미세유체칩내 세포 이미지분석을 이용한 세포의 사멸과정 정량화 연구

Abstract

미세유체 세포칩을 이용한 기술 분야는 생물분야와 의학분야에서 유망한 신규 기술로 인식되고 있으며, 약물 검증 (drug screening), 세포독성평가 (cytotoxicity assay) 에 널리 이용하고자 고효율 스크리닝 시스템 (HTS; high throughput screening system) 개발 연구의 일환으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 미세유체 세포칩 안에서 세포 (Chang liver cell) 를 단일층으로 배양한 후, 세포 이미지 분석 (µ FIC; microfluidic image cytometry) 을 통하여 유해화학물질 (Cd2+) 노출에 의한 세포독성평가 (cytotoxicity assay) 를 하였다. 세포배양과 동시에 시료 분석에 필요한 구성 요소들을 소형화, 집적화 할 수 있는 미세유체 세포칩의 장점을 바탕으로 본 연구에서는 실험의 효율성 및 재현성을 향상시켜 유해화학물질 (Cd2+) 에 노출된 세포사멸과정을 정량 평가하고자 하였다. 여기서 유해화학물질 (Cd2+) 노출된 세포의 사멸과정을 세포의 형태학적 분석을 통하여 세포 형태 변형의 응축 및 원형성 (CS; cytoplasmic shrinkage, CR; cytoplasmic rounding) 확인하고, 이에 해당하는 EC50을 제시하였다. 그리고 다양한 형광 염료를 이용하여 세포의 활성산소 (ROS) 증가와 미토콘드리아 막의 활성도 저하 (MTP, ΔΨm), 세포핵의 응축 및 원형성 (NS; nuclear shrinkage, NR; nuclear rounding), 염색질 응축 (CC; chromatin condensation) 등의 세포사멸과정을 평가하였다. 이러한 특징들을 기반으로 본 연구에서는 기존의 세포 독성평가의 노동집약적 및 비경제적, 비효율성의 문제점을 보완하여 간편하고, 효율성 있는 방법을 제시 하고자 하였으며, 이를 바탕으로 미세유체 세포칩을 이용한 미세유체칩내 세포 이미지 분석 (µ FIC) 을 이용한 세포의 사멸과정 정량화 연구 방법으로 기존의 생물분야와 의학분야에서 널리 이용되어 고효율 분석을 향상시킬 수 있는 연구방법으로 제시하고자 하였다.; Microfluidic systems have significant implications in the field of in vitro cell-based assays since they may allow conventional cell-based assays to be conducted in an automated and high-throughput fashion. In this study, we combined a microfluidic cells-on-chip system with a morphology and fluorescence image cytometric analysis approach for the assessment of Cd2+ induced apoptosis of Chang liver cell line. A simple and efficient in situ monitoring method for quantifying the progress of a cell death event was developed and is presented here. Reasonable agreement of the estimated EC50 value from this study with those from literatures and a close correlation between the observed changes in cell morphology (i.e., circularity or roundness) and the amount of reactive oxygen species (ROS) generation confirmed the validity of this morphology-based microfluidic image cytometric (µ FIC) assessment method. We also described the detection of apoptotic cell death based on the fluorescence probes of mitochondrial transmembrane potential, nuclear shrinkage and chromatin condensation. We propose this morphology-based µ FIC approach as an easy and efficient way to assess cytotoxicity and think that it can be adapted to high-throughput or high-contents screening platforms for drug discovery and in vitro cytotoxicity assays.