Rapid aggregation of cells via vertical vibration

Abstract

In this study, we investigated the phenomenon of rapid cell aggregation using flow field generated by the interaction of vertical vibration and surface tension. We found that a streaming flow arises due to the moderate Reynolds number of the vibration system, and the streaming flow showed perfect axisymmetry under vertical vibration. Conducting experiments with real cancer cells, we found out that this axisymmetric, point-directing streaming flow can rapidly and densely gather the cells in the desired point. In addition, we created spheroids and confirmed that there were no major problems with cell viability as well. Through comparison with other methods, it was also proved that this method gathers the cells faster and more densely. Subsequently, we analyzed how this flow is generated and how it makes the cells gather, through theoretical explanation and CFD simulations.

최근 암을 정복하기 위한 신약개발이 활발히 진행되고 있다. 신약 개발 과정에서 임상 시험 진행 전까지는, 암세포들이 응집하여 신체조직과 비슷한 기능을 하는 세포 웅집체(spheroid)에 약의 효용성을 확인한다. 세포 응집체는 세포가 자랄 수 있는 배양액 환경 속에서, 세포들을 한 점으로 모은 뒤 세포 사이의 결합을 유도하는 방식으로 제작한다. 세포를 한 점으로 모으는 과정에서 많은 시간이 걸려, 신약 개발 과정에서 많은 비용을 초래하여 왔다. 최근까지 다양한 방식(초음파 이용, 중력 이용, 배치(batch) 형식의 반응기 이용, 전자기장 이용 등)을 이용해서 세포 응집체를 제작하였으나, 제작 시간이 충분히 단축되지 않거나 세포들의 생존 능력(viability)을 저해하곤 해서, 현재까지도 세포 응집체의 제작 과정은 신약 개발의 주요 장애물로 여겨진다. 본 연구에서는, 유체에 연직 방향의 진동(vertical vibration)을 가할 때 생기는 유동을 이용하여 세포의 빠르게 응집하는 현상을 탐구하였다. 기존에 평면 구조에서만 관찰되던, 연직 진동 하의 streaming flow를 축 대칭(axis-symmetry) 형상에서도 발견하였고, 이 유동장이 세포를 빠르고 조밀하게 모으는 것을 확인하였다. 이후, 이론 및 시뮬레이션 분석을 통해, 해당 유동이 어떻게 발생하고 어떻게 세포를 모으는 데 효과적인지 분석하였다. 또한, 해당 유동을 이용하여 실제로 세포를 응집시켜 세포 응집체를 만들고, 세포의 생존 능력에 큰 문제가 없음을 확인하였다. 다른 방법과의 비교를 통해, 본 연구의 방법이 더 빠르고 조밀하게 세포를 모으는 것도 확인하였다.