Development of on-chip microfluidic devices and sensors for the separation and detection of circulating tumor cells

Abstract

특정 세포들은 생의학적 분석에서 임상적으로 중요한 바이오마커로써 활용될 수 있기 때문에 혈액 및 체액으로부터 이러한 세포들을 분리하고 검지하는 것은 매우 중요하다. 세포 분리와 검지에 있어 최근 주목받는 목표 세포는 혈중암세포이다. 혈중암세포는 암 전이의 주원인으로 알려졌으며, 원발 암과 전이 암에 대한 중요한 정보를 가지기 때문에 이를 혈액으로부터 분리하여 검지하기 위한 노력이 이루어져 왔다. 최근에는 혈중암세포에 특정 표지인자를 부착하지 않고 일반세포와 구별되는 혈중암세포의 특이적인 특성을 활용한 분리 및 검지가 주목받고 있는데, 이는 암세포의 이질적인 표현형과 관계없이 혈중암세포를 분리하고 검지할 수 있기 때문이다. 본 학위논문은 혈중암세포의 분리를 위해 개발된 미세유체소자와 이를 검지하고 분석하기 위한 트랜지스터 기반의 센서소자를 제시한다. 각 소자가 무엇을 목표로 하고 있으며 혈중암세포의 어떠한 임상적 활용을 가능케 할지 서술한다. 첫 번째는 전혈로부터 혈중암세포를 분리하는 데에 있어, 연속적인 두 가지의 서로 다른 분리 방법을 적용한 미세유체소자이다. 혈중암세포의 크기 분포는 백혈구의 크기 분포와 일부분 겹치기 때문에 물리적 특성만을 이용한 분리는 분리 효율과 순도에 한계가 있었다. 또한, 혈중암세포에 표지인자를 부착한 분리방식은 높은 선택성을 가지고 있지만, 암세포가 가지는 이종성으로 인해 부분 모집단이 유실되는 한계가 있었다. 본 연구에서는 물리적 특성인 크기와 변형성을 활용한 분리 전략에 백혈구에 자석 표지인자를 부착하여 추가적인 자기영동 분리 전략을 결합함으로써 이를 개선할 수 있었다. 소자 내에 가해지는 압력 분포와 자성을 띤 세포에 적용되는 힘의 합력에 대한 분석을 통해 연속적인 분리를 최적화하고, 높은 혈중암세포의 분리 효율 및 순도를 가짐을 입증하였다. 두 번째 소자는 트랜지스터 기반의 단일 암세포 표면전하밀도 분석을 위한 센서소자이다. 외부의 미세한 전하 차이도 민감하게 검지할 수 있는 2차원 소재 Transition metal dichalcogenide (TMD) 물질인 이황화 몰리브덴 (MoS2)을 전도채널 물질로 사용하였다. 표면에 기능화 처리를 하지 않아 고이온 농도의 용액에서 발생하는 디바이 길이의 한계를 극복하고, 세포가 전도채널 표면에 밀착될 수 있는 밀착용 미세유체채널을 결합함으로써 세포 표면전하밀도를 측정할 수 있었다. 암세포는 일반세포에 비해 높은 시알산 농도를 가져 높은 표면전하밀도를 가지는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 암세포와 일반세포의 정량적인 표면전하밀도를 측정을 통한 분류 기법을 제시하고, 측정된 결과에 기반하여 실시간 암세포 검지가 가능함을 입증하였다. 마지막 소자는 확장형 게이트를 가지는 트랜지스터 기반의 센서소자이다. 전도채널에 직접적으로 타겟 물질이 접촉함으로 인해 생기는 특성저하를 방지하고 다양한 타겟 물질을 쉽게 검지할 수 있는 확장형 게이트를 적용하였다. 확장형 게이트에 서로 다른 표면 처리 과정을 거쳐 하나의 트랜지스터 소자로 용액의 pH 농도 검지와 용액 내 단백질 농도에 대한 검지가 모두 가능한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 측정된 결과에 기반하여 용액 농도의 실시간 검지가 가능함을 입증하였다. 본 연구는 반복적인 측정에도 특성 저하가 발생하지 않는 소자의 구조와 다양한 물질에 대한 적용 점을 바탕으로 다양한 분석에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.; It is important to separate and detect rare cells from blood and body fluids because certain cells can be used as clinically important biomarkers in biomedical analysis. Circulating tumor cells (CTCs) have attracted attentions in cell separation and detection. CTCs are known to be the main cause of cancer metastasis, and since they have important information about primary and metastatic cancers, efforts have been made to separate and detect them from the whole blood. In recent years, separation and detection techniques without utilizing specific tumor-associated markers to CTCs have been widely demonstrated because they are feasible to obtain intact CTCs overcoming the tumor heterogeneity issue. This thesis presents several techniques using a microfluidic device developed for separating CTCs, and transistor-based sensors for detecting and analyzing them. First, we exhibit a microfluidic device capable of sequential separations with different two enrichment methods. The device consisted of an immunomagnetic-based negative enrichment module that utilizes magnetic beads attached to leukocyte-specific surface antigens, with a physical separation module that utilizes the distinct size and deformability of CTCs. By manipulating the pressure distribution throughout the device and balancing the drag and magnetic forces acting on the magnetically labeled WBCs, the sequential physical and magnetophoretic separations were optimized to isolate intact CTCs, regardless of heterogeneity from whole blood. Moreover, by combining a couple of modules that employ different properties, the integrated device achieved highly improved separation performances such as separation efficiency, purity, and enrichment yield. Second, we exhibit a microfluidic sensor based on field-effect transistor (FET) that detected and analyzed biological cells by their surface charge densities. A non-functionalized FET was demonstrated to surmount limitation of short detectable distance in physiological solution due to the charge screening effect. By integrating a constriction fluidic channel, it was achieved to guide and to compress target cells onto the active channel of the FET biosensor, and entirely electrical sensing without electrochemical binding became viable regardless of heterogeneity. Hexagonal boron nitride (h-BN) sandwiched MoS2 active channel structure enabled not only highly sensitive discrimination of different charged targets in physiological solution but also quantitative analysis of their surface charge densities. In addition, the microfluidic channel integrated FET sensor showed a capability of real-time sensing of a living cell. Lastly, we exhibit a biochemical FET sensor with an extended-gate configuration. The extended-gate allows the active channel not to be exposed to the ionic analyte and the gate surface may be modified with chemicals or affinity reagents without affecting the operation of the active sensor. It showed that both ion and protein concentrations could be detected by one sensor device through different surface treatment processes on the extended-gate. In addition, it was possible to detect changes in the protein concentration in real-time with specificity and repeatability. It is expected that this study can be used for various analysis based on its extended-gate configuration that does not degrade characteristics even after repeated measurements and application points for various materials.