Endocrine system on a chip

Abstract

미세 유체 제조 공정은 최근에 조직 공학방면에서 중요한 기술 부분으로써 체외에서 세포 체제에 대해 이해하고 약물을 연구하는 데에 응용되고 있다. 제 1장에서는 미세 유체 기술을 응용하여 폐, 간, 신장, 심장, 장, 유방, 혈관 등의 인체 조직과 기관을 모사한 연구에 대하여 간단히 소개하였다. 그리고 내분비 계통을(장과 췌장) 모사한 미세 유체 칩에 관하여 소개하였다. 제 2장에서는, 장에서 분비하는 글루카곤 유사 단백질-1(GLP-1)이나 췌장에서 분비하는 인슐린의 생성에 포도당이 미치는 영향을 측정하기 위해, 미세유체 주입 장치를 이용하여 장-췌장 조직의 공동배양 체계인 ‘내분비계 온 칩’을 구축하였다. 장세포(GLUTag)와 췌장세포(INS-1)를 각각 다른 미세 유체 칩에 배양하였고, 포도당을 세포배양에 맞는 0.5 μl/min의 느린 속도에서 포도당 자극 인슐린 분비에 맞는 10 μl/min의 빠른 속도까지 다른 속도로 흘려주었을 때 각 세포의 분비한 GLP-1과 인슐린의 분비량을 측정하였다. 두 가지 세포를 내분비 시스템 미세 유체 칩에서 삼 일간 배양한 결과, 모두 뭉치면서 삼차원적인 세포 형태를 형성하였으며 세포의 생존율은 95% 이상이었다. 포도당 자극을 주었을 때, 미세 유체 칩에서 배양한 INS-1과 GLUTag 세포는 2차원 배양한 세포에서보다 더 많은 인슐린과 GLP-1을 생산하였다. 다음으로, 각각 장 세포와 췌장 세포를 분리된 미세 유체 칩에서 배양하던 부분을 주사기 펌프, 튜빙 그리고 밸브를 이용하여 간단히 연결하여 배양하였다. 이렇게 장 세포와 연결된 췌장 세포가 분비한 인슐린은 독립적인 미세 유체 칩의 췌장세포가 분비한 인슐린보다 많았다. 위의 실험결과에서 인슐린의 분비는 GLP-1과 포도당의 흐름 속도뿐 아니라 농도에도 관련 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 종합해보면, 내분비 미세 유체 시스템은 체외에서 포도당 자극에 따른 내분비 호르몬 변화를 관찰하고 당뇨를 치료하기 위한 GLP-1 유사체와 천연 인슐린 자극제를 검사하는데 유용하게 이용될 수 있다.;Recently microfluidic fabrication system on tissue engineering is one of the important techniques to understand cells mechanism in vitro and apply for medicine research. In chapter I, I overviewed microfluidic technologies and their applications for tissue and organ research including lung, liver, kidney, heart, gut, breast and blood vessels. In chapter II, I used microfluidic perfusion device to describe ‘Endocrine system on a chip’, which constructs co-culture system of the intestinal-pancreatic tissues, to measure the effect of glucose on the production of glucagon-like peptide-1 (GLP-1) and insulin from the intestine and pancreas, respectively. Intestinal (GLUTag) and pancreatic (INS-1) cells were cultured seperately on microfluidic device and measured the concentration of GLP-1 and insulin secreted from each cell line upon glucose at different flow rates (from slowest flow rate 0.5 μl/min for cell culture or up to 10 μl/min for glucose-stimulated insulin secretion). Both cell lines formed aggregates and exhibited 3D cell morphology and showed a good viability (> 95%) after 3 days of culture. In response to the glucose stimuli, INS-1 and GLUTag cells produce higher amounts of insulin and GLP-1, respectively, compared to those in a 2D cell culture. After that, both of cells were cultured on different compartments of co-culture microfluidic device and were connected by pump, tubing and valves simply. INS-1 cells which connected with GLUTag exhibited several times higher insulin production in response to glucose stimulation compared with only INS-1 cell culture chip. The insulin production is in relation to glucose and GLP-1 concentrations as well as flow rates. My results suggest that Endocrine system on a chip is useful for observing dynamic change of endocrine hormones (GLP-1 and insulin) in glucose-dependent stimulation and screening GLP-1 analogs and natural insulin stimulant against diabetes.