장기 칩

High-Content Imaging과 3D 분석을 사용하여 자동화된 High-Throughput 생체모사칩 세포 모델 개발

생체모사칩이란?

생체모사칩(Organ-on-a-chip, OoC)은 미세가공 기법을 사용하여 칩 크기의 기기에 폐, 심장 또는 장과 같은 생물학적 장기의 미니어처 모델을 만드는 기술입니다. 이러한 미세가공 기기는 마이크로 스케일 플랫폼에서 성장하고 해당 플랫폼이 대표하는 장기의 구조와 기능을 모방하는 Live Cell로 구성됩니다. 세포는 일반적으로 해당 장기의 기본 3차원 구조를 모방하는 방식으로 배열되며 혈액 또는 공기와 같은 유체를 관류시켜 장기의 생리적 환경을 나타냅니다.

OoC 기술은 복잡한 미세 환경과 장기 내 세포의 상호 작용을 더 잘 복제할 수 있는 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 장기 및 조직 모델을 만드는 데 사용됩니다. 3D Cell Model은 기존의 2D 세포 배양보다 더 정확하고 사실적인 방식으로 질병, 신약 개발, 독성학을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.

ECM 젤에서 성장한 세포 세관의 삽화가 있는 OrganoPlate® 3-lane 64 배양 칩 및 도식 표현.

생체모사칩 기술의 작동 방법

생체모사칩 기술은 일반적으로 관심 장기의 일부 형태학 측면을 모방하는 모양으로 성형되는 폴리머 소재로 구성됩니다. 그런 다음 세포를 칩에 Seeding하여 세포가 성장하고 세포 구성 및 조직 구조와 유사한 기능적 3D 구조를 형성할 수 있도록 합니다. 일부 경우에, 칩은 혈류 또는 영양분과 산소를 포함하는 다른 생리학적 조건을 세포에 제공하기 위해 장기의 미세혈관을 모방한 미세유체 채널을 포함하도록 설계될 수 있습니다.

관심 장기를 보다 사실적으로 표현하기 위해 다양한 세포 유형을 결합하여 3D 구조를 형성할 수 있습니다. 이는 세포의 서로 다른 층을 사용하거나 해당 장기의 세포외 기질을 모방하는 하이드로젤 기반 매트릭스를 사용하여 수행할 수 있습니다. 장기의 기계적, 전기적, 화학적 미세 환경을 모방하기 위해 다양한 기법을 적용할 수 있습니다. 예를 들어 칩에 유체를 관류시켜 혈류를 제공하거나 기계적으로 자극하여 심장 Contraction을 모방할 수 있습니다. 또한 산소, pH, 온도와 같은 것을 측정하여 세포의 건강 상태와 기능을 Monitoring하기 위해 센서를 칩에 통합할 수 있습니다.

칩은 현미경, Imaging 또는 생화학 Assay와 같은 다양한 기술을 사용하여 Cell Growth를 Monitoring할 수 있는 배양기에 배치됩니다. 칩이 완전히 작동하면 이를 사용하여 과학자들은 제어되고 재현 가능한 방식으로 질병, 신약 개발, 그리고 독성학을 연구할 수 있습니다. 실험이 실행될 때마다 칩이 동일한 방식으로 동일한 조건을 모방하는 데 사용될 수 있으므로, 과학자들이 다양한 실험과 투여에 걸쳐 일관되게 데이터를 비교할 수 있기 때문입니다.

High-Throughput Screening을 위한 생체모사칩 Assay의 자동화

여기에서는 OoC 배양의 자동화, Monitoring 및 자동화된 세포 분석을 위한 실험과정을 설명합니다. 자동화된 방법은 세포 배양의 자동화와 Monitoring이 가능하도록 하는 다양한 장비로 구성된 통합된 작업셀을 활용합니다. High-Content Imaging 시스템은 3D Cell Model 개발의 특성분석과 약물의 효과를 검사할 수 있도록 합니다. 통합 시스템에는 ImageXpress® Micro Confocal High-Content Imaging 시스템, 자동화된 CO2 배양기, 액체 처리기(Biomek i7), 협업 로봇이 포함됩니다. 우리는 세포 Seeding 자동화, 배지 교환, 3D 혈관 구조의 발달과 성장 Monitoring을 위한 방법을 개발했습니다. 또한 이 방법은 자동화된 약물 검사와 독성 효과 평가를 용이하게 합니다.

High-Content Imaging 솔루션이 생체모사칩 시스템 3D Imaging의 규모를 확장하고 자동화할 수 있는 방법에 대해 선임 응용 과학자인 Oksana Sirenko와 함께하는 OoC 포스터 발표 보기

Oksana Sirenko

작업셀의 개별 장비 레이아웃이 삽화로 표시됨

그림 1. 작업셀의 개별 장비 레이아웃이 (A)에 삽화로 표시됨 장비는 과정 세팅이 가능한 통합 소프트웨어(Green Button Go)에 의해 제어됩니다. 배양 세포를 Monitoring하는 과정의 예시는 (B)에 표시됨 여기서 플레이트는 배양기에서 ImageXpress Confocal HT.ai로 옮겨 Brightfield에서 Imaging한 다음 다시 배양기로 옮깁니다. 또한 과정을 예약할 수 있으며 이미지를 생성해야 하는 플레이트를 목록으로 입력하여 보다 쉽게 일괄 처리할 수 있습니다. 배지 교환(영양공급)을 위한 액체 처리기를 포함하는 더 복잡한 루틴도 구현할 수 있습니다.

생체모사칩 실험과 분석법

이 복잡한 생물학을 고급 High-Content Imaging 기술과 AI/머신 러닝 3D 분석 역량과 결합시키면 완전히 새로운 수준의 Assay가 가능하게 됩니다. 여기에서는 세포 배양, Assay, 분석의 자동화 방법을 공유하고 생체모사칩 시스템의 사용을 용이하게 하고 규모를 확대하는 데 필요한 도구를 제공할 수 있습니다.