조합 플러그 생산을 위한 이중층 미세유체 장치
2023년 12월 1일
여기에서는 수중수(water-in-oil) 에멀젼(플러그)의 조합 라이브러리를 생산하기 위한 폴리디메틸실록산(PDMS) 기반 이중층 장치의 제조를 소개합니다. 플러그 생산을 자동화하는 데 필요한 하드웨어 및 소프트웨어는 프로토콜에 자세히 설명되어 있으며 형광 플러그의 정량적 라이브러리 생산도 시연됩니다.
종양학 시스템 생물학 그룹(Systems Biology for Oncology Group)은 종양 미세환경을 형성하는 복잡한 메커니즘을 밝히기 위해 결합된 계산 및 실험 접근 방식을 사용합니다. 우리는 임상 데이터 및 암 생물학을 기반으로 한 수학적 모델을 사용하여 정밀 종양학을 개선하는 궁극적인 목표로 치료에 대한 개별 반응에 영향을 미치는 요인을 식별합니다. 치료에 대한 종양 반응의 이질적이고 역동적인 특성을 감안할 때, 섭동 생물학은 게놈 바이오마커의 한계를 극복할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
우리의 접근 방식은 보다 효과적인 항암 치료를 결정하기 위해 수용성 종양 세포에 광범위한 항암 약물 스크리닝을 실시하여 종양의 표현형 특성을 식별하는 것입니다. Microfluidics는 종양 생검과 같은 소량의 표본의 분석에서 작은 물방울 마개와 같은 개인적인 격실로 배부해서 원조하는 귀중한 기술입니다. 또한 각 플러그의 구성을 제어할 수 있으므로 화학적으로 구별되는 플러그의 여러 모집단을 생성할 수 있습니다.
여기에서는 압력 작동식 퀘이크 밸브에 의해 유체 흐름이 조절되는 완전한 PDMS 기반 장치를 제시하며, 이를 통해 고유한 플러그 모집단의 빠르고 제어되며 프로그래밍 가능한 생산이 가능합니다. 또한 퀘이크 밸브는 PDMS 기반이기 때문에 장치 제조에 원활하게 통합될 수 있습니다. 암세포의 안구 처리량 조합 스크리닝에서 얻은 데이터를 수학적 모델과 결합하면 종양 미세환경 행동을 조절하는 신호 경로를 연구할 수 있습니다.
이 연구는 정밀 종양학을 위한 새로운 전략의 길을 열고, 개별 환자에게 맞춤형 치료를 제공할 수 있는 근거를 제공할 것입니다.
개요
본 논문은 수중 유적(water-in-oil) 에멀전 내에서 조합 라이브러리를 생성하기 위해 설계된 PDMS 기반의 이층(bilayer) 장치 제작 방법을 제시합니다. 본 프로토콜에서는 플러그 생산을 자동화하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 상세히 설명하고, 형광 플러그의 정량적 라이브러리를 생성하는 과정을 보여줍니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 미세유체 기술
- 조합 스크리닝
- 암 생물학
배경
- 종양 미세환경은 복잡하고 역동적입니다.
- 정밀 종양학은 개별 반응에 기반하여 치료를 개인화하는 것을 목표로 합니다.
- 미세유체 기술은 별도의 구획을 생성함으로써 소량의 샘플 분석을 가능하게 합니다.
- PDMS 장치는 제어된 유체 흐름을 통해 효율적인 플러그 생산을 가능하게 합니다.
연구 목적
- 암 연구를 위해 서로 다른 플러그 집단을 생성하는 장치를 개발합니다.
- 종양 거동을 더 잘 이해하기 위해 실험 데이터와 수학적 모델을 결합합니다.
- 정밀 종양학 전략을 강화합니다.
사용된 방법
- PDMS 기반 미세유체 장치의 제작.
- 유체 조절을 위한 압력 구동형 Quake 밸브의 사용.
- 소프트웨어 제어를 통한 자동화된 플러그 생성.
- 형광 플러그의 조합 라이브러리 생성.
주요 결과
- 플러그의 정량적 라이브러리가 성공적으로 생성되었습니다.
- 해당 장치는 유체 흐름의 효과적인 조절 능력을 입증했습니다.
- 수학적 모델과 실험 데이터의 통합 방법이 설명되었습니다.
- 정밀 종양학 분야에서의 잠재적 응용 가능성이 논의되었습니다.
결론
- PDMS 기반 장치는 암 연구를 위한 가치 있는 도구입니다.
- 이는 화학적으로 구별되는 플러그 집단의 생성을 용이하게 합니다.
- 이러한 접근 방식은 개선된 암 치료 전략으로 이어질 수 있습니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
이층 마이크로플루이딕 장치를 이용한 고처리량 조합 플러그 생성 기술은 제한적인 환자 유래 시료에서 약물 반응을 신속하고 프로그래밍 가능하게 스크리닝할 수 있게 합니다. 이 기술은 종양학 분야의 표현형 스크리닝 및 경로 분석을 위해 정량적이고 화학적으로 구별되는 반응 구획을 생성해야 하는 과제를 해결합니다. 또한, 계산 모델링과의 통합을 통해 중요한 발견 전환점에서 예측 신뢰도를 높이고 기전적 리스크를 완화하는 것을 지원합니다.
바이오제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 종양 세포의 체계적인 섭동을 가능하게 하여 치료 가설을 조사하고 신호 전달 경로를 규명합니다.
- 표적의 기능적 검증을 위한 다양한 화학적 환경을 생성함으로써 생물학적 리스크 감소를 지원합니다.
- 정량적 다중 스크리닝 결과물을 통해 표적 선정의 예측 신뢰도를 높입니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 후속 고처리량 스크리닝 워크플로우를 위해 검증된 소형화 생물학적 시스템을 준비합니다.
- 조성과 수량을 프로그래밍할 수 있는 표준화되고 재현 가능한 플러그 집단을 제공합니다.
- 신뢰할 수 있는 화합물 평가 및 라이브러리 확장을 위해 확장 가능하고 자동화된 분석법 개발을 가능하게 합니다.
중개 및 전임상 연구
- 환자 유래 종양 생검 조직을 사용하여 조합 스크리닝을 질환 관련 시스템과 일치시킵니다.
- 실험 데이터와 계산 데이터를 통합함으로써 발견 단계부터 전임상 검증까지의 중개적 연속성을 유지합니다.
- 표현형 약물 반응을 매핑하여 정밀 종양학 전략에 대한 기전적 리스크 감소를 제공합니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
이 이층 마이크로유체 플랫폼은 초기 발견부터 리드 화합물 도출 및 전임상 연구까지 적용 가능하며, 특히 종양학 중심의 파이프라인에 적합합니다.
- 발견 생물학: 나노리터 구획 내에서 제어된 섭동 실험을 가능하게 하여 가설 검증과 경로 명확화를 지원합니다.
- 스크리닝: 비교 분석을 위한 정량적 결과물을 제공하는 분석 준비 완료된 재현 가능한 플러그 라이브러리를 제공합니다.
- 분석학: 약물 반응 및 경로 활성의 통계적 비교를 위한 고함량의 정량적 측정값을 제공합니다.
- 중개 연구: 조합 스크리닝에서 환자 유래 샘플의 직접적인 사용을 가능하게 하여 발견 단계와 전임상 단계 사이의 가교 역할을 합니다.
- 기업적 재사용: 다양한 치료 영역 전반의 스크리닝 및 분석법 개발 요구 사항에 적응 가능한 프로그래밍 가능하고 확장 가능한 플랫폼을 제공합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 타겟 및 경로 검증에서 예측 신뢰도를 높이고 기전적 모호성을 줄입니다.
- 운용적 가치: 스크리닝 워크플로우의 재현성과 확장성을 위해 플러그 생산을 표준화하고 자동화합니다.
- 전략적 가치: 견고하고 다중화된 데이터 생성을 가능하게 함으로써 go/no-go 결정의 품질과 자본 효율성을 향상시킵니다.
- 포트폴리오 영향: 정량적 표현형 스크리닝 데이터를 기반으로 위험 조정된 후보 물질의 우선순위 지정 및 추진을 지원합니다.
실행 시 고려 사항
- 미세유체 장치 제작 및 압력 구동 유체역학에 대한 전문 지식이 필요합니다.
- 자동 운전을 위해 프로그래밍 가능한 하드웨어, 소프트웨어 및 분석 인프라의 통합이 필요합니다.
- 플러그 조성 인코딩 및 데이터 관리에 대한 팀 간 표준화가 요구됩니다.
- 다양한 모델 시스템에 적용 가능하지만, 세포 유형이나 시약에 따라 최적화가 필요할 수 있습니다.
- 각 응용 분야에 대해 작동 압력 제한 및 밸브 작동 임계값을 검증해야 합니다.
