KR101908056B1 - Electrical impedance monitoring system and method of c2c12 myoblast differentiation on an indium tin oxide electrode - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템을 개시하였다. 본 발명은 세포칩, 세포외 기질, 임피던스 측정부, 제어부를 포함한다. 세포칩은 투명 기판 위에 패터닝된 작용전극, 상대전극 및 전극들 위에 부착된 세포 배양 챔버를 구비한다. 세포외 기질은 세포 배양 챔버 내에 형성한다. 임피던스 측정부는 세포 칩에 교류 전류를 인가하고 상기 배양 챔버 내의 배양액, 배양세포 및 측정전극의 응답 전위를 측정한다. 제어부는 임피던스 측정부의 측정값을 전달받아 상기 배양세포의 분화 여부를 판단한다. 본 발명에 의하면, 표지 없이 실시간으로 근아세포의 분화를 정량적으로 평가할 수 있으며, 근육 질환 치료제 또는 약물 후보 물질의 개발에 활용할 수 있다.The present invention discloses an electrical impedance monitoring system of muscular cells. The present invention includes a cell chip, an extracellular matrix, an impedance measuring unit, and a control unit. The cell chip has a cell culture chamber attached over a patterned working electrode, counter electrode and electrodes on a transparent substrate. The extracellular matrix forms in the cell culture chamber. The impedance measuring unit applies an alternating current to the cell chip and measures the response potential of the culture liquid, culture cells and measuring electrode in the culture chamber. The control unit receives the measured value of the impedance measuring unit and determines whether the cultured cells are differentiated. According to the present invention, it is possible to quantitatively evaluate the differentiation of myofibroblasts in real time without labeling, and can be utilized in the development of a therapeutic agent for muscle diseases or a drug candidate.
Description
본 발명은 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명전극과 세포외 기질을 사용하여 표지 없이 실시간으로 근아세포의 분화를 정량적으로 평가함으로써 근육 질환 치료제 또는 약물 후보 물질의 개발에 활용할 수 있는 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a system for monitoring electrical impedance of muscle myoblasts, and more particularly, to a method for monitoring myocyte differentiation by quantitatively evaluating myoblast differentiation in real time without a label using a transparent electrode and an extracellular matrix, To an electrical impedance monitoring system for myofibers that can be utilized.
몸의 가장 큰 기관인 골격근은 전체 체질량의 40%에서 50%를 차지하며 운동, 내장기관의 단열 및 신진대사에 중요한 역할을 한다. 근육기능의 손상은 당뇨, 비만, 근육소모, 노화와 같은 많은 병리학적 변화를 일으킬 수 있다. 따라서, 근육세포를 이용한 시험관내(in vitro) 연구는 생체 내 영향을 예측하는 수단으로 수행되어왔다. The skeletal muscle, the largest organ of the body, accounts for 40% to 50% of the total body mass, and plays an important role in exercise, insulaion and metabolism of internal organs. Damage to muscle function can cause many pathological changes such as diabetes, obesity, muscle wasting, and aging. Thus, in vitro studies using muscle cells have been performed as a means of predicting in vivo effects.
그러나, 이러한 연구를 위해서는 잘 정의된 분화된 세포를 재생산하는 것이 필요한데, 아직 충분한 양으로 재생산하는 것은 어려운 실정이다. 또한 일관된 결과를 얻기 위해서는 세포의 기능을 정량적으로 평가할 수 있는 새로운 기술이 필요하다. However, for these studies it is necessary to reproduce well-defined differentiated cells, yet it is difficult to reproduce them in sufficient quantities. In order to achieve consistent results, new techniques are needed to quantitatively evaluate cell functions.
C2C12 세포주(cell line)는 근관세포(myotubes)로 분화하는 근육분화(myogenesis) 동안 다양한 단백질을 발현하는 마우스 근아세포(myoblast) 세포주이다. C2C12 근아세포와 분화된 C2C12 세포는 당뇨병, 만성 심부전증, 만성 신장 질환과 같은 질병에 대한 역학 연구와 함께 근육 세포 재생, 대사, 인슐린 작용 및 근육 위축에 대한 연구를 포함하여 다양한 시험관내 연구에 사용된다.The C2C12 cell line is a myoblast cell line that expresses various proteins during myogenesis that differentiate into myotubes. C2C12 cells differentiated from C2C12 myofibroblasts are used in a variety of in vitro studies, including epidemiological studies on diseases such as diabetes, chronic heart failure and chronic kidney disease, as well as studies on muscle cell regeneration, metabolism, insulin action and muscle atrophy .
세포 반응이나 외부 자극에 대한 행동을 정확하게 연구하려면 세포의 생리학적 및 형태학적 변화를 특징짓는 실시간 및 비파괴 측정을 사용해야한다. Giaver와 Keese에 의해 개발된 전기적 셀-기판 임피던스 측정 (Electrical cell-substrate impedance sensing; ECIS)은 실시간 및 표지 없는 세포 행동의 탐지를 위한 측정법이다.Accurate study of cell responses or actions to external stimuli should use real-time and nondestructive measurements that characterize physiological and morphological changes in the cell. Electrical cell-substrate impedance sensing (ECIS), developed by Giaver and Keese, is a method for detecting real-time and unlabeled cell behavior.
전극을 덮고 있는 셀의 주파수 의존 전기 임피던스는 약한 교류 전기장을 가하면서 측정된 동 위상 및 역 위상 전위로부터 얻어진다. 셀 매개 변수의 값은 전류 경로와 전극과 셀 사이의 계면에서의 전위 분포를 기술하기 위해 설계된 등가 회로 모델을 사용하여 추출할 수 있다.The frequency-dependent electrical impedance of the cell covering the electrode is obtained from the in-phase and reverse-phase potentials measured while applying a weak alternating electric field. The value of the cell parameter can be extracted using an equivalent circuit model designed to describe the current path and the potential distribution at the interface between the electrode and the cell.
ECIS는 약물 후보 또는 배양 조건에 대한 세포 반응의 높은 처리량 및 비파괴 스크리닝을 허용한다. ECIS는 세포 부착, 증식, 전이, 괴사, 세포 사멸, 상처 치유 및 분화를 정량화하는데 사용될 수 있다.ECIS allows high throughput and non-destructive screening of cellular responses to drug candidates or culture conditions. ECIS can be used to quantify cell adhesion, proliferation, metastasis, necrosis, apoptosis, wound healing, and differentiation.
지금까지 인간 간엽 줄기 세포 (hMSC)의 성장, 지방 세포로의 hMSC 분화, hMSC의 골 분화, hMSCs의 신경 분화, 지방 조직 유래 줄기 세포 (ADSC) 성장과 ADSCs의 노화의 전기적 임피던스 특징이 보고되었다.Up to now, electrical impedance characteristics of human mesenchymal stem cell (hMSC) growth, hMSC differentiation into adipocytes, bone differentiation of hMSC, neural differentiation of hMSCs, growth of adipose tissue stem cells (ADSC) and aging of ADSCs have been reported.
또한, 줄기 세포 분화에 대한 나노 입자, 그래핀 또는 나노 입자와 그래핀 혼합물에 의해 패턴화 된 전극 물질 및 구조의 영향이 조사되었다. 분화 또는 미분화 줄기 세포의 전기 화학적 신호를 측정한 실험은 줄기 세포의 다 분화능을 정량화하기 위해 전기 화학적 표지가 사용될 수 있음을 보여 주었다.In addition, the effects of electrode material and structure patterned by nanoparticles, graphene or nanoparticles and a graphene mixture on stem cell differentiation were investigated. Experiments measuring electrochemical signals of differentiated or undifferentiated stem cells have shown that electrochemical markers can be used to quantify the pluripotency of stem cells.
그러나, 아직까지 근아세포 분화를 위한 ECIS 모니터링 시스템 및 프로토콜이 제안되지 않은 상태이다.However, the ECIS monitoring system and protocol for myofibroblast differentiation has not yet been proposed.
따라서 본 발명의 목적은, 표지 없이 실시간으로 근아세포 분화를 정량적으로 평가할 수 있는 전기적 임피던스 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrical impedance monitoring system capable of quantitatively evaluating myofacial differentiation in real time without a label.
본 발명의 다른 목적은, 근아세포 분화의 전기적 임피던스 모니터링에 투명 전극을 사용하여 광학적 모니터링도 가능한 세포칩 구조를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a cell chip structure which can be optically monitored by using a transparent electrode for monitoring electrical impedance of myofibroblast differentiation.
본 발명의 또 다른 목적은, 투명 전극을 사용한 전기적 임피던스 모니터링 시스템의 최적 측정 조건 및 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide an optimum measurement condition and method of an electrical impedance monitoring system using a transparent electrode.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태에 따르면, 본 발명은 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템에 있어서, 기판 위에 패터닝된 작용전극, 상대전극 및 상기 작용전극 위에 부착된 세포 배양 챔버를 구비한 세포 칩; 상기 세포 배양 챔버 내에 형성된 세포외 기질; 상기 세포 칩에 교류 전류를 인가하고 상기 배양 챔버 내의 배양액, 배양세포 및 측정전극의 응답 전위를 측정하는 임피던스 측정부; 및 상기 임피던스 측정부의 측정값을 전달받아 상기 배양세포의 분화 여부를 판단하는 제어부;를 포함한다.According to one aspect of the present invention, there is provided an electrical impedance monitoring system for muscular cells, comprising: a cell chip having a working electrode patterned on a substrate, a counter electrode, and a cell culture chamber attached to the working electrode; An extracellular matrix formed in the cell culture chamber; An impedance measuring unit for applying an alternating current to the cell chip and measuring the response potential of the culture solution, the cultured cells and the measuring electrode in the culture chamber; And a controller for receiving the measured value of the impedance measuring unit and determining whether the cultured cells are differentiated.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 양태로서, 본 발명은 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 방법에 있어서, 기판 위에 작용전극 및 상대전극을 패터닝하고, 세포 배양 챔버를 부착하는 단계; 상기 세포 배양 챔버에 세포외 기질을 형성하는 단계; 상기 세포외 기질에 근아세포를 시딩하고, 배양 배지를 추가하는 단계; 상기 근아세포에 분화 배지를 추가하는 단계; 상기 투명전극에 교류 전류를 인가하고 응답으로 발생한 전위를 이용하여 임피던스를 측정하는 단계; 상기 임피던스에서 상기 근아세포의 분화특성을 출력하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of monitoring electrical impedance of muscle myoblasts, comprising: patterning a working electrode and a counter electrode on a substrate and attaching a cell culture chamber; Forming an extracellular matrix in the cell culture chamber; Seeding myofibroblasts into the extracellular matrix, and adding a culture medium; Adding a differentiation medium to the myoblast; Applying an alternating current to the transparent electrode and measuring an impedance using a potential generated in response; And outputting the differentiation characteristics of the myoblasts at the impedance.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 교류의 주파수는 1 kHz 에서 100 kHz 사이를 사용할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the frequency of the alternating current may be between 1 kHz and 100 kHz.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 근아세포는 C2C12를 사용할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the muscle fiber may be C2C12.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 세포외 기질은 라미닌, 콜라겐 및 엔탁틴을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the extracellular matrix may include laminin, collagen, and entatin.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 세포외 기질은 200 nm에서 600 nm의 두께로 형성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the extracellular matrix may be formed to a thickness of 200 nm to 600 nm.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 작용전극과 상대전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide; IZO), 알루미늄 아연 산화물(aluminum zinc oxide; AZO), 아연 주석 산화물(zinc tin oxide; ZTO), 갈륨 아연 산화물(gallium zinc oxide; GZO), 안티모니 주석 산화물(antimony tin oxide; ATO), 철 주석 산화물(iron tin oxide; FTO), A-IGZO(In2O3:Ga2O3:ZnO) 이산화티탄(TiO2), 산화인듐(In2O3), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene); PEDOT), 그라핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT; carbon nano tube), 금속 나노선(metal nano wire) 또는 이들의 혼합물을 재료로 사용할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the working electrode and the counter electrode are formed of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), aluminum zinc zinc oxide (AZO), zinc tin oxide (ZTO), gallium zinc oxide (GZO), antimony tin oxide (ATO), iron tin oxide (FTO) A-IGZO (In2O3: Ga2O3: ZnO) TiO2, In2O3, ZnO, SnO2, polyaniline, polypyrrole, (PEDOT), graphene, carbon nanotube (CNT), metal nano wire, or a mixture of these materials. Can be used.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 분화특성을 출력하는 단계는, 상기 임피던스를 측정하는 단계에서 구한 임피던스에서 근아세포의 저항값을 구하는 단계; 상기 저항값에서 초기 저항값을 나누어 저항변화를 구하는 단계; 상기 저항변화를 적분하는 단계; 및 상기 적분의 결과를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the step of outputting the differentiation characteristic comprises: obtaining a resistance value of muscle myoblasts at an impedance obtained at the step of measuring the impedance; Dividing the initial resistance value by the resistance value to obtain a resistance change; Integrating the resistance change; And outputting the result of the integration.
본 발명에 따른 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템은 표지 없이 실시간으로 근아세포의 분화를 정량적으로 평가할 수 있으므로, 근육 질환 치료제 또는 약물 후보 물질의 개발에 활용할 수 있다.Since the electrical impedance monitoring system of myofibroblast according to the present invention can quantitatively evaluate the differentiation of myofibroblasts in real time without labeling, it can be utilized in the development of a therapeutic agent for muscle diseases or a candidate drug.
본 발명에 따른 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템은 투명전극을 사용하여 전기적 임피던스 모니터링 중 광학적 모니터링도 가능하다. 또한 투명 전극에 세포외 기질을 코팅함으로써 근아세포가 투명전극에 잘 접착하여 증식하고 분화할 수 있다. The electrical impedance monitoring system of muscular atrophy according to the present invention can also optically monitor during electrical impedance monitoring using a transparent electrode. In addition, by coating the transparent electrode with an extracellular matrix, the myoblast can adhere well to the transparent electrode and proliferate and differentiate.
본 발명에 따른 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 방법에 의하면, 세포외 기질이 코팅된 투명 전극상의 근아세포의 전기적 임피던스 특성을 등가회로 모델링에 의해 설명할 수 있고, 저항변화의 적분을 통해 분화여부를 신속히 판단할 수 있다.According to the method for monitoring electrical impedance of myofibroblast according to the present invention, the electrical impedance characteristics of myofibroblasts on a transparent electrode coated with an extracellular matrix can be explained by equivalent circuit modeling, It can be judged.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 칩의 사시도이다.
도 3은 세포외 기질 층의 AFM 측정 이미지 및 두께를 나타내는 그래프이다.
도 4는 세포 배양 챔버(180)에 담긴 0.9% NaCl 수용액의 주파수에 따른 임피던스 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 분화배지 유무에 따른 ITO 전극 위에서 배양되는 C2C12 세포의 현미경 사진 및 세포 수를 측정한 결과이다.
도 6은 근아세포의 분화과정 중 세포 배양 접시와 ITO 전극에서 분화된 mRNA의 상대적인 수준(level)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 C2C12 근아세포로부터 분화된 근관세포에서 발현된 MHC와 외관의 변화를 면역 형광 분석한 결과를 나타낸다.
도 8은 ITO 전극 위의 C2C12 근아세포의 성장 중에 ECIS법으로 측정한 저항 및 저항변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 분화배지가 있는 경우와 없는 경우에, 21.5 kHz에서 저항과 저항변화의 적분을 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic block diagram of a system for monitoring electrical impedance of muscular atrophy according to an embodiment of the present invention; FIG.
2 is a perspective view of a cell chip according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing an AFM measurement image and thickness of an extracellular matrix layer.
4 is a graph showing impedance measurement results according to the frequency of 0.9% aqueous NaCl solution in the
FIG. 5 shows microscopic photographs and cell counts of C2C12 cells cultured on ITO electrodes with and without differentiation media.
6 is a graph showing the relative levels of mRNAs differentiated from the cell culture dish and the ITO electrode during the differentiation process of myoblasts.
FIG. 7 shows the results of immunofluorescence analysis of changes in MHC and appearance expressed in canalicular cells differentiated from C2C12 myofibroblasts.
8 is a graph showing resistance and resistance change measured by the ECIS method during the growth of C2C12 myofibrobium on the ITO electrode.
Figure 9 is a graph showing the integration of resistance and resistance change at 21.5 kHz with and without differentiation media.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the following description. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are being provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. &Quot; comprises "and / or" comprising ", as used herein, unless the recited element, step, operation, and / Or additions.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a detailed description will be given of an electrical impedance monitoring system for muscular cells according to an embodiment of the present invention, with reference to FIGS. 1 to 9. FIG.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 칩의 사시도이다.FIG. 1 is a schematic block diagram of a system for monitoring an electrical impedance of muscle myoblasts according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of a cell chip according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템은 세포 칩(100), 임피던스 측정부(300) 그리고 제어부(400)를 포함하여 구성된다.Referring to FIGS. 1 and 2, an apparatus for monitoring an electrical impedance of muscular cells according to an embodiment of the present invention includes a
세포 칩의 전극(142,146)은 전기회로(350)를 통해 임피던스 측정부(300)로 연결된다. 임피던스 측정부(300)는 전압발생기, 락인 증폭기와 멀티플렉서를 구비한다. 제어부(400)는 임피던스 측정부에 연결된다.The
세포 칩(100)은 기판(120) 위에 전극층(140)을 코팅한 후, 패터닝하여 만든 작용전극(146)과 상대전극(142)을 구비한다. 세포 칩은 작용전극 위에서 세포배양이 가능하도록 배양액을 담을 수 있는 챔버(180)를 구비할 수 있다. 작용전극 및 상대전극은 전송선(148)을 통해 단자패드(144)와 연결될 수 있다. 전송선(148)은 그 위에 포토레지스트(160)를 코팅하여 절연할 수 있다.The
세포 성장중 세포성장을 광학적으로 모니터링하기 위해서는 기판(120)을 투명 재질인 유리, 석영 또는 투명 플라스틱을 사용할 수 있다. In order to optically monitor cell growth during cell growth, transparent material such as glass, quartz, or transparent plastic can be used as the
또한, 작용전극과 상대전극도 투명 전극을 사용할 수 있다. 투명 전극은 전도성 산화물, 전도성 고분자 및 나노소자 등으로 제작할 수 있다. The working electrode and the counter electrode may also be transparent electrodes. The transparent electrode can be made of a conductive oxide, a conductive polymer, a nano device, or the like.
전도성 산화물로는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide; IZO), 알루미늄 아연 산화물(aluminum zinc oxide; AZO), 아연 주석 산화물(zinc tin oxide; ZTO), 갈륨 아연 산화물(gallium zinc oxide; GZO), 안티모니 주석 산화물(antimony tin oxide; ATO), 철 주석 산화물(iron tin oxide; FTO), A-IGZO(In2O3:Ga2O3:ZnO) 이산화티탄(TiO2), 산화인듐(In2O3), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 및 이들의 혼합물이 있다. Examples of the conductive oxide include indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), aluminum zinc oxide (AZO), zinc tin oxide (ZTO), gallium zinc Gallium zinc oxide (GZO), antimony tin oxide (ATO), iron tin oxide (FTO), A-IGZO (In2O3: Ga2O3: ZnO) titanium dioxide (TiO2) (In2O3), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO2), and mixtures thereof.
전도성 고분자로는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene); PEDOT) 등을 사용할 수 있다. Examples of the conductive polymer include polyaniline, polypyrrole, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), and the like.
그리고, 나노소재로는 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT; carbon nano tube), 금속 나노선(metal nano wire) 등을 사용할 수 있다.As the nanomaterial, graphene, carbon nanotube (CNT), metal nano wire, or the like can be used.
절연층(160)도 투명한 절연층을 이용할 수 있다. 투명 절연층으로는 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 페릴린(parylene), 폴리(4-비닐페놀)(poly(4-vinylphenol); PVP), 폴리멜라민-코-포름알데히드(poly-melamine-co-formaldehyde; PMF), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 투명 에폭시 등을 사용하여 제작할 수 있다.The insulating
세포 배양 챔버(180)는 폴리스티렌 등을 사용하여 제작할 수 있고, 전극 또는 절연체 위에 접착성 실리콘 등으로 부착할 수있다. 도 2에는 세포 배양 배지를 수용하는 저장소가 8개 도시되었지만, 필요에 따라 수를 늘리거나 줄일 수 있다.The
세포 배양 챔버(180)의 작용전극(146) 위에는 세포외 기질(200)을 형성할 수 있다. 세포외 기질은 라미닌(laminin), 콜라겐 및 엔탁틴(entactin) 등으로 구성된 물질을 사용할 수 있다. 엔탁틴은 라미닌 및 콜라겐과 상호 작용하며 이들 세포외 기질 분자의 구조적 구성에 기여하는 가교 분자이다.The
세포외 기질의 두께, 세포 분화, 그리고 전기 임피던스 측정 민감도 사이에는 서로 상호간에 관련성이 있다. 따라서, 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템을 위해서는, 최적 범위의 세포외 기질 두께를 선정할 필요가 있다.The extracellular matrix thickness, cell differentiation, and electrical impedance measurement sensitivity are mutually related. Thus, for an electrical impedance monitoring system of muscle myoblasts, it is necessary to select an optimal extracellular matrix thickness.
이를 위해 우선 세포외 기질을 코팅한 후 두께를 확인한다. 그리고 세포 배양/분화가 정상적으로 되는지 여부를 확인하고, 임피던스를 측정하여 민감도를 분석한다. 이와 같은 과정을 반복하여 최적 범위의 기질 두께를 선정할 수 있다.To do this, first coat the extracellular matrix and check its thickness. The cell culture / differentiation is checked whether it is normal, and the sensitivity is analyzed by measuring the impedance. This process can be repeated to select the optimal substrate thickness.
세포외 기질(200)은 200 nm에서 600nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 두께가 너무 얇으면, 두께가 불균일해지거나 세포와 전극 사이의 접착력이 부족할 수 있다. 두께가 너무 두꺼우면, 용량성 임피던스가 증가하여 세포의 임피던스 오차가 늘어날 수 있다.The
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템의 작동 방법을 설명한다. Referring to FIGS. 1 and 2, a method of operating an electrical impedance monitoring system for muscular cells according to an embodiment of the present invention will be described.
기판 위에 작용전극 및 상대전극을 패터닝하고, 세포 배양 챔버를 부착한 후, 세포 배양 챔버(180)에 세포외 기질(200)을 형성한다. 세포외 기질이 형성된 세포 배양 챔버에 배양 세포를 일정량 시딩하고, 배양 배지를 추가한다. The working electrode and the counter electrode are patterned on the substrate, the cell culture chamber is attached, and the
배양 세포로는 근아세포(myoblast)인 C2C12, C2, Sol8, L6 등을 사용할 수 있다.As the cultured cells, myoblast, C2C12, C2, Sol8, L6 and the like can be used.
배양 세포가 담긴 세포 배양 챔버를 포함하는 세포 칩(100)을 도면에는 생략된 인큐베이터에 넣는다. 인큐베이터는 온습도 및 CO2농도를 조절할 수 있는 장치를 사용할 수 있다. 인큐베이터는 근아 세포 배양 및 분화에 적합하도록 온도는 32~42 ℃를, CO2 농도는 2~8 %를 유지하는 것이 바람직하다.The
인큐베이터에 들어간 세포 칩은 도면에 생략된 커넥터 등에 의해서 세포 칩의 단자패드(144)와 연결되는 전기회로(350)를 통해 임피던스 측정부(300)와 연결된다.The cell chip entering the incubator is connected to the
임피던스 측정부(300)에서 교류 전류를 흘려주고, 세포 칩에서 발생한 응답 전위를 측정한다. 임피던스 측정부에서 측정된 응답전위는 GP-IB등을 통해서 제어부(400)로 전달된다.An impedance measuring unit (300) flows an alternating current and measures the response potential generated in the cell chip. The response potential measured by the impedance measuring unit is transmitted to the
제어부는 응답전위에서 전체 임피던스를 구할 수 있다. 전체 임피던스는 전극 계면 임피던스의 정위상 요소(constant phase element; CPE), 세포의 임피던스인 저항(Rcell)과 캐패시터(Ccell)의 병렬 임피던스, 용액의 저항(Rsolution)의 합으로 구할 수 있다(도 8a의 등가 회로 참조).The control unit can obtain the total impedance at the response potential. The total impedance can be determined by the sum of the constant phase element (CPE) of the electrode interface impedance, the parallel impedance of the cell impedance (R cell ) and the capacitor (C cell ), and the resistance of the solution (R solution ) (See the equivalent circuit of Fig. 8A).
제어부(400)는 임피던스 측정부를 제어할 뿐만 아니라, 전체 임피던스를 계산하고, 계산 결과에 의해서 근아세포의 분화 정도를 파악하여 표시할 수 있다.The
근아세포의 저항값(Rcell)은 전체 측정한 임피던스에 등가 회로 피팅분석을 통해 계산할 수 있다. 분화 정도는 근아세포의 저항값(Rcell)에서 초기에 측정한 근아세포의 저항값(R0)을 나누어 얻는 저항변화(ΔR = Rcell / R0 )로부터 파악할 수 있다. 주파수가 너무 작거나 너무 큰 경우에는 근아세포의 분화에 따른 저항변화(ΔR)가 상대적으로 적게 관측되어 측정 민감도가 감소할 수 있다. 따라서, 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 시스템에서는 교류 주파수로 1 kHz에서 100 kHz를 사용하는 것이 바람직하다. The resistance value (R cell ) of myoblasts can be calculated by the equivalent circuit fitting analysis on the total measured impedance. The degree of differentiation was determined by dividing the resistance value (R 0 ) of the myoblast initially measured in the resistance value (R cell ) of the myoblast by the resistance change (ΔR = R cell / R 0 ). When the frequency is too small or too large, the resistance change (ΔR) due to differentiation of myoblasts may be observed to be relatively small, and the measurement sensitivity may be reduced. Therefore, it is preferable to use 1 kHz to 100 kHz as the alternating frequency in the myocardial electrical impedance monitoring system.
근아세포의 분화의 정도는 근아세포의 저항값(Rcell)을 모니터링하여 파악할 수 있으나, 좀더 빠르고 정확한 판단을 위해서는 저항변화(ΔR)를 적분한 결과를 이용할 수 있다.The degree of myoblast differentiation can be monitored by monitoring the resistance value (R cell ) of myoblasts, but the result of integrating the resistance change (ΔR) can be used for faster and more accurate judgment.
임피던스 측정은 세포 칩(100)이 인큐베이터 내에 있는 경우에도 측정이 가능한 장점이 있다. 투명 기판 및 투명 전극 등을 이용한 경우, 임피던스 측정과 동시에 광학적 분석도 할 수 있다.Impedance measurement is advantageous in that measurement can be performed even when the
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These embodiments are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.
실시예Example 1 : ITO 전극을 기반으로 한 세포 칩 구조물 제작 1: Fabrication of cell chip structure based on ITO electrode
도 2를 참조하면, 슬라이드 글라스 (75 mm × 25 mm × 1.1 mm) 상에 두께 480 nm의 ITO 전극(140)을 패터닝하여, 8 개의 작용전극(146), 공통의 상대전극(142), 전송선(148) 및 단자패드(144)를 구성하였다.Referring to FIG. 2, an
ITO 전극 칩의 전송선(148)을 절연하기 위해, 에폭시 기반의 포토레지스트(SU-8 2002, Microchem, Newton, MA, USA)를 스핀코팅과 포토리소그래피를 사용하여, 2μm 두께로 코팅(160)하였다. 그 결과, 노출된 작용전극(146)은 250 ㎛의 반경을 갖는 원반형이고, 3 mm의 거리만큼 상대전극(142)으로부터 분리되었다.An epoxy-based photoresist (SU-8 2002, Microchem, Newton, MA, USA) was coated (160) to a thickness of 2 袖 m using spin coating and photolithography to insulate the
그 후, 세포 배양 배지를 수용하는 저장소를 제공하는 8개의 폴리스티렌 세포 배양 챔버(180)를 접착성 실리콘을 사용하여 ITO 전극기반 칩에 부착하였다.Eight polystyrene
실시예Example 2 : 2 : C2C12C2C12 근아세포Myoblast 배양 culture 준비 세포외Preparatory cell 기질 젤 코팅 Substrate gel coating
ITO 전극에 안정한 세포 접착을 이루기 위해, 전극 기재의 표면을 세포외 기질(extracellular matrix; ECM) 젤(gel)인 100 μL의 Matrigel (0.9 ~ 1.2 mg·mL-1, BD Matrigel™Matrix, BD Biosciences, San Jose, CA, USA)로 덮었다.In order to achieve stable cell adhesion to the ITO electrode, the surface of the electrode substrate was immersed in an extracellular matrix (ECM) gel of 100 μL of Matrigel (0.9 to 1.2 mg · mL -1 , BD Matrigel ™ Matrix, BD Biosciences , San Jose, CA, USA).
Matrigel은 세포외 기질 단백질이 풍부한 쥐의 종양에서 추출한 것으로, 약 60 % 라미닌(laminin), 30 % 콜라겐 IV 및 8% 엔탁틴(entactin) 등으로 구성된 물질이다. 엔탁틴은 라미닌 및 콜라겐과 상호 작용하며 이들 세포외 기질 분자의 구조적 구성에 기여하는 가교 분자이다.Matrigel is derived from tumor cells rich in extracellular matrix proteins and consists of approximately 60% laminin, 30% collagen IV and 8% entactin. Enstatin is a cross-linking molecule that interacts with laminin and collagen and contributes to the structural organization of these extracellular matrix molecules.
Matrigel에는 퍼레칸(perlecan), TGF-β, 상피 성장 인자, 인슐린 유사 성장 인자, 섬유 모세포 성장 인자, 조직 플라스미노겐 활성제 및 기타 성장 인자가 포함되어 있다. 그리고 종양 세포로부터 유래된 잔류 기질 금속단백질 분해효소도 포함되어 있다. Matrigel contains perlecan, TGF-beta, epithelial growth factor, insulin-like growth factor, fibroblast growth factor, tissue plasminogen activator and other growth factors. And residual substrate metalloproteinases derived from tumor cells.
세포외 기질 젤의 두께가 얇은 경우 두께가 불균일해지거나 세포의 부착성에 문제가 발생한다. 세포외 기질 젤의 두께가 두꺼운 경우 용량성 임피던스가 증가하는 문제가 있다. 따라서, 세포외 기질 젤의 두께는 200 nm 에서 600 nm가 바람직하다. When the thickness of the extracellular matrix gel is thin, the thickness becomes uneven or the adhesion of the cell becomes problematic. If the thickness of the extracellular matrix gel is large, there is a problem that the capacitive impedance increases. Therefore, the thickness of the extracellular matrix gel is preferably 200 nm to 600 nm.
ITO 전극 위에 코팅된 세포외 기질 젤인 Matrigel 층의 두께를 원자현미경(AFM, XE-100, Parks Systems, Suwon, Korea)을 사용하여 측정하였다. 도 3은 세포외 기질 층의 AFM 측정 이미지 및 두께를 나타내는 그래프이다. 도 3a는 세포외 기질층의 표면 토폴로지의 AFM 이미지이고, 도 3b는 위치에 따른 두께를 나타낸다.The thickness of the Matrigel layer, an extracellular matrix gel coated on the ITO electrode, was measured using an atomic force microscope (AFM, XE-100, Parks Systems, Suwon, Korea). 3 is a graph showing an AFM measurement image and thickness of an extracellular matrix layer. FIG. 3A is an AFM image of the surface topology of the extracellular matrix layer, and FIG. 3B shows the thickness according to position.
측정결과로부터, 세포 외 기질 층은 ITO 전극 표면에 약 410 nm의 두께로 균일하게 코팅된 것을 알 수 있다.From the measurement results, it can be seen that the extracellular matrix layer was uniformly coated on the ITO electrode surface to a thickness of about 410 nm.
세포외 기질 젤이 코팅되지 않은 ITO 전극과 세포외 기질 젤이 코팅된 ITO전극의 임피던스를 비교하였다. 도 4는 세포 배양 챔버(180)에 담긴 0.9% NaCl 수용액의 주파수에 따른 임피던스 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도 4a는 주파수에 따른 임피던스의 크기를 나타내고, 도 4b는 주파수에 따른 위상의 변화를 나타낸다.The impedance of the ITO electrode coated with the extracellular matrix gel was compared with that of the ITO electrode coated with the extracellular matrix gel. 4 is a graph showing impedance measurement results according to the frequency of 0.9% aqueous NaCl solution in the
전극의 임피던스 특성은, 낮은 주파수에서는 전극 계면 임피던스에 의해 결정되고, 높은 주파수에서는 용액 저항에 의해 결정된다. ITO 전극에 세포외 기질 젤이 코팅된 경우, 낮은 주파수에서 리액턴스가 약간 증가하여 임피던스 크기가 증가하고 위상이 감소하였다. 이러한 결과는 용량성인 ITO 전극 임피던스와 직렬로 연결된 세포외 기질 젤 코팅층의 추가적인 커패시턴스 특성으로부터 유도할 수 있다.The impedance characteristics of the electrodes are determined by the electrode interface impedance at low frequencies and by the solution resistance at high frequencies. When the ITO electrode was coated with an extracellular matrix gel, the reactance slightly increased at low frequencies, resulting in an increase in the impedance magnitude and a decrease in phase. These results can be derived from the additional capacitance characteristics of the extracellular matrix gel coat layer connected in series with the capacitive ITO electrode impedance.
실시예Example 3 : 3: C2C12C2C12 근아세포Myoblast 분화 differentiation
C2C12 근아세포(myoblast) 1mL 당 105 세포를 Matrigel이 코팅된 ITO 전극에 시딩하였다. 그리고, 10 % 소태아혈청(fetal bovine serum; FBS, Welgene, Daegu, Korea), 100 IU·mL-1 페니실린, 0.1 mg·mL-1 스트렙토마이신을 첨가한 둘베코수정이글배지(Dulbecco's modified Eagle's medium; DMEM)에서 배양되었다. 배양시 온도는 37 ℃를, CO2 농도는 5%를 유지하였다. 10 5 cells / mL of C2C12 myoblast were seeded on Matrigel coated ITO electrodes. Dulbecco's modified Eagle's medium supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS, Welgene, Daegu, Korea), 100 IU · mL- 1 penicillin, 0.1 mg · mL- 1 streptomycin ; DMEM). The incubation temperature was maintained at 37 ° C and the CO 2 concentration was maintained at 5%.
3일간 배양 후, 근아세포 분화를 유도하기 위해, DMEM, 2% 말혈청(horse serum; HS, Gibco, Carlsbad, CA, USA), 100 IU·mL-1 페니실린, 0.1 mg·mL-1 스트렙토마이신을 함유하는 C2C12 분화 배지를 적용 하였다.After 3 days of culture, the cells were cultured in DMEM, 2% horse serum (HS, Gibco, Carlsbad, CA, USA), 100 IU.multidot.s -1 penicillin, 0.1 mg.multidot.l.sup.- 1 streptomycin Lt; RTI ID = 0.0 > C2C12 < / RTI >
대조군의 경우 배양 배지를 유지 배지(DMEM, 0.5% FBS, 1% 페니실린)로 전환하여, 세포 증식을 억제하고 세포의 과도한 성장으로 인한 세포층의 박리를 방지하였다.In the control group, the culture medium was converted into maintenance medium (DMEM, 0.5% FBS, 1% penicillin) to inhibit cell proliferation and prevent cell layer detachment due to excessive cell growth.
ITO 전극 위의 분화배지와 유지배지에서 배양된 세포의 수는 ImageJ 소프트웨어 (NIH, Bethesda, MD, USA)를 사용하여 측정 하였다.The number of cells cultured in the differentiation and maintenance media on the ITO electrode was measured using ImageJ software (NIH, Bethesda, MD, USA).
도 5는 분화배지 유무에 따른 ITO 전극 위에서 배양되는 C2C12 세포의 현미경 사진 및 세포 수를 측정한 결과이다. 도 5a는 ITO 전극의 현미경 사진이고(각 사진의 오른쪽 아래에 있는 검은색 스케일은 100 μm), 도 5b는 ITO 전극상의 세포수이다.FIG. 5 shows microscopic photographs and cell counts of C2C12 cells cultured on ITO electrodes with and without differentiation media. 5A is a micrograph of the ITO electrode (black scale at the bottom right of each photograph is 100 μm), and FIG. 5B is the number of cells on the ITO electrode.
도 5a를 참조하면, 10% 소태아혈청(FBS)을 포함하는 성장 배지(DMEM)에서 배양하는 동안, C2C12 세포는 젤 코팅된 ITO 전극상에 부착, 확산 및 증식 하였다.Referring to FIG. 5A, C2C12 cells adhered, spread and proliferated on gel coated ITO electrodes during culture in growth medium (DMEM) containing 10% fetal bovine serum (FBS).
성장 배지에서 3일간 배양 후에, 2% 말혈청(HS)을 함유하는 분화 배지로 대체한 경우, 배양 7일에서 11일 사이에 근관세포(myotube) 형태가 관찰되었다. 반면에, 대조군의 세포는 근관세포(myotube)로의 분화와 관련하여 어떠한 형태학적 변화도 나타내지 않았다.When cultured for 3 days in growth medium and replaced with differentiation medium containing 2% horse serum (HS), myotube morphology was observed between 7 and 11 days of culture. On the other hand, control cells did not show any morphological changes in relation to differentiation into myotubes.
도 5b를 참조하면, 근원성 분화가 세포 증식에 영향을 미친 것을 알 수 있다. 분화 배지가 있는 ITO 전극의 C2C12 세포 수는 배양 7일에서 11일 사이에 대조군의 C2C12 세포수보다 낮았다.Referring to FIG. 5B, it can be seen that source differentiation affects cell proliferation. The number of C2C12 cells in the ITO electrode with differentiation medium was lower than the number of C2C12 cells in the control group from 7 days to 11 days of culture.
실시예Example 4 : 4 : C2C12C2C12 근아세포Myoblast 배양 및 분화 중 RNA 분리 및 정량 실시간 Isolation and quantification of RNA during culture and differentiation PCRPCR 수행 Perform
제조사의 프로토콜(RNAiso Plus, TaKaRa, Dalian, China)에 따라 Trizol 시약을 사용하여 RNA 전체(total RNA)를 세포로부터 분리 하였다. RNA 양은 ND-1000 분광 광도계(Thermo Scientific, Waltham, MA, USA)를 사용하여 측정 하였다.The total RNA (total RNA) was isolated from the cells using Trizol reagent according to the manufacturer's protocol (RNAiso Plus, TaKaRa, Dalian, China). The amount of RNA was measured using an ND-1000 spectrophotometer (Thermo Scientific, Waltham, Mass., USA).
PrimeScript 1st strand cDNA 합성 키트(TaKaRa)를 사용하여 2 μg의 RNA로부터 cDNA를 합성하였다. 그후 PCR(polymerase Chain Reaction)을 수행하였는데, 형광염료 SYBR Green master mix (TaKaRa)를 포함하는 반응 혼합물에서 정량 실시간 PCR(qRT-PCR)을 수행하였다. PCR 증폭은 CFX384 Touch™ 실시간 PCR 검출 시스템(Bio-Rad, Munich, Germany)을 사용하여 40회 수행하고 중단하였다. 상대적인 유전자 발현 수준은 CT(cycle threshold) 방법에 따라 표준화되었다. PCR에 사용된 프라이머 쌍의 서열은 다음 표 1과 같다.CDNA was synthesized from 2 μg of RNA using PrimeScript 1st strand cDNA synthesis kit (TaKaRa). Then, PCR (polymerase chain reaction) was performed. Quantitative real-time PCR (qRT-PCR) was performed in a reaction mixture containing a fluorescent dye SYBR green master mix (TaKaRa). PCR amplification was performed 40 times using the CFX384 Touch ™ real-time PCR detection system (Bio-Rad, Munich, Germany) and discontinued. Relative gene expression levels were normalized according to the CT (cycle threshold) method. The sequences of the primer pairs used in the PCR are shown in Table 1 below.
(미오신H사슬)MHC
(Myosin H chain)
MyoD는 근아세포(myoblast)에서 발현되고, 분화하는 동안 감소한다. 반면에, 미오게닌(myogenin)과 MHC는 근육분화(myogenesis)의 나중 단계에서 발현된다. MyoD is expressed in myoblasts and decreases during differentiation. On the other hand, myogenin and MHC are expressed at later stages of myogenesis.
도 6은 근아세포의 분화과정 중 세포 배양 접시와 ITO 전극에서 분화된 mRNA의 상대적인 수준(level)을 나타내는 그래프이다. 6 is a graph showing the relative levels of mRNAs differentiated from the cell culture dish and the ITO electrode during the differentiation process of myoblasts.
도 6a를 참조하면, 근육분화에 관여하는 근원성 인자의 발현을 분석함으로써, 근아세포의 분화과정에서 발현된 MyoD의 mRNA 수준이, 세포 배양 접시와 ITO 전극 모두에서, 분화 과정 중에 감소한다는 것을 발견했다.6A, by analyzing the expression of myogenic factors involved in muscle differentiation, it was found that the level of MyoD mRNA expressed in the differentiation process of myoblasts decreased during the differentiation process in both the cell culture dish and the ITO electrode did.
도 6b를 참조하면, 근아세포의 분화과정 중에서 미오게닌의 mRNA 수준이 세포 배양 접시와 ITO 전극에서 모두 증가함을 알 수 있다.Referring to FIG. 6B, it can be seen that the level of myogenin mRNA is increased in both the cell culture dish and the ITO electrode during the differentiation process of myoblasts.
마찬가지로, 도 6c를 참조하면, 근아세포의 분화과정 중에서 HMC의 mRNA 수준도 세포 배양 접시와 ITO 전극에서 모두 증가하였다.Likewise, referring to FIG. 6C, the mRNA level of HMC in the differentiation process of myoblasts also increased in both the cell culture dish and the ITO electrode.
실시예Example 5 : 5: C2C12C2C12 근아세포Myoblast 배양 및 분화 중 면역 형광 분석 Immunofluorescence analysis during culture and differentiation
근아세포의 분화과정 중에 있는 세포를 실온에서 20 분 동안 4% 파라 포름알데히드로 고정시키고, 인산완충 식염수(phosphate buffer saline; PBS)로 세척하였다. 이어서, 0.27% Triton X-100을 함유하는 PBS로 세포를 실온에서 침투시키고, 단백질 억제 용액(DAKO)으로 배양하였다.Cells in the differentiation process of myoblasts were fixed with 4% paraformaldehyde for 20 minutes at room temperature and washed with phosphate buffered saline (PBS). Cells were then infiltrated with PBS containing 0.27% Triton X-100 at room temperature and incubated with protein inhibitory solution (DAKO).
세포를 4 ℃에서 밤새 항-MHC 항체에 노출시킨 다음, DAPI 염색을 한 후, 형광표지 시약인 플루오레세인 이소티오 시안산염 (fluorescein isothiocyanate; FITC)이 결합된 2차 항체와 함께 배양하였다. 그리고 공초점 현미경을 사용하여 세포의 형광 이미지를 촬영하였다.Cells were exposed to anti-MHC antibody overnight at 4 ° C and then stained with DAPI and incubated with secondary antibody conjugated with fluorescein isothiocyanate (FITC), a fluorescent labeling reagent. And fluorescence images of the cells were taken using a confocal microscope.
도 7은 C2C12 근아세포로부터 분화된 근관세포에서 발현된 MHC와 외관의 변화를 면역 형광 분석한 결과를 나타낸다. MHC 발현은 항-MHC 항체(녹색)로 검출되고, 핵들은 DAPI 염색(청색)으로 검출된다.FIG. 7 shows the results of immunofluorescence analysis of changes in MHC and appearance expressed in canalicular cells differentiated from C2C12 myofibroblasts. MHC expression is detected with anti-MHC antibody (green), and nuclei detected with DAPI staining (blue).
도 7의 두번째 열(DAPI)에서는 제일 위의 대조군(Control)과 그 아래쪽의 분화된(Differentiated) C2C12 세포에서 동일한 청색 형광반응이 나타났다. 대조군과 분화된 세포 모두 핵들이 정상적으로 존재한다는 것을 보여준다.In the second column (DAPI) of FIG. 7, the same blue fluorescence reaction was observed in the control group (Control) at the top and differentiated C2C12 cells at the bottom. Both the control and differentiated cells show that the nuclei are normally present.
도 7의 첫번째 열(MHC)에서는 제일 위의 대조군(Control)에서 아무런 형광반응이 나타나지 않았지만, 그 아래쪽의 분화된 C2C12 세포에서는 선명한 녹색 형광반응을 보였다. 분화된 C2C12 세포에서만 근관세포에서 발현된 MHC가 존재한다는 것을 확인할 수 있다.In the first column (MHC) of Fig. 7, no fluorescence reaction was observed in the control group at the uppermost level, but distinctly fluorescent fluorescence was observed in the differentiated C2C12 cells at the lower part thereof. It can be confirmed that MHC expressed in the root canal is present only in the differentiated C2C12 cells.
즉, 대조군인 미분화 C2C12 세포는 핵들만 나타났지만, 분화된 C2C12 세포에서는 다핵 근관세포와 MHC 발현 증가가 관찰되었다. 이 결과는 C2C12 세포가 앞의 분화 프로토콜을 사용하여 ITO 전극에서 근관세포로 성공적으로 분화되었음을 보여준다.In other words, only the nuclei were observed in the control group of undifferentiated C2C12 cells, but in the differentiated C2C12 cells, multinucleated canaliculus cells and MHC expression were increased. This result shows that C2C12 cells were successfully differentiated from ITO electrodes into canalic cells using the previous differentiation protocol.
실시예Example 6 : 6: C2C12C2C12 근아세포Myoblast 배양 및 분화 중 전기 임피던스 측정 Measurement of electrical impedance during culture and differentiation
세포 배양 및 분화 과정에서, 전압 발생기(SR830, Stanford Research Systems, Sunnyvale, CA, USA)가 내장된 디지털 락인 증폭기와 멀티플렉서(34970A, Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, CA, USA)를 사용하여, 100Hz ~ 100kHz의 주파수 범위에서 전기 임피던스 스펙트럼을 측정하였다.Using a digital lock-in amplifier and a multiplexer (34970A, Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, Calif., USA) equipped with a voltage generator (SR830, Stanford Research Systems, Sunnyvale, CA, USA) for cell culture and differentiation, The electrical impedance spectra were measured in the frequency range of 100 Hz to 100 kHz.
도 1은 세포의 임피던스 측정을 위한 실험장비 사진이다.1 is a photograph of an experimental apparatus for measuring the impedance of a cell.
C2C12 셀에 전기장의 영향을 차단하기 위해, 저항을 전압 발생기와 직렬로 연결하여, 흐르는 전류의 진폭을 1 μA 이하로 제한하였다.In order to block the influence of the electric field on the C2C12 cell, the resistance was connected in series with the voltage generator, and the amplitude of the current flowing was limited to 1 μA or less.
전기적 셀-기판 임피던스 측정(ECIS)에 사용된 계측기들은 범용 인터페이스 버스(GP-IB) 통신을 통해 LabVIEW 프로그램 (National Instruments, Austin, TX, USA)에 의해 제어되었다. 임피던스 데이터는 주파수별 전류를 인가할 때 측정된 전위로부터 계산되었다. Instruments used for electrical cell-to-board impedance measurements (ECIS) were controlled by a LabVIEW program (National Instruments, Austin, Tex., USA) via general purpose interface bus (GP-IB) communication. Impedance data were calculated from the measured potentials when applying frequency-dependent currents.
도 8은 ITO 전극 위의 C2C12 근아세포의 성장 중에 ECIS법으로 측정한 저항 및 저항변화를 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing resistance and resistance change measured by the ECIS method during the growth of C2C12 myofibrobium on the ITO electrode.
도 8a는 C2C12 근아세포의 성장 동안 측정된 ITO 전극상의 C2C12 근아세포의 주파수에 따른 저항(R) 값을 보여준다. 라인은 등가 회로 모델을 사용하여 계산한 결과이다.Figure 8a shows the resistance (R) values of C2C12 myofibroblasts on ITO electrodes measured during growth of C2C12 myoblasts. The line is the result of calculation using the equivalent circuit model.
등가회로 모델에서, 전체 임피던스는 전극 계면 임피던스의 정위상 요소(constant phase element; CPE), 세포의 임피던스인 저항(Rcell)과 캐패시터(Ccell)의 병렬 임피던스, 용액의 저항(Rsolution)의 합으로 구할 수 있다. ITO 전극 위의 세포의 전기적 임피던스 특성은 100 Hz에서 100 kHz의 주파수 범위에서 등가회로 모델과 잘 맞는다.In the equivalent circuit model, the total impedance is the constant phase element (CPE) of the electrode interface impedance, the parallel impedance of the cell impedance (R cell ) and the capacitor (C cell ), the resistance of the solution . The electrical impedance characteristics of the cells on the ITO electrodes fit well with the equivalent circuit model in the frequency range of 100 Hz to 100 kHz.
도 8b에서, 배양 시간별 저항변화(ΔR = Rcell / R0)를 보여준다. 이 값은 세포 성장 동안 21.5 kHz의 주파수에서 가장 심하게 변화되었다. 도 8b를 참조하면, 임피던스 측정은 1 kHz 에서 100 kHz 범위에서 명확히 구분 가능하였다. In FIG. 8B, the change in resistance (R = R cell / R 0 ) is shown for each incubation time. This value was most severely changed at the frequency of 21.5 kHz during cell growth. Referring to FIG. 8B, the impedance measurement was clearly distinguishable from 1 kHz to 100 kHz.
도 9는 분화배지가 있는 경우와 없는 경우에, 즉 C2C12 근아세포 성장 또는 분화 중에, 21.5 kHz에서 저항과 저항변화의 적분을 나타내는 그래프이다.Figure 9 is a graph showing the integration of resistance and resistance changes at 21.5 kHz with and without differentiation media, i.e., C2C12 myoblast growth or differentiation.
도 9a에서 기호는 세포 배양 샘플 n = 4 개의 저항 평균이고, 막대는 그 표준 오차를 나타낸다. 도면의 72시간 근처에 표시한 화살표는 배양 배지가 분화 배지 또는 유지 배지로 대체된 시간을 나타낸다. In Fig. 9A, the symbols are n = 4 resistance averages of the cell culture samples, and the bars indicate their standard errors. Arrows marked near 72 hours in the figure indicate the times when the culture medium was replaced with differentiation medium or maintenance medium.
도 9a에서 가장 위쪽에 나타난 선은 분화가 되지 않은 대조군의 측정결과이고, 72시간 부터 점점 줄어드는 점선은 분화배지의 측정결과이고, 아래쪽에 x축과 평행한 점선은 세포가 없는 경우의 측정결과이다.The line at the uppermost line in FIG. 9A is the measurement result of the control group without the differentiation. The dashed line gradually decreasing from 72 hours is the measurement result of the differentiation medium, and the lower line parallel to the x axis is the measurement result when there is no cell .
모든 배양 배지는 매일 세포의 임피던스 측정할 때마다 새로 교체되었다. 분화 배지를 적용하기 전에, 저항은 변동을 가지고 증가하는데, 세포 부착 및 ITO 전극으로의 확산으로 인한 것이다.All culture media were replaced every day with the measurement of the impedance of the cells. Before applying the differentiation medium, the resistance increases with variability, due to cell attachment and diffusion to the ITO electrode.
그러나, 그 저항값은 근아세포 분화 동안 점진적으로 감소하였고, 116 시간의 분화 시간 후(실험시작 후 188시간 후, 도 9a에서 *표와 점선으로 표시)에는 대조군의 저항값과 구별되었다(통계 분석은 IBM SPSS 통계에 의해 수행되었다. Student's t-test의 p값 <0.05). 분화 동안 저항값의 감소는 전극에서 세포 밀도의 감소로 인해 발생했고, 세포 형태의 변화도 있었다.However, the resistance value gradually decreased during myoblast differentiation, and was differentiated from the resistance value of the control group after the time of differentiation of 116 hours (188 hours after the start of the experiment, indicated by a dotted line and * in FIG. 9A) Were performed by IBM SPSS statistics, Student's t-test p-value <0.05). The decrease in resistance during differentiation was due to a decrease in cell density at the electrode, and there was also a change in cell morphology.
도 9b는 ITO 전극세포 성장 또는 분화 동안 ITO 전극의 C2C12 세포에서 21.5 kHz의 저항변화의 적분을 도시한다. 가장 위쪽의 기울기가 일정한 선은 분화가 되지 않은 대조군의 측정 결과이고, 100시간 경부터 기울기가 변화하는 점선은 분화배지의 측정결과이고, 가장 아래쪽의 기울기가 일정한 점선은 세포가 없는 경우의 측정 결과이다.Figure 9b shows the integration of the resistance change at 21.5 kHz in C2C12 cells of the ITO electrode during ITO electrode cell growth or differentiation. The slope of the uppermost slope is the result of measurement of the non-differentiated control group. The dotted line showing the slope change from the 100th hour is the measurement result of the differentiation medium, and the dotted line showing the lowest slope is the measurement result to be.
저항변화 값의 적분은 측정된 값 사이의 편차 감소뿐만 아니라 세포 분화의 빠른 검출을 가져왔다. 21.5 kHz에서의 저항변화의 적분을 도시한 도 9b를 참조하면, 세포 분화는 30 시간의 분화 시간 후(실험시작 후 102시간 후, 도 9b에서 *표와 점선으로 표시)에 대조군과 구별 가능했다(Student's t-test의 p값 <0.05).The integration of the resistance change values led to a rapid detection of cell differentiation as well as a reduction in the deviation between the measured values. Referring to Figure 9b, which shows the integration of the resistance change at 21.5 kHz, cell differentiation was distinguishable from the control group after 30 hours of differentiation (102 hours after the start of the experiment, marked with * in Figure 9b and dotted line) (Student's t-test p-value <0.05).
즉, 저항변화 값의 적분을 이용하면, 저항값에서 분화여부를 판단하는 것보다 훨씬 빠른 시간내에 C2C12 근아세포의 분화여부를 판단할 수 있다.That is, by using the integration of the resistance change value, it is possible to judge whether or not the C2C12 myofibroblast differentiates within a much shorter time than whether the resistance value is differentiated.
이상의 실시예에서, C2C12 근아세포는 세포외 기질이 코팅된 ITO 전극에서 잘 접착하고 증식하고 분화되었다. C2C12 세포의 전극에서의 분화는 근원적인(myogenic) 유전자 발현, 세포 형태의 변화 및 면역 형광을 분석함으로써 확인되었다.In the above examples, C2C12 myofibroblasts were well adhered, proliferated and differentiated on an extracellular matrix-coated ITO electrode. Differentiation at the electrodes of C2C12 cells was confirmed by analysis of myogenic gene expression, changes in cell morphology, and immunofluorescence.
세포외 기질이 코팅된 ITO 전극상의 C2C12 셀의 전기적 임피던스 특성은 등가회로 모델링에 의해 설명될 수 있었다. 세포 형태와 밀도의 변화를 가져 오는 C2C12 근아세포의 분화 동안, 21.5 kHz에서의 저항변화의 적분은 분화 시간 30 시간에서 대조군의 값과 분리되었다. The electrical impedance characteristics of the C2C12 cell on the ITO electrode coated with the extracellular matrix could be explained by equivalent circuit modeling. During the differentiation of C2C12 myofibroblasts, which resulted in changes in cell morphology and density, the integration of the resistance change at 21.5 kHz was separated from the control values at 30 hours of differentiation time.
그러므로, 세포외 기질이 코팅된 ITO 전극을 사용한 전기 임피던스 분석을 이용하면, 표지 없이 실시간으로 C2C12 근아세포 분화 상태를 모니터링하는 것이 가능하다. 따라서, 세포외 기질이 코팅된 ITO 전극을 사용한 전기 임피던스 분석 시스템은 근육 질환 치료제 또는 약물 후보 물질의 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.Therefore, it is possible to monitor the C2C12 myofibroblast differentiation state in real time without labeling by using the electrical impedance analysis using the ITO electrode coated with the extracellular matrix. Therefore, it is expected that the electric impedance analysis system using the ITO electrode coated with the extracellular matrix can be used for the development of a therapeutic agent for muscle diseases or a drug candidate.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, I will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by all changes or modifications derived from the scope of the appended claims and the appended claims.
100 세포 칩
200 세포외 기질
300 임피던스 측정부
400 제어부100 cell chip
200 extracellular matrix
300 Impedance measuring unit
400 controller
Claims (13)
(a) 기판 위에 작용전극 및 상대전극을 패터닝하고, 세포 배양 챔버를 부착하는 단계;
(b) 상기 전극이 패터닝된 세포 배양 챔버에 엔탁틴을 포함하고 두께가 200 nm 내지 600 nm인 세포외 기질을 형성하는 단계;
(c) 상기 세포외 기질에 근아세포를 시딩하고, 배양 배지를 추가하는 단계;
(d) 상기 근아세포에 분화 배지를 추가하는 단계;
(e) 상기 작용전극 및 상대전극에 21.5 kHz의 주파수를 가지는 1 μA 이하의 교류 전류를 인가하고 응답으로 발생한 전위를 이용하여 임피던스를 측정하는 단계;
(f) 상기 임피던스에서 상기 근아세포의 분화특성을 출력하는 단계;를 포함하고,
상기 분화특성을 출력하는 (f) 단계는,
(f-1) 상기 임피던스를 측정하는 단계에서 구한 임피던스에서 등가회로 피팅분석으로 근아세포의 저항값을 구하는 단계;
(f-2) 상기 저항값에서 초기 저항값을 나누어 저항변화를 구하는 단계;
(f-3) 상기 저항변화를 적분하는 단계;
(f-4) 시간에 따른 상기 적분의 결과 그래프를 구하고 상기 그래프의 기울기를 구하는 단계; 및
(f-5) 상기 그래프의 기울기가 변화하는 것을 근아세포 분화로 판정하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 방법.In a method for monitoring electrical impedance of muscle myoblasts,
(a) patterning a working electrode and a counter electrode on a substrate and attaching a cell culture chamber;
(b) forming an extracellular matrix comprising enstatin in a cell culture chamber in which the electrode is patterned and having a thickness of 200 nm to 600 nm;
(c) seeding myofibroblasts to the extracellular matrix and adding a culture medium;
(d) adding a differentiation medium to the myoblasts;
(e) applying an alternating current of 1 μA or less having a frequency of 21.5 kHz to the working electrode and the counter electrode and measuring an impedance using a potential generated in response;
(f) outputting the differentiation characteristics of the myoblasts at the impedance,
(F) outputting the differentiation characteristic comprises:
(f-1) obtaining a resistance value of myofibroblast by analyzing the equivalent circuit fitting at the impedance obtained in the step of measuring the impedance;
(f-2) dividing the initial resistance value by the resistance value to obtain a resistance change;
(f-3) integrating the resistance change;
(f-4) obtaining a graph of a result of the integration over time and obtaining a slope of the graph; And
(f-5) determining that the slope of the graph changes according to myofacial differentiation, and outputting the determined result.
상기 근아세포는 C2C12, C2, Sol8, L6 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the myofibroblast is any one of C2C12, C2, Sol8, and L6.
상기 작용전극과 상대전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide; IZO), 알루미늄 아연 산화물(aluminum zinc oxide; AZO), 아연 주석 산화물(zinc tin oxide; ZTO), 갈륨 아연 산화물(gallium zinc oxide; GZO), 안티모니 주석 산화물(antimony tin oxide; ATO), 철 주석 산화물(iron tin oxide; FTO), A-IGZO(In2O3:Ga2O3:ZnO) 이산화티탄(TiO2), 산화인듐(In2O3), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene); PEDOT), 그라핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT; carbon nano tube), 금속 나노선(metal nano wire) 또는 이들의 혼합물을 재료로 사용하는 것을 특징으로 하는 근아세포의 전기적 임피던스 모니터링 방법.8. The method of claim 7,
The working electrode and the counter electrode may be formed of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), aluminum zinc oxide (AZO), zinc tin oxide (ZTO) Gallium zinc oxide (GZO), antimony tin oxide (ATO), iron tin oxide (FTO), A-IGZO (In2O3: Ga2O3: ZnO), titanium dioxide (TiO2) , Indium oxide (In2O3), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO2), polyaniline, polypyrrole, poly (3,4-ethylenedioxythiophene); A method of monitoring an electrical impedance of muscovite characterized by using PEDOT, graphene, carbon nano tube (CNT), metal nano wire, or a mixture thereof.
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