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Size- and deformability-dependent cell capture and release chips = 크기와 변형성 차이에 근거한 세포 포획 및 회수 칩
서명 / 저자 Size- and deformability-dependent cell capture and release chips = 크기와 변형성 차이에 근거한 세포 포획 및 회수 칩 / Hwan-Il Yoo.
저자명 Yoo, Hwan-Il ; 유환일
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2010].
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The study presents circulating tumor cell (CTC) capture and release chips using tapered slits based on cell size and deformability. The previous methods based on the cell surface chemistry have shown low viability and low stability due to the chemistry of irreversible and unstable antibody-antigen conjugation. The previous methods based on cell size have had problems of low capture efficiency and throughput due to cell lysis because of the stress concentration originated from the edge of filter structures at high flow rate. The present chip uses tapered slits to increase the capture efficiency of tumor cells and to minimize stress concentration by the filter structures, thus achieving 10 times increment of flow rate without damage of tumor cells compared to the methods based on the biochemical and physical principles. In the theoretical study, we estimated captured cell position in a tapered slit using both theoretical and numerical estimation varying slit angle and outlet width. According to the estimation, the cell is captured successfully in a tapered slit with the angle of 1.43 ° and the outlet width of 6 μm at flow rate up to 0.3 ml/hr. We designed two kinds of prototypes with tapered and straight slits, having outlet width of 6 μm, 8 μm, and 10 μm for each prototype. The chips are fabricated by SU-8 photolithography and PDMS molding process. In the experimental study, we spiked human lung adenocarcinoma cells (H358) transfected with green fluorescence protein (GFP) gene as CTCs. We measured the capture efficiency, escape rate, release rate, and viability of CTC in phosphate buffered saline (PBS). The capture efficiency of tumor cells decreased as the outlet width of tapered slits increased, and the maximum capture efficiency of tumor cells was 82.0±19.3 % in the tapered slits with the outlet width of 6 μm. In the measurement of escape rate of CTCs, we compared the numbers of retained tumor cells in the straight slits and the tapered slits as flow rate increases. At the flow rate of 0.45 ml/hr, the tapered slits retained 98 % of captured tumor cells, while the straight slits retained 85 % of captured tumor cells. The release rate of captured tumor cells for each prototype did not show a dramatic difference for varying slit outlet width, and the maximum release rate of the captured tumor cells was 82.9±1.6 % on tapered slits with the outlet width of 6 μm. The viability of captured tumor cells was almost same for varying the slit outlet width, and the maximum viability was 93.9±5.3 % on the tapered slits with the outlet width of 6 μm. Also, we confirmed the tapered slit does not have influence on the viability. In whole blood, we measured capture efficiency of CTCs. As the outlet width of slit increased, the capture efficiency of tumor cells decreased, and the maximum result was 74.0±18.2 % on the tapered slits with the outlet width of 6 μm. The present CTC capture and release chips with tapered slits demonstrated the increase of capture efficiency and throughput by using the size and deformability of CTCs, maintaining viability and stability of captured CTCs that have not been ensured in the previous chips based on physical and biochemical principles. The CTC capture and release chips have potential applications for diagnosis or prognosis of cancer patients.

본 논문에서는 세포의 크기와 변형성에 의존한 포획 및 회수 칩을 제안하였다. 본 방법은 기존의 칩에 비해 유량을 증가시켜 빠른 시간 내에 많은 양의 시료를 소화할 수 있도록 함으로써 혈액 내 순환암세포의 활성도를 유지한 상태에서 다수 포획 및 회수할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 기울어진 슬릿 모양의 어레이를 형성하여 혈액 내 순환암세포를 효과적으로 포획하고 회수할 수 있는 방법을 제안하였다. 세포가 슬릿 안으로 들어오면 세포의 크기와 변형성에 의하여 세포가 잡히게 되고, 잡힌 세포에 역류를 가하게 되면 입력포트로 세포가 회수된다. 기울어진 슬릿의 성능평가를 유량실험 결과, 기울어진 슬릿에서는 평행한 슬릿에 비하여 약 3배의 유량 (0.45 ml/hr) 에서도 세포를 포획하였다. 또한 혈액 내 순환암세포를 모사한 암세포 스파이킹 실험에서는, 6 μm 의 출구 폭을 갖는 기울어진 슬릿 소자에서 필터방식의 연구 대비 약 5배 높은 유량 (0.15 ml/hr) 에서도 82.0±19.3 % (PBS), 74.0±18.2 % (전혈) 의 결과를 나타내었다. 포획한 세포의 활성도는 평균 88.6±12.7 %, 6 μm 의 출구 폭을 갖는 기울어진 슬릿 소자에서 93.9±5.3 % 를 나타내었다. 회수율은 1.8 ml/hr 의 역류하는 유량에서 소자의 출구 폭에 무관하게 평균 77.8±14.6 %을 보였고, 6 μm 의 출구 폭을 갖는 기울어진 슬릿 소자에서 82.9±1.6 % 를 보였다. 결론적으로 본 연구에서 제안된 세포의 크기와 변형성에 의존한 포획 및 회수 칩이 PBS 또는 전혈에서 암세포를 효과적으로 포획하며 회수할 수 있는 것을 확인하였다. 본 방법은 혈액 내 순환 암세포를 효과적으로 포획하고 회수할 수 있어, 암진단 및 치료의 전기를 마련하였다.

서지기타정보

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청구기호 {MBiS 10019
형태사항 iii, 68 p.: 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 유환일
지도교수의 영문표기 : Young-Ho Cho
지도교수의 한글표기 : 조영호
Including Appendix
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 바이오및뇌공학과,
서지주기 References : p. 28-32
주제 Circulating tumor cells
Size
Deformability
Cell capture
Cell release
순환종양세포
크기
변형성
세포포획
세포회수
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