Micro technology holds the promise for advanced cell culture systems which can better mimic the in vivo environment and serve as good disease models. This advantage of micro technology can be leveraged to culture nerve cells in vitro in confined space and nanolitres of culture media. In this work, a tubeless no-flow condition microchannel device is developed with the capabilities to sustain in vitro neural culture for long periods of time. Primary hippocampal neurons from E-18 Sprague-Dawley (SD) rat are cultured inside poly-(dimethylsiloxane) (PDMS) microchannel device assembled on Poly-D-Lysine (PDL) coated substrate. Neurons are cultured inside closed microchannels of variable geometry for over 1 month in serum free media condition. The neuron culture is characterized based on different parameters and effect of channel geometry on neuron development is investigated. Further, this microchannel neuron culture device is integrated with Multielectrode array (MEA) for functional characterization and spontaneous extracellular signals are successfully recorded from neurons inside the channels. This microchannel neuron culture device can help to probe and manipulate the neuron microenvironment and serve as good tool for neuron circuit design, neuron based drug screening assays, neural tissue engineering and in vitro neurodegenerative disease models.
신경계에서는 국부적으로 나타나는 성장 신호와 화학물질들의 농도 구배에 따라 세포 간의 정보가 전달된다. 따라서 신경세포의 국소환경이 신경세포의 발달과 기능에 중요한 요소라고 할 수 있다. 또한, 신경세포 회로 디자인, 신경세포 배양 공학, 조직 공학 등의 신경공학적 측면에서나, 시냅스형성, 신경세포의 growth cone 행동 양식 등의 기초적인 신경과학적 측면에서, 신경세포의 국소환경에 전달되는 생명 유지에 필요한 정보들은 필수적으로 이용된다. 그러나 일반적인 신경세포 배양 시스템에서는 이 국소환경을 조사하고 조절하기가 힘들다.
따라서 긴 시간 동안 신경 세포를 유지할 수 있고, 신경세포의 국소환경을 이해하고 조절할 수있는 마이크로 크기의 신경세포 배양 기기가 필요하다. 이 연구에서는 마이크로채널 신경 세포 배양 기판을 만들고, 이를 이용하여 primary 해마 신경세포를 1달간 serum-free media 조건에서 유지할 수 있음을 보였다. 이 마이크로채널 배양 기판을 다양한 치수로 제작하여 마이크로채널의 기하학적인 구조가 신경 세포의 국소환경에 어떠한 영향을 미치는지도 연구하였다. 마이크로 크기에서 신경세포를 배양하기 위해서 가장 결정적인 요소는 긴 시간동안 배양액의 증발을 차단하는 것이었다. 배양액이 증발하게 되면, 배양액의 삼투압이 높아지고, 이는 신경 세포의 건강에 치명적인 영향을 준다. 이 문제는 수증기가 통과하지 못하는 플루오르화 에틸렌 프로필렌막을 기판에 덮음으로써 해결하였다.
더 나아가, 마이크로채널에서 배양한 신경세포의 생존율, 생존 지속률, 신경세포 마커인 beta-tubulin-3 단백질 발현, 성숙도 등을 측정하였다. 결과로부터 신경 세포가 마이크로채널 기판에서 긴 시간동안 건강하게 생존할 수 있음을 알 수 있었다. 마이크로채널의 크기가 신경세포의 성숙 속도에 영향을 주고, 그중에서도 채널의 높이가 결정적인 요소로 작용하였다. 또한 마이크로 채널 신경세포 배양 기판을 MEA와 접합하여 신경 세포가 자라고 있는 서로 다른 크기의 마이크로 채널에서 신경세포의 자발적인 세포 외 전압을 측정하였다.
이 마이크로채널 배양 기판은 신경세포에 보다 쉽게 접근할 수 있게 만들어주고, 신경세포의 성장, 모양, 기능적 측면에서 국소환경이 미치는 영향을 보다 쉽게 이해할 수 있는 기회를 제공한다.
