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일회용 진단을위한 microfluidic 응용

Microfluidic Applications for Disposable Diagnostics

이 인터뷰에서 박사 Klapperich는 열가 소성 microfluidic 장치와 새로운 진단 개발을위한 그들의 응용 프로그램의 제조에 대해 설명합니다.

일회용 진단을위한 Microfluidic 응용

본 인터뷰에서 Klapperich 박사는 열가소성 미세유체 소자의 제작과 새로운 ... 개발을 위한 적용 방안에 대해 논의합니다.

제 이름은 Catherine CloudBridge이며, 보스턴 대학교의 제조, 공학 및 생의학 공학 교수입니다. 또한 저는 생의학 마이크로 소자 및 마이크로 환경 연구실의 소장을 맡고 있습니다. 저희는 주로 자원이 제한된 환경에서 사용할 수 있는 일회용 진단 기기 제작 연구를 수행하고 있습니다.따라서 이러한 장치들을 제작하기 위해 미세유체 기술을 사용합니다. 저희는 실제로 두 가지 연구 분야에 관심을 두고 있습니다. 우선, 생체 분자와 세포가 플라스틱 폴리머 표면과 어떻게 상호작용하는지를 살펴보는 데 주력하고 있습니다.그것이 저희의 주요 연구 분야입니다. 해당 연구는 일회용 진단 기기를 위한 미세유체 응용 기술로 구현됩니다. 따라서 저희 실험실에서는 미세유체 장치를 제작하고 있습니다.열가소성 소재의 경우, 일반적인 실험실 미세유체 장치 제작에 가장 많이 쓰이는 고무 성질의 소재인 PDMS는 보통 사용하지 않습니다. 우리는 열가소성 플라스틱으로 장치를 제작합니다. 이러한 열가소성 장치를 활용하여, 중앙 집중식 실험실에서 멀리 떨어진 현장에서도 마이크로 규모의 분자 생물학 실험을 수행할 수 있도록 하는 것에 관심을 두고 있습니다.실제 실험실에서 이것이 어떻게 구현되는지 설명하자면, 저희는 작은 플라스틱 카드를 제작하고 그 내부에 고상 추출 컬럼이나 세포 용해 컬럼 또는 혼합 컬럼을 배치합니다. 또한 검출 기술로서 칩 상에서 중합효소 연쇄 반응을 수행합니다. 이 모든 요소들은 하나의 작은 장치로 통합되며, 연구의 장기적인 전망으로는 결국 원심분리기나 가열 배양기 등 모든 제반 시설을 갖춘 대규모 실험실을 이용할 수 없는 현장이나 환경에서도 휴대하여 사용할 수 있는 통합 장치가 될 것입니다.따라서 저희는 이상적으로 혈액, 소변, 대변 또는 비인두 도말물(점액)과 같은 인간 시료로 시작하여, 칩의 출력단에서 특정 미생물에 감염되었는지 여부에 대해 예 또는 아니오라는 답변을 얻는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 환자의 시료 내에서 해당 미생물의 종류에 따라 특정 DNA 또는 RNA를 검출하는 방식을 사용합니다.따라서 발생하는 기술적 과제들은 주로 샘플 준비 단계에 집중되어 있습니다. 혈액, 대변 또는 소변으로 시작할 때, 다량의 입자성 물질이나 PCR 및 기타 증폭 기술의 저해제가 포함된 복잡한 인체 샘플 상태에서 시작해야 합니다. 그리고 최종적으로는 매우 깨끗하게 용출된 핵산 샘플을 얻어, 이를 통해 증폭을 수행하거나 특정 DNA 또는 RNA를 탐색함으로써 찾고자 하는 미생물의 존재 여부를 확인할 수 있어야 합니다.따라서 해당 시료들을 정제하기 위해 몇 가지 단계를 거쳐야 합니다. 우선 시료를 여과해야 하는데, 시료의 상태에 따라 칩에 로딩하기 전 조대 여과(course filtration) 또는 짧은 원심분리 단계를 포함할 수 있습니다. 저희는 항상 임상의로부터 전달받은 상태 그대로의 시료로 시작하려고 노력합니다.따라서 소변, 대변 및 비인두 도말 검체 the 경우, 저희의 목표는 임상의가 평소와 같이 검체를 채취하는 것입니다. 그런 다음 해당 검체를 칩 위에 올립니다. 따라서 해당 단계에서 추가적인 여과가 필요하다면, 그 여과 과정은 칩 내부에서 이루어지게 됩니다.두 번째 단계는 분자 분석을 수행해야 하므로, 샘플 내의 세포와 미생물을 용해시키는 과정입니다. 따라서 보통 작은 공극 크기의 필터를 통해 샘플을 강제로 통과시키는 용해 단계를 수행합니다. 때로는 이 필터에 탄소 나노튜브와 같이 날카로운 가장자리를 가진 나노입자가 포함되어 있어, 우리가 다루는 그람 양성균이자 용해가 매우 어려운 C difficile과 같이 세포벽이 더 견고한 일부 생물들을 파쇄하는 데 사용할 수 있습니다.따라서 더 강력한 용해 컬럼이 필요합니다. 일반적으로 우리는 칩 내부에서 화학적 및 기계적 용해를 병행하여 수행합니다. 그 후, 용해물을 사용하여 정제된 핵산을 추출하는 것이 목적입니다.그런 다음 용해물을 미세유체 칩 내에 내장된 고상 추출 컬럼으로 통과시킵니다. 이 고상 추출 컬럼은 플라스틱으로 제작되었으며, 미세유체 채널이 이미 제작된 후 채널 내부에서 광개시 화학 반응을 통해 만들어집니다. 또한 핵산을 결합하고 방출시키기 위해 보통 실리카 입자가 함침되어 있습니다.어떤 경우에는 예를 들어 mRNA를 특이적으로 결합하고 방출하기 위해 oligo DT 비즈를 포함시키거나, 특정 단백질을 결합하고 방출하기 위해 특정 항체가 부착된 비즈를 포함시키기도 합니다. 이러한 모든 기능을 수행하는 추출 컬럼을 제작할 수 있습니다. 하지만 오늘은 실리카 비즈를 이용한 sase 추출 컬럼 제작 방법을 보여드리겠습니다.그 다음, 용해물을 실리카 컬럼에 통과시킵니다. 이는 대규모 실험실에서 사용하는 Qiagen 키트와 동일한 방식으로 작동합니다. 그다음, 탄수화물, 지질 및 세포 용해물과 나머지 인간 시료 내에 포함된 불필요한 모든 성분을 제거하기 위해 세척 과정을 거칩니다. 그리고 마지막 단계에서 물로 용출합니다.이러한 마이크로 규모의 고상 추출 컬럼의 장점은 보통 1에서 5 µL 정도의 매우 적은 양의 물로 용리할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 투입한 핵산의 거의 대부분을 회수할 수 있습니다. 해당 채널에서 회수하는 처음 10 µL에서 약 70~90%의 효율을 얻을 수 있습니다.따라서 2~10 µL로 두 번 세척하면, 투입했던 거의 모든 핵산을 회수할 수 있습니다. 이는 PCR이 가능한 깨끗한 샘플일 뿐만 아니라, 일반적인 벤치톱 키트로 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 고농도로 농축된 샘플이라는 의미입니다. 결국 이러한 모든 샘플 준비 기술의 최종 목표는 다른 연구자들이 수행한 작업들과 호환되는 결과물을 만드는 것입니다.칩 상에서 PCR 증폭이 가능하다는 것을 보여준 매우 훌륭한 연구입니다. RNA 바이러스를 다루거나 유전자 발현 실험을 하려는 경우, 역전사 반응 또한 칩 상에서 수행할 수 있습니다. 당사의 시료 준비 기술은 칩 상의 PCR과 직접 결합될 수 있으므로, 벤치에서 별도의 정제 및 시료 준비 과정을 거칠 필요가 없습니다.또한, 소형 칩에서 멀티플렉스 PCR을 수행하는 데 필요한 미세 용량을 확보하기 위해 거쳐야 하는 농축 단계에 대해서도 설명하겠습니다. 따라서 오늘 보여드릴 실험에서는 PDMS가 아닌 열가소성 수지로 제작된 미세유체 칩을 조립하는 방법, 즉 일반적인 방식과는 조금 다른 제작 공정과 해당 칩들의 밀봉 방법을 보여드리겠습니다.그런 다음 칩 내부에서 광개시 화학 반응을 수행하여 세포 용해와 고상 추출 모두에 사용되는 폴리머 모놀리스를 제작하는 방법을 보여드리겠습니다. 현재 연구실에서는 모듈식 공정으로 진행되고 있지만, 통합이 가능하며 실제로 통합되어 왔는데, 이 과정의 끝에는 물에 용해된 고농도의 핵산(RNA 및 DNA) 샘플을 얻게 됩니다. 이렇게 얻은 샘플은 이후 PCR 모듈이나 다른 증폭 모듈로 이동하여 미생물이나 감염 여부를 식별할 수 있습니다. 실제로 저희는 현재 진행 중인 연구 과제가 있으며, 보스턴 의료 센터(Boston Medical Center)에서 인플루엔자 A 감염 가능성이 있는 환자들의 인체 샘플을 수집하기 시작했습니다. 현재 독감 시즌이므로 해당 샘플들을 수집하고 있습니다.그다음 실험실에서는 Influenza A 감염 여부를 확인하기 위해 골드 스탠다드 분석법을 수행하는데, 이는 기본적으로 며칠이 소요되는 배양 분석법입니다. 이와 병행하여, 현재 저희 칩의 모듈에 이러한 샘플들을 투입하고 있습니다. 즉, 용해 컬럼과 고상 추출 컬럼에 샘플을 통과시킨 후 PCR을 수행하여 골드 스탠다드 방법과 비교해 어느 정도의 성능을 보이는지 확인합니다.현재 저희가 처한 단계는 이와 같습니다. 해당 실험들이 성공적으로 진행된다면, 앞으로 약 4년에서 6년 뒤에는 인플루엔자 A를 위한 통합 칩과 완전한 분석법을 갖춘 상황이 될 것으로 생각합니다. 또한 clostridium difficile 및 대변 샘플에 대해서도 연구를 진행 중입니다. 그리고 장치뿐만 아니라 분석법까지 통합하는 단계에 매우 근접해 있습니다.따라서 분석법 개발과 칩 설계는 반드시 병행되어야 합니다. 특정 응용 분야를 통해 실제 진료 현장에 적용하기 위해서는 철저히 표적 지향적인 프로세스가 필요합니다. 진료 현장용으로 칩을 최적화하기 위해서는 분석 대상 샘플과 검출하고자 하는 미생물을 정확히 파악하고 있어야 합니다.따라서 프로토타입 방식으로 그것을 실현하는 단계에 매우 가까워졌다고 생각합니다. 그것들이 우리의 최종 목표이므로, 곧 달성할 수 있기를 바랍니다.

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Boston University.  이 인터뷰에서 박사 Klapperich는 열가 소성 microfluidic 장치와 새로운 진단 개발을위한 그들의 응용 프로그램의 제조에 대해 설명합니다.

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