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KR102644816B1 - A preparation device of biological product using a micro bioreactor and preparation method therewith - Google Patents

A preparation device of biological product using a micro bioreactor and preparation method therewith Download PDF

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KR102644816B1
KR102644816B1 KR1020220184792A KR20220184792A KR102644816B1 KR 102644816 B1 KR102644816 B1 KR 102644816B1 KR 1020220184792 A KR1020220184792 A KR 1020220184792A KR 20220184792 A KR20220184792 A KR 20220184792A KR 102644816 B1 KR102644816 B1 KR 102644816B1
Authority
KR
South Korea
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hydrogel
hydrogel structure
cell
cell aggregates
biological agent
Prior art date
Application number
KR1020220184792A
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Korean (ko)
Inventor
안근선
윤석환
Original Assignee
주식회사 스페바이오
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Abstract

본 발명에 따른 생물학적 제제 생산 장치는, 중공구 형태의 하이드로겔 구조체 내에 세포응집체가 위치하고, 복수의 세포응집체들이 하이드로겔 구조체에 의해 물리적으로 이격됨으로써, 생물학적 제제의 분비 혹은 생산 과정에서, 세포응집체들이 서로 융합되는 2차 응집을 효과적으로 차단할 수 있다. 이로 인해 세포응집체들이 분비 혹은 생산하는, 엑소좀을 포함하는 세포외소포, 세포분비인자, 엑소좀, 항체 혹은 바이러스 백터 등의 생물학적 제제들이 지속적으로 일정하게 안정적으로 제조할 수 있는 효과가 존재한다. 중공구 구조를 갖는 하이드로겔 구조체 내에 단일 세포응집체가 존재함으로써, 세포응집체가 생산한 다양한 생물학적 제제들이, 다공성 구조를 갖는 하이드로겔 구조체를 투과하여 하이드로겔 구조체의 외부로 쉽게 배출됨으로써, 생물학적 제제의 생산과 수득이 용이하게 수행될 수 있다.In the biological agent production device according to the present invention, cell aggregates are located in a hollow spherical hydrogel structure, and a plurality of cell aggregates are physically spaced apart by the hydrogel structure, so that during the secretion or production of biological agents, the cell aggregates are It can effectively block secondary aggregation that fuses with each other. Due to this, there is an effect that biological agents such as extracellular vesicles, cell secretion factors, exosomes, antibodies, or viral vectors secreted or produced by cell aggregates, including exosomes, can be continuously and stably manufactured. Due to the presence of a single cell aggregate in a hydrogel structure with a hollow spherical structure, various biological agents produced by the cell aggregate penetrate the hydrogel structure with a porous structure and are easily discharged to the outside of the hydrogel structure, thereby enabling the production of biological agents. and can be easily obtained.

Description

미소 생물반응기를 이용한 생물학적 제제 생산 장치 및 이를 사용하여 생물학적 제제를 생산하는 방법{A preparation device of biological product using a micro bioreactor and preparation method therewith}{A preparation device of biological product using a micro bioreactor and preparation method therewith}

본 발명에 따른 미소 생물 반응기는, 중공구 형태를 갖는 하이드로겔 구조체 내에 위치하는 세포응집체를 포함하고, 미소 생물 반응기를 정적 혹은 동적 방식으로 배양함으로써, 하이드로겔 구조체 내에 있는 세포응집체들이 다양한 생물학적 제제를 생산 혹은 분비하며, 이렇게 생산 혹은 분비된 생물학적 제제는, 다공성 구조를 갖는 하이드로겔 구조체의 내부에서 외부로 배출되어, 다양한 생물학적 제제를 안정적으로 생산할 수 있다.The microbioreactor according to the present invention includes cell aggregates located within a hydrogel structure having a hollow sphere shape, and by culturing the microbioreactor in a static or dynamic manner, the cell aggregates within the hydrogel structure can react with various biological agents. It is produced or secreted, and the biological agent produced or secreted in this way is discharged from the inside of the hydrogel structure having a porous structure to the outside, and various biological agents can be stably produced.

[과제고유번호] S3283917[Assignment identification number] S3283917

[부처명] 중소벤처기업부[Ministry Name] Ministry of SMEs and Startups

[연구관리전문기관] 중소기업기술정보진흥원[Research Management Institute] Small and Medium Business Technology Information Promotion Agency

[연구사업명] 중소기업기술개발 지원사업[Research Project Name] Small and Medium Business Technology Development Support Project

[연구과제명] 줄기세포 스페로이드 유래 엑소좀 기반 창상치료제 개발[Research project title] Development of stem cell spheroid-derived exosome-based wound treatment agent

[기여율] 70/100[Contribution rate] 70/100

[주관기관] 주식회사 스페바이오[Host organization] Spebio Co., Ltd.

[연구기간] 2022.07.01. ~ 2024.06.30.[Research period] 2022.07.01. ~ 2024.06.30.

[과제고유번호] S3197954[Assignment identification number] S3197954

[부처명] 중소벤처기업부[Ministry Name] Ministry of SMEs and Startups

[연구관리전문기관] 중소기업기술정보진흥원[Research Management Institute] Small and Medium Business Technology Information Promotion Agency

[연구사업명] 창업성장기술개발사업 (TIPS과제)[Research Project Name] Startup Growth Technology Development Project (TIPS Project)

[연구과제명] 고효율 세포외소포 생산 및 세포외소포 치료제 기술 개발[Research project name] High-efficiency extracellular vesicle production and development of extracellular vesicle treatment technology

[기여율] 30/100[Contribution rate] 30/100

[주관기관] 주식회사 스페바이오[Host organization] Spebio Co., Ltd.

[연구기간] 2021.10.01. ~ 2023.09.30[Research period] 2021.10.01. ~ 2023.09.30

인간 및 동물 신체를 구성하는 대부분의 세포 구조물은 3차원 형태로 조직된다. 이러한 세포의 3차원 구조는, 2차원 단층 세포 배양물이 모방하기 곤란한 복잡한 세포들 사이의 상호작용을 초래한다.Most cellular structures that make up the human and animal bodies are organized in three-dimensional forms. The three-dimensional structure of these cells results in complex interactions between cells that are difficult to mimic in two-dimensional monolayer cell cultures.

일반적으로 살아있는 세포는 3차원 환경에서 배양될 때 더 자연적으로 거동하지만, 3차원 세포 배양물의 형성은 많은 경우 어렵고, 비용이 많이 드는 문제점이 존재한다. 기존의 시험관내 세포 배양은 전형적인 2차원 세포 배양 모델만을 제공할 수 있을 뿐이다.In general, living cells behave more naturally when cultured in a three-dimensional environment, but the formation of three-dimensional cell cultures is difficult and expensive in many cases. Conventional in vitro cell culture can only provide a typical two-dimensional cell culture model.

세포응집체(cellular spheroid)는, 전형적인 3차원 세포 배양 모델의 한 예이며, 여러 기초 연구 및 임상 약리학에 활용되고 있으며, 엑소좀을 포함한 다양한 생물학적 제제들을 분비하거나 생산할 수 있다. 이러한 세포응집체는 세포들이 응집된 클러스터 형태(1차 응집)로 약 수백 마이크로미터의 직경을 갖는다.Cellular spheroids are an example of a typical three-dimensional cell culture model, are used in various basic research and clinical pharmacology, and can secrete or produce various biological agents, including exosomes. These cell aggregates are clusters of cells (primary aggregation) and have a diameter of about several hundred micrometers.

기존의 세포응집체를 제조하는 방법으로는, 현적(hanging drop) 방법 또는 회전식 교반과 같은 동적 배양 방법이 존재하는데, 이러한 방법으로 세포응집체를 형성하기 위해서는 약 4일 정도의 장기간이 소요될 수 있으며, 실제 성공률 역시 약 50% 정도에 머무르고 있다. 또한, 세포 배양액을 교환하기 어려워 교환 과정에서 세포 손실이 발생하는 문제점이 존재한다. Existing methods for producing cell aggregates include dynamic culture methods such as the hanging drop method or rotary agitation. It may take a long period of time, about 4 days, to form cell aggregates using this method, and in practice, The success rate also remains at around 50%. Additionally, it is difficult to exchange the cell culture medium, so there is a problem that cell loss occurs during the exchange process.

한편, 이러한 방법으로 제조된 세포응집체들의 경우, 엑소좀과 같은 생물학적 제제를 생산하기 위해 정적 배양 혹은 동적 배양 과정을 수행하게 되는데, 이러한 배양 과정에서 살아있는 세포의 특성과 세포응집체들 사이의 물리적 접촉으로 인해, 복수의 개별적인 세포응집체들이 서로 융합되어 큰 부피를 갖는 하나의 세포응집체를 형성하게 되는 2차 응집 현상이 발생하고(도 1 참조), 생물학적 제제의 분비 혹은 생산 효율이 현저하게 감소하는 문제점이 발생하게 된다.Meanwhile, in the case of cell aggregates prepared by this method, static or dynamic culture processes are performed to produce biological products such as exosomes. During this culture process, the characteristics of living cells and physical contact between cell aggregates As a result, a secondary aggregation phenomenon occurs in which a plurality of individual cell aggregates fuse with each other to form a single cell aggregate with a large volume (see Figure 1), and the secretion or production efficiency of biological agents is significantly reduced. It happens.

여기서 2차 응집은, 개별 세포들이 응집되어 세포응집체를 형성하는 1차 응집과는 다른 개념으로, 이미 세포들이 응집되어 세포응집체가 형성되어 다양한 생물학적 제제를 생산 혹은 분비할 수 있는 상태에서, 개별적인 세포응집체들이 물리적 접촉 등 다양한 원인으로 서로 융합되어 훨씬 더 큰 부피를 같은 거대 단일 세포응집체를 형성하는 것을 의미한다(도 1 참조).Here, secondary aggregation is a different concept from primary aggregation, in which individual cells aggregate to form cell aggregates. In a state where cells have already aggregated to form cell aggregates and can produce or secrete various biological agents, individual cells This means that aggregates fuse together for various reasons, such as physical contact, to form a large single cell aggregate of much larger volume (see Figure 1).

이러한 개별 세포응집체들의 배양 과정 중에서의 응집으로 인한 부피의 증가는, 증가된 크기를 갖는 세포응집체 내부의 세포들로의 영양분 공급이 부족을 야기하게 되며, 이로 인해 생물학적 제제의 원활한 분비 혹은 생산이 곤란하게 되어, 세포응집체들이 개별적으로 존재하여 분비 혹은 생산하는 생물학적 제제의 양에 비하여 생물학적 제제의 분비량 또는 생산량이 감소하게 되는 문제점이 존재한다.The increase in volume due to aggregation during the culture process of these individual cell aggregates causes a shortage of nutrients to the cells inside the increased size cell aggregates, making smooth secretion or production of biological agents difficult. As a result, there is a problem in that cell aggregates exist individually and the amount of secreted or produced biological agent is reduced compared to the amount of biological agent secreted or produced.

본 발명에서는 이러한 세포응집체들의 배양 과정에서, 물리적 접촉을 원천적으로 차단하고, 세포응집체들의 융합에 따른 크기 증가를 방지하기 위해, 중공 구형의 하이드로겔 구조체 내에 개별적으로 위치하는 미소 반응기를 사용함으로써 효과적인 생물학적 제제의 생산이 가능하도록 하였다.In the present invention, in the process of culturing these cell aggregates, in order to fundamentally block physical contact and prevent size increase due to fusion of cell aggregates, microreactors individually located within the hollow spherical hydrogel structure are used to achieve effective biological The production of the formulation was made possible.

등록특허 제2401810호Registered Patent No. 2401810 등록특허 제2246224호Registered Patent No. 2246224

본 발명에 따른 생물학적 제제 생산 장치는, 중공구 형태의 하이드로겔 구조체 내에 세포응집체가 위치하여, 복수의 세포응집체들이 하이드로겔 구조체에 의해 물리적으로 이격되어, 생물학적 제제의 분비 혹은 생산 과정에서, 세포응집체들이 서로 융합되어 큰 부피를 갖는 하나의 세포응집체를 형성하는 것을 차단할 수 있다. 이러한 세포응집체들의 융합을 방지할 수 있는 중공구 형태의 하이드로겔 구조체를 통해, 세포응집체들이 분비 혹은 생산하는, 엑소좀을 포함하는 세포외소포, 세포분비인자, 엑소좀, 항체 혹은 바이러스 백터 등의 생물학적 제제들이 지속적으로 일정하게 안정적으로 제조될 수 있다.In the biological agent production device according to the present invention, cell aggregates are located in a hollow spherical hydrogel structure, and a plurality of cell aggregates are physically spaced apart by the hydrogel structure, so that during the secretion or production of biological agents, the cell aggregates are separated. It can prevent cells from fusing together to form a single cell aggregate with a large volume. Through the hollow sphere-shaped hydrogel structure that can prevent the fusion of these cell aggregates, extracellular vesicles, cell secretion factors, exosomes, antibodies, or viral vectors, including exosomes, secreted or produced by cell aggregates. Biological products can be manufactured consistently and reliably on a continuous basis.

또한, 본 발명에 따른 미소 생물 반응기는, 중공구 구조를 갖는 하이드로겔 구조체 내에 단일 세포응집체가 존재함으로써, 세포응집체가 생산한 다양한 생물학적 제제들이, 다공성 구조를 갖는 하이드로겔 구조체를 투과하여 하이드로겔 구조체의 외부로 배출되어, 생물학적 제제의 생산과 수득이 용이하게 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 다양한 생물학적 제제의 대량 생산에 적합한 미소 생물 반응기 및 이를 사용한 생물학적 제제의 대량 생산 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, in the micro-bioreactor according to the present invention, a single cell aggregate exists in a hydrogel structure having a hollow spherical structure, so that various biological agents produced by the cell aggregate penetrate the hydrogel structure having a porous structure and enter the hydrogel structure. is discharged to the outside, so the production and acquisition of biological agents can be easily performed. Accordingly, the present invention is intended to provide a microbioreactor suitable for mass production of various biological agents and a method for mass production of biological agents using the same.

본 발명에 따른 생물학적 제제 생산 장치는, 하이드로겔 구조체 내에 세포응집체가 위치하는 미소 생물 반응기를 포함한다.The biological agent production device according to the present invention includes a microbioreactor in which cell aggregates are located within a hydrogel structure.

상기 미소 생물 반응기를 구성하는, 세포응집체와 하이드로겔 구조체는 서로 이격되어, 세포응집체와 하이드로겔 구조체 사이에는 공간이 존재할 수 있으며, 상기 하이드로겔 구조체는, 중공구(hollow sphere) 형태인 것이 바람직하다.The cell aggregates and hydrogel structures constituting the microbioreactor are spaced apart from each other, so that a space may exist between the cell aggregates and the hydrogel structure, and the hydrogel structures are preferably in the form of hollow spheres. .

하이드로겔 구조체 내에 위치하는 단일 세포응집체로부터 생산 혹은 분비되는 생물학적 제제는, 상기 하이드로겔 구조체의 외부로 배출될 수 있으며, 상기 하이드로겔 구조체 내에 위치하는 세포응집체는 단일 세포응집체인 것이 더욱 바람직하다.Biological agents produced or secreted from single cell aggregates located within the hydrogel structure can be discharged to the outside of the hydrogel structure, and it is more preferable that the cell aggregates located within the hydrogel structure are single cell aggregates.

상기 생물학적 제제는, 세포외소포, 세포분비인자, 엑소좀, 항체 혹은 바이러스 백터일 수 있으며, 이러한 생물학적 제제를 분비 혹은 생산할 수 있는 세포응집체는, 인체유래세포, 동물세포, 식물세포, 유전자 변형 세포 혹은 숙주세포가 복수 개 응집된 것이다.The biological agent may be an extracellular vesicle, a cell secretion factor, an exosome, an antibody, or a viral vector, and cell aggregates capable of secreting or producing such a biological agent include human-derived cells, animal cells, plant cells, and genetically modified cells. Or, multiple host cells are aggregated.

상기 하이드로겔 구조체는, 즉각 결합 반응 하이드로겔(in-situ forming or rapid forming hydrogel)로, 이온에 의해 가교된 다당류 하이드로겔 또는 단백질 기반 하이드로겔인 것이 바람직하다.The hydrogel structure is an in-situ forming or rapid forming hydrogel, and is preferably a polysaccharide hydrogel or protein-based hydrogel crosslinked by ions.

상기 다당류 하이드로겔은, 알지네이트, 키토산, 펙틴 및 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드) 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 단백질 기반 하이드로겔은, 콜라겐, 젤라틴 및 실크(silk) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.The polysaccharide hydrogel is at least one selected from alginate, chitosan, pectin, and poly(N-isopropyl acrylamide), and the protein-based hydrogel is at least one selected from collagen, gelatin, and silk. It is desirable.

상기 다당류 하이드로겔의 가교에 사용되는 이온은, Fe3+, Al3+, Cr3+, Cu2+, Ba2+, Sr2+, Ca2+ 등의 2가 혹은 3가 금속 양이온이 바람직하고, 단백질 기반 하이드로겔의 가교에 사용되는 가교제는, genipin, lysyl oxidase, transglutaminase, tyrosinase 또는 horseradish peroxidase인 것이 더욱 바람직하다.The ions used for crosslinking the polysaccharide hydrogel are preferably divalent or trivalent metal cations such as Fe 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Cu 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ , and Ca 2+ And, the cross-linking agent used to cross-link the protein-based hydrogel is more preferably genipin, lysyl oxidase, transglutaminase, tyrosinase, or horseradish peroxidase.

상기 하이드로겔 구조체의 기공도는 90% 이상 99% 미만인 것이 바람직하며, 이온 가교형 하이드로겔 구조체의 경우 사용되는 알지네이트의 농도는 0.1 wt% 이상 2 wt% 미만인 것이 바람직하다.The porosity of the hydrogel structure is preferably 90% or more and less than 99%, and in the case of the ion cross-linked hydrogel structure, the concentration of alginate used is preferably 0.1 wt% or more and less than 2 wt%.

본 발명의 다른 실시 형태로 생물학적 제제의 생산 방법을 들 수 있으며, 중공구 형태의 하이드로겔 구조체의 내부에 세포응집체가 위치하는 미소 생물 반응기를 배양액 내에서 배양하되, 하이드로겔 구조체 내에 위치하는 상기 세포응집체로부터 생산 혹은 분비되는 생물학적 제제는, 상기 하이드로겔 을 통해서 외부로 배출되며, 상기 하이드로겔 구조체는, 이온에 의해 가교된 다당류 하이드로겔 또는 단백질 기반 하이드로겔의 즉각 결합 반응 하이드로겔(in-situ forming or rapid forming hydrogel)일 수 있다.Another embodiment of the present invention includes a method for producing a biological agent, wherein a microbioreactor in which cell aggregates are located inside a hollow spherical hydrogel structure is cultured in a culture medium, and the cells located in the hydrogel structure are cultured in a culture medium. Biological agents produced or secreted from aggregates are discharged to the outside through the hydrogel, and the hydrogel structure is an immediate binding reaction hydrogel (in-situ forming) of a polysaccharide hydrogel or protein-based hydrogel cross-linked by ions. or rapid forming hydrogel).

상기 세포응집체와 하이드로겔 구조체 사이에는 공간이 형성되는 것이 바람직하며, 상기 하이드로겔 구조체의 안쪽에 위치하는 세포응집체는 단일 세포응집체인 것이 더욱 바람직하다.It is preferable that a space is formed between the cell aggregate and the hydrogel structure, and it is more preferable that the cell aggregate located inside the hydrogel structure is a single cell aggregate.

상기 미소 생물 반응기는, 배양액 내에서 정적배양 혹은 동적 배양되어 다양한 생물학적 제제를 생산할 수 있다.The microbioreactor can produce various biological agents by static or dynamic culture in a culture medium.

본 발명에 따른 미소 생물 반응기는, 중공구 형태의 하이드로겔 구조체에 세포응집체를 각각 위치시킴으로써, 복수의 세포응집체들이 엑소좀 등의 생물학적 제제를 생산하는 배양 과정 중에 서로 융합되어 큰 세포응집체들을 형성하는 2차 응집을 방지할 수 있다.The microbioreactor according to the present invention places cell aggregates on each hollow sphere-shaped hydrogel structure, so that a plurality of cell aggregates fuse with each other to form large cell aggregates during the culture process of producing biological agents such as exosomes. Secondary aggregation can be prevented.

개별 세포응집체가 각각 하이드로겔 구조체에 의해 서로 물리적으로 격리되어 위치함으로써, 세포응집체의 2차 응집으로 인한, 생물학적 제제의 생산성 저하 및 2차 응집된 세포응집체의 내부에 위치하는 세포들의 사멸 등을 방지할 수 있어, 장기간 동안 안정적으로 세포응집체가 생물학적 제제를 생산할 수 있는 효과가 존재한다.Since individual cell aggregates are physically separated from each other by the hydrogel structure, it prevents secondary aggregation of cell aggregates from decreasing the productivity of biological products and the death of cells located inside the secondary aggregates. This has the effect of allowing cell aggregates to produce biological agents stably for a long period of time.

또한, 본 발명에 따른 미소 생물 반응기는, 중공구 구조를 갖는 하이드로겔 구조체를 형성하는 하이드로겔이 다공성 구조를 갖기 때문에, 하이드로겔 구조체 내에 위치하는 세포응집체가 생산 혹은 분비한 다양한 생물학적 제제들이, 다공성 하이드로겔 구조체를 투과하여 하이드로겔 구조체의 외부로 배출됨으로써, 생물학적 제제의 생산과 수득이 용이하게 수행될 수 있는 장점과 다양한 생물학적 제제의 대량 생산에 적합한 장점이 있다.In addition, in the micro bioreactor according to the present invention, since the hydrogel forming the hydrogel structure with a hollow spherical structure has a porous structure, various biological agents produced or secreted by cell aggregates located within the hydrogel structure are porous. By penetrating the hydrogel structure and being discharged to the outside of the hydrogel structure, there is an advantage that the production and acquisition of biological agents can be easily performed and that it is suitable for mass production of various biological agents.

이러한 본 발명에 따른 미소 생물 반응기가 갖는 명시적인 효과 외에도, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 후술되는 구체적인 발명의 설명 내용으로부터 쉽게 인식할 수 있는 다양한 효과와 장점이 존재한다.In addition to the obvious effects of the microbioreactor according to the present invention, there are various effects and advantages that can be easily recognized by those skilled in the art from the detailed description of the invention described below.

도 1은 복수의 세포응집체들이 시간에 따라 배양 과정에서 하나의 부피가 큰 세포응집체로 2차 응집되는 것을 관찰한 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미소 생물 반응기(100)에서, 중공구 형태의 하이드로겔 구조체(200) 내에 단일 세포응집체(300)가 위치하고, 배양 과정 중에서 세포응집체가 분비 혹은 생산하는 생물학적 제제(400, 엑소좀, 항체, 바이러스 등)가 다공성 하이드로겔을 투과하여 하이드로겔 구조체 외부로 이동하는 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3(a) 내지 3(d)는 이온에 의해 가교된 다당류 하이드로겔인 알지네이트의 농도의 변화(a:0.1wt%, b:0.5wt%, c:1.0wt%, d:2.0wt%)에 따른 다공성 알지네이트 하이드로겔의 두께를 관찰한 것으로, 가운데에 검은 원이 세포응집체다.
도 4는 도 3(a) 내지 3(d)에서 관찰한 알지네이트 농도에 따른 다공성 알지네이트 하이드로겔의 기공도(porosity, %) 변화를 측정한 결과이다.
도 5는 도 3과 도 4에서 관찰한 다공성 알지네이트 하이드로겔의 기공도 변화에 따른, 하이드로겔 외부에서 측정한 생물학적 제제의 농도 변화를 관찰한 것으로, 하이드로겔 구조체가 없는 경우(100)를 기준으로 환산한 상대값을 도시한 것이다.
Figure 1 shows the results of observing secondary aggregation of multiple cell aggregates into one bulky cell aggregate during the culture process over time.
Figure 2 shows that in the microbioreactor 100 according to an embodiment of the present invention, a single cell aggregate 300 is located within the hollow spherical hydrogel structure 200, and the biological cells secreted or produced by the cell aggregate during the culture process are shown in Figure 2. It schematically shows the process by which an agent (400, exosome, antibody, virus, etc.) penetrates the porous hydrogel and moves out of the hydrogel structure.
Figures 3(a) to 3(d) show the change in concentration of alginate, a polysaccharide hydrogel cross-linked by ions (a: 0.1 wt%, b: 0.5 wt%, c: 1.0 wt%, d: 2.0 wt%). This is an observation of the thickness of the porous alginate hydrogel, and the black circle in the middle is a cell aggregate.
Figure 4 shows the results of measuring the change in porosity (%) of the porous alginate hydrogel according to the alginate concentration observed in Figures 3(a) to 3(d).
Figure 5 shows the change in concentration of biological agent measured outside the hydrogel according to the change in porosity of the porous alginate hydrogel observed in Figures 3 and 4, based on the case without the hydrogel structure (100). It shows the converted relative value.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서의 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.Before explaining in detail the preferred embodiments of the present invention below, the terms or words used in the claims of this specification should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as meanings consistent with the technical idea of the present invention. Please note that it should be interpreted as a concept.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part “includes” a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

이하에서는, 본 발명의 실시예를 중심으로 좀 더 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.Below, we will look at the present invention in more detail, focusing on embodiments. However, the scope of the present invention is not limited to the preferred embodiments below, and those skilled in the art can implement various modifications of the contents described in this specification within the scope of the present invention.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 생물학적 제제 생산 장치는, 도 2에 도식적으로 제시되어 있듯이, 인체유래세포, 동물세포, 식물세포, 유전자 변형 세포 혹은 숙주세포 등과 같은 살아있는 복수의 세포들이 1차 응집되어 형성된 세포응집체(300)가 중공구 형태의 하이드로겔 구조체(200) 내에 존재하여 하나의 미소 생물 반응기(100)를 구성한다. As schematically shown in FIG. 2, the biological agent production device according to an embodiment of the present invention is a process in which a plurality of living cells such as human-derived cells, animal cells, plant cells, genetically modified cells, or host cells are first aggregated. The formed cell aggregate 300 exists within the hollow sphere-shaped hydrogel structure 200 to form one micro-bioreactor 100.

즉, 본 발명에 따른 미소 생물 반응기(!00)는, 중공구 형태를 갖는 하이드로겔 구조체(200) 및 상기 하이드로겔 구조체의 내부에 위치하는 세포응집체(spheroid, 300)를 포함한다.That is, the microbioreactor (!00) according to the present invention includes a hydrogel structure 200 having a hollow sphere shape and a cell aggregate (spheroid, 300) located inside the hydrogel structure.

바람직하게는 하이드로겔 구조체(200) 내에 단일 세포응집체(300)가 위치함으로써, 정적 혹은 동적 배양과정에서 서로 다른 세포응집체(300)들이 서로 물리적으로 이격되고, 서로 접촉할 수 없는 구조를 갖게 된다. 도 2에는 이러한 미소 생물 반응기(100)들이 동적 배양을 통해 생물학적 제제를 분비 혹은 생산하는 것이 예로 제시되어 있으나, 반드시 동적 배양으로만 한정되는 것은 아니며, 정적 배양 방식을 포함한 기존의 공지된 배양 방법들이 선택될 수 있다.Preferably, a single cell aggregate 300 is located within the hydrogel structure 200, so that different cell aggregates 300 are physically spaced apart from each other during a static or dynamic culture process and have a structure in which they cannot contact each other. In Figure 2, it is shown as an example that these microbioreactors 100 secrete or produce biological agents through dynamic culture, but they are not necessarily limited to dynamic culture, and existing known culture methods including static culture methods are used. can be selected

중공구 형태를 갖는 하이드로겔 구조체(200)는, 즉각결합반응(in-situ forming or rapid forming)을 통해 형성된 다공성 하이드로겔이며, 이러한 다공성 구조를 갖고 있어, 중공구 내부에 위치하는 세포응집체(300)가 분비 혹은 생산하는 생물학적 제제(biologics, 400)가 중공구 내부에서 외부로 이동할 수 있다. The hydrogel structure 200, which has a hollow sphere shape, is a porous hydrogel formed through an immediate binding reaction ( in-situ forming or rapid forming), and has such a porous structure, forming a cell aggregate (300) located inside the hollow sphere. ) secreted or produced by biological agents (biologics, 400) can move from the inside of the hollow sphere to the outside.

이러한 미소 생물 반응기(100)를 정적 혹은 동적 배양함으로써 세포응집체(300)는 다양한 생물학적 제제(biologics, 400)를 생산할 수 있으며, 하이드로겔 구조체(200)의 외부로 생산된 생물학적 제제(400)들이 이동할 수 있다. By cultivating this micro-bioreactor 100 statically or dynamically, the cell aggregate 300 can produce various biological agents (biologics, 400), and the produced biological agents 400 can move to the outside of the hydrogel structure 200. You can.

상기 생물학적 제제(400)는, 세포응집체(300)를 구성하는 세포의 종류에 따라 다양하게 변화될 수 있으며, 예를 들어, 생물학적 제제(400)는 엑소좀, 항체, 바이러스, 세포분비인자(secretome) 등을 포함할 수 있으며, 상기 세포분비인자는 유기체에 의해 발현되고 세포 외 공간으로 분비되는 단백질 세트를 의미하며, 사이토카인, 성장 인자, 세포외 기질 단백질 및 조절인자 등의 다양한 단백질을 포함할 수 있다.The biological agent 400 may vary depending on the type of cells constituting the cell aggregate 300. For example, the biological agent 400 includes exosomes, antibodies, viruses, and secretome factors. ), etc., and the cell secretion factor refers to a set of proteins expressed by an organism and secreted into the extracellular space, and may include various proteins such as cytokines, growth factors, extracellular matrix proteins, and regulators. You can.

상기 세포응집체(300)는 중공구(hollow sphere) 형태를 같는 하이드로겔 구조체(200) 내에 위치하는데, 하나의 하이드로겔 구조체(200) 내에 단일 세포응집체(300)가 존재하는 것이 바람직하다. 이렇게 개별 중공구 형태의 하이드로겔 구조체(200) 내에 하나의 세포응집체(300)가 위치함으로써, 미소 생물 반응기(100)를 배양 과정 중에서 개별 세포응집체(300)들이 물리적으로 접촉하지 못하게 되며, 2차 응집으로 인해(도 1 참조) 생물학적 제제(400)의 생산성이 감소되는 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.The cell aggregate 300 is located within a hydrogel structure 200 having the shape of a hollow sphere, and it is preferable that a single cell aggregate 300 exists within one hydrogel structure 200. As one cell aggregate 300 is located within the individual hollow sphere-shaped hydrogel structure 200, the individual cell aggregates 300 are prevented from physically contacting each other during the cultivation process of the microbioreactor 100, and secondary The problem of reduced productivity of the biological agent 400 due to aggregation (see FIG. 1) can be effectively solved.

또한, 세포응집체(300)는, 하이드로겔 구조체(200)의 내부에 위치하되, 하이드로겔 구조체(200)의 내부 벽면과 소정의 거리를 두고 이격됨으로써, 세포응집체와 하이드로겔 구조체 사이에는 일정한 공간이 존재할 수 있다. 한편, 이러한 이격 거리 또는 공간이 최소화되어, 세포응집체(300)의 주위를 하이드로겔 구조체(200)가 코팅된 것과 같은 형태로 미소 생물 반응기(100)를 구성하는 것도 가능하다.In addition, the cell aggregate 300 is located inside the hydrogel structure 200 and is spaced apart from the inner wall of the hydrogel structure 200 at a predetermined distance, so that a certain space is maintained between the cell aggregate and the hydrogel structure. It can exist. On the other hand, by minimizing the separation distance or space, it is possible to configure the micro-bioreactor 100 in a form such that the hydrogel structure 200 is coated around the cell aggregate 300.

이러한 미소 생물 반응기(100)의 하이드로겔 구조체(200)는, 즉각 결합 (in-situ forming 혹은 rapid forming) 반응을 통해 형성될 수 있는데, 이러한 즉각 결합 반응을 통해 형성될 수 있는 하이드로겔로는, 이온 성분(예를 들어 Fe3+, Al3+, Cr3+, Cu2+, Ba2+, Sr2+, Ca2+ 등의 2가 혹은 3가의 금속 양이온 등)이 가교제로 작용하는 다당류(Polysaccharide) 하이드로겔과 genipin, lysyl oxidase, transglutaminase, tyrosinase, horseradish peroxidase 등이 가교제로 작용하는 단백질 기반의 하이드로젤을 들 수 있다.The hydrogel structure 200 of this micro bioreactor 100 can be formed through an immediate bonding ( in-situ forming or rapid forming) reaction. Hydrogels that can be formed through this immediate bonding reaction include, Polysaccharide in which ionic components (e.g. divalent or trivalent metal cations such as Fe 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Cu 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+, etc.) act as a crosslinking agent (Polysaccharide) hydrogel and protein-based hydrogel in which genipin, lysyl oxidase, transglutaminase, tyrosinase, and horseradish peroxidase act as cross-linking agents.

대표적인 이온 가교 하이드로겔로는, alginate, chitosan, pectin, Poly (N-isopropyl acrylamide, PNIPAm) 등이 있으며, 단백질 기반 하이드로겔로는 collagen, gelatin, silk 등이 있다.Representative ionic cross-linked hydrogels include alginate, chitosan, pectin, and Poly (N-isopropyl acrylamide, PNIPAm), and protein-based hydrogels include collagen, gelatin, and silk.

이러한 중공구 형태의 하이드로겔 구조체(200)내에 세포응집체(300)가 위치하는 미소 생물 반응기(100)를 이온 가교 방식으로 제조하는 방법을 예로 들어 설명하면, 세포들이 1차 응집된 세포응집체(300)를 가교제인 이온 용액(예를 들어 칼슘 이온)에 혼합한 후, 피펫, 디스펜서 혹은 3D 프린터를 통해 알지네이트와 같은 이온 가교될 수 있는 하이드로겔로 토출시킨다.As an example, a method of manufacturing a microbioreactor (100) in which a cell aggregate (300) is located within a hollow sphere-shaped hydrogel structure (200) using an ionic cross-linking method is described as an example. Cell aggregates (300) are primary aggregates of cells. ) is mixed with an ionic solution (e.g., calcium ion) as a cross-linking agent, and then discharged into a hydrogel that can be cross-linked with ions such as alginate through a pipette, dispenser, or 3D printer.

토출된 이온 용액이 이온 가교될 수 있는 하이드로겔과 in-situ로 반응하여 가교됨으로써, 토출된 이온 용액의 외주부로 이온가교된 다공성 하이드로겔 다공성 막이 형성되며, 전체적으로는 중공구 형태를 갖게 된다.As the discharged ionic solution reacts and crosslinks in situ with the hydrogel capable of ionic crosslinking, an ionic crosslinked porous hydrogel porous membrane is formed on the outer periphery of the discharged ionic solution, and the overall shape has a hollow sphere shape.

상기 이온 용액 내에는 세포응집체(300) 대신에 다수의 세포들이 포함되는 것도 가능하며, 이렇게 in-situ 이온 가교반응을 통해 형성된 중공구 형태의 하이드로겔 내부에서 세포들이 1차 응집되어 세포응집체(300)를 형성하는 것도 가능하다.It is possible for the ionic solution to contain a large number of cells instead of the cell aggregate (300), and the cells are primarily aggregated inside the hollow sphere-shaped hydrogel formed through this in-situ ionic cross-linking reaction to form the cell aggregate (300). ) is also possible to form.

동일한 원리와 방식으로 단백질 기반의 하이드로겔에 대해서도 가교제를 통해 즉각 결합 반응을 통해 중공구 형태의 하이드로겔 구조체를 형성할 수 있다.Using the same principle and method, a hollow sphere-shaped hydrogel structure can be formed through an immediate binding reaction for protein-based hydrogels using a cross-linking agent.

이때 형성되는 중공구 형태의 하이드로겔의 다공성(porosity)를 제어하는 것이 매우 중요하며, 일정 수준 이상의 다공성 구조를 갖되, 세포응집체들 사이의 물리적 접촉을 효과적으로 방지하기 위해서는 일정 수준 이상의 안정적인 구조를 형성할 수 있어야 한다.At this time, it is very important to control the porosity of the hollow spherical hydrogel formed, and it must have a porous structure above a certain level, but form a stable structure above a certain level in order to effectively prevent physical contact between cell aggregates. Must be able to.

특히 세포응집체에서 분비 혹은 생산된 생물학적 제제가 하이드로겔 구조체 외부로 쉽게 이동하기 위해서는, 적어도 생물학적 제제의 크기 이상의 기공 형태와 적절한 수준의 다공 구조를 가져야 하는데, 하이드로겔 구조체의 두께가 너무 두껍거나, 다공도(porosity)가 낮을 경우에는 세포응집체로부터 분비 혹은 생산된 생물학적 제제가 하이드로겔 구조체 내부에만 누적되고, 하이드로겔 구조체의 외부로 원활하게 배출되기 어렵기 때문이다.In particular, in order for the biological agent secreted or produced in the cell aggregate to easily move outside the hydrogel structure, it must have a pore shape at least the size of the biological agent and an appropriate level of porous structure. However, if the thickness of the hydrogel structure is too thick or the porosity is too low, When the porosity is low, biological agents secreted or produced from cell aggregates accumulate only inside the hydrogel structure and are difficult to discharge smoothly to the outside of the hydrogel structure.

따라서, 즉각 결합 반응으로 형성되는 하이드로겔 구조체의 기계적 강도를 확보하면서, 적정 수준의 다공도를 유지시키기 위해서는 Fe3+, Al3+, Cr3+, Cu2+, Ba2+, Sr2+, Ca2+ 등의 2가 혹은 3가의 금속 양이온 등을 사용한 이온 가교에 사용되는 알지네이트의 경우, 0.1wt% 이상 2wt% 미만의 농도 범위로 사용되는 것이 바람직하다.Therefore, in order to secure the mechanical strength of the hydrogel structure formed by the immediate bonding reaction and maintain an appropriate level of porosity, Fe 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Cu 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ , In the case of alginate used for ionic crosslinking using divalent or trivalent metal cations such as Ca 2+ , it is preferably used in a concentration range of 0.1 wt% or more and less than 2 wt%.

이하에서는, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 구체적인 작용과 효과를 설명하고자 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로서 제시된 것으로, 실시예에 따라 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.Below, the specific actions and effects of the present invention will be explained through specific examples of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the examples.

[실시예 1][Example 1]

세포 배양을 통해 6 x 105의 지방유래 줄기세포(adipose-derived stromal/stem cells)를 준비하고 1 ml의 culture media에 세포를 서스펜션 시킴으로써, 배양액 내에 세포가 균일하게 분포되도록 하였다.Through cell culture, 6

젤라틴 파우더(cold water fish, or porcine skin)를 증류수에 녹여 10wt%의 젤라틴 용액 1ml를 준비한 후, CaCl2(Sigma Aldrich)를 100mM의 농도가 되도록 상기 젤라틴 용액에 추가로 혼합하여, 5wt% 젤라틴 및 세포를 포함하는 바이오잉크(제1 혼합물)를 제조하였다.Dissolve gelatin powder (cold water fish, or porcine skin) in distilled water to prepare 1ml of 10wt% gelatin solution, then CaCl 2 (Sigma Aldrich) was further mixed into the gelatin solution to a concentration of 100mM to obtain 5wt% gelatin and A bioink containing cells (first mixture) was prepared.

[실시예 2][Example 2]

다양한 농도의 알지네이트 용액을 준비하여 상부가 개방된 용기에 채운 후, 용기를 용적 계량식 정밀 디스펜서 아래에 위치시키고, 실시예 1에서 준비된 바이오잉크(제1 혼합물)를 용적 계량식 정밀 디스펜서용 시린지에 옮겨 담은 후, 시린지 및 용적 계량식 정밀 디스펜서 내부의 잔여 버블을 제거하였다.After preparing alginate solutions of various concentrations and filling them in an open-top container, the container was placed under a volumetric precision dispenser, and the bioink (first mixture) prepared in Example 1 was added to a syringe for the volumetric precision dispenser. After transferring, the remaining bubbles inside the syringe and volumetric precision dispenser were removed.

내경 200 ㎛노즐의 디스펜서를 사용하여 토출하였으며, 이때 디스펜서와 연동된 x-y-z 스테이지의 구동제어를 통해 토출된 바이오잉크(제1 혼합물) 토출물이 서로 서로 겹치지 않고 일정 간격을 유지할 수 있도록 위치 조절을 수행하였다.It was discharged using a dispenser with a nozzle with an internal diameter of 200 ㎛, and at this time, the position was adjusted so that the bioink (first mixture) discharged through the drive control of the x-y-z stage linked to the dispenser could be maintained at a certain distance without overlapping each other. did.

이렇게 토출된 바이오 잉크 내에 포함된 칼슘 이온이 용기를 채운 알지네이트 용액이 접촉함에 따라 in-situ로 이온 경화되며, 제1혼합물인 바이오 잉크는 중공구(hollow sphere) 형태의 하이드로겔 구조체를 형성하게 된다.The calcium ions contained in the discharged bio-ink are ion-cured in-situ as they come in contact with the alginate solution filling the container, and the bio-ink, which is the first mixture, forms a hydrogel structure in the form of a hollow sphere. .

이때 바이오잉크(제1 혼합물)이 토출되는 알지네이트의 농도를 변화시켜 가면서 생성되는 하이드로겔 구조체 벽(wall)의 두께와 기공도(porosity)의 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 3의 (a) 내지 (d)와 도 4로 정리하였다.At this time, changes in the thickness and porosity of the wall of the hydrogel structure generated by changing the concentration of alginate discharged from the bioink (first mixture) were observed, and the results are shown in Figure 3 (a). It is summarized in (d) and Figure 4.

상기 도 3의 (a) 내지 (d)는 알지네이트 용액의 농도가 각각 0.1, 0.5, 1.0 및 2.0 w/v%로 변화되었을 때, in-situ 이온 가교반응을 통해 형성된 하이드로겔 구조체와 내부에 위치한 세포응집체를 관찰한 사진으로, 동일한 농도의 이온 가교제인 칼슘을 사용하였을 때, 알지네이트의 농도가 높아짐에 따라 하이드로겔 구조체의 벽(wall) 두께가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.(a) to (d) of Figure 3 shows the hydrogel structure formed through in-situ ionic crosslinking reaction and located inside when the concentration of the alginate solution was changed to 0.1, 0.5, 1.0, and 2.0 w/v%, respectively. From a photograph observing the cell aggregate, it was confirmed that when the same concentration of calcium, an ionic cross-linking agent, was used, the wall thickness of the hydrogel structure decreased as the concentration of alginate increased.

도 4는, 도 3에서 관찰한 사진들을 포함한 복수의 반복 실험을 통해 알지네이트 농도 변화에 따른 하이드로겔 구조체의 벽(wall)의 기공도를 측정한 결과이다. 하이드로겔 구조체를 이루는 벽(wall)의 기공도 측정을 위해, 먼저 건조된 하이드로겔 구조체의 무게(Wi) 및 부피(Vi)를 측정한 후, 건조된 하이드로겔 구조체를 이소프로판올(Isopropanol, 밀도 ρ)에 15분간 담근 후 무게(Wf)를 측정 한 후 아래 식(1)을 통해 계산하였다.Figure 4 shows the results of measuring the porosity of the wall of the hydrogel structure according to the change in alginate concentration through a plurality of repeated experiments including the photographs observed in Figure 3. To measure the porosity of the wall forming the hydrogel structure, first measure the weight (Wi) and volume (Vi) of the dried hydrogel structure, and then soak the dried hydrogel structure in isopropanol (density ρ). After soaking for 15 minutes, the weight (Wf) was measured and calculated using equation (1) below.

[((Wf-Wi)ⅹρ / Vi] ⅹ 100 식(1)[((Wf-Wi)ⅹρ / Vi]ⅹ100 Equation (1)

상기 도 4의 결과에 따르면, 앞서 도 3의 사진에서 확인한 것과 동일하게 일정한 가교제 농도에서 알지네이트의 농도가 증가함에 따라 하이드로겔 구조체의 기공도가 감소함을 알 수 있다.According to the results of FIG. 4, it can be seen that the porosity of the hydrogel structure decreases as the concentration of alginate increases at a constant cross-linker concentration, similar to what was previously confirmed in the photograph of FIG. 3.

[실시예 3][Example 3]

실시예 2에서 제조된 다양한 기공도를 갖는 알지네이트 하이드로겔 중공구 구조체를 사용하여 세포응집체를 배양하였다. Cell aggregates were cultured using the alginate hydrogel hollow sphere structures having various porosity prepared in Example 2.

알지네이트 하이드로겔 중공구 구조체의 기공도 변화에 따라, 배양된 세포응집체로부터 분비 혹은 생산된 세포분비인자(secretome)가 미소 생물 반응기의 외부(즉, 하이드로겔 구조체의 외부)로 원활하게 배출될 수 있는지 여부를 확인하기 위해, 알지네이트 농도를 변화시켜 가면서 다양한 기공도를 갖는 하이드로겔 구조체를 제조하였다. Depending on the change in porosity of the alginate hydrogel hollow sphere structure, can cell secretion factors (secretome) secreted or produced from cultured cell aggregates be smoothly discharged to the outside of the microbioreactor (i.e., outside of the hydrogel structure)? To confirm this, hydrogel structures with various porosity were manufactured by changing the alginate concentration.

이렇게 각각 다른 기공도를 갖는 하이드로겔 구조체 내에 세포응집체를 위치시킨 후 배양 과정을 수행하고, 각각 서로 다른 미소 생물 반응기의 외부에서 시료를 채취하여, 시료 내에 포함된 세포분비인자(secretome)의 수를 나노입자추적분석기(Nanoparticle Tracking Analysis(NTA), ZetaView110, Particle Metrix)를 사용하여 측정하였다.After placing cell aggregates in hydrogel structures with different porosity, a culture process is performed, samples are collected from the outside of each different microbioreactor, and the number of secretomes contained in the samples is measured. It was measured using a nanoparticle tracking analysis (NTA), ZetaView110, Particle Metrix.

이렇게 측정된 세포당 세포 분비인자의 수는, 하이드로겔 구조체가 없이 동일한 종류의 세포들로 형성된 세포응집체가 생산하는 세포분비인자의 수를 100으로 하여, 상대적인 개수로 환산하였으며, 그 결과를 도 5에 정리하였다.The number of cell secretion factors per cell measured in this way was converted to a relative number by taking the number of cell secretion factors produced by cell aggregates formed of the same type of cells without a hydrogel structure as 100, and the results are shown in Figure 5. It is summarized in .

상기 도 5의 결과에서 확인되듯이, 사용된 알지네이트의 농도가 낮은 경우(0.1 ~ 1.0 wt%)에는 하이드로겔 구조체 벽의 기공도가 약 90% 이상의 범위로 높게 유지됨을 알 수 있었으며, 하이드로겔 구조체의 두께와 거의 무관하고, 하이드로겔 구조체가 없는 경우와 거의 동일한 수준으로 미소 생물 반응기의 외부에서 생물학적 제제의 농도가 높게 관찰되었다. As confirmed in the results of Figure 5, when the concentration of alginate used was low (0.1 to 1.0 wt%), it was found that the porosity of the wall of the hydrogel structure was maintained high in the range of about 90% or more, and the hydrogel structure The concentration of biological agents was observed to be high outside the microbioreactor, almost regardless of the thickness, and at almost the same level as in the case without the hydrogel structure.

즉, 하이드로겔 구조체 벽의 기공도가 높은 경우에는 세포분비인자가 하이드로겔 구조체 벽을 쉽게 투과하여, 미소 반응기 외부에서 높은 농도로 관잘되었지만, 알지네이트의 농도가 2.0wt%로 높아질 경우에는, 알지네이트 하이드로겔 구조체의 기공도가 90% 미만으로 유의미하게 감소하여, 세포응집체가 생산 혹은 분비한 세포분비인자들이 하이드로겔 구조체의 외부로 거의 배출되지 못하는 것을 알 수 있다.In other words, when the porosity of the hydrogel structure wall was high, cell secretion factors easily penetrated the hydrogel structure wall and were administered at a high concentration outside the microreactor. However, when the concentration of alginate increased to 2.0 wt%, alginate hydro The porosity of the gel structure was significantly reduced to less than 90%, indicating that cell secretion factors produced or secreted by the cell aggregates were hardly discharged to the outside of the hydrogel structure.

반대로 하이드로겔 구조체의 벽 기공도가 99% 이상인 경우에는, 하이드로겔 구조체의 물리적 강도가 현저하게 저하되어, 앞서 도 1에서 살펴본 것처럼 배양 과정에서 세포 응집체의 물리적 응집 혹은 융합을 막거나 차단하기는 곤란하다.On the other hand, when the wall porosity of the hydrogel structure is 99% or more, the physical strength of the hydrogel structure is significantly reduced, and it is difficult to prevent or block the physical aggregation or fusion of cell aggregates during the culture process, as seen in Figure 1. do.

따라서, 하이드로겔 구조체 벽의 기공도가 90% 이상 99% 미만인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 92.3 ~ 95.6%의 기공도를 유지하는 것이 필요하다. 특히 알지네이트를 사용하여 이온 가교형 하이드로겔 구조체를 형성할 경우, 알지네이트의 농도는 0.1 wt% 이상 2 wt% 미만, 더욱 바람직하게는 알지네이트 농도를 0.1 wt% 이상 1.0 wt% 이하의 범위로 사용하여, 미소 생물 반응기의 이온 가교형 하이드로겔 구조체를 형성하는 것이 바람직함을 알 수 있다.Therefore, it is preferable that the porosity of the wall of the hydrogel structure is 90% or more and less than 99%, and more preferably, it is necessary to maintain a porosity of 92.3 to 95.6%. In particular, when using alginate to form an ion cross-linked hydrogel structure, the alginate concentration is 0.1 wt% or more and less than 2 wt%, more preferably, the alginate concentration is used in the range of 0.1 wt% or more and 1.0 wt% or less. It can be seen that it is desirable to form an ion cross-linked hydrogel structure in a microbioreactor.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the specific embodiments and descriptions described above, and various modifications can be made by anyone skilled in the art without departing from the gist of the invention as claimed in the claims. and such modifications fall within the protection scope of the present invention.

100: 미소 생물 반응기
200: 하이드로겔 구조체
300: 세포응집체
400: 생물학적 제제
100: Micro bioreactor
200: Hydrogel structure
300: Cell aggregate
400: Biological agents

Claims (15)

중공구(hollow sphere) 형태의 하이드로겔 구조체 내에 세포응집체가 위치하는 미소 생물 반응기를 포함하고,
상기 세포응집체와 하이드로겔 구조체는 서로 이격되어, 세포응집체와 하이드로겔 구조체 사이에 공간이 존재하며,
상기 하이드로겔 구조체 내에 위치하는 세포응집체는 개별 세포들이 응집되어 형성된 단일 세포응집체이고,
상기 하이드로겔 구조체는, 즉각 결합 반응 하이드로겔(in-situ forming or rapid forming hydrogel)로, 이온에 의해 가교된 다당류 하이드로겔이며,
상기 다당류 하이드로겔은, 알지네이트, 키토산, 펙틴 및 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드) 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 다당류 하이드로겔의 가교에 사용되는 이온은, Fe3+, Al3+, Cr3+, Cu2+, Ba2+, Sr2+ 및 Ca2+ 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속 양이온이며,
상기 다당류 하이드로겔의 농도가 0.5wt%이고, 상기 하이드로겔 구조체의 기공도는 94.0 이상 94.2% 이하인 것을 특징으로 하는, 생물학적 제제 생산 장치.
It includes a microbioreactor in which cell aggregates are located within a hydrogel structure in the form of a hollow sphere,
The cell aggregates and the hydrogel structure are spaced apart from each other, and a space exists between the cell aggregates and the hydrogel structure,
The cell aggregate located within the hydrogel structure is a single cell aggregate formed by aggregation of individual cells,
The hydrogel structure is an immediate bonding reaction hydrogel ( in-situ forming or rapid forming hydrogel), which is a polysaccharide hydrogel crosslinked by ions,
The polysaccharide hydrogel is at least one selected from alginate, chitosan, pectin, and poly(N-isopropyl acrylamide),
The ion used for crosslinking the polysaccharide hydrogel is at least one metal selected from the group consisting of Fe 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Cu 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ and Ca 2+ It is a cation,
A biological agent production device, characterized in that the concentration of the polysaccharide hydrogel is 0.5 wt%, and the porosity of the hydrogel structure is 94.0 or more and 94.2% or less.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
하이드로겔 구조체 내에 위치하는 단일 세포응집체로부터 생산 혹은 분비되는 생물학적 제제는, 상기 하이드로겔 구조체의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 제제 생산 장치.
According to paragraph 1,
A biological agent production device, wherein the biological agent produced or secreted from a single cell aggregate located within the hydrogel structure is discharged to the outside of the hydrogel structure.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 생물학적 제제는, 세포외소포, 세포분비인자, 엑소좀, 항체 혹은 바이러스 백터인 것을 특징으로 하는, 생물학적 제제 생산 장치.
According to paragraph 1,
A biological agent production device, characterized in that the biological agent is an extracellular vesicle, a cell secretion factor, an exosome, an antibody, or a viral vector.
제1항에 있어서,
상기 세포응집체는, 인체유래세포, 동물세포, 식물세포, 유전자 변형 세포 혹은 숙주세포가 복수 개 응집된 것인, 생물학적 제제 생산 장치.
According to paragraph 1,
The cell aggregate is a biological agent production device in which a plurality of human-derived cells, animal cells, plant cells, genetically modified cells, or host cells are aggregated.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 중공구 형태의 하이드로겔 구조체의 내부에 세포응집체가 위치하는 미소 생물 반응기를 배양액 내에서 배양하되,
하이드로겔 구조체 내에 위치하는 상기 세포응집체로부터 생산 혹은 분비되는 생물학적 제제는, 상기 하이드로겔을 통과하여 외부로 배출되고,
상기 하이드로겔 구조체는, 이온에 의해 가교된 다당류 하이드로겔의 즉각 결합 반응 하이드로겔(in-situ forming or rapid forming hydrogel)이며,
상기 세포응집체와 하이드로겔 구조체는 서로 이격되어, 세포응집체와 하이드로겔 구조체 사이에 공간이 형성되어 있고,
상기 하이드로겔 구조체의 안쪽에 위치하는 세포응집체는 개별 세포들이 응집되어 형성된 단일 세포응집체이며,
상기 다당류 하이드로겔은, 알지네이트, 키토산, 펙틴 및 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드) 중에서 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 다당류 하이드로겔의 가교에 사용되는 이온은, Fe3+, Al3+, Cr3+, Cu2+, Ba2+, Sr2+ 및 Ca2+ 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속 양이온이며,
상기 다당류 하이드로겔의 농도가 0.5wt%이고, 상기 하이드로겔 구조체의 기공도는 94.0 이상 94.2% 이하인 것을 특징으로 하는, 생물학적 제제의 생산 방법.
A microbioreactor in which cell aggregates are located inside a hollow sphere-shaped hydrogel structure is cultured in a culture medium,
Biological agents produced or secreted from the cell aggregates located within the hydrogel structure pass through the hydrogel and are discharged to the outside,
The hydrogel structure is an immediate bonding reaction hydrogel ( in-situ forming or rapid forming hydrogel) of polysaccharide hydrogel crosslinked by ions,
The cell aggregate and the hydrogel structure are spaced apart from each other, and a space is formed between the cell aggregate and the hydrogel structure,
The cell aggregate located inside the hydrogel structure is a single cell aggregate formed by aggregation of individual cells,
The polysaccharide hydrogel is at least one selected from alginate, chitosan, pectin, and poly(N-isopropyl acrylamide),
The ion used for crosslinking the polysaccharide hydrogel is at least one metal selected from the group consisting of Fe 3+ , Al 3+ , Cr 3+ , Cu 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ and Ca 2+ It is a cation,
A method for producing a biological agent, characterized in that the concentration of the polysaccharide hydrogel is 0.5 wt%, and the porosity of the hydrogel structure is 94.0 or more and 94.2% or less.
삭제delete 삭제delete 제12항에 있어서,
상기 미소 생물 반응기는, 배양액 내에서 정적배양 혹은 동적 배양되는 것을 특징으로 하는, 생물학적 제제의 생산 방법.
According to clause 12,
A method for producing a biological agent, characterized in that the microbioreactor is statically cultured or dynamically cultured in a culture medium.
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