To complement limitations of the traditional methods for intestinal microbiota researches, a biomimetic in vitro model is demanded. Microfluidic models have been developed to meet such demand, but even they had to be sliced into thin sectional samples in order to observe microbiota environment such as epithelial monolayer, mucus and microorganisms. This study aims to develop a thin-section, microfluidic model allowing dynamic, simultaneous observation of microbiota environment. 20 μm thin collagen scaffold was constructed inside the microfluidic device as a barrier separating apical from basal flow and extracellular matrix (ECM) for epithelial culture. The collagen scaffold successfully allowed adherence of epithelial culture consisted of HT-29 intestinal cell line. Seeding density and cell incubation time suitable for covering the collagen scaffold with monolayer culture of epithelial cells were determined. HT-29 cells were found to secrete more mucus, which provides microbiota niche, when adhered to collagen. By quantifying mucus secretion of the HT-29 cells cultured inside the proposed device, the increased mucus secretion was found to be more dependent on cell-ECM adhesion than cell-cell adhesion. Dynamic, simultaneous observation of the collagen scaffold, the cell culture and green fluorescent protein (GFP)-expressing bacteria on single focal plane was demonstrated using the microfluidic device. During three days of cultivation, HT-29 cells displayed excessive proliferation, requiring inhibition of their tumorous phenotype. The proposed device offers a capability for live imaging of intestinal microbiota and its surroundings. Findings of this thesis study will be implemented to improve the device as truly biomimetic modeling of human intestinal microbiota.
인간 장내 마이크로바이오타 연구를 위한 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 생체모사성 체외모델이 요구된다. 이에 대한 해답으로 미세유체소자 기반 체외배양 모델이 제안되었으나, 기저조직, 상피세포, 점액, 미생물 등으로 이뤄진 마이크로바이오타 환경을 관찰하기 위해서는 위 모델을 얇은 절편으로 절단하여 표본을 획득해야 한다. 미세유체소자 모델 뿐만 아니라 동물 실험 및 기존 체외배양 모델 연구의 경우에도 마이크로바이오타 환경관찰을 위해 모델의 파손이 필수적이다. 위 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 마이크로바이오타 환경의 각 요소를 실시간 및 동시 관찰이 가능한 절편 형태의 미세유체소자 모델을 제안했다.
절편 두께의 인체 장상피조직모델의 기초가 되는 하이드로젤 기저층을 미세유체소자 내부에 형성하기 위하여 모세관현상기반 미세유체기술을 이용했다. 중앙구역의 높이가 20 μm이며, 인접구역의 높이가 60 μm인 복층구조의 마이크로채널을 설계했다. 중앙인렛으로 주입된 하이드로젤 물질이 모세관현상에 의해 단차가 낮은 중앙구역에만 집중되어 위 마이크로채널을 두 개의 마이크로채널로 분리하는 구조물을 형성했다. 하이드로젤 구조물이 콜라겐으로 형성된 경우HT-29 (cell line) 장상피세포가 당 구조물의 표면에 부착되어 성장했다. 또한, 콜라겐 표면에 부착된 장상피세포층을 배양하기 위해 적합한 세포 시딩 농도 및 배양 시간을 확정했다. 콜라겐에 부착된 HT-29 세포가 더 많은 양의 점액을 분비하는 것을 관측했으며, 증가된 점액 분비량은 세포와 기저조직 간의 상호작용에 연관된 것으로 밝혀졌다. 제작된 미세유체기반 모델을 이용하여 콜라겐 구조물, 장상피세포, GFP 발현 대장균 등을 동일 초점상에서 실시간 관찰했다. 결과적으로 본 연구에서 목표한 기능인 마이크로바이오타 환경 구성 요소의 실시간 및 동시 관찰을 제작된 미세유체소자 모델에서 시연한 것이다. 본 연구에서 제안한 모델이 인간 장내 마이크로바이오타 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 인체를 개복하여 장내 마이크로바이오타에 대한 연구를 수행할 수 없기 때문에 본 미세유체소자 모델에서 생체모사 조직을 배양하여 대체실험을 수행할 수 있다고 전망한다.
또한, 인간 생체모사 마이크로바이오타 환경을 제안된 미세유체소자 내부에 구성하는데 필요한 개선안을 본 연구를 통해 밝혀냈다. 콜라겐 구조물과 PDMS 표면 사이의 간격으로 배양되는 장상피세포가 침투하며, 종양성 성장하는 것을 3 일간의 배양실험에서 관찰했다. 따라서, 콜라겐 구조물을 마이크로채널 표면에 화학적으로 고정하여 세포침투를 방지하고, 항암제 처리를 통해 HT-29 세포의 종양성 형질을 억제할 필요가 있는 것이다. 개선요소를 반영한 미세유체소자에서 실제 조직과 표현형질이 유사한 장상피조직을 배양하고, 이에 기반하여 생체모사 마이크로바이오타 환경을 구성할 수 있을 것으로 기대된다.
