Afterwards, MPP+, an inducing drug for Parkinson's disease, is injected through one of the above fluid injection ports to create an in vitro Parkinson's disease model (PD model), thereby completing cell culture.
더불어, 상술한 바와 같이, 상기 미세 유체 채널 장치는 상기 적어도 두 개의 유체 주입구를 구성하고 있으며, 시린지 펌프의 주입 유량 변화를 통해 각각의 유체 주입구를 통해서 주입되는 유체의 농도를 조절하게 된다.In addition, as described above, the microfluidic channel device includes at least two fluid inlets, and the concentration of the fluid injected through each fluid inlet is adjusted by changing the injection flow rate of the syringe pump.
상술한 과정은 도파민성 신경 세포를 사용한 파킨슨 병 치료용 약물 스크리닝에 적용하기 위한 세포 배양 과정으로, 이에 대해서 한정하는 것은 아니다. 즉, 경우에 따라, 다양한 병증에 대한 치료용 약물 스크리닝에 적용하기 위해 도파민성 신경 세포가 아닌 다양한 병증이 적용된 세포를 배양할 수 있으며, 세포 형태는 상술한 바와 같이, 이차원 뿐 아니라, 삼차원 형태로도 배양시킬 수 있어, 보다 용이하게 약물 스크리닝을 수행할 수 있다.The above-described process is a cell culture process for application to drug screening for treating Parkinson's disease using dopaminergic neurons, and is not limited thereto. In other words, in some cases, in order to screen therapeutic drugs for various diseases, cells with various diseases other than dopaminergic neurons can be cultured, and the cell shape can be in two-dimensional as well as three-dimensional form as described above. can also be cultured, allowing drug screening to be performed more easily.
상기 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 시스템은 이렇게 배양된 in vitro PD 모델에 스크리닝하고자 하는 후보 약물을 주입하면서, in vitro PD 모델의 도파민 레벨을 모니터링함으로써 후보 약물의 효능을 검증하게 된다.The drug screening system using the microfluidic channel device verifies the efficacy of the candidate drug by injecting the candidate drug to be screened into the cultured in vitro PD model and monitoring the dopamine level of the in vitro PD model.
상기 광학 센서부는 상기 미세 유체 채널 장치의 상부에 형성된 관측 영역을 통해 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)를 관측하는 수단으로, 현미경 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The optical sensor unit is a means for observing the cells (cultured in vitro PD model) through an observation area formed on the top of the microfluidic channel device, and preferably includes a microscope, etc.
상기 주입부는 상기 미세 유체 채널 장치의 적어도 두 개의 유체 주입구와 결합되어, 입력되는 제어 신호에 의해 상기 세포로 주입되는 후보 약물의 주입 정도를 제어하는 수단으로, 시린지 펌프 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The injection unit is coupled to at least two fluid injection ports of the microfluidic channel device, and is preferably configured to include a syringe pump, etc. as a means for controlling the injection level of the candidate drug injected into the cell by an input control signal. do.
상기 주입부를 통한, 유체의 유입 제어 과정에 대해서 일 예를 들자면, 제1 유체 주입구를 통해 세포 배양액이 주입되는 경우, 제2 유체 주입구를 통해서는 화합물(일 예를 들자면, retinoic acid, dLight 및 MPP+ 등) 또는, 후보 약물이 주입되게 된다. 두 개의 주입구를 통해 주입되는 총 유량을 10으로 일정하게 고정시킨 후, 세포 배양액의 주입 유량을 9에서 1로 감소시킬 경우, 그와 동시에 또다른 유체 주입구을 통한 유체의 주입 유량은 1에서 9로 증가하게 된다. 이를 통해서 상기 유체 혼합 채널을 통해서 상기 유체 이동 채널을 거쳐 상기 세포 배양 챔버로 유입되는 화합물 또는, 후보 약물의 농도를 제어하게 된다.As an example of the process of controlling the inflow of fluid through the injection unit, when a cell culture medium is injected through the first fluid inlet, compounds (e.g., retinoic acid, dLight, and MPP+) are injected through the second fluid inlet. etc.) Alternatively, the candidate drug is injected. If the total flow rate injected through the two injection ports is fixed at 10 and the injection flow rate of the cell culture medium is reduced from 9 to 1, at the same time, the fluid injection flow rate through another fluid inlet increases from 1 to 9. I do it. Through this, the concentration of the compound or candidate drug flowing into the cell culture chamber through the fluid mixing channel and the fluid movement channel is controlled.
특히, 후보 약물의 농도 제어는 후술할 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 시스템에서 정상 도파민 레벨을 유지할 수 있는 약물 제어값을 도출하여, 후보 약물에 대한 스크리닝을 수행하는데 주요 기능이다.In particular, controlling the concentration of a candidate drug is a key function in performing screening for a candidate drug by deriving a drug control value that can maintain a normal dopamine level in a drug screening system using a microfluidic channel device, which will be described later.
상기 분석 제어부는 상기 광학 센서부로부터 센싱 데이터를 전송받아, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 형광 세기값을 분석하고, 분석 결과에 따라, 상기 주입부의 동작 상태를 제어하는 상기 제어 신호를 생성하게 된다. 이를 위해, 상기 분석 제어부는 컴퓨터 등을 포함하는 연산 처리 수단인 것이 가장 바람직하다.The analysis control unit receives sensing data from the optical sensor unit, analyzes the fluorescence intensity value of the cell (cultured in vitro PD model), and, according to the analysis result, sends the control signal to control the operating state of the injection unit. will be created. For this purpose, it is most preferable that the analysis control unit is an arithmetic processing means including a computer.
더불어, 상술한 바와 같이, 도파민성 신경 세포를 사용한 파킨슨 병 치료용 약물 스크리닝에 적용하기 위해 상기 세포의 형광 세기값을 분석하는 것을 보다 용이하게 설명하기 위하여, 분석하고자 하는 세포의 특성값을 형광 세기값으로 한정하고 있으나, 당연히 다양한 병증이 적용된 세포에 대한 치료용 약물 스크리닝에 적용하기 위하여, 분석하고자 하는 세포의 특성값을 형광 세기값이 아닌, 다른 특성값으로 대체할 수 있다.In addition, as described above, in order to more easily explain the analysis of the fluorescence intensity value of the cell for application to drug screening for the treatment of Parkinson's disease using dopaminergic neurons, the characteristic value of the cell to be analyzed is the fluorescence intensity. Although it is limited to a value, of course, in order to apply it to therapeutic drug screening for cells suffering from various diseases, the characteristic value of the cell to be analyzed can be replaced with a characteristic value other than the fluorescence intensity value.
상기 분석 제어부는 상기 광학 센서부로부터 상기 센싱 데이터를 전송받게 되는데, 상기 광학 센서부는 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델) 내 미리 설정된 관심 영역에 대한 형광 세기값을 분석한 수치 데이터를 생성하여 전송하거나, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관측 이미지 데이터를 전송하게 된다.The analysis control unit receives the sensing data from the optical sensor unit, and the optical sensor unit generates and transmits numerical data that analyzes the fluorescence intensity value for a preset region of interest within the cell (cultured in vitro PD model). Alternatively, observation image data of the cells (cultured in vitro PD model) are transmitted.
가장 바람직하게는, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델) 내 미리 설정된 관심 영역에 대한 형광 세기값을 분석한 수치 데이터를 생성하여 상기 센싱 데이터로 전송받는 것으로, 이를 위해서는, 사전에, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델) 영역에 대한 관심 영역(ROI, Region of Interest)을 설정하게 된다.Most preferably, numerical data analyzing the fluorescence intensity value for a preset region of interest within the cell (cultured in vitro PD model) is generated and transmitted as the sensing data. To do this, in advance, the cell ( A region of interest (ROI) is set for the cultured in vitro PD model area.
물론, 상기 분석 제어부에서, 상기 광학 센서부로부터 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관측 이미지 데이터를 상기 센싱 데이터로 전송받을 경우에도, 미리 설정된 관심 영역을 이용하여, 상기 관심 영역에 해당하는 형광 세기값을 분석하게 된다.Of course, even when the analysis control unit receives the observation image data of the cells (cultured in vitro PD model) from the optical sensor unit as the sensing data, a preset region of interest is used to detect the area of interest corresponding to the region of interest. The fluorescence intensity value is analyzed.
다시 말하자면, 상기 미세 유체 채널 장치의 상부(가장 바람직하게는, 상기 세포 배양 챔버의 상부)에 형성된 관측 영역을 통해 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)를 관측하게 되는데, 상기 세포 배양 챔버의 전체 영역에 세포가 빈틈없이 배양되는 것이 아니기 때문에, 사전에 세포 영역 중 형광 세기값을 분석할 수 있는 관심 영역을 설정하여, 상기 광학 센서부를 통해서, 상기 관심 영역에 대한 형광 세기값을 수치 데이터로 분석하여 전송받거나, 상기 관측 이미지 데이터에서 상기 관심 영역에 대한 형광 세기값을 분석하게 된다.In other words, the cells (cultured in vitro PD model) are observed through an observation area formed at the top of the microfluidic channel device (most preferably, at the top of the cell culture chamber), and the entire cell culture chamber is observed. Since the cells are not cultured tightly in the area, a region of interest where fluorescence intensity values can be analyzed is set in advance among the cell areas, and the fluorescence intensity value for the region of interest is analyzed as numerical data through the optical sensor unit. Then, the fluorescence intensity value for the region of interest is analyzed from the observed image data.
상기 분석 제어부는 이러한 상기 형광 세기값을 이용하여, 상기 주입부의 동작 상태를 제어하게 된다.The analysis control unit uses the fluorescence intensity value to control the operating state of the injection unit.
상세하게는, 상기 미세 유체 채널 장치를 통해서 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)를 생성한다는 것 자체가, 상술한 과정들을 거쳐서 파킨슨 병의 유도 약물인 MPP+을 주입하는데 그치는 것이 아니라, 이를 주입한 후, 상기 광학 센서부로부터 관측을 통해서 상기 분석 제어부에서 분석한 상기 형광 세기값이 미리 설정된 기준 밝기값보다 낮아질 경우, 최종적으로 배양된 in vitro PD 모델의 생성이 완성된 것으로 판단한 후, 약물 스크리닝을 진행하게 된다.In detail, generating the cells (cultured in vitro PD model) through the microfluidic channel device is not limited to injecting MPP+, an inducing drug for Parkinson's disease, through the above-mentioned processes, but also injecting it. Afterwards, when the fluorescence intensity value analyzed by the analysis control unit through observation from the optical sensor unit becomes lower than the preset reference brightness value, it is determined that the creation of the final cultured in vitro PD model is complete, and then drug screening is performed. It will proceed.
약물 스크리닝이 진행되게 되면, 상기 분석 제어부는 미리 설정된 기준 밝기값을 이용하여, 상기 주입부를 통한 후보 약물의 주입이 이루어지도록 상기 제어 신호를 생성하게 된다.When drug screening proceeds, the analysis control unit uses a preset reference brightness value to generate the control signal so that the candidate drug is injected through the injection unit.
이 때, 상기 분석 제어부에서 분석한 상기 형광 세기값이 미리 설정된 기준 밝기값보다 낮아질 경우, 최종적으로 배양된 in vitro PD 모델의 생성이 완성된 것으로 판단한 후, 약물 스크리닝이 진행되기 때문에, 상기 분석 제어부는 최종적으로 배양된 in vitro PD 모델의 생성이 완성된 것으로 판단한 후, 상기 주입부를 통한 후보 약물의 주입이 이루어지도록 상기 제어 신호를 생성하게 된다.At this time, if the fluorescence intensity value analyzed by the analysis control unit is lower than the preset reference brightness value, it is determined that the creation of the final cultured in vitro PD model is completed, and then drug screening is performed, so the analysis control unit After determining that the creation of the cultured in vitro PD model is finally complete, it generates the control signal so that the candidate drug is injected through the injection unit.
이에 따라, 상기 주입부는 시린지 펌프의 조작을 통해서, 상기 유체 주입부를 통해 후보 약물의 주입이 이루어지도록 제어되게 된다.Accordingly, the injection unit is controlled to inject the candidate drug through the fluid injection unit through manipulation of the syringe pump.
이와 연결해서, 상기 광학 센서부로부터 관측을 통해서 상기 분석 제어부에서 분석한 상기 형광 세기값의 변화를 통해서, 후보 약물의 주입에 따른 세포의 병증 효능을 검증하게 된다.In connection with this, the efficacy of the cell disease caused by injection of the candidate drug is verified through the change in the fluorescence intensity value analyzed by the analysis control unit through observation from the optical sensor unit.
상기 분석 제어부는 후보 약물이 병증에 효능이 있음을 검증하는 데 그치지 않고, 폐루프(closed-loop) 제어를 통해서, 상기 주입부를 통한 후보 약물의 주입이 이루어진 후, 지속적으로 상기 광학 센서부로부터 관측을 통해서 상기 분석 제어부에서 분석한 상기 형광 세기값이 미리 설정된 기준 밝기값을 초과할 경우, 상기 주입부를 통한 후보 약물의 주입 중단이 이루어지도록 상기 제어 신호를 생성하게 된다.The analysis control unit not only verifies that the candidate drug is effective for the disease, but also continuously observes from the optical sensor unit after the candidate drug is injected through the injection unit through closed-loop control. When the fluorescence intensity value analyzed by the analysis control unit exceeds a preset reference brightness value, the control signal is generated to stop injection of the candidate drug through the injection unit.
여기서, 상기 미리 설정된 기준 밝기값이란 정상 상태 세포의 도파민 농도에 따른 형광 세기값, 다시 말하자면, 배양된 in vitro PD 모델이 정상 세포 상태로 병증이 완화된 기준을 잡기 위한 정상 상태 세포의 도파민 농도에 따른 형광 세기값을 설정하는 것이 바람직하다.Here, the preset reference brightness value is a fluorescence intensity value according to the dopamine concentration of cells in a steady state, that is, the dopamine concentration of cells in a steady state to establish a standard for the cultured in vitro PD model to have alleviated the disease to a normal cell state. It is desirable to set the fluorescence intensity value accordingly.
상기 분석 제어부는 상술한 제어 과정을 반복하면서, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)에 후보 약물의 주입과 주입 중단을 반복하여 제어하게 된다. 이를 통해서, 약물 투여에 따른 치료 경과를 스크리닝 할 수 있다.The analysis control unit repeats the above-described control process and repeatedly controls the injection and cessation of injection of the candidate drug into the cells (cultured in vitro PD model). Through this, the treatment progress according to drug administration can be screened.
즉, 상기 분석 제어부는 미리 설정된 기준 밝기값을 이용하여, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관심 영역에 대한 형광 세기값이 상기 기준 밝기값 이하로 낮아질 경우, 후보 약물이 담긴 상기 주입부를 동작시켜 후보 약물의 주입이 일어나게 하고, 후보 약물의 주입에 따라 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관심 영역에 대한 형광 세기값이 상기 기준 밝기값을 초과할 경우, 다시 후보 약물이 담긴 상기 주입부를 동작을 중단시켜, 약물 투여에 따른 치료 경과를 스크리닝하게 된다.That is, the analysis control unit uses a preset reference brightness value, and when the fluorescence intensity value for the region of interest of the cell (cultured in vitro PD model) falls below the reference brightness value, the injection unit containing the candidate drug is activated. It is operated to cause injection of the candidate drug, and when the fluorescence intensity value of the region of interest of the cell (cultured in vitro PD model) exceeds the reference brightness value according to the injection of the candidate drug, the The operation of the injection unit is stopped to screen the treatment progress according to drug administration.
이를 통해서, 지속적으로 약물 주입/약물 주입 중단을 반복하면서, 동시에 상기 기준 밝기값을 이용하여 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관심 영역에 대한 형광 세기값을 분석함으로써, 약물 투여를 모사할 수 있으며, 약물이 세포의 도파민 농도 항상성 유지에 어떻게 영향을 미치는지 검증을 할 수 있어, 이를 통한 후보 약물의 효능을 검증하게 된다.Through this, drug administration can be simulated by continuously repeating drug injection/stop drug injection and simultaneously analyzing the fluorescence intensity value for the region of interest of the cell (cultured in vitro PD model) using the reference brightness value. It is possible to verify how the drug affects the maintenance of cellular dopamine concentration homeostasis, thereby verifying the efficacy of the candidate drug.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 시스템은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 스크리닝 분석부를 더 포함하여 구성되게 된다.To this end, the drug screening system using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention is configured to further include a screening analysis unit, as shown in FIGS. 4 and 5.
상기 스크리닝 분석부는 상기 분석 제어부에 의한 상기 제어 신호에 따른 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)로 후보 약물의 주입/후보 약물의 주입 중단됨에 따라, 상기 세포의 형광 세기 변화값, 다시 말하자면, 상기 분석 제어부에 의한 상기 제어 신호에 대응하는 상기 세포의 형광 세기 변화값을 산출하여, 후보 약물에 의한 상기 세포의 반응 정도를 분석하게 된다.The screening analysis unit determines the fluorescence intensity change value of the cell as the injection/stop of injection of the candidate drug into the cell (cultured in vitro PD model) according to the control signal from the analysis control unit. By calculating the fluorescence intensity change value of the cell corresponding to the control signal by the analysis control unit, the degree of response of the cell to the candidate drug is analyzed.
즉, 상기 스크리닝 분석부는 후보 약물이 세포의 도파민 농도 항상성 유지에 어떻게 영향을 미치는지 검증하기 위한 분석을 수행하는 것으로, 분석 결과를 이용하여 후보 약물의 효능을 검증하게 된다.In other words, the screening analysis unit performs analysis to verify how the candidate drug affects the maintenance of cellular dopamine concentration homeostasis, and the efficacy of the candidate drug is verified using the analysis results.
뿐만 아니라, 상기 스크리닝 분석부는 상기 분석 제어부에 의한 상기 제어 신호에 따른 상기 세포로의 후보 약물의 주입 양을 추정할 수 있다.In addition, the screening analysis unit can estimate the amount of candidate drug injected into the cell according to the control signal from the analysis control unit.
단순하게는, 상기 주입부의 동작 시간과 제어된 주입 유량을 이용하여 후보 약물의 주입 양을 추정할 수 있다.Simply, the injection amount of the candidate drug can be estimated using the operation time of the injection unit and the controlled injection flow rate.
또는, 후보 약물이 상기 세포에 실질적으로 영향을 끼친 지점이 상기 형광 세기값이 상기 기준 밝기값을 초과하는 지점이며, 상기 세포의 형광 세기값이 상기 기준 밝기값을 초과함으로써 후보 약물의 주입 중단이 이루어졌지만, 이미 주입된 후보 약물로 인해 세포에 영향을 주고 있다는 점을 고려하여, 상기 주입부의 동작 시간과 제어된 주입 유량 뿐 아니라, 상기 세포의 형광 세기값이 상기 기준 밝기값을 초과한 시점부터 다시 형광 세기값이 변곡을 이루며 낮아지는 시점에 의한 적분을 통해 후보 약물의 주입 양을 추정할 수 있다.Alternatively, the point where the candidate drug substantially affects the cell is the point where the fluorescence intensity value exceeds the reference brightness value, and the injection of the candidate drug is stopped because the fluorescence intensity value of the cell exceeds the reference brightness value. However, considering the fact that the already injected candidate drug is affecting the cells, not only the operation time of the injection unit and the controlled injection flow rate, but also the point at which the fluorescence intensity value of the cell exceeds the reference brightness value Again, the injected amount of the candidate drug can be estimated through integration based on the point at which the fluorescence intensity value inflects and decreases.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 데이터 입력 단계, 세기 분석 단계, 판단 단계 및 제어 단계를 포함하여 구성되며, 각 단계들은 컴퓨터를 포함하는 연산 처리 수단에서 동작하는 약물 스크리닝 시스템에 의해 수행되게 된다.As shown in FIG. 6, the drug screening method using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention includes a data input step, an intensity analysis step, a judgment step, and a control step, and each step is performed using a computer. It is performed by a drug screening system operating in an arithmetic processing unit comprising:
각 단계에 대해서 자세히 알아보자면,To learn more about each step,
상기 데이터 입력 단계는 상기 분석 제어부에서, 상기 광학 센서부로부터 상기 미세 유체 채널 장치에서 배양한 세포를 관측한 센싱 데이터를 입력받게 된다.In the data input step, the analysis control unit receives sensing data observing cells cultured in the microfluidic channel device from the optical sensor unit.
이 때, 상기 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 데이터 입력 단계를 수행하기 전, 세포 배양 단계를 더 수행하게 된다.At this time, the drug screening method using the microfluidic channel device further performs a cell culture step before performing the data input step, as shown in FIG. 6.
상기 세포 배양 단계는 상기 미세 유체 채널 장치를 이용하여, 약물에 의한 스크리닝을 수행하고자 하는 세포를 배양시키게 된다.In the cell culture step, cells for which drug screening is to be performed are cultured using the microfluidic channel device.
상세하게는, 먼저, 외부에서 사전이 상기 미세 유채 채널 장치 안에 배양할 수 있는 정상 상태 세포를 준비하여, 상기 세포 주입구를 통해서 주입하게 된다.In detail, first, steady-state cells that can be cultured in the micro rape channel device are prepared from the outside and injected through the cell injection port.
이 후, 주입한 정상 상태 세포가 도파민성 신경 세포로 분화될 수 있도록 선택되는 어느 하나의 유체 주입구를 통해서 retinoic acid를 주입하게 된다. 이 때, 또다른 하나의 유체 주입구를 통해서는 세포 배양액이 주입되게 된다.Afterwards, retinoic acid is injected through any fluid injection port selected so that the injected steady-state cells can be differentiated into dopaminergic neurons. At this time, the cell culture medium is injected through another fluid inlet.
이러한 도파민성 신경 세포에 대한 도파민 농도를 모니터링하기 위해, 상기 어느 하나의 유체 주입구를 통해서 단백질 도파민 센서(dLight)를 주입하여, 도파민성 신경 세포를 감염시키게 된다. 이는 세포의 도파민 농도를 형광 세기로 센싱하기 위함이다. 이 때, 또다른 하나의 유체 주입구를 통해서는 세포 배양액이 주입되게 된다.In order to monitor the dopamine concentration in these dopaminergic neurons, a protein dopamine sensor (dLight) is injected through one of the fluid injection ports to infect the dopaminergic neurons. This is to sense the dopamine concentration of the cell through fluorescence intensity. At this time, the cell culture medium is injected through another fluid inlet.
dLight는 세포 내부의 도파민 양을 형광 세기로 센싱하는 센서로서, 광학 센서부(일 예를 들자면, 현미경 등)를 이용하여 세포의 형광 세기를 관찰하여 세포 내 도파민 농도를 추정할 수 있다.dLight is a sensor that senses the amount of dopamine inside a cell using fluorescence intensity, and can estimate the intracellular dopamine concentration by observing the fluorescence intensity of the cell using an optical sensor unit (for example, a microscope, etc.).
이 후, 파킨슨 병의 유도 약물인 MPP+을 상기 어느 하나의 유체 주입구를 통해서 주입하여, 체외 파킨슨 병 모델(PD 모델, in vitro PD 모델)을 제작함으로써, 세포 배양이 완성되게 된다.Afterwards, MPP+, an inducing drug for Parkinson's disease, is injected through one of the above fluid injection ports to create an in vitro Parkinson's disease model (PD model), thereby completing cell culture.
상기 세기 분석 단계는 상기 분석 제어부에서, 상기 데이터 입력 단계에 의한 상기 센싱 데이터를 이용하여, 상기 세포(in vitro PD 모델)의 형광 세기값을 분석하게 된다.In the intensity analysis step, the analysis control unit analyzes the fluorescence intensity value of the cell (in vitro PD model) using the sensing data from the data input step.
이 때, 상기 데이터 입력 단계는 상기 분석 제어부에서, 상기 광학 센서부로부터 상기 센싱 데이터를 전송받게 되는데, 상기 광학 센서부는 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델) 내 미리 설정된 관심 영역에 대한 형광 세기값을 분석한 수치 데이터를 생성하여 전송하거나, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관측 이미지 데이터를 전송하게 된다.At this time, in the data input step, the analysis control unit receives the sensing data from the optical sensor unit, and the optical sensor unit determines the fluorescence intensity value for a preset region of interest within the cell (cultured in vitro PD model). Numerical data analyzed is generated and transmitted, or observation image data of the cells (cultured in vitro PD model) is transmitted.
가장 바람직하게는, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델) 내 미리 설정된 관심 영역에 대한 형광 세기값을 분석한 수치 데이터를 생성하여 상기 센싱 데이터로 전송받는 것으로, 이를 위해서는, 사전에, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델) 영역에 대한 관심 영역(ROI, Region of Interest)을 설정하게 된다.Most preferably, numerical data analyzing the fluorescence intensity value for a preset region of interest within the cell (cultured in vitro PD model) is generated and transmitted as the sensing data. To do this, in advance, the cell ( A region of interest (ROI) is set for the cultured in vitro PD model area.
물론, 상기 분석 제어부에서, 상기 광학 센서부로부터 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관측 이미지 데이터를 상기 센싱 데이터로 전송받을 경우, 상기 세기 분석 단계는 미리 설정된 관심 영역을 이용하여, 상기 관심 영역에 해당하는 형광 세기값을 분석하게 된다.Of course, when the analysis control unit receives observation image data of the cell (cultured in vitro PD model) as the sensing data from the optical sensor unit, the intensity analysis step uses a preset region of interest to determine the area of interest. The fluorescence intensity value corresponding to the area is analyzed.
다시 말하자면, 상기 미세 유체 채널 장치의 상부(가장 바람직하게는, 상기 세포 배양 챔버의 상부)에 형성된 관측 영역을 통해 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)를 관측하게 되는데, 상기 세포 배양 챔버의 전체 영역에 세포가 빈틈없이 배양되는 것이 아니기 때문에, 사전에 세포 영역 중 형광 세기값을 분석할 수 있는 관심 영역을 설정하여, 상기 광학 센서부를 통해서, 상기 관심 영역에 대한 형광 세기값을 수치 데이터로 분석하여 전송받거나, 상기 관측 이미지 데이터에서 상기 관심 영역에 대한 형광 세기값을 분석하게 된다.In other words, the cells (cultured in vitro PD model) are observed through an observation area formed at the top of the microfluidic channel device (most preferably, at the top of the cell culture chamber), and the entire cell culture chamber is observed. Since the cells are not cultured tightly in the area, a region of interest where fluorescence intensity values can be analyzed is set in advance among the cell areas, and the fluorescence intensity value for the region of interest is analyzed as numerical data through the optical sensor unit. Then, the fluorescence intensity value for the region of interest is analyzed from the observed image data.
상기 판단 단계는 상기 분석 제어부에서, 미리 설정된 기준 밝기값을 이용하여, 상기 세기 분석 단계에 의해 분석한 상기 형광 세기값을 판단하게 된다.In the determination step, the analysis control unit determines the fluorescence intensity value analyzed by the intensity analysis step using a preset reference brightness value.
이 때, 상기 세포 배양 단계에서 상기 미세 유체 채널 장치를 통해서 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)를 생성한다는 것 자체가, 상술한 과정들을 거쳐서 파킨슨 병의 유도 약물인 MPP+을 주입하는데 그치는 것이 아니라, 이를 주입한 후, 상기 광학 센서부로부터 관측을 통해서 상기 분석 제어부에서 분석한 상기 형광 세기값이 미리 설정된 기준 밝기값보다 낮아질 경우, 최종적으로 배양된 in vitro PD 모델의 생성이 완성된 것으로 판단한 후, 약물 스크리닝을 진행하게 된다.At this time, generating the cells (cultured in vitro PD model) through the microfluidic channel device in the cell culture step is not limited to injecting MPP+, an inducing drug for Parkinson's disease, through the above-described processes. , After injection, if the fluorescence intensity value analyzed by the analysis control unit through observation from the optical sensor unit becomes lower than the preset reference brightness value, it is determined that the creation of the final cultured in vitro PD model is complete. , drug screening will be conducted.
그렇기 때문에, 상기 판단 단계는 최초 동작은 후보 약물의 주입을 통한 후보 약물의 스크리닝의 진행 가능 여부를 판단하게 되며, 이 후 동작으로는, 후보 약물의 주입/주입 중단 여부를 결정하게 된다.Therefore, the first operation of the determination step is to determine whether screening of the candidate drug can proceed through injection of the candidate drug, and the subsequent operation is to determine whether to inject/stop the injection of the candidate drug.
즉, 약물 스크리닝을 진행해야 하기 때문에, 상기 제어 단계는 상기 판단 단계의 최초 동작에 의한 판단 결과에 따라, 상기 세기 분석 단계에 의해 분석한 상기 형광 세기값이 미리 설정된 기준 밝기값 이하일 경우, 약물 스크리닝을 시작하게 된다.That is, because drug screening must be performed, the control step performs drug screening when the fluorescence intensity value analyzed by the intensity analysis step is less than or equal to a preset reference brightness value according to the judgment result of the initial operation of the judgment step. begins.
약물 스크리닝의 시작을 위해, 상기 제어 단계는 상기 판단 단계에 의한 판단 결과에 따라, 상기 세기 분석 단계에 의해 분석한 상기 형광 세기값이 미리 설정된 기준 밝기값 이하일 경우, 상기 미세 유체 채널 장치를 통해 상기 세포로 후보 약물의 주입이 이루어지도록 상기 제어 신호를 생성하는 주입 제어 단계를 수행하게 된다.To start drug screening, the control step is performed through the microfluidic channel device when the fluorescence intensity value analyzed by the intensity analysis step is less than or equal to a preset reference brightness value according to the judgment result of the determination step. An injection control step is performed to generate the control signal so that the candidate drug can be injected into the cell.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 방법은 폐루프(closed-loop) 제어 방식을 적용하여, 상기 단계들을 반복 수행하게 된다.The drug screening method using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention applies a closed-loop control method to repeatedly perform the above steps.
이를 통해서, 상기 제어 단계는 상기 판단 단계에 의한 판단 결과에 따라, 상기 세기 분석 단계에 의해 분석한 상기 형광 세기값이 미리 설정된 기준 밝기값 초과일 경우, 다시 말하자면, 상기 세포로 후보 약물의 주입이 이루어짐으로써 후보 약물의 효능이 나타날 경우, 상기 세포로 후보 약물의 주입 중단이 이루어지도록 상기 제어 신호를 생성하는 주입 중단 단계를 수행하게 된다.Through this, the control step determines that, according to the judgment result of the determination step, if the fluorescence intensity value analyzed by the intensity analysis step exceeds a preset reference brightness value, in other words, injection of the candidate drug into the cell When the efficacy of the candidate drug appears, an injection interruption step is performed to generate the control signal to stop the injection of the candidate drug into the cell.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 방법은 상술한 단계들을 반복 수행하면서, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)에 후보 약물의 주입과 주입 중단을 반복하여 제어하게 되며, 이를 통해서, 약물 투여에 따른 치료 경과를 스크리닝 할 수 있다.The drug screening method using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention repeatedly performs the above-described steps and repeatedly controls the injection and cessation of injection of the candidate drug into the cells (cultured in vitro PD model). , Through this, the treatment progress according to drug administration can be screened.
즉, 상기 분석 제어부는 미리 설정된 기준 밝기값을 이용하여, 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관심 영역에 대한 형광 세기값이 상기 기준 밝기값 이하로 낮아질 경우, 후보 약물이 담긴 상기 주입부를 동작시켜 후보 약물의 주입이 일어나게 하고, 후보 약물의 주입에 따라 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관심 영역에 대한 형광 세기값이 상기 기준 밝기값을 초과할 경우, 다시 후보 약물이 담긴 상기 주입부를 동작을 중단시켜, 약물 투여에 따른 치료 경과를 스크리닝하게 된다.That is, the analysis control unit uses a preset reference brightness value, and when the fluorescence intensity value for the region of interest of the cell (cultured in vitro PD model) falls below the reference brightness value, the injection unit containing the candidate drug is activated. It is operated to cause injection of the candidate drug, and when the fluorescence intensity value of the region of interest of the cell (cultured in vitro PD model) exceeds the reference brightness value according to the injection of the candidate drug, the The operation of the injection unit is stopped to screen the treatment progress according to drug administration.
이를 통해서, 지속적으로 약물 주입/약물 주입 중단을 반복하면서, 동시에 상기 기준 밝기값을 이용하여 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)의 관심 영역에 대한 형광 세기값을 분석함으로써, 약물 투여를 모사할 수 있으며, 약물이 세포의 도파민 농도 항상성 유지에 어떻게 영향을 미치는지 검증을 할 수 있어, 이를 통한 후보 약물의 효능을 검증하게 된다.Through this, drug administration can be simulated by continuously repeating drug injection/stop drug injection and simultaneously analyzing the fluorescence intensity value for the region of interest of the cell (cultured in vitro PD model) using the reference brightness value. It is possible to verify how the drug affects the maintenance of cellular dopamine concentration homeostasis, thereby verifying the efficacy of the candidate drug.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 채널 장치를 이용한 약물 스크리닝 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 스크리닝 분석 단계를 더 수행하게 된다.To this end, the drug screening method using a microfluidic channel device according to an embodiment of the present invention further performs a screening analysis step, as shown in FIG. 6.
상기 스크리닝 분석 단계는 상기 스크리닝 분석부에서, 상기 제어 단계에 의한 약물의 주입 정도에 대응하는 상기 세포의 형광 세기 변화값을 산출하여, 후보 약물에 의한 상기 세포의 반응 정도를 분석하게 된다.In the screening analysis step, the screening analysis unit calculates a change in fluorescence intensity of the cell corresponding to the degree of drug injection by the control step to analyze the degree of response of the cell to the candidate drug.
다시 말하자면, 상기 제어 신호에 따른 상기 세포(배양된 in vitro PD 모델)로 후보 약물의 주입/후보 약물의 주입 중단됨에 따라, 상기 세포의 형광 세기 변화값, 다시 말하자면, 상기 분석 제어부에 의한 상기 제어 신호에 대응하는 상기 세포의 형광 세기 변화값을 산출하여, 후보 약물에 의한 상기 세포의 반응 정도를 분석하게 된다. 이를 통해서, 후보 약물이 세포의 도파민 농도 항상성 유지에 어떻게 영향을 미치는지 검증하기 위한 분석을 수행하는 것으로, 분석 결과를 이용하여 후보 약물의 효능을 검증하게 된다.In other words, the fluorescence intensity change value of the cell as the injection/stop of injection of the candidate drug into the cell (cultured in vitro PD model) according to the control signal, that is, the control by the analysis control unit. By calculating the change in fluorescence intensity of the cell corresponding to the signal, the degree of response of the cell to the candidate drug is analyzed. Through this, analysis is performed to verify how the candidate drug affects the maintenance of cellular dopamine concentration homeostasis, and the efficacy of the candidate drug is verified using the analysis results.
뿐만 아니라, 상기 스크리닝 분석부는 상기 분석 제어부에 의한 상기 제어 신호에 따른 상기 세포로의 후보 약물의 주입 양을 추정할 수 있다.In addition, the screening analysis unit can estimate the amount of candidate drug injected into the cell according to the control signal from the analysis control unit.
단순하게는, 상기 주입부의 동작 시간과 제어된 주입 유량을 이용하여 후보 약물의 주입 양을 추정할 수 있다.Simply, the injection amount of the candidate drug can be estimated using the operation time of the injection unit and the controlled injection flow rate.
또는, 후보 약물이 상기 세포에 실질적으로 영향을 끼친 지점이 상기 형광 세기값이 상기 기준 밝기값을 초과하는 지점이며, 상기 세포의 형광 세기값이 상기 기준 밝기값을 초과함으로써 후보 약물의 주입 중단이 이루어졌지만, 이미 주입된 후보 약물로 인해 세포에 영향을 주고 있다는 점을 고려하여, 상기 주입부의 동작 시간과 제어된 주입 유량 뿐 아니라, 상기 세포의 형광 세기값이 상기 기준 밝기값을 초과한 시점부터 다시 형광 세기값이 변곡을 이루며 낮아지는 시점에 의한 적분을 통해 후보 약물의 주입 양을 추정할 수 있다.Alternatively, the point where the candidate drug substantially affects the cell is the point where the fluorescence intensity value exceeds the reference brightness value, and the injection of the candidate drug is stopped because the fluorescence intensity value of the cell exceeds the reference brightness value. However, considering the fact that the already injected candidate drug is affecting the cells, not only the operation time of the injection unit and the controlled injection flow rate, but also the point at which the fluorescence intensity value of the cell exceeds the reference brightness value Again, the injected amount of the candidate drug can be estimated through integration based on the point at which the fluorescence intensity value inflects and decreases.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described with reference to specific details such as specific components and drawings of limited embodiments, but this is only provided to facilitate a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment. No, those skilled in the art can make various modifications and variations from this description.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all matters that are equivalent or equivalent to the claims of this patent as well as the claims described below shall fall within the scope of the spirit of the present invention. .
Claims (21)
기판;
상기 기판 상부에 적층되는 미세 유체 채널 소자;를 포함하며,
상기 미세 유체 채널 소자는
적어도 두 개의 유체 주입구;
상기 두 개의 유체 주입구로부터 각각 주입되는 유체들을 이동시키며, 혼합하는 유체 혼합 채널;
상기 유체 혼합 채널에 의해 혼합 처리된 유체가 공급되는 세포 배양 챔버; 및
상기 유체 혼합 채널과 상기 세포 배양 챔버 사이에 형성되어, 상기 혼합 처리된 유체를 이동시키는 유체 이동 채널;
를 포함하는, 미세 유체 채널 장치.
In a microfluidic channel device where the injected fluid flows in a certain direction,
Board;
It includes a microfluidic channel element stacked on top of the substrate,
The microfluidic channel device is
at least two fluid inlets;
a fluid mixing channel that moves and mixes the fluids injected from each of the two fluid injection ports;
a cell culture chamber to which the mixed fluid is supplied by the fluid mixing channel; and
a fluid movement channel formed between the fluid mixing channel and the cell culture chamber to move the mixed fluid;
Including, microfluidic channel device.
상기 세포 배양 챔버는
기설정된 소정 높이를 갖되,
상기 유체 이동 채널의 출구 측 높이가
상기 세포 배양 챔버의 입구 측 높이보다 낮은 것,
을 특징으로 하는, 미세 유체 채널 장치.
According to clause 1,
The cell culture chamber is
It has a preset height,
The height of the outlet side of the fluid movement channel is
lower than the height of the entrance side of the cell culture chamber,
Characterized by a microfluidic channel device.
상기 기판은
기설정된 물질을 이용하여, 상기 세포 배양 챔버의 바닥면과 맞닿는 영역에 코팅 처리된 것,
을 특징으로 하는, 미세 유체 채널 장치.
According to clause 2,
The substrate is
Coating the area in contact with the bottom of the cell culture chamber using a predetermined material,
Characterized by a microfluidic channel device.
상기 기판은
기설정된 물질을 이용하여, 상기 미세 유체 채널 소자의 바닥면과 맞닿는 영역에 코팅 처리된 것,
을 특징으로 하는, 미세 유체 채널 장치.
According to clause 2,
The substrate is
Coating the area in contact with the bottom surface of the microfluidic channel element using a preset material,
Characterized by a microfluidic channel device.
상기 미세 유체 채널 소자는
상기 세포 배양 챔버에서 배양하고자 하는 세포를 주입하는 세포 주입구;
상기 세포 주입구와 상기 세포 배양 챔버 사이에 형성되어, 상기 세포 주입구로부터 주입되는 세포를 이동시키는 세포 주입 채널; 및
상기 세포 배양 챔버와 연결되어, 상기 유체 이동 채널에 의해 공급된 유체를 외부로 배출시키는 유체 배출부;
를 더 포함하는, 미세 유체 채널 장치.
According to clause 2,
The microfluidic channel device is
a cell injection port for injecting cells to be cultured in the cell culture chamber;
a cell injection channel formed between the cell injection port and the cell culture chamber to move cells injected from the cell injection port; and
a fluid discharge unit connected to the cell culture chamber and discharging the fluid supplied by the fluid transfer channel to the outside;
A microfluidic channel device further comprising:
상기 기판은 유리(glass)로 이루어지며,
상기 미세 유체 채널 소자는 폴리디메틸실록산(PMDS, Polydimethylsiloxane)으로 이루어지는 것,
을 특징으로 하는, 미세 유체 채널 장치.
According to clause 2,
The substrate is made of glass,
The microfluidic channel element is made of polydimethylsiloxane (PMDS),
Characterized by a microfluidic channel device.
상기 미세 유체 채널 장치의 상부에 형성된 관측 영역을 통해 상기 세포를 관측하는 광학 센서부;
상기 미세 유체 채널 장치의 적어도 두 개의 유체 주입구와 결합되어, 입력되는 제어 신호에 의해 상기 세포로 주입되는 약물의 주입 정도를 제어하는 주입부; 및
상기 광학 센서부로부터 센싱 데이터를 전송받아, 상기 세포의 형광 세기값을 분석하고, 분석 결과에 따라 상기 주입부의 동작 상태를 제어하는 상기 제어 신호를 생성하는 분석 제어부;
를 포함하는, 약물 스크리닝 시스템.
According to any one of claims 1 to 6, a microfluidic channel device for culturing cells for which screening by drugs is to be performed;
An optical sensor unit that observes the cells through an observation area formed on the top of the microfluidic channel device;
an injection unit that is coupled to at least two fluid injection ports of the microfluidic channel device and controls the degree of drug injection into the cell by an input control signal; and
An analysis control unit that receives sensing data from the optical sensor unit, analyzes the fluorescence intensity value of the cell, and generates the control signal to control the operating state of the injection unit according to the analysis result;
Including, drug screening system.
상기 광학 센서부는
기설정된 관심 영역에 대한 상기 세포의 형광 세기값을 분석한 수치 데이터를 상기 센싱 데이터로 전송하는, 약물 스크리닝 시스템.
According to clause 7,
The optical sensor unit
A drug screening system that transmits numerical data obtained by analyzing the fluorescence intensity value of the cell for a preset region of interest as the sensing data.
상기 광학 센서부는
상기 세포의 관측 이미지 데이터를 상기 센싱 데이터로 전송하고,
상기 분석 제어부는
상기 관측 이미지 데이터에서 기설정된 관심 영역에 대한 상기 세포의 형광 세기값을 분석하는, 약물 스크리닝 시스템.
According to clause 7,
The optical sensor unit
Transmitting the observation image data of the cell to the sensing data,
The analysis control unit
A drug screening system that analyzes the fluorescence intensity value of the cell for a preset region of interest in the observation image data.
상기 분석 제어부는
기설정된 기준 밝기값을 이용하여, 분석한 상기 형광 세기값이 기준 밝기값 이하일 경우, 상기 주입부를 통한 약물의 주입이 이루어지도록 제어 신호를 생성하는, 약물 스크리닝 시스템.
According to clause 7,
The analysis control unit
A drug screening system that generates a control signal to inject the drug through the injection unit when the analyzed fluorescence intensity value is less than or equal to the reference brightness value using a preset reference brightness value.
상기 분석 제어부는
상기 주입부를 통한 약물의 주입이 이루어진 후, 분석한 상기 형광 세기값이 기준 밝기값 초과일 경우, 상기 주입부를 통한 약물의 주입 중단이 이루어지도록 제어 신호를 생성하는, 약물 스크리닝 시스템.
According to clause 10,
The analysis control unit
After the drug is injected through the injection unit, if the analyzed fluorescence intensity value exceeds the reference brightness value, a control signal is generated to stop the injection of the drug through the injection unit.
상기 분석 제어부는
폐루프(Closed-loop) 제어 방식을 적용하여, 상기 주입부를 통한 약물의 주입 또는, 약물의 주입 중단을 반복 수행하는, 약물 스크리닝 시스템.
According to clause 11,
The analysis control unit
A drug screening system that applies a closed-loop control method to repeatedly inject the drug through the injection unit or stop the injection of the drug.
상기 약물 스크리닝 시스템은
상기 분석 제어부에 의한 상기 제어 신호에 대응하는 상기 세포의 형광 세기 변화값을 산출하여, 상기 약물에 의한 상기 세포의 반응 정도를 분석하는 스크리닝 분석부;
를 더 포함하는, 약물 스크리닝 시스템.
According to clause 12,
The drug screening system is
a screening analysis unit that analyzes the degree of response of the cell to the drug by calculating a change in fluorescence intensity of the cell corresponding to the control signal from the analysis control unit;
Further comprising a drug screening system.
분석 제어부에서, 상기 데이터 입력 단계에 의한 센싱 데이터를 이용하여 상기 세포의 형광 세기값을 분석하는 세기 분석 단계;
분석 제어부에서, 기설정된 기준 밝기값을 이용하여, 상기 세기 분석 단계에 의해 분석한 상기 형광 세기값을 판단하는 판단 단계; 및
분석 제어부에서, 상기 판단 단계의 판단 결과에 따라, 상기 미세 유체 채널 장치를 통해 상기 세포로 주입되는 약물의 주입 정도를 제어하는 제어 단계;
를 포함하며,
폐루프(Closed-loop) 제어 방식을 적용하여, 상기 단계들을 반복 수행하는, 컴퓨터에서 수행되는 약물 스크리닝 방법.
A data input step of receiving, in the analysis control unit, sensing data observing cells cultured in the microfluidic channel device from the optical sensor unit;
In the analysis control unit, an intensity analysis step of analyzing the fluorescence intensity value of the cell using the sensing data from the data input step;
A determination step of determining, in an analysis control unit, the fluorescence intensity value analyzed by the intensity analysis step using a preset reference brightness value; and
A control step of controlling, in the analysis control unit, the degree of injection of the drug injected into the cell through the microfluidic channel device according to the determination result of the determination step;
Includes,
A drug screening method performed on a computer, in which the above steps are repeatedly performed by applying a closed-loop control method.
상기 제어 단계는
상기 판단 단계의 판단 결과에 따라, 상기 형광 세기값이 기준 밝기값 이하일 경우, 상기 미세 유체 채널 장치를 통해 상기 세포로 약물의 주입이 이루어지도록 제어하는 주입 제어 단계;
를 수행하는, 약물 스크리닝 방법.
According to clause 14,
The control step is
An injection control step of controlling injection of the drug into the cell through the microfluidic channel device when the fluorescence intensity value is below a reference brightness value according to the determination result of the determination step;
A drug screening method for performing a.
상기 제어 단계는
상기 형광 세기값이 기준 밝기값 초과일 경우, 상기 미세 유체 채널 장치를 통해 상기 세포로 약물의 주입 중단이 이루어지도록 제어하는 주입 중단 단계;
를 수행하는, 약물 스크리닝 방법.
According to clause 14,
The control step is
When the fluorescence intensity value exceeds the reference brightness value, an injection interruption step of controlling injection of the drug into the cell through the microfluidic channel device to be stopped;
A drug screening method for performing a.
상기 약물 스크리닝 방법은
스크리닝 분석부에서, 상기 제어 단계에 의한 약물의 주입 정도에 대응하는 상기 세포의 형광 세기 변화값을 산출하여, 상기 약물에 의한 상기 세포의 반응 정도를 분석하는 스크리닝 분석 단계;
를 더 포함하는, 컴퓨터에서 수행되는 약물 스크리닝 방법.
According to claim 15 or 16,
The drug screening method is
A screening analysis step of analyzing the degree of response of the cell to the drug by calculating, in the screening analysis unit, a change in fluorescence intensity of the cell corresponding to the degree of injection of the drug by the control step;
A drug screening method performed on a computer, further comprising:
상기 스크리닝 분석 단계는
상기 주입 제어 단계에 의한 약물의 주입량을 산출하는, 컴퓨터에서 수행되는 약물 스크리닝 방법.
According to clause 17,
The screening analysis step is
A drug screening method performed on a computer, which calculates the injection amount of drug by the injection control step.
상기 데이터 입력 단계는
기설정된 관심 영역에 대한 상기 세포의 형광 세기값을 분석한 수치 데이터를 상기 센싱 데이터로 입력받는, 컴퓨터에서 수행되는 약물 스크리닝 방법.
According to clause 14,
The data input step is
A drug screening method performed on a computer, in which numerical data obtained by analyzing the fluorescence intensity value of the cell for a preset region of interest is input as the sensing data.
상기 데이터 입력 단계는
상기 세포의 관측 이미지 데이터를 상기 센싱 데이터로 입력받으며,
상기 세기 분석 단계는
상기 관측 이미지 데이터에서 기설정된 관심 영역에 대한 상기 세포의 형광 세기값을 분석하는, 컴퓨터에서 수행되는 약물 스크리닝 방법.
According to clause 14,
The data input step is
Receives observation image data of the cell as the sensing data,
The intensity analysis step is
A drug screening method performed on a computer, analyzing the fluorescence intensity value of the cell for a preset region of interest in the observation image data.
상기 약물 스크리닝 방법은
상기 데이터 입력 단계를 수행하기 전,
미세 유체 채널 장치를 이용하여, 약물에 의한 스크리닝을 수행하고자 하는 세포를 배양시키는 세포 배양 단계;
를 더 포함하는, 약물 스크리닝 방법.According to clause 14,
The drug screening method is
Before performing the above data entry steps,
A cell culture step of culturing cells for which screening by drugs is to be performed using a microfluidic channel device;
Further comprising a drug screening method.
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20090104923A (en) | 2001-06-21 | 2009-10-06 | 제론 코포레이션 | Dopaminergic neurons and proliferation-competent precursor cells for treating parkinson's disease |
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2022
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|---|---|---|---|---|
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