초록 ▼

연구목적
○ 국제적으로 각광받고 있는 장기 모사 바이오칩 기술을 응용한 브레인 온어칩 (Brain-on-a-chip)을 개발하여 복잡한 뇌질환의 분자생물학적 기전 및 기능을 규명하기 위한 한국-유럽연합(EU)의 공동 연구를 제안하고자 함.

연구내용
○ 신경 세포 기반 논리 회로 구축을 위한 뇌 세포의 체외 배양 마이크로 플랫폼 개발
· 본 연구 개발의 성공을 위해서는 궁극적으로 두 가지 기술 요소 - (i) 건강한 뇌 세포의 체외 대량 배양/생산 플랫폼 개발, (ii) 뇌 세포의 전기 화학 신호에 대응하

연구목적
○ 국제적으로 각광받고 있는 장기 모사 바이오칩 기술을 응용한 브레인 온어칩 (Brain-on-a-chip)을 개발하여 복잡한 뇌질환의 분자생물학적 기전 및 기능을 규명하기 위한 한국-유럽연합(EU)의 공동 연구를 제안하고자 함.

연구내용
○ 신경 세포 기반 논리 회로 구축을 위한 뇌 세포의 체외 배양 마이크로 플랫폼 개발
· 본 연구 개발의 성공을 위해서는 궁극적으로 두 가지 기술 요소 - (i) 건강한 뇌 세포의 체외 대량 배양/생산 플랫폼 개발, (ii) 뇌 세포의 전기 화학 신호에 대응하는 분석 시스템 구축 – 의 결합이 필요함
· 주어진 연구 기간 동안, 첫 번째 기술 요소의 획득을 위해 뇌 세포를 3차원 체외 배양 가능하며, 신경 세포의 기능이 유지되는 시스템을 개발함.
· 신경 세포의 특성상 배양된 세포군이 신경 돌기 (neurites)를 뻗어 상호 네트워킹 구조를 형성해야 하는데 종전 마이크로 어레이 플랫폼에서는 단순히 세포의 배양만 가능할 뿐 적절한 신경돌기 생성이 어렵기 때문에, 이를 해결하기 위해 PDMS 재질의 concave microwell 내부의 물리화학적 특성을 조절하고자 하였고, APTES 코팅을 통한 다양한 hydrophilicity의 물질 (예: 카본나노튜브, PLL, 라미닌 세포외기질 단백질 등) 을 도포한 후 신경세포체의 몰폴로지와 신경돌기 생성률을 비교함.
· 다양한 물리화학적 변이를 통해 두 가지 상호 작용의 최적점에서 기능적으로 가장 우수한 신경세포체의 형성이 가능함을 확인함

연구결과
· 본 과제는 사람의 뇌 세포를 이용하여 다양한 뇌 논리회로 (neuronal logic gate)를 구현하고, 본 기술을 고도화하여 외상성 뇌신경 축색손상의 분자생물학적 기전 및 기능을 규명하는 것을 목표로 한국과 유럽연합 소속 과학자들의 국제 공동 연구 기반을 확립하고자 함.
· 이를 위해 연구 개발의 기본 요소를 분업화하고자 하였으며, (i) “뇌 세포의 체외 대량 배양/생산 플랫폼 개발”을 국내연구진 (본 과제 수행 연구실)이 완성하고, 이를 기반으로 상대 유럽 연구자 측에서 (ii) “뇌 세포의 전기 화학 신호에 대응하는 분석 시스템 구축” 연구를 위한 컨소시움 구성, Horizon2020 과제화를 담당하고자함.

연구결과의 활용계획
○ 기 개발한 기술을 바탕으로 한-EU 연구 네트워크 구축 및 H2020 과제 제안을 위한 상호 연구 개발 내용 교류
· 현재 한국측에서 개발한 기술을 응용한 drug screen용 organ-chip개발을 목표로 하는 MSCA-ITN 과제 지원

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose
· We aim to develop an innovative brain-on-a-chip platform operated by neuronal logic gates (e.g., diode, AND gate, OR gate, and damper) in support of Horizon 2020 program. Based on this advanced organ-mimicking microsystem, we will identify molecular mechanism of diffuse axonal injury (D

Purpose
· We aim to develop an innovative brain-on-a-chip platform operated by neuronal logic gates (e.g., diode, AND gate, OR gate, and damper) in support of Horizon 2020 program. Based on this advanced organ-mimicking microsystem, we will identify molecular mechanism of diffuse axonal injury (DAI)

Contents
· Development of neuro-spheroids for neuron based neuronal logic gates
· The objective of this research requires the combination of two core technologies - (i) development of in vitro neuronal culture platform, (ii) construction of electro-stimulation monitoring/ analysis system.
· To achieve the final goal, the research focused on the development of in vitro microsystem to produce three dimensional neuronal aggregates.
· Neurite outgrowth, a neuronal marker for complex interneuronal signaling, was found to be tightly regulated by cell–ECM interactions in a confined space and adapdation to micro-environmental alteration is also critical for neurite growth and path-finding behaviors of neurons.
· The objective of this study was to design a microplatform to control cell–cell and cell–ECM interactions. 3D neuronal spheroids were self-assembled in concave microwell arrays based on cell–cell interactions and concave structure.
· To analyze cell–ECM interactions, adhesion affinity of neuronal cells for ECM was controlled by functionalizing the inner surface of microwell arrays with (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), laminin, and poly-L-lysine (PLL). Cell–cell and cell–ECM interactions can be affected by surface topology and chemistry. vitro by simply modifying the surface of neuron culturing microwells.

Results
· Functionalization of the surface of these concave microwells using different materials with various cell–surface adhesion affinities modulated cell–cell aggregation affinity.
· We showed that APTES treated PDMS concave microwell had the optimum surface condition that supported relatively high spheroid formation rate without sacrificing neurite formation. These results suggest that neurite outgrowth and brain tissue morphology can be controlled in vitro by simply modifying the surface of neuron culturing microwells.

Expected Contribution
· Based on developed micro-platform system, underlying molecular mechanism of DAI as well as diverse neural damages will be identified.
· Designed micro-platform system will be easily re-configured to be applied to multiple organ-mimicking biochip for drug-screening.
· Concrete Korea-EU research network will apply for H2020 proposal for the continued joint research

(source : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발 과제의 개요 ... 6
• 2. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 3. 목표 달성도 및 자체평가 ... 11
• 4. 연구결과의 활용계획 ... 13
• 5. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 14
• 6. 참고문헌 ... 15
• 7. 연구성과 ... 16
• 8. 기타사항 ... 18
• [별첨] 대 표 연 구 성 과 ... 19
• 끝페이지 ... 19