KR100724316B1 - Microfluidic Chip and Use Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 매우 작은 부피로 동시에 다양한 세포를 효과적으로 배양할 수 있고, 상기 세포와 반응하는 후보물질의 스크리닝에 유용한 마이크로 플루이딕 칩 (microfluidic chip)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 기존의 마이크로플레이트에 장착가능한 사이즈를 가지는 기질; 상기 기질의 일측면에 설치 또는 장착되고 후보물질과 배양배지를 저장하는 다수의 주입포트(22); 다양한 종류의 세포를 배양 또는 저장할 수 있는 다공 웰(23); 상기 다공웰 속의 세포와 상기 주입포트의 후보물질을 연결·접촉시키기 위한 마이크로 플루이딕 네트웩(24); 및 배출물을 회수하는 다수의 배출포트(25)를 포함하여 구성되는 마이크로 플루이딕 칩에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic chip that can effectively cultivate various cells at the same time in a very small volume and is useful for screening candidate substances reacting with the cells, and more specifically, to existing microplates. A substrate having a mountable size; A plurality of injection ports 22 installed or mounted on one side of the substrate and storing the candidate material and the culture medium; A porous well 23 capable of culturing or storing various kinds of cells; A microfluidic network (24) for connecting and contacting cells in the porous well with candidate substances of the injection port; And it relates to a microfluidic chip comprising a plurality of discharge port 25 for recovering the discharge.
본 발명에 따른, 마이크로 플루이딕 칩은 기존의 다양한 검출 시스템을 그대로 활용할 수 있어 다양한 목적물질의 효율적인 초고속 스크리닝 및 세포상태의 분석에 유용하다.
According to the present invention, the microfluidic chip can be utilized as it is, a variety of existing detection systems as it is useful for efficient ultra-fast screening and analysis of cell state of various targets.
마이크로 플루이딕 칩, 검출 시스템, 신약, 스크리닝, 세포, 후보물질Microfluidic Chips, Detection Systems, Drugs, Screening, Cells, Candidates
Description
도 1은 기존의 마이크로플레이트(6웰, 12웰, 24웰, 48웰, 96웰 또는 384웰)의 일부분에 장착 가능한, 본 발명의 제1구현예에 따른, 마이크로 플루이딕 칩을 나타낸 것이다. 1 shows a microfluidic chip, according to a first embodiment of the present invention, mountable on a portion of a conventional microplate (6 wells, 12 wells, 24 wells, 48 wells, 96 wells or 384 wells).
도 2는 기존의 마이크로플레이트(6웰, 12웰, 24웰, 48웰, 96웰 또는 384웰)에 일체되게 장착 가능한, 본 발명의 제2 구현예에 따른, 마이크로 플루이딕 칩을 나타낸 것이다.
Figure 2 shows a microfluidic chip, according to a second embodiment of the present invention, integrally mountable to an existing microplate (6 wells, 12 wells, 24 wells, 48 wells, 96 wells or 384 wells).
(도면의 주요부분에 대한 부호 설명)(Symbol description of main part of drawing)
10 ... 마이크로플레이트 20, 20' ... 마이크로 플루이딕 칩10
21, 21' ... 기질 22 ... 주입포트21, 21 '...
23 ... 다공 웰 24 ... 마이크로프루이딕 네트웩23 ... perforated
25 ... 배출포트 26 ... 후보물질 저장조25 ... Drain
27 ... 펌프 28 ... 관로27
29 ... 배출물 저장조
29 ... emissions reservoir
본 발명은 본 발명은 매우 작은 부피로 동시에 다양한 세포를 효과적으로 배양할 수 있고, 상기 세포와 반응하는 후보물질의 스크리닝에 유용한 마이크로 플루이딕 칩 (microfluidic chip)에 관한 것이다.
The present invention relates to a microfluidic chip that can effectively culture various cells at the same time in a very small volume and is useful for screening candidates reacting with the cells.
최근까지 많은 생물학자 및 화학자들은 새로운 신약개발 방법에 대해 많은 문제점을 인식하였다. 새로운 신약개발 과정에서 점점 높아지는 인건비, 하나의 신약후보를 도출하고 그것을 검색하는데 대한 막대한 경비 및 신약으로서 인정 받기 위한 많은 시간이 그것이었다. 이 때문에 기존의 방법을 탈피한 새로운 신약개발 방법이 모색되었으며, 그 일환으로 다양한 여러 화합물 중에서 원하는 특성 혹은 기능을 하는 물질을 신속하고 정확하게 검색할 수 있는 기법인 high throughput screening(HTS) 기술이 개발되었다.Until recently, many biologists and chemists have recognized many problems with new drug development methods. Increasing labor costs in the process of new drug development, enormous expenses for deriving and searching for a new drug candidate and much time to be recognized as a new drug. For this reason, a new drug development method was explored, and as a part of this, a high throughput screening (HTS) technology was developed, which is a technique for quickly and accurately searching a substance having a desired characteristic or function among various compounds. .
HTS의 발전은 생물학과 화학을 연결하는 또 다른 큰 변화를 몰고 왔으며 chemical genomics 이라는 분야가 새롭게 부각되었다. 이러한 HTS 기술은 시료를 미소한 하나의 칩 위에서 분석하기 위하여, 미량의 생체시료를 채취, 운반, 처리, 측정하기 위한 마이크로 유체소자를 구동시켜 다앙한 신약물질을 스크리닝 하거나, 새로운 신약물질의 타겟을 발견하고 더 나아가 각종 독성물질의 탐지, 바이러스 검출, 질병진단 등에 사용되고 있다. The development of HTS has led to another major change linking biology and chemistry, and the new field of chemical genomics has emerged. In order to analyze a sample on a single chip, HTS technology drives microfluidic devices to collect, transport, process, and measure trace biological samples to screen various new drug substances, or to target new drug substances. It is also used for the detection of various toxic substances, virus detection and disease diagnosis.
이러한 HTS를 이용하여 최적의 신약 후보물질 발굴과정에서 기존의 방법보다 다양한 장점을 가지고 있다. 우선 초고속 분석이 가능하여 수초 혹은 수분 안에 많은 시료를 분석할 수 있으며, 시료 및 시약의 소모량을 최소한으로 할 수 있고, 다종 시료의 동시분석, 자동화에 의한 재현성 증진 및 대량생산이 가능하다. Using such HTS, it has various advantages over the existing method in the process of finding an optimal drug candidate. First of all, it is possible to analyze a large number of samples in a few seconds or a few minutes because of the ultra-fast analysis, to minimize the consumption of samples and reagents, to simultaneously analyze multiple samples, to improve reproducibility by automation, and to mass-produce.
하지만, 이러한 마이크로 플루이딕 칩 위에서의 효율적인 assay system 기술을 응용하는데 여러 가지 문제점이 있다. 신약 후보물질을 선택하는데 있어 cell-based assay 방법이 주로 이용되어 실제 in vivo 상에서 일어나는 여러 현상들을 규명하는데 기존의 검출 시스템을 이용하여야 한다.However, there are various problems in applying an efficient assay system technology on such a microfluidic chip. Cell-based assays are used to select new drug candidates, and existing detection systems should be used to identify various phenomena that occur in vivo.
그러나, 기존 다양한 회사 및 연구기관에서 검출하는 시스템은 In Cell Analyzer나 confocal microscopy를 이용하여야 되는 단점이 있다. 이러한 단점은 기존의 Lab-on-a-chip 혹은 마이크로 플루이딕 칩을 이용할 수 없으며, 일반적인 방법인 microplate를 반드시 이용해야 하는 점이다. 현재 microplate를 이용하여 다양한 세포를 in vivo 상에서 최대 384개 정도 배양하여 cell-based assay를 할 수 있으며, 이 방법 역시 HTS 기법을 이용할 수 있으나, 앞서 언급한 HTS의 장점을 가지지는 못한다.However, existing systems detected by various companies and research institutes have the disadvantage of using In Cell Analyzer or confocal microscopy. This drawback is that existing Lab-on-a-chip or microfluidic chip cannot be used, and microplate, which is a general method, must be used. Currently, micro-plates can be used for cell-based assays by incubating up to 384 different cells in vivo, and this method can also use the HTS technique, but it does not have the advantages of the aforementioned HTS.
약물검색이나 신물질 검색에 있어서, cell-based assay가 주로 개발되어 사용되고 있는 점을 그대로 활용하면서 동시에 HTS 기술관련 검출장비를 사용하면서 실제 살아있는 세포에 효율적으로 작용할 수 있는 신약후보물질을 효과적으로 탐색함으로써 신약개발과정에 소요되는 비용과 시간을 획기적으로 절감할 수 있을 것으로 기대된다. In drug search and new substance search, the development of new drugs by effectively searching for new drug candidates that can effectively operate on living cells while using HTS technology-related detection equipment while utilizing the fact that cell-based assays are mainly developed and used. It is expected to significantly reduce the cost and time required for the process.
이에, 본 발명자들은 기존의 HTS 기법의 장점을 살리면서 일반적인 cell-based assay 시스템인 In Cell Analyzer 등과 같은 검출 시스템을 그대로 이용할 수 있는 마이크로 플루이딕 칩을 개발하고자 노력한 결과, 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have made efforts to develop a microfluidic chip that can use a detection system such as In Cell Analyzer, which is a general cell-based assay system, while utilizing the advantages of the existing HTS technique.
결국, 본 발명의 주된 목적은 목적물질의 대량 스크리닝에 유용한 마이크로 플루이딕 칩을 제공하는데 있다. After all, the main object of the present invention is to provide a microfluidic chip useful for mass screening of a target material.
본 발명의 다른 목적은 상기 마이크로 플루이딕 칩을 이용한 목적물질의 스크리닝 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for screening a target material using the microfluidic chip.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 마이크로 플루이딕 칩의 반응결과를 기존의 다양한 검출 시스템에 적용하여 목적물질을 효율적으로 검출하는 방법을 제공하는데 있다. Still another object of the present invention is to provide a method for efficiently detecting a target substance by applying the reaction result of the microfluidic chip to various existing detection systems.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 마이크로 플루이딕 칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 세포상태의 분석방법을 제공하는데 있다.
Still another object of the present invention is to provide a cell state analysis method using the microfluidic chip.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기존의 마이크로플레이트의 일측면에 장착가능한 사이즈를 가지는 기질(21); 상기 기질의 일측면에 설치 또는 장착되고 후보물질과 배양배지를 저장하는 다수의 주입포트(22); 다양한 종류의 세포를 배양 또는 저장할 수 있는 다공 웰(23); 상기 다공웰 내의 세포와 상기 주입포트의 후보물질을 연결·접촉시키는 마이크로 플루이딕 네트웩(24); 및 배출물을 회수하는 다수의 배출포트(25)를 포함하여 구성되는 마이크로 플루이딕 칩을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a substrate (21) having a size that can be mounted on one side of the existing microplate; A plurality of
본 발명은 또한, 기존의 마이크로플레이트에 일체되게 장착가능한 사이즈를 가지는 기질(21'); 상기 기질의 일측면에 설치 또는 장착되고 배양배지와 후보물질을 저장하는 샘플저장조(26); 샘플저장조(26)의 후보물질을 다수의 주입포트(22)로 주입하는 펌프(27)와 관로(28); 세포를 배양 또는 저장할 수 있는 다공 웰(23); 상기 다공웰 내의 세포와 상기 주입포트의 후보물질을 연결·접촉시키는 마이크로 플루이딕 네트웩(24); 배출물을 회수하는 다수의 배출포트(25); 및 상기 배출포트의 배출물을 인출하여 저장하는 저장조(29)를 포함하여 구성되는 마이크로 플루이딕 칩을 제공한다.The invention also provides a substrate 21 'having a size integrally mountable to an existing microplate; A
본 발명은 또한, 상기 마이크로 플루이딕 칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 특정세포와 반응하는 목적물질의 스크리닝 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for screening a target substance to react with a specific cell, characterized in that using the microfluidic chip.
본 발명은 또한, (a) 상기 마이크로 플루이딕 칩의 다공 웰에 특정세포를 제공하고, 주입포트에 후보물질을 제공하는 단계; (b) 상기 특정세포와 상기 후보물질을 마이크로 플루이딕 네트웍을 통해 접촉·반응시키는 단계; 및 (c) 상기 반응이 완료된 마이크로 플루이딕 칩을 마이크로플레이트에 장착한 다음, 기존의 검출 시스템에 적용하여 반응결과를 분석하는 단계를 포함하는 특정세포와 반응하는 목적물질의 검출방법을 제공한다.The present invention also comprises the steps of (a) providing a specific cell in the porous well of the microfluidic chip, and providing a candidate material in the injection port; (b) contacting and reacting the specific cells with the candidate substance through a microfluidic network; And (c) mounting the completed microfluidic chip on a microplate, and then applying the existing microfluidic chip to an existing detection system to analyze a reaction result.
본 발명에 있어서, 상기 후보물질은 형광물질이 부착된 것임을 특징으로 할 수 있거, 상기 후보물질은 신약 후보물질인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상 기 마이크로 플레이트는 6웰, 12웰, 24웰, 48웰, 96웰 또는 384웰인 것을 특징으로 할 수 있고, 기존의 검출 시스템은 cell-based assay 시스템인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 cell-based assay 시스템은 In Cell Analyzer인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the candidate material may be characterized in that the fluorescent material is attached, the candidate material may be characterized in that the drug candidate material. In addition, the microplate may be characterized in that the 6 well, 12 well, 24 well, 48 well, 96 well or 384 well, the conventional detection system may be characterized in that the cell-based assay system, The cell-based assay system may be characterized as being an In Cell Analyzer.
상기 다공 웰에 특정세포를 제공하는 단계는 상기 다공 웰 내에서 세포를 in situ 배양하는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 특정세포는 동물세포, 곤충세포, 박테리아, 효모 또는 곰팡이인 것을 특징으로 할 수 있다.Providing the specific cells in the porous well may be characterized in that the cells in situ culture in the porous well, the specific cells may be characterized in that the animal cells, insect cells, bacteria, yeast or fungi have.
본 발명은 또한, 상기 마이크로 플루이딕 칩을 이용하는 것을 특징으로 하는 세포상태의 분석방법을 제공한다.The present invention also provides a method for analyzing the cell state, characterized in that using the microfluidic chip.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도 1은 기존의 마이크로플레이트(6웰, 12웰, 24웰, 48웰, 96웰 또는 384웰)(10)의 일부분에 장착 가능한, 본 발명의 제1구현예에 따른, 마이크로 플루이딕 칩(20)을 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 마이크로 플루이딕 칩은 기존의 마이크로플레이트의 일측면에 장착가능한 사이즈를 가지는 기질(21); 상기 기질의 일측면에 설치 또는 장착되고 후보물질과 배양배지를 저장하는 다수의 주입포트(22); 다양한 종류의 세포를 배양 또는 저장할 수 있는 다공 웰(23); 상기 다공웰 내의 세포와 상기 주입포트의 후보물질을 접촉·반응시키는 마이크로 플루이딕 네트웩(24); 및 배출물을 회수하는 다수의 배출포트(25)로 구성된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. 1 shows a microfluidic chip, according to a first embodiment of the present invention, mountable on a portion of a conventional microplate (6 wells, 12 wells, 24 wells, 48 wells, 96 wells or 384 wells) 10. 20) is shown. Microfluidic chip according to the present invention is a
본 발명에 따른 마이크로 플루이딕 칩의 소재는 세포 부착성이 우수한 플라스틱을 사용하였으나, 유리, 실리콘 등 다양한 재질을 사용할 수도 있다. The material of the microfluidic chip according to the present invention uses a plastic having excellent cell adhesion, but various materials such as glass and silicon may be used.
상기 마이크로 플루이딕 칩의 다공 웰에서 다양한 세포를 배양할 수 있으며, 일세포가 일정 농도에 도달한 후에, 상기 다수의 주입포트에 저장되어 있는 형광물질이 부착된 다양한 후보물질들을 마이크로 플루이딕 네트웍으로 유동시켜 다공 웰 내의 세포와 반응시킨다. 세포 내에서 다양한 후보물질과 반응하여 실제 세포 내 특정물질과 반응한 특정 후보물질은 세포 내 특정기관 내에서 형광을 띠게 된다.Various cells can be cultured in the porous well of the microfluidic chip, and after one cell reaches a certain concentration, various candidate substances with fluorescent substances stored in the plurality of injection ports are attached to the microfluidic network. Flow to react with cells in the porous wells. Specific candidates that react with various candidate substances in the cell and react with specific substances in the cell are fluorescent in specific organs in the cell.
이렇게 형광을 띤 상태를 확인하기 위하여, 마이크로 플루이딕 칩을 기존의 마이크로플레이트에 결합하면, 다양한 검출 시스템 중 하나인 In Cell Analyzer를 이용하여 바로 검출하는 것이 가능하며, 이러한 방법을 통해 적은 수의 시료만 확인할 수 있는 기존의 microplate 방법보다, 단시간에 수많은 시료를 정확하게 검출 및 분석할 수 있다. In order to check the fluorescent state, when combined with a microfluidic chip to an existing microplate, it is possible to directly detect it using an In Cell Analyzer, which is one of various detection systems. Compared to conventional microplate methods, which can only be identified, numerous samples can be detected and analyzed in a short time.
도 2는 기존의 마이크로플레이트(6웰, 12웰, 24웰, 48웰, 96웰 또는 384웰)(10)에 일체되게 장착 가능한, 본 발명의 제2구현예에 따른, 마이크로 플루이딕 칩(20')을 나타낸 것이다. 샘플저장조(26)의 후보물질을 주입포트(22)로 주입하는 펌프(27)와 관로(28)가 설치되어 있고, 또한 배출포트(25)의 반응결과물을 인출하여 저장하는 저장조(29)가 설치되어 있다. 나머지 구성요소와 기능은 제1구현예와 동일하다.2 shows a microfluidic chip (according to a second embodiment of the present invention), which is integrally mountable to an existing microplate (6 wells, 12 wells, 24 wells, 48 wells, 96 wells or 384 wells) 10. 20 '). A
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정 의된다고 할 것이다.
Having described the specific part of the present invention in detail, it is obvious to those skilled in the art that such a specific description is only a preferred embodiment, thereby not limiting the scope of the present invention. something to do. Therefore, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이, 본 발명은 일반적으로 사용되고 있는 다양한 검출 시스템을 활용하여 목적물질의 효울적인 검출 및 분석이 가능한 신규 마이크로 플루이딕 칩을 제공하는 효과가 있다. 본 발명에 따른, 마이크로 플루이딕 칩은 단시간에 수많은 시료를 정확하고 용이하게 검출할 수 있는 기존의 HTS 기법의 장점을 그대로 채용하는 것이 가능하다. As described in detail above, the present invention has the effect of providing a novel microfluidic chip capable of effective detection and analysis of the target material utilizing a variety of detection systems that are generally used. According to the present invention, the microfluidic chip can adopt the advantages of the existing HTS technique, which can accurately and easily detect a large number of samples in a short time.
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