In toxicology, especially in dealing with cells, many trivial experiments are time-consuming and laborious, and it is also difficult for in vivo experiments to give quantitative results and to measure cell concentration and so on without affecting the target cells. These obstacles prevent the field of toxicology from being automated and high-throughput. For solving this problem, a microfabricated cell chip with three electrodes based on electrochemical impedance system was designed and fabricated by sputtering gold on polycarbonate film. The cell chip measures the impedance change caused by adherent cells growing on the electrode surface and then lets us know relative quantity of cells on the chip. As the electrode size became smaller, the cell chip sensitively detected cells, but reproducibility decreased. According to the results, 500$\mu$m electrode was chosen in consideration of the reproducibility and sensitivity. Impedance change during cell attachment experiments was adaptable at the 10kHz for considering the reproducibility and the impedance difference between cells and medium. To find the relationship between cell concentration and impedance change, cells with various concentrations were monitored. As the cell concentration increased, the impedance change also increased, and vice versa. Furthermore, when monitoring growing cells, the measured impedance showed the typical growth curve.
Toxicity of Triton X-100, tamoxifen, and menadione were measured using the cell chip. As the concentration of toxicants increased, the impedance was decreased because of the detachment of dead cells. Results of MTT assay and fluorescence test were also consistent with the cell chip results. This implies that the microfabricated cell chip is suitable for measuring cell growth and death.
Our results reveal that the cell chip system would provide an easy and real-time monitoring method for cytotoxicity test. Furthermore, this system enables many experiments dealing with viable cells to be automated and high-throughput.
최근 세포기반 분석법 (cell-based assay)은 대량검색기술 (high throughput screening)의 요구와 함께 현재 신약 개발 분야에서 각광을 받고 있다. 특히, 신약 개발의 실패 원인 중에 독성시험 (toxicity test)이 차지하는 비율이 약 30%에 달하고 있음을 감안할 때 독성시험을 위한 세포기반 분석법은 그 중요성이 매우 크다고 할 수 있다. 기존의 독성 시험은 오랜 시간과 다양한 시약 그리고 비번한 노동력을 요구하였고, 반응을 실시간으로 알아볼 수 없었으며 정량화 하는 데도 어려움이 많았다. 그러므로 이러한 기존의 독성시험의 단점을 극복하는 것은 많은 연구자들의 큰 관심사가 되어 왔다.
본 연구에서는 살아있는 세포의 고체 부착 (anchorage-dependent) 성질을 전기 화학적 임피던스 변화로서 측정할 수 있는 마이크로 세포 칩을 개발하고 이를 독성시험에 응용하였다. 먼저 실험을 할 세포를 선정하는 과정에서는 대부분의 독성 물질들이 중화되는 기관인 간의 독성에 관한 연구를 위하여 간암 세포주 (hepatocellular carcinoma cell line)인 HepG2 세포를 이용하여 여러 가지 실험을 수행하고자 하였다. 마이크로 세포 칩의 제작을 위해서는 먼저 폴리 카보네이트 (polycarbonate) 필름 위에 금(gold)을 스퍼터링(sputtering) 하여 지시전극, 대전극 그리고 기준전극으로 이루어진 삼전극계 (three-electrode system)를 디자인하였다. 적합한 지시전극 (working electrode)의 크기를 알아보기 위해서 절연 물질 (insulation paste)로 패터닝된 250μm, 500μm 그리고 1mm의 전극을 사용하였다. 제작된 전극 상부에 상용화된 8-well을 부착하여 세포 칩을 완성하였고, 이를 이용하여 세포를 키운 결과 보통의 방법에서처럼 매우 안정되게 세포가 성장하는 것을 관찰 할 수 있었다. 임피던스 측정은 낮은 주파수인 10Hz에서부터 100kHz까지의 높은 주파수 범위까지 수행되었고, 세포의 반응에 대한 임피던스 측정 감도와 대조군과의 차이 및 재현성을 고려하였을 때 500μm전극을 이용하여 10kHz에서 측정하는 것이 가장 적합하였다. 이렇듯 최적화된 상태에서 세포의 농도에 따른 임피던스의 변화와 MTT 분석법을 상호 비교하였을 때 상관관계가 매우 높음을 알 수 있었고, 기존의 세포 성장 곡선과도 일치하는 결과를 확인하였다.
독성 시험을 위해 일반적으로 대부분의 세포에 치명적인 영향을 주는 물질인 triton X-100과 간세포의 사멸(apoptosis)을 일으키는 타모시펜 (tamoxifen)과 메나디온(menadione)을 처리 하였을 때 독성 물질의 농도가 증가함에 따라 임피던스가 순차적으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한, 임피던스 측정 결과를 MTT 분석법과 형광물질 측정 결과와 비교해 보았을 때 매우 높은 상관관계를 나타내었다.
이상의 연구 결과로부터 본 연구에서 제작된 마이크로 세포 칩은 세포의 성장과 사멸을 비롯하여 여러가지 효소나 외부 환경에 따른 변화를 손쉽게 실시간으로 모니터링 할 수 있을 것으로 생각된다. 특히 다양한 약물을 이용하여 여러 종류의 다른 세포를 이용한 검사에도 유용하게 쓰일 수 있기 때문에 현존 독성시험을 대체 할 수 있는 한 수단이 될 것으로 기대된다. 또한, 자동화된 측정 방법으로 현재 8-well 모듈(module) 방식을 확장해 나가면 HTS (high throughput screening) 시스템으로 확장 할 수 있을 것이며 의약 분야 및 세포를 이용한 여러 실험에 필수적인 방법이 될 것이다.
