This work demonstrates a novel microfluidic $\It{in vitro}$ cultivation system for embryos that improves their development using a partially constricted channel that mimics peristaltic muscle contraction (the gravity-driven stimulation system). To investigate the compressive effects of constriction geometry on embryonic development, different constriction widths of the channel were designed. Bovine embryos were loaded on the channel and the whole system was incubated on a tilting machine to provide embryo movement via gravity. The fertilized embryos were cultivated on the gravity-driven stimulation system until the blastocyst, hatching, or hatched blastocyst stages. The proportion of eight-cell development among total embryos in the constricted channel ($56.77\plusmn13.7%; mean\plusmnSD$) was superior to that in the straight channel ($23.97\plusmn11.0%$). Moreover, the membrane based mechanical stimulation was also designed because of needs for independent control of flow and compressive force (the pressure-driven stimulation system). Therefore, the possibility to improve developmental ratio for bovine embryos was suggested as supporting more precise$\It{in vivo}$ like environment.
본 연구에서는 미세유체기술을 기반으로 연동자극을 모사한 소 수정란 체외배양 시스템을 제안하였다. 최근 크게 발전하고 있는 보조생식기술(assisted reproductive technology)은 불임치료, 가축의 품종개량, 태아조작 및 핵 치환 기술 등의 다양한 영역으로 응용되고 있다. 체외수정($\It{in vitro}$ fertilization) 및 체외배양($\It{in vitro}$ culture)은 이러한 보조생식기술 중에서도 가장 중요한 과정 중에 하나이다. 하지만, 기존의 생화학적 방식으로는 배양액의 조성과 농도를 조절하는 정도의 문제해결법만이 제시되어왔다. 따라서, 좀더 생체와 유사한 물리적 환경을 제시하는 방식을 통해 혁신적인 체외배양 기술의 개선을 이루고자 본 연구에서는 미세유체기술을 도입하게 되었다. 미세유체기술을 통해 정교한 물리적 자극 및 환경을 제공할 수 있게 됨에 따라 생체를 모사한 배양환경을 제시할 수 있다는 것이 본 기술의 가장 큰 장점이다. 또한, 기존의 개선된 배양액에서도 낮은 분화율을 보였던 대 동물군 중에 하나인 소의 수정란을 위한 물리적 자극을 주는 체외배양 시스템을 제안함으로써 체외배양 시 물리적 자극의 필요성을 극대화하고자 하였다.
생체 내에서 수정란은 난관의 연동운동 및 섬모운동으로 인하여 물리적 자극을 받는다. 난관을 둘러싸고 있는 원형근육의 수축으로 인하여 연동운동이 일어나는데 이는 난관 내 섬모운동과 함께 수정란 및 난자를 이동시키는 원인으로도 알려져 있다. 이 때, 수정란은 압축력(compressive force)을 받게 되는데 본 연구에서는 이러한 물리적 압력을 미세유체기술을 이용한 마이크로 채널로 구현하고자 하였다. 채널 내에서 수정란이 이동을 할 때 이와 같은 압축력을 받게 하기 위하여 수정란의 평균 크기보다 좁은 구간(constriction area)을 부분적으로 디자인하였다. 압축력을 받을 수 있는 이 좁은 구간은 좁은 정도(constriction width)를 다르게 디자인하여 $150 \mum$ 또는 $160 \mum$ 너비에 따라 압축력의 크기를 조절하였다. 또한 수정란을 이러한 미세채널 내에서 이동시키기 위해 미세하게 조절되는 틸팅머신(micromodulated tilting machine)을 이용하여 중력에 의한 자극을 받을 수 있는 시스템(gravity-driven stimulation)을 제안하였다. 이 때, 틸팅머신의 각도는 수정란이 압축력을 받으며 지나갈 수 있는 여부를 결정하고 수정란의 속도 및 배양액의 유속을 결정하게 된다. 관찰결과 약 10도로 기울어진 틸팅머신 위에서 수정란이 압축력을 물리적 자극으로 받으며 이동할 수 있었다.
본 시스템 내에서 소의 수정란은 배반포 단계까지 분화되는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 배반포 단계의 수정란은 이중염색을 통해 분화된 정도를 본 결과 기존의 방식과 큰 차이가 없었음을 확인하였다. 특별히, 본 시스템 내에서 소의 수정란은 초기 분화 단계에서 8 세포기 단계의 분화 효율을 관찰하였을 때, 압축력이 없는 일직선의 미세채널($23.97\plusmn11.0%; 평균 분화율\plusmn표준편차$)에서보다 압축력을 주는 좁은 구간이 있는 미세채널($56.77\plusmn13.7%$)에서 더 높은 8 세포기 분화율을 관찰할 수 있었다. 특히, $160 \mum$ 너비의 좁은 구간이 있는 미세채널에서 가장 높은 초기 분화율을 확인하였다.
그렇지만 본 시스템은 틸팅머신의 각도로 제어가 되기 때문에 압축력과 배양액의 유속을 개별적으로 제어할 수 없다는 문제점을 가지고 있었다. 생체에서 관찰되는 것보다 많게는 수 백배 큰 유속이 나타나기 때문에 이러한 문제점을 개선하기 위하여 압축력과 배양액의 유속을 개별적으로 제어할 수 있는 시스템(pressure-driven stimulation)을 제안하였다. 미세하게 제어할 수 있는 주사기 펌프를 이용하여 얇은 막으로 수정란을 눌러주면서 압축력을 구현하고자 하였다. 또한, 미세하게 제어할 수 있는 주사기 펌프를 이용하여 미세채널 내의 수정란에 낮은 유속으로 배양액을 제공할 수 있도록 하였다. 비록 소 수정란의 분화율을 극대화할 수 있는 최적화된 압축력 및 유속을 본 시스템에서 아직 확인하지는 못하였지만, 시스템의 물리적 특성을 보다 자세하게 분석하여 그 가능성을 확인하였다.
본 연구에서 제안한 미세유체기술을 기반으로 연동자극을 모사한 소 수정란 체외배양 시스템은 기존의 체외배양 시스템에 비해 생체에서 발생하는 연동운동을 모사한 물리적 자극을 처음으로 제안함으로써 체외배양 기술의 개선을 위한 물리적 환경 제어의 가능성을 제시할 수 있을 것이다. 특히, 소 수정란의 초기 분화에 긍정적인 영향을 준 결과를 통해 이러한 생체모사형 체외배양 기술이 기존의 생화학적 개선방식과 다른 방식의 기술향상을 추구할 수 있을 것이라 기대할 수 있다.
