Design and Engineering of Microfluidic Platform for Mechanotransduction

Abstract

In natural living cells, they are exposed to physical stresses in most of their times. They constantly reconstitute themselves by activating their complex intra-cellular signaling pathways to adjust to those rapid changing situations. Studies to clarify the phenomena of cells under physical stress which is called mechanotransduction are covered generally in the various fields of biology. These efforts of researches eventually present fundamental backgrounds for studying the reason of related disease and developing new drugs. In this paper, we introduce the microfluidic platform to deliver physical stress to cells. The device is installed with cell culture chamber and pneumatically operated valve. Cell culture chamber layer is under the air channel layer while these two are isolated with thin flexible membrane (~100 μm). When air-pressure is loaded to air-channel, the channel expands deforming thin membrane which works as a valve. Consequently this valve transports pressure to cells underlying beneath the membrane. Three individual experiments were processed to prove the potential use of the device. We ultimately expect this device to bring out meaningful results from cells dedicating as a new biological tool for the study of mechanotransduction.

세포는 생존에 있어 항상성을 유지하기 위해 다양한 외부 환경 변화에 반응하며 적응한다. 온도, 산성도, 삼투압, 팽창과 수축 등 복합적이고 때로는 혹독한 환경에 노출되기도 하는데 이러한 외적 자극에 의해 세포는 복잡한 세포 내 신호전달을 발생시킨다. 그 결과 주어진 자극에 적절한 반응을 보이며 변화하는 환경에 적응하게 된다. 이처럼 물리적인 외부 자극이 세포 내에서 화학적인 신호전달로서 나타나는 것을 역학전이 (mechanotransduction) 라고 하는데, 역학전이에 의한 신호전달경로는 그 가지가 다양하고 복잡하며 유기적으로 연관되어 있기 때문에 명확한 분석이 어렵고 기술적 한계로 오늘날 까지도 밝혀지지 않은 관계가 있는 실정이다. 주어진 자극에 의한 세포 내 신호전달경로의 관계를 밝히는 것은 결국 관련 질병의 원인 이해와 의약품 개발에 근본적인 자료가 될 수 있다. 따라서 본 석사논문에서는 공학적 기술인 미세유체소자 (microfluidics) 를 도입하여 기존에 어려웠던 생물학적 실험과 분석에 새로운 플랫폼을 제시하고자 한다. 본 논문에서는 미세유체소자를 사용하여 압력으로 인한 자극에 나타나는 세포의 반응을 분석하는 데 도움을 줄 수 있는 장치를 소개한다. 동전 정도 크기의 장치 안에 세포배양 층과 그 위에 공기채널 층이 있는데 두 층은 100 μm 이하의 얇은 PDMS 막으로 분리되어 있다. 공기채널에 공압이 걸리게 되면 폐쇄된 채널은 팽창하게 되는데 이 때 가장 얇은 PDMS 막 부위가 변형되어 아래의 세포배양 층을 짓누르게 된다. 공압의 세기는 0 ~ 10 psi 로 컴퓨터를 통해 제어가 가능하여 세포배양 층에 원하는 세기의 자극을 전달 할 수 있도록 해준다. 본 논문에서는 세 개의 개별적인 실험을 통해 장치의 적용 가능성을 증명하였다; 첫 번째 실험은 외부 압력에 의해 발생하는 신경세포의 기능저하에 관하여 축색돌기의 반응 분석을 통해 장치의 가능성을 살펴보았다. 두 번째 실험은 효모가 압력에 의해 팽창될 때 나타나는 세포 내 신경전달경로를 분석하기 위한 툴로써의 적합성을 판단하였다. 마지막 실험은 바이오 연료의 원료가 되는 녹조류 (green algae) 의 지질 생산을 증가시키기 위한 장치로써 녹조류 배양 조건에서 압력이 주어졌을 때 스트레스로 인한 영향을 분석하였다. 개별적인 실험해 대한 결과 및 분석을 기술하였고 장치의 잠재성과 응용 가능성을 판단하였다. 본 장치는 세포를 배양하고 자극을 전달할 수 있는 기초적인 장치로써 적합한 조건을 가지고 있으나 현재까지는 생물학적으로 정확하고 의미 있는 필요를 충족시키기엔 추가적인 설계와 정밀한 제어가 요구된다. 논문에 기재된 실험에 대한 긍정적인 결과를 토대로 미래에 다양한 분야에서 활용될 수 있도록 본 장치의 발전을 기대하는 바이다.