In this thesis, the development of microfluidic interfacing technique for the efficient analysis of breast cancer tissue section is presented. First, we demonstrated a microfluidic platform that allows entire immunohistochemistry (IHC) to be performed on a microfluidic environment. To overcome the limited application of the microfluidic platform to IHC processes, we developed the microfluidic chip made of poly(urethane acrylate) (PUA) which has high resistance to organic solvents. A novel wall-structure of the chip enables the reversible assembly to section slide despite the high Young’s modulus of PUA. Including the deparaffinization process using organic solvents, the entire IHC processes were implemented on a microfluidic environment. The IHC results by both on-chip and conventional method were evaluated to compare the immunostaining quality and showed an equivalent level while reducing the total process time to 40% (150 min to 60 min). In addition, the verification result using HER2-overexpressive breast cancer tissue showed the potential of microfluidic interfacing technique for medical application.
We also demonstrated the microfluidic interfacing technique for the analysis of tissue microarray (TMA). A microfluidic chip which has bundles of multiplexed microchannel was designed to align on each core of TMA. The chip was reversibly assembled with TMA by pressure to provide a microfluidic multiplexed immunostaining environment to each core of TMA. Based on these, we proposed a ‘barcode-IHC’ concept to analyze the expression characteristics of four biomarkers by multiplex immunostaining. The combination of four bar-like immunostaining results with different intensities reveal the unique pattern depending on the samples so it can be utilized as a standard for diagnosis. The verification of the barcode-IHC concept using a cell microarray (CMA) consisting of six different breast cell lines showed that distinct barcode results were obtained corresponding to the characteristics of each cell line. The barcode-IHC result performed on 90 breast cancer tissue cores using TMA and confirmed an agreement rate over 90% by comparing the results obtained by conventional method. Also, the barcode-IHC result of multiplexed immunostaining with different antibody sequences showed over 87% agreement.
본 학위논문에서는 유방암 조직 절편시료의 효율적인 분석을 위한 미세유체 인터페이싱 기술을 개발하였다. 먼저, 면역조직화학법의 전체 과정을 미세유체환경에서 수행할 수 있는 플랫폼을 개발하여 미세유체 기반 면역조직화학법 기술의 제한적인 활용을 극복하고자 하였다. 유기 용제에 내성을 가진 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA)로 미세유체칩을 제작함으로써 유기용제를 사용하는 탈파라핀과정을 미세유체환경에서 수행할 수 있었다. 또한 본 연구에서 새롭게 제안한 좁은 벽 구조를 가진 미세유체칩은 PUA의 높은 탄성계수에도 불구하고 압력 기반 가역적 결합을 유체의 누수없이 유지 가능함을 보였다. 이를 기반으로 면역조직화학법의 각 과정을 미세유체칩과 기존의 방법으로 수행한 후 그 결과를 비교하여 면역염색 효율을 분석하였고, 동등한 수준의 면역염색 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이를 기반으로 면역조직화학법 전체과정을 미세유체칩으로 수행한 결과 기존 방법 대비 약 40% 수준으로 처리시간을 단축할 수 있었다. 또한 유방암 환자 조직 절편을 이용한 미세유체 면역조직화학법 실험을 통해 실제 의료현장에서 요구되는 진단 능력을 제공할 수 있음을 보여주었다.
두 번째로, 조직 마이크로어레이를(TMA) 고효율로 분석할 수 있는 미세유체 인터페이싱 기술을 개발하였다. TMA와 가역적으로 결합하여 각 코어에 다중 미세유체채널을 정렬할 수 있는 미세유체칩을 설계하고, 이를 통해 다중 바이오마커의 동시분석을 수행하였다. 네 가지 유방암 바이오마커에 대한 다중 면역염색결과는 코어의 바이오마커 발현 특성에 따라 네 개의 바(bar) 형태로 표현되는데, 이를 본 연구에서는 바이오마커 바코드로 명명하였고 이를 기반으로 고효율 정량분석 및 유방암 진단을 수행하였다. 여섯 개의 유방암 세포주로 구성된 세포 마이크로어레이를 이용한 검증 실험을 통해 각 유방암 세포주의 바이오마커 발현 특성에 따라 확연한 차이를 나타내는 바이오마커 바코드 결과를 확인하였다. 서로 다른 유방암 환자 코어로 구성된 TMA를 이용하여 90명의 환자를 바이오마커 바코드로 분석하고 진단한 결과, 기존의 방법으로 수행한 결과와 비교하였을 때 90%의 일치율을 보였다. 또한 환자 조직의 불균일성이 바이오마커 바코드 기반 진단결과의 일치율에 미치는 영향을 분석해본 결과 87.5%의 일치율을 확인하였다.
