KR102691068B1 - Apparatus for brain neural modeling - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 뇌의 미세 환경을 모사한 뇌 신경 모델링 장치가 개시된다. 뇌 신경 모델링 장치는 복수의 세포 배양 채널들 및 세포 배양 채널들 중 적어도 하나에 전기 자극 신호를 가하거나 또는 세포 배양 채널들에 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정하기 위한 전극들을 포함하는 미세유체 칩, 전극들을 통해 제공될 전기 자극 신호를 결정하고, 측정된 활성 신호를 처리하는 제어부 및 세포 배양 채널들에 배양액을 제공하는 마이크로 펌프를 포함하고, 세포 배양 채널들은 제1 뇌혈관문 모사 채널, 신경 아교 세포 채널, 제1 신경 세포 채널, 축삭 가이던스 채널, 제2 신경 세포 채널 및 제2 뇌혈관문 모사 채널을 포함할 수 있다.A brain nerve modeling device that simulates the microenvironment of the brain according to an embodiment is disclosed. The brain nerve modeling device is a microfluidic chip including a plurality of cell culture channels and electrodes for applying an electrical stimulation signal to at least one of the cell culture channels or measuring an activity signal of nerve cells cultured in the cell culture channels. , a control unit that determines the electrical stimulation signal to be provided through the electrodes and processes the measured activity signal, and a micro pump that provides culture medium to the cell culture channels, and the cell culture channels are a first cerebrovascular gate simulation channel, a nerve It may include a glial cell channel, a first neuron channel, an axonal guidance channel, a second neuron channel, and a second cerebrovascular portal mimic channel.
Description
아래 실시예들은 뇌 신경 모델링 장치 및 이에 대한 제어 기술에 관한 것이다.The following embodiments relate to a brain nerve modeling device and control technology therefor.
미세유체 기술을 이용한 세포 배양기술은 인체를 모사하여 세포에 적합한 미세환경을 제공하고, 그 기능과 특성을 구현함으로써, 실제 생체 내 기전을 보다 정확하게 반영할 수 있다는 점에서 다양한 분야에서 각광받고 있다. 최근 신경과학 분야에서 미세유체 기술을 이용한 랩온어칩(lab on a chip) 기술이 이용되고 있다. 랩온어칩 기술은 인체 유래 세포를 사용함으로써 기존 동물실험으로 진행되던 신경 장애 발달 및 진행에 대한 연구들의 한계를 보완할 수 있다. 랩온어칩 기술에서 실제 인체 내의 조직 또는 세포 간의 산소 및 영양분의 이동과 흡수, 신호전달과정이 중요하므로, 신경 세포, 신경 아교 세포, 내피세포, 상피세포 등의 다양한 세포로 이루어진 뇌 조직층을 모사하여 복수의 세포가 공동 배양되도록 할 수 있다. 그러나, 현재 기술로는 인체의 복잡한 시스템을 모두 모방하기엔 한계가 있으므로, 특정 세포들의 기전을 파악하기 위한 종합적인 플랫폼이 필요하다.Cell culture technology using microfluidic technology is attracting attention in various fields because it can more accurately reflect actual in vivo mechanisms by providing a microenvironment suitable for cells by simulating the human body and implementing their functions and characteristics. Recently, lab on a chip technology using microfluidic technology has been used in the field of neuroscience. By using human-derived cells, lab-on-a-chip technology can complement the limitations of studies on the development and progression of neurological disorders conducted through existing animal experiments. In lab-on-a-chip technology, the movement and absorption of oxygen and nutrients and signal transmission processes between tissues or cells within the actual human body are important, so brain tissue layers composed of various cells such as nerve cells, glial cells, endothelial cells, and epithelial cells are simulated. Multiple cells can be co-cultured. However, current technology has limitations in imitating all of the complex systems of the human body, so a comprehensive platform is needed to understand the mechanisms of specific cells.
일 실시예에 따른 뇌의 미세 환경을 모사한 뇌 신경 모델링 장치는 복수의 세포 배양 채널들 및 상기 세포 배양 채널들 중 적어도 하나에 전기 자극 신호를 가하거나 또는 상기 세포 배양 채널들에 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정하기 위한 전극들을 포함하는 미세유체 칩; 상기 전극들을 통해 제공될 전기 자극 신호를 결정하고, 상기 측정된 활성 신호를 처리하는 제어부; 및 상기 세포 배양 채널들에 배양액을 제공하는 마이크로 펌프를 포함하고, 상기 세포 배양 채널들은, 제1 뇌혈관문 모사 채널, 신경 아교 세포 채널, 제1 신경 세포 채널, 축삭 가이던스 채널, 제2 신경 세포 채널 및 제2 뇌혈관문 모사 채널을 포함할 수 있다.A brain nerve modeling device that simulates the microenvironment of the brain according to one embodiment includes a plurality of cell culture channels and applying an electrical stimulation signal to at least one of the cell culture channels or nerve cells cultured in the cell culture channels. A microfluidic chip including electrodes for measuring activation signals of; a control unit that determines an electrical stimulation signal to be provided through the electrodes and processes the measured activation signal; And a micro pump that provides a culture medium to the cell culture channels, wherein the cell culture channels include a first cerebrovascular portal mimic channel, a glial cell channel, a first nerve cell channel, an axonal guidance channel, and a second nerve cell channel. It may include a channel and a second cerebrovascular portal simulating channel.
상기 제1 신경 세포 채널에서 배양된 신경 세포의 신경축삭은, 상기 축삭 가이던스 채널을 통해 직렬 형태로 배양되고, 상기 제2 신경 세포 채널과 시냅스를 형성할 수 있다.Neuronal axons of nerve cells cultured in the first nerve cell channel may be cultured in a serial form through the axon guidance channel and form a synapse with the second nerve cell channel.
상기 미세유체 칩은, 상기 복수의 세포 배양 채널들 사이에 경계면을 형성하는 포스트들을 포함하고, 상기 포스트들 간의 간격은, 상기 복수의 세포 배양 채널들의 높이보다 작을 수 있다.The microfluidic chip includes posts forming an interface between the plurality of cell culture channels, and a gap between the posts may be smaller than the height of the plurality of cell culture channels.
상기 미세유체 칩은, 일정한 간격으로 배치된 상기 포스트들을 기준으로 경계면을 형성하고, 상기 경계면에서, 유체의 이동이 방지되고, 상기 세포 배양 채널들 간의 생화학적 물질 교환이 발생될 수 있다.The microfluidic chip forms an interface based on the posts arranged at regular intervals, and at the interface, movement of fluid is prevented and exchange of biochemical substances between the cell culture channels can occur.
상기 미세유체 칩은, 상기 전극들이 패터닝된 커버 슬립을 더 포함하고, 상기 전극들은 커넥터를 통해 상기 제어부와 연결되고, 상기 세포 배양 채널들에서 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정할 수 있다.The microfluidic chip further includes a cover slip on which the electrodes are patterned, the electrodes are connected to the control unit through a connector, and can measure activity signals of nerve cells cultured in the cell culture channels.
상기 커버 슬립은 상기 미세유체 칩의 아래에 배치되고, 세포는 상기 커버 슬립에 붙어서 배양될 수 있다.The cover slip is placed below the microfluidic chip, and cells can be cultured by attaching to the cover slip.
상기 제어부는, 상기 제어부에 전원을 제공하는 전원부; 상기 측정된 활성 신호를 증폭하는 증폭부; 및 상기 전원부 및 상기 증폭부 중 적어도 하나를 제어하는 콘트롤러 유닛(controller unit)을 포함할 수 있다.The control unit includes a power unit that provides power to the control unit; an amplifying unit that amplifies the measured activation signal; And it may include a controller unit that controls at least one of the power supply unit and the amplifier unit.
상기 마이크로 펌프는, 상기 제1 뇌혈관문 모사 채널 및 상기 제2 뇌혈관문 모사 채널에 단일 방향으로 배양액을 순환시킬 수 있다.The micropump may circulate the culture medium in a single direction through the first cerebrovascular portal simulating channel and the second cerebrovascular portal simulating channel.
상기 마이크로 펌프는, 개방 루프 순환 방식 또는 폐쇄 루프 순환 방식을 통해 상기 배양액을 상기 제1 뇌혈관문 모사 채널 및 상기 제2 뇌혈관문 모사 채널에 순환시킬 수 있다.The micropump may circulate the culture medium in the first cerebrovascular portal simulating channel and the second cerebrovascular portal simulating channel through an open loop circulation method or a closed loop circulation method.
상기 세포 배양 채널들 각각은 신경 세포를 주입시키기 위한 주입구; 및 유출구를 포함하고, 상기 주입구 및 상기 유출구는, 상기 미세유체 칩이 타공되어 형성되고, 상기 주입구와 유출구를 통해 상기 배양액이 순환될 수 있다.Each of the cell culture channels includes an injection port for injecting nerve cells; and an outlet, wherein the inlet and the outlet are formed by perforating the microfluidic chip, and the culture medium can be circulated through the inlet and outlet.
상기 미세유체 칩은, 상기 세포 배양 채널들 각각에서 독립적으로 신경 세포를 공배양(co-culture)할 수 있다.The microfluidic chip can independently co-culture nerve cells in each of the cell culture channels.
일 실시예에 따르면 종래의 동물 실험 및 뇌를 모사한 칩의 한계점을 극복할 수 있다.According to one embodiment, the limitations of conventional animal experiments and brain-simulating chips can be overcome.
일 실시예에 따르면 미세유체 기술을 이용하여 각 배양 채널마다 세포를 다르게 공배양하고, 이를 통해 인체의 뇌 미세환경을 모사한 미세환경을 구축할 수 있다.According to one embodiment, cells are co-cultured differently in each culture channel using microfluidic technology, and through this, a microenvironment that mimics the human brain microenvironment can be constructed.
일 실시예에 따르면 마이크로 펌프를 이용한 동적배양을 통해 단일 방향으로 순환되는 낮은 유속의 뇌 혈류를 모사할 수 있다.According to one embodiment, low flow rate cerebral blood flow circulating in a single direction can be simulated through dynamic culture using a micropump.
일 실시예에 따르면 다양한 공배양 조건을 비롯해 약물 및 전기시험이 가능하므로 각 시험에 대한 세포 간 상호작용을 효과적으로 평가할 수 있다.According to one embodiment, various co-culture conditions, as well as drug and electrical tests, are possible, so the interaction between cells for each test can be effectively evaluated.
일 실시예에 따르면 구분된 복수의 신경 세포 배양 채널과 이들을 잇는 신경축삭 채널 구조를 통해 퇴행성 신경질환을 보다 직관적으로 모사할 수 있다.According to one embodiment, neurodegenerative diseases can be more intuitively simulated through the structure of a plurality of differentiated nerve cell culture channels and the nerve axon channel structure connecting them.
일 실시예에 따르면 마이크로 전극을 통해 전기 자극의 인가 및 센싱이 가능해 전기 자극 치료 평가, 신경 세포의 활성 신호 측정 또는 세포 간 시냅스를 평가할 수 있다. According to one embodiment, electrical stimulation can be applied and sensed through a microelectrode, making it possible to evaluate electrical stimulation treatment, measure activity signals of nerve cells, or evaluate synapses between cells.
일 실시예에 따르면 투명한 칩 구조를 가지므로 모사된 미세환경에서의 형질학적 변화를 실시간으로 관찰이 가능하다.According to one embodiment, since it has a transparent chip structure, it is possible to observe phenotypic changes in a simulated microenvironment in real time.
도 1 및 도 2는 일 실시예에 따른 미세유체 칩의 구조를 도시하는 도면들이다.
도 3은 일 실시예에 따른 인체를 모사하는 미세유체 칩의 세포 배양 채널들을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 신경 세포 채널들 간에 형성된 시냅스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 미세유체 칩과 기판을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 일 실시예에 따른 뇌 신경 모델링 장치의 구성을 도시하는 도면이다.Figures 1 and 2 are diagrams showing the structure of a microfluidic chip according to one embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating cell culture channels of a microfluidic chip simulating the human body according to an embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a synapse formed between nerve cell channels according to an embodiment.
FIGS. 5 and 6 are diagrams for explaining a microfluidic chip and a substrate according to an embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of a brain nerve modeling apparatus according to an embodiment.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for illustrative purposes only and may be changed and implemented in various forms. Accordingly, the actual implementation form is not limited to the specific disclosed embodiments, and the scope of the present specification includes changes, equivalents, or substitutes included in the technical idea described in the embodiments.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” to another component, it should be understood that it may be directly connected or connected to the other component, but that other components may exist in between.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of the described features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, and are intended to indicate the presence of one or more other features or numbers, It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art. Terms as defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in this specification, should not be interpreted in an idealized or overly formal sense. No.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. In the description with reference to the accompanying drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted.
본 명세서에서 설명하는 뇌 신경 모델링 장치는 종래의 동물실험 및 뇌를 모사한 칩의 한계점을 해결하기 위한 것일 수 있다. 뇌 신경 모델링 장치는 퇴행성 신경질환을 모사할 수 있고, 공배양 기술과 마이크로 전극을 이용해 생체 내 기전을 보다 정확하게 연구하고 평가하기 위한 플랫폼일 수 있다.The brain nerve modeling device described in this specification may be intended to solve the limitations of conventional animal experiments and chips that simulate the brain. A brain nerve modeling device can simulate degenerative neurological diseases and can be a platform to more accurately study and evaluate in vivo mechanisms using co-culture technology and microelectrodes.
최근 신경 아교 세포가 신경퇴행성질환에서의 역할에 대한 중요성이 대두되면서, 공배양된 세포 간 상호작용에 의한 신경 세포의 반응성, 약물의 효능 및 독성을 평가하는 방법이 연구되고 있다.Recently, as the importance of the role of glial cells in neurodegenerative diseases has emerged, methods to evaluate the responsiveness of nerve cells and the efficacy and toxicity of drugs through interactions between co-cultured cells are being studied.
본 명세서에서 설명하는 뇌 신경 모델링 장치는 인체의 뇌 미세 환경을 모사하여 뇌 미세 환경과 유사한 환경에서 여러가지 실험에 대한 신경 세포들 간의 상호작용을 효과적으로 평가할 수 있다.The brain nerve modeling device described in this specification can effectively evaluate interactions between nerve cells for various experiments in an environment similar to the brain microenvironment by simulating the human brain microenvironment.
뇌 신경 모델링 장치는 미세유체 기술에 기반하여 뇌 신경을 모델링한 뇌 신경 모델을 생성할 수 있다. 뇌 신경 모델은 미세한 크기의 전극을 실시간 생체 센서로써 사용할 수 있다. 예를 들어 전극은 TEER(Trans-epithelial electrical resistance) 측정법을 이용하여 뇌혈관문(Blood -brain barrier; BBB)의 침투성을 측정할 수 있고, 신경 세포의 활성 신호를 측정하거나 또는 전기 자극 신호를 인가할 수 있다. TEER 측정법은 밀착 연접(Tight junction)이 얼마나 형성되었는지 측정하는 측정 방법일 수 있다. 즉, TEER 측정법은 밀착 연접이 형성된 정도를 측정하는 측정 방법일 수 있다.The cranial nerve modeling device can generate a cranial nerve model modeling cranial nerves based on microfluidic technology. The brain nerve model can use microscopic electrodes as real-time biosensors. For example, the electrode can measure the permeability of the blood-brain barrier (BBB) using TEER (Trans-epithelial electrical resistance) measurement, measure the activity signal of nerve cells, or apply an electrical stimulation signal. can do. The TEER measurement method can be a measurement method that measures how much tight junctions have been formed. In other words, the TEER measurement method may be a measurement method that measures the degree to which tight junctions are formed.
본 명세서에서 설명하는 뇌 신경 모델링 장치는 미세유체 칩, 제어부 및 마이크로 펌프를 포함할 수 있다. 제어부는 미세유체 칩의 전극들을 통해 제공될 전기 자극 신호를 결정하고, 측정된 활성 신호를 처리할 수 있다. 또한, 마이크로 펌프는 세포 배양 채널들에 배양액을 제공할 수 있다. 제어부와 마이크로 펌프에 대한 설명은 도 7에서 보다 자세히 설명될 수 있다.The brain nerve modeling device described herein may include a microfluidic chip, a control unit, and a micropump. The control unit may determine an electrical stimulation signal to be provided through the electrodes of the microfluidic chip and process the measured activation signal. Additionally, the micropump can provide culture medium to cell culture channels. Description of the control unit and micro pump can be explained in more detail in FIG. 7.
미세유체 칩은 복수의 세포 배양 채널들 및 세포 배양 채널들 중 적어도 하나에 전기 자극 신호를 가하거나 또는 세포 배양 채널들에 배양된 세포의 활성 신호를 측정하기 위한 전극들을 포함할 수 있다. 미세유체 칩은 세포 배양 채널들 각각에서 독립적으로 신경 세포를 공배양(co-culture)할 수 있다.The microfluidic chip may include a plurality of cell culture channels and electrodes for applying an electrical stimulation signal to at least one of the cell culture channels or measuring an activity signal of cells cultured in the cell culture channels. The microfluidic chip can co-culture nerve cells independently in each of the cell culture channels.
도 1 및 도 2는 일 실시예에 따른 미세유체 칩의 구조를 도시하는 도면들이다. 도 1을 참조하면, 미세유체 칩(120)은 전극(110) 및 복수의 세포 배양 채널들을 포함할 수 있다. 미세유체 칩(120)에 포함된 세포 배양 채널들은 제1 뇌혈관문 모사 채널(130), 신경 아교 세포 채널(150), 제1 신경 세포 채널(160), 축삭 가이던스 채널(170), 제2 신경 세포 채널(180) 및 제2 뇌혈관문 모사 채널(190)을 포함할 수 있다.Figures 1 and 2 are diagrams showing the structure of a microfluidic chip according to one embodiment. Referring to FIG. 1, the
미세유체 칩(120)은 복수의 세포 배양 채널들 사이에 경계면을 형성하는 포스트들(140)도 포함할 수 있다. 포스트들(140) 간의 간격은, 세포 배양 채널들 간의 유체 이동을 방지하기 위해 복수의 세포 배양 채널들의 높이보다 작을 수 있다. 미세유체 칩(120)은 일정한 간격으로 배치된 포스트들(140)을 기준으로 경계면을 형성할 수 있다. 예를 들어, 각 세포 배양 채널들은 너비 1000um, 높이 250um로 이루어져 있을 수 있고, 각 세포 배양 채널들 사이에 100um 간격의 포스트들(140)을 기준으로 경계면이 형성될 수 있다. 경계면에서는 유체의 이동이 방지되고, 세포 배양 채널들 간의 생화학적 물질 교환이 발생될 수 있다.The
신경 아교 세포 채널(150)은 신경 아교 세포를 포함할 수 있다. 신경 아교 세포는 신경 세포의 10분의 1 크기이지만 개수는 약 10배 정도로 존재하며, 신경 세포의 회복, 절연, 면역 작용, 영양공급 및 세포외액의 조절 등을 수행할 수 있다.
제1 신경 세포 채널(160)은 신경 세포를 배양할 수 있다. 제1 신경 세포 채널(160)에서 배양된 신경 세포의 신경축삭은 축삭 가이던스 채널(170)을 통해 직렬 형태로 배양되고, 제2 신경 세포 채널(180)과 시냅스를 형성할 수 있다. 이를 통해 미세유체 칩(120)은 신경축삭을 정렬된 형태로 성장시킬 수 있다.The first
미세유체 칩(120)은 퇴행성 신경질환을 물리적 또는 화학적으로 모사할 수 있고, 제1 뇌혈관문 모사 채널 및 제2 뇌혈관문 모사 채널 중 적어도 하나의 뇌혈관문 또는 신경 아교 세포 채널의 신경 아교 세포를 조절함으로써 다양한 조건의 연구가 가능하도록 할 수 있다.The
도 2를 참조하면, 미세유체 칩은 전극들(210, 215, 220, 225)이 패터닝된 커버 슬립을 더 포함할 수 있다. 전극들 중 전극들(210, 215)은 커넥터를 통해 제어부와 연결될 수 있다. 또한, 전극들(220, 225)은 제1 신경 세포 채널 및 제2 신경 세포 채널에 배치되어, 전기 자극 신호를 인가하거나, 세포 배양 채널들에서 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정할 수 있다. 또한 전극들(220, 225)은 다양한 신호를 인가하거나 측정할 수도 있다. 전극들(210, 215, 220, 225)의 재질은 생체적합성이 우수한 물질이 사용될 수 있고, 예를 들어, TiN(Titanium nitride) 또는 ITO(Indium tin oxide)일 수 있다. 전극들(210, 215, 220, 225)의 크기는, 신경 세포 단위의 자극 및 활성 측정이 가능하도록 하기 위해, 예를 들어, 약 지름 30um, 간격 200um로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2, the microfluidic chip may further include a cover slip on which
일 실시예에서 세포 배양 채널들 각각은 신경 세포를 주입시키기 위한 주입구(230)와, 유출구(240)를 포함할 수 있다. 주입구(230)와 유출구(240)는 미세유체 칩이 타공되어 형성될 수 있다. 주입구(230)와 유출구(240)를 통해 배양액이 순환될 수 있다. 이 실시예에서 주입구(230)를 통해 주입된 신경 세포는 유출구(240)의 방향으로 순환될 수 있다.In one embodiment, each of the cell culture channels may include an
다른 실시예에서 세포 배양 채널들 각각은 주입구(240) 및 유출구(230)를 포함할 수 있다. 주입구(240)와 유출구(230)를 통해 배양액이 순환될 수 있다. 이 실시예에서 주입구(240)를 통해 주입된 신경 세포는 유출구(230)의 방향으로 순환될 수 있다.In another embodiment, each of the cell culture channels may include an
도 3은 일 실시예에 따른 인체를 모사하는 미세유체 칩의 세포 배양 채널들을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating cell culture channels of a microfluidic chip simulating the human body according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 미세유체 칩은 뇌의 미세 환경을 모사할 수 있다. 미세유체 칩 복수의 세포 배양 채널들을 포함할 수 있고, 세포 배양 채널들 중 뇌혈관문 모사 채널은 인체의 혈관을 모사한 혈관내피세포를 포함할 수 있다. 또한, 신경 아교 세포 채널은 인체의 신경 아교 세포를 모사한 신경 아교 세포(320)를 포함할 수 있고, 신경 세포 채널은 인체의 신경 세포를 모사한 신경 세포(330)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 3, a microfluidic chip can simulate the microenvironment of the brain. The microfluidic chip may include a plurality of cell culture channels, and among the cell culture channels, the cerebrovascular portal-mimetic channel may include vascular endothelial cells that simulate blood vessels of the human body. Additionally, the glial cell channel may include
도 4는 일 실시예에 따른 신경 세포 채널들 간에 형성된 시냅스를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a synapse formed between nerve cell channels according to an embodiment.
도 4를 참조하면, 단계(410)은 제1 신경 세포 채널(450)에서 배양된 신경축삭(440)이 제2 신경 세포 채널(470)과 시냅스를 형성하기 전의 형태를 나타내고 단계(420)은 제1 신경 세포 채널(450)에서 배양된 신경축삭(442)이 제2 신경 세포 채널(470)과 시냅스를 형성한 후의 형태를 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4,
단계(410)을 참조하면, 제1 신경 세포 채널(450) 및 제2 신경 세포 채널(470)은 신경 세포를 포함할 수 있고, 제1 신경 세포 채널(450) 및 제2 신경 세포 채널(470)에 전극(430)이 배치되어 있을 수 있다. 단계(410)에서는 전극(430)에 의해 제1 신경 세포 채널(450)에 전기 자극 신호가 인가되어도 제2 신경 세포 채널(470)에는 전기 자극 신호가 측정되지 않을 수 있다. 단계(410)에서 신경축삭(440)이 축삭 가이던스 채널(460)을 따라서 배양되면 단계(420)에서 신경축삭(442)이 제2 신경 세포 채널(470)에 포함된 신경 세포와 연결될 수 있다. 이때, 제1 신경 세포 채널(450)의 전극(430)에 의해 인가된 전기 자극 신호는 신경축삭을 따라 제2 신경 세포 채널(470)에 배치된 전극(480)에도 전달될 수 있고, 제2 신경 세포 채널(470)에 포함된 신경 세포 채널도 전기 자극 신호가 측정될 수 있다.Referring to step 410, the first
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 미세유체 칩과 기판을 설명하기 위한 도면들이다.FIGS. 5 and 6 are diagrams for explaining a microfluidic chip and a substrate according to an embodiment.
도 5를 참조하면, 미세유체 칩(520)은 전극들이 패터닝된 커버 슬립을 포함할 수 있다. 커버 슬립은 미세유체 칩(520)의 아래에 배치될 수 있고, 미세유체 칩(520)은 기판(510)과 결합되어 플랫폼을 완성할 수 있다. 미세유체 칩(520)은 예를 들어, 포토리소그래피(photolithography) 또는 소프트리소그래피(soft-lithography) 공정으로 제작된 실리콘웨이퍼 마스터로 구성될 수 있다. 또한, 미세유체 칩(520)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리아크릴레이트, 유리 등의 소재로 구성될 수도 있고, 이에 한정되지 않는다. 또한, 커버 슬립은 예를 들어 유리와 같은 투명한 재질의 소자로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5, the
도 6을 참조하면, 세포는 커버 슬립(630)에 붙어서 배양될 수 있다. 신경 세포에 전기 자극 신호를 인가하는 것과 신경 세포의 활성 신호를 측정하는 것이 원활하도록 세포는 커버 슬립(630)인 바닥에 붙어서 배양될 수 있다. 커버 슬립(630)에는 전극들(640)이 패터닝되어 있을 수 있고 미세유체 칩은 미세유체 칩이 타공되어 형성된 주입구(610)와 유출구(620)를 포함할 수 있다. 배양액은 주입구(610)와 유출구(620)를 통해 순환되어 신경 세포에 제공될 수 있다.Referring to Figure 6, cells can be cultured attached to the
도 7은 일 실시예에 따른 뇌 신경 모델링 장치의 구성을 도시하는 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of a brain nerve modeling apparatus according to an embodiment.
도 7을 참조하면, 뇌 신경 모델링 장치는 제어부(710), 커넥터(750), 미세유체 칩(760) 및 마이크로 펌프(770)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the brain nerve modeling device may include a control unit 710, a connector 750, a
일 실시예에서 미세유체 칩(760)은 복수의 세포 배양 채널들 및 세포 배양 채널들 중 적어도 하나에 전기 자극 신호를 가하거나 또는 세포 배양 채널들에 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정하기 위한 전극들을 포함할 수 있다. 미세유체 칩(760)은 전극들이 패터닝된 커버 슬립을 더 포함할 수 있다. 전극들은 커넥터(750)를 통해 제어부(710)와 연결되고, 세포 배양 채널들에서 배양된 신경 세포의 활성을 측정할 수 있다.In one embodiment, the
제어부(710)는 전극들을 통해 제공될 전기 자극 신호를 결정하고, 전극이 신경 세포의 활성 신호를 측정하거나 또는 센싱하는 것을 제어할 수 있다. 제어부(710)는 측정된 활성 신호를 처리할 수 있다. 제어부(710)는 전원부(730), 증폭부(720) 및 콘트롤러 유닛(controller unit)(740)을 포함할 수 있다. 전원부(730)는 제어부(710)에 전원을 제공할 수 있다. 증폭부(720)는 측정된 활성 신호를 증폭할 수 있다. 콘트롤러 유닛(740)은 전원부(730) 및 증폭부(720) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 콘트롤러 유닛(740)은 마이크로 콘트롤러 유닛 또는 MCU((micro controller unit)이라고 지칭될 수도 있다.The control unit 710 may determine electrical stimulation signals to be provided through the electrodes and control the electrodes to measure or sense the activity signals of nerve cells. The control unit 710 may process the measured activation signal. The control unit 710 may include a power unit 730, an amplifier 720, and a
마이크로 펌프(770)는 세포 배양 채널들에 배양액을 제공할 수 있다. 마이크로 펌프(770)는 제1 뇌혈관문 모사 채널 및 제2 뇌혈관문 모사 채널에 단일 방향으로 배양액을 순환시킬 수 있다. 또한, 마이크로 펌프(770)는 개방 루프 순환 방식 또는 폐쇄 루프 순환 방식을 통해 배양액을 제1 뇌혈관문 모사 채널 및 제2 뇌혈관문 모사 채널에 순환시킬 수 있다. 배양액의 순환 방식은 실험 디자인에 기초하여 결정될 수 있다. 마이크로 펌프(770)는 예를 들어, 배양액을 0.1 dyn/cm의 낮은 유속으로 순환시킴으로써 뇌 혈류를 모사할 수 있다.The
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The hardware devices described above may be configured to operate as one or multiple software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on this. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.
110, 210, 215, 220, 225, 430, 480, 640: 전극
120, 520, 760: 미세유체 칩 140: 포스트
510: 기판 610: 주입구
620: 유출구 710: 제어부
630: 커버 슬립 720: 증폭부
730: 전원부 740: 콘트롤러 유닛
750: 커넥터 770: 마이크로 펌프110, 210, 215, 220, 225, 430, 480, 640: Electrodes
120, 520, 760: Microfluidic chip 140: Post
510: substrate 610: injection port
620: outlet 710: control unit
630: cover slip 720: amplification unit
730: Power unit 740: Controller unit
750: Connector 770: Micro Pump
Claims (11)
복수의 세포 배양 채널들 및 상기 세포 배양 채널들 중 적어도 하나에 전기 자극 신호를 가하거나 또는 상기 세포 배양 채널들에 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정하기 위한 전극들을 포함하는 미세유체 칩;
상기 전극들을 통해 제공될 전기 자극 신호를 결정하고, 상기 측정된 활성 신호를 처리하는 제어부; 및
상기 세포 배양 채널들에 배양액을 제공하는 마이크로 펌프를 포함하고,
상기 세포 배양 채널들은,
제1 뇌혈관문 모사 채널, 신경 아교 세포 채널, 제1 신경 세포 채널, 축삭 가이던스 채널, 제2 신경 세포 채널 및 제2 뇌혈관문 모사 채널을 포함하고,
상기 제1 신경 세포 채널에서 배양된 신경 세포의 신경축삭은,
상기 축삭 가이던스 채널을 통해 직렬 형태로 배양되고, 상기 제2 신경 세포 채널과 시냅스를 형성하는,
뇌 신경 모델링 장치.In a brain nerve modeling device that simulates the microenvironment of the brain,
A microfluidic chip including a plurality of cell culture channels and electrodes for applying an electrical stimulation signal to at least one of the cell culture channels or measuring an activity signal of nerve cells cultured in the cell culture channels;
a control unit that determines an electrical stimulation signal to be provided through the electrodes and processes the measured activation signal; and
It includes a micro pump that supplies culture medium to the cell culture channels,
The cell culture channels are,
It includes a first cerebrovascular portal-mimetic channel, a glial cell channel, a first neuronal channel, an axonal guidance channel, a second neuronal cell channel, and a second cerebrovascular portal-mimetic channel;
Neuronal axons of nerve cells cultured in the first nerve cell channel,
Cultured in serial form through the axon guidance channel, forming a synapse with the second nerve cell channel,
Brain nerve modeling device.
복수의 세포 배양 채널들 및 상기 세포 배양 채널들 중 적어도 하나에 전기 자극 신호를 가하거나 또는 상기 세포 배양 채널들에 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정하기 위한 전극들을 포함하는 미세유체 칩;
상기 전극들을 통해 제공될 전기 자극 신호를 결정하고, 상기 측정된 활성 신호를 처리하는 제어부; 및
상기 세포 배양 채널들에 배양액을 제공하는 마이크로 펌프를 포함하고,
상기 세포 배양 채널들은,
제1 뇌혈관문 모사 채널, 신경 아교 세포 채널, 제1 신경 세포 채널, 축삭 가이던스 채널, 제2 신경 세포 채널 및 제2 뇌혈관문 모사 채널을 포함하고,
상기 미세유체 칩은,
상기 복수의 세포 배양 채널들 사이에 경계면을 형성하는 포스트들을 포함하고,
상기 포스트들 간의 간격은,
상기 복수의 세포 배양 채널들의 높이보다 작은,
뇌 신경 모델링 장치.In a brain nerve modeling device that simulates the microenvironment of the brain,
A microfluidic chip including a plurality of cell culture channels and electrodes for applying an electrical stimulation signal to at least one of the cell culture channels or measuring an activity signal of nerve cells cultured in the cell culture channels;
a control unit that determines an electrical stimulation signal to be provided through the electrodes and processes the measured activation signal; and
It includes a micro pump that supplies culture medium to the cell culture channels,
The cell culture channels are,
It includes a first cerebrovascular portal-mimetic channel, a glial cell channel, a first neuronal channel, an axonal guidance channel, a second neuronal cell channel, and a second cerebrovascular portal-mimetic channel;
The microfluidic chip,
Includes posts forming an interface between the plurality of cell culture channels,
The spacing between the posts is,
Smaller than the height of the plurality of cell culture channels,
Brain nerve modeling device.
상기 미세유체 칩은, 일정한 간격으로 배치된 상기 포스트들을 기준으로 경계면을 형성하고,
상기 경계면에서, 유체의 이동이 방지되고, 상기 세포 배양 채널들 간의 생화학적 물질 교환이 발생되는,
뇌 신경 모델링 장치.According to paragraph 3,
The microfluidic chip forms an interface based on the posts arranged at regular intervals,
At the interface, movement of fluid is prevented and exchange of biochemical substances between the cell culture channels occurs,
Brain nerve modeling device.
복수의 세포 배양 채널들 및 상기 세포 배양 채널들 중 적어도 하나에 전기 자극 신호를 가하거나 또는 상기 세포 배양 채널들에 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정하기 위한 전극들을 포함하는 미세유체 칩;
상기 전극들을 통해 제공될 전기 자극 신호를 결정하고, 상기 측정된 활성 신호를 처리하는 제어부; 및
상기 세포 배양 채널들에 배양액을 제공하는 마이크로 펌프를 포함하고,
상기 세포 배양 채널들은,
제1 뇌혈관문 모사 채널, 신경 아교 세포 채널, 제1 신경 세포 채널, 축삭 가이던스 채널, 제2 신경 세포 채널 및 제2 뇌혈관문 모사 채널을 포함하고,
상기 미세유체 칩은,
상기 전극들이 패터닝된 커버 슬립을 더 포함하고,
상기 전극들은,
커넥터를 통해 상기 제어부와 연결되고, 상기 세포 배양 채널들에서 배양된 신경 세포의 활성 신호를 측정하는,
뇌 신경 모델링 장치.In a brain nerve modeling device that simulates the microenvironment of the brain,
A microfluidic chip including a plurality of cell culture channels and electrodes for applying an electrical stimulation signal to at least one of the cell culture channels or measuring an activity signal of nerve cells cultured in the cell culture channels;
a control unit that determines an electrical stimulation signal to be provided through the electrodes and processes the measured activation signal; and
It includes a micro pump that supplies culture medium to the cell culture channels,
The cell culture channels are,
It includes a first cerebrovascular portal-mimetic channel, a glial cell channel, a first neuronal channel, an axonal guidance channel, a second neuronal cell channel, and a second cerebrovascular portal-mimetic channel;
The microfluidic chip,
Further comprising a cover slip on which the electrodes are patterned,
The electrodes are,
Connected to the control unit through a connector and measuring activity signals of nerve cells cultured in the cell culture channels,
Brain nerve modeling device.
상기 커버 슬립은 상기 미세유체 칩의 아래에 배치되고,
세포는 상기 커버 슬립에 붙어서 배양되는,
뇌 신경 모델링 장치.According to clause 5,
The cover slip is placed below the microfluidic chip,
Cells are cultured by attaching to the cover slip,
Brain nerve modeling device.
상기 제어부는,
상기 제어부에 전원을 제공하는 전원부;
상기 측정된 활성 신호를 증폭하는 증폭부; 및
상기 전원부 및 상기 증폭부 중 적어도 하나를 제어하는 콘트롤러 유닛(controller unit)
을 포함하는,
뇌 신경 모델링 장치.According to paragraph 1,
The control unit,
a power supply unit that provides power to the control unit;
an amplifying unit that amplifies the measured activation signal; and
A controller unit that controls at least one of the power supply unit and the amplifier unit.
Including,
Brain nerve modeling device.
상기 마이크로 펌프는,
상기 제1 뇌혈관문 모사 채널 및 상기 제2 뇌혈관문 모사 채널에 단일 방향으로 배양액을 순환시키는,
뇌 신경 모델링 장치.According to paragraph 1,
The micro pump,
Circulating the culture medium in a single direction in the first cerebrovascular portal simulating channel and the second cerebrovascular portal simulating channel,
Brain nerve modeling device.
상기 마이크로 펌프는,
개방 루프 순환 방식 또는 폐쇄 루프 순환 방식을 통해 상기 배양액을 상기 제1 뇌혈관문 모사 채널 및 상기 제2 뇌혈관문 모사 채널에 순환시키는,
뇌 신경 모델링 장치.According to clause 8,
The micro pump,
Circulating the culture medium in the first cerebrovascular portal simulating channel and the second cerebrovascular portal simulating channel through an open loop circulation method or a closed loop circulation method,
Brain nerve modeling device.
상기 세포 배양 채널들 각각은,
신경 세포를 주입시키기 위한 주입구; 및
유출구
를 포함하고,
상기 주입구 및 상기 유출구는,
상기 미세유체 칩이 타공되어 형성되고,
상기 주입구와 유출구를 통해 상기 배양액이 순환되는,
뇌 신경 모델링 장치.According to paragraph 1,
Each of the cell culture channels,
An injection port for injecting nerve cells; and
outlet
Including,
The inlet and the outlet are,
The microfluidic chip is formed by perforating,
The culture medium is circulated through the inlet and outlet,
Brain nerve modeling device.
상기 미세유체 칩은,
상기 세포 배양 채널들 각각에서 독립적으로 신경 세포를 공배양(co-culture)하는,
뇌 신경 모델링 장치.According to paragraph 1,
The microfluidic chip,
Co-culturing nerve cells independently in each of the cell culture channels,
Brain nerve modeling device.
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