모듈형 자동화 미세유체 세포 배양 플랫폼은 대뇌 피질 오가노이드의 해당 스트레스를 감소시킵니다.

May 11, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20173(2022) 이 기사 인용

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Organ-on-a-Chip 시스템은 미세 유체, 세포 생물학 및 조직 공학을 결합하여 생체 내 대응의 생물학 및 생리학을 요약하는 3D 장기별 체외 모델을 배양합니다. 여기서는 사용자 정의 미디어 유속으로 격리된 미세 환경에서 개별 오르가노이드의 배양을 자동화하는 멀티플렉스 플랫폼을 개발했습니다. 프로그래밍 가능한 작업 흐름을 통해 직접적인 분화, 시간적 변수 연구, 장기간 배양 배양에 적용할 수 있는 여러 시약 저장소를 사용할 수 있습니다. 단일 PDMS 기판의 상부 및 하부 평면에 기능을 가능하게 하는 PDMS(폴리디메틸실록산) 칩 제조의 새로운 기술이 여기에 설명되어 있습니다. 자동화된 대뇌 피질 오르가노이드 배양의 RNA 서열 분석(RNA-seq) 분석은 기존의 체외 세포 배양에 비해 해당작용 및 소포체 스트레스를 줄이는 데 이점을 보여줍니다.

세포 배양은 인간 자궁경부암 생검에서 HeLa 세포를 분리한 이후 70년 이상 인간 질병과 발달을 연구하기 위한 주요 모델이었습니다1,2. 원래 바이러스 연구를 위한 수단으로 사용되었던 인간 세포 배양 프로토콜은 빠르고 쉽게 성장하여 대량의 물질을 생산하도록 최적화되었습니다. 조직 배양 프로토콜은 특히 많은 배지 구성 요소를 줄이는 측면에서 발전했지만 이러한 원래 레시피의 대부분은 그대로 유지됩니다. 생리학적 영양분 농도, 공급 및 제거를 모방하기 위한 조직 배양 프로토콜을 개선할 여지가 여전히 많습니다. 자동화된 미세유체학을 사용하면 수동으로 실현할 수 없는 속도와 정밀도로 공급함으로써 기존 프로토콜을 뛰어넘을 수 있습니다.

줄기 세포 및 발달 생물학의 최근 발전으로 일차 인간 조직의 측면과 유사한 보다 정확한 모델이 생성되었습니다3,4. 다능성 줄기 세포(PSC)라고 통칭되는 인간 배아 줄기(hES) 세포와 유도 다능성 줄기(iPS) 세포는 신체의 대부분의 세포 유형으로 분화할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 이를 활용하여 3D 배양 모델을 생성하는 프로토콜 뇌, 내장, 간, 유방을 포함한 인간 조직용5,6. 오가노이드라고 불리는 이러한 자가 조립 기관 특이적 세포 배양은 발달 연구, 병인 및 의학7,8,9에서 시험관 내 모델로 광범위하게 활용됩니다. 오가노이드는 2D 세포 배양보다 더 정확하게 일차 조직 대응 생리의 주요 기능적 특성을 모방합니다6. 시험관 내 모델로 사용하는 것 외에도 오가노이드는 재생 의학 및 임플란트용 조직으로 의료 분야의 응용 분야에서도 연구되고 있습니다5. 기술이 새로운 지평을 열면서 오가노이드 배양을 성장, 제어 및 분석하는 더 나은 방법에 대한 필요성이 커지고 있습니다. 시험관 내 배양과 일차 조직 사이의 간격을 줄일 필요가 있습니다. 여기에 표시된 발전과 같은 노력은 정밀 미세유체공학, 로봇 자동화 및 비접촉식 감지를 활용하여 조직 충실도에 최적화된 강력하고 재현 가능한 세포 배양을 가능하게 합니다.

PSC 유래 오가노이드가 자가 조립하고 많은 조직 특이적 세포 유형을 생성하는 능력은 복잡한 조직 및 시스템을 모델링하는 데 특히 유용합니다. 뇌는 인체에서 가장 복잡한 부분을 포함하고 있으며, 연구자들은 오가노이드 기술을 사용하여 다양한 뇌 영역의 고품질 모델을 생성할 수 있습니다. 대뇌 오가노이드는 대뇌 피질의 생리학을 모델링하는 뇌 오가노이드의 한 형태로, 많은 피질 특이적 세포 유형과 하위 영역을 포함합니다10. 이러한 오가노이드는 태아기 뇌 발달11,12,13, 뇌 병리14 및 치료 테스트15에 대한 연구에 널리 사용됩니다. 대뇌 오르가노이드는 장기간 배양하는 동안 직경이 몇 밀리미터까지 성장하며 배양에서 무기한으로 유지될 수 있습니다16.