바이오인

출처 : 생물학연구정보센터(BRIC)

 MicroTAS (Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences)

2017 참석 후기

정현용 / 서울대학교

[목 차]

Ⅰ. 주요 발표 내용
 1. Plenary session: Conversation with George M. Whitesides.
  2. DETECTING PATHOGENS WITH VISCOSITY-BASED MEASUREMENTS.
  3. UNRAVELING BACTERIAL NETWORKS AND THEIR ANTIMICROBIAL SUSCEPTIBILITY
     ON SILICON MICROARCHITECTURES USING INTRINSIC PHASE-SHIFT SPECTROSCOPY.
  4. 3D PRINTED ROLL-TO-ROLL MASKLESS LITHOGRAPHY SYSTEM WITH WATER-SOLUBLE
     SUBSTRATE FOR SUPPLYING A MANAGEABLE MICROSTRUCTURE.
  5. Shark Tank Competition.
  6. LOW-COST DISPOSABLE POINT-OF-CARE DEVICES BASED ON POROUS MATERIALS FOR
     RAPID DETECTION   OF PATHOGENS.
  7. SEPSIS DIAGNOSIS FROM WHOLE BLOOD BASED ON NEUTROPHIL MOTILITY SIGNATURES
     IN A MICROFLUIDIC ASSAY.
  8. A MICROFLUIDIC GUILLOTINE FOR SINGLE-CELL WOUND REPAIR STUDIES.
  9. INERTIAL MICROFLUIDIC CELL HYDROPORATOR (iMCH) FOR HIGH-THROUGHPUT
      & SINGLE-STEP INTRACELLULAR MOLECULE DELIVERY.
  10. FLEXIBLE IMPEDANCE SENSOR FOR IN SITU SENSING OF CATHETER BIOFILMS.
  11. HIGH THROUGHPUT ISOLATION OF INTACT BACTERIA FROM WHOLE BLOOD USING
      INTEGRATED POROUS SILICA MONOLITH BRICKS.
Ⅱ. 총평

[요약문]

2017년 10월 22일부터 26일까지 미국 사바나 인터내셔널 컨벤션 센터(Savannah International Convention Center)에서 The 21st International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2017)가 진행되었다. MicroTAS 학회는 Microfluidics(미세유체기술), Lab-on-a-chip(랩온어칩) 기반의 화학 및 생명과학으로의 응용에 관한 연구를 주제로 하는 국제 학회이다. 5일에 걸쳐서 1000여 명의 구두/포스터 발표들이 33개의 소주제별로 나뉘어 행사가 진행되었다. 올해는 MicroTAS 학회가 시작한 이래로 처음으로 아시아/오세아니아 지역에서 투고된 초록의 수가 아메리카 지역에 비해 많았다. 또한 1,100여 명의 참가자 중에서 한국은 3번째로 많은 참석자를 기록하였다.

Ⅰ. 주요 발표 내용

1. Plenary session: Conversation with George M. Whitesides.

 MicroTAS 학회에 참여하는 많은 연구자들에게 익숙한 Harvard의 G. Whiteside 교수와의 대담이 학회의 첫 Plenary presentation였다. G. Whiteside 교수는 미세유체기술뿐만 아니라 핵자기공명, 입자의 자기조립현상, 나노과학 분야에서도 엄청난 연구 성과를 낸 세계적인 학자이다. 특히 미세유체기술의 핵심 기술인 Soft Lithography를 만들어낸 그를 미세유체기술, 랩온어칩 기술의 선구자라고 해도 과언이 아니다. 그의 연구 그룹에서 발표한 Soft lithography 논문(Xia. Y et al, Annu. Rev. Mater. Sci., 1998, 28, 153-184)은 2,100여 회 이상의 인용 횟수를 기록할 만큼 그의 이 분야에 대한 영향력은 지대하다.

그는 이 세션에서 미세유체기술과 파생 연구에 있어서 가장 중요하게 생각해야 할 요소로 Simplicity(단순함)을 꼽았다. 그는 이 대담에서 미세유체기술의 활용에 대하여 전문가가 아닌 사람이 사용하더라도 불편함 없이 쉽게 사용할 수 있게 만들 수 있다면, 미세유체기술이 사회에 더 많은 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다. 그는 현재 미세유체기술의 활용이 아직 기술적 성숙기를 지나 실질적 활용 단계를 거치고 있다고 언급하며, 비용적 경쟁력이 함께 수반되면 산업에서의 활용이 더 증대될 것이라는 전망 또한 함께 덧붙였다.

2. DETECTING PATHOGENS WITH VISCOSITY-BASED MEASUREMENTS.

 - T.L. Kinzer-Ursem Group, Purdue University, USA

콜레라는 수인성 전염병(물을 매개로 전달되는 전염병)으로 아프리카 등의 적도 지방의 국가에서 수요가 큰 상황이다. 이러한 국가에서는 선진국에서와 같이 고가의 진단 키트 및 시스템을 부담할 재정이 없기 때문에 진단 키트의 개발부터 이러한 환경에 적합하게 디자인되어야 한다고 공감대가 형성되어 있다. Kinzer-Ursem Group에서는 DNA의 점도 측정을 통하여 콜레라를 유발하는 Vibrio cholera (V. cholera)균을 관찰하는 기술을 보고하였다. DNA의 점도 측정을 위하여 DNA가 결합된 입자의 브라운 운동의 변화를 추적해서 V. cholera 균의 유무를 판단한다(Stokes-Einstein Equation). 입자의 브라운 운동에 의하여 발생하는 입자의 확산 계수의 변화를 통해서 가능하다고 발표했다. V. cholera 균을 포착하기 위해 Streptavidin을 입자에 결합한 이후에 PCR에 필요한 프라이머를 biotinylate 처리를 한 이후에 입자의 크기와 점도를 앞서 언급한 개발도상국에서 사용할 수 있게 기존에 많이 이용하는 고가의 광학 기구를 대신하여 스마트폰을 이용해 측정할 수 있다고 언급하였다.

스마트폰을 활용한 휴대 가능한 콜레라균 검출 기기

3. UNRAVELING BACTERIAL NETWORKS AND THEIR ANTIMICROBIAL SUSCEPTIBILITY ON SILICON MICROARCHITECTURES USING INTRINSIC PHASE-SHIFT SPECTROSCOPY.
 - E. Segal Group, Technion - Israel Institute of Technology, ISRAEL

감염증 진단 분야에 있어서 최근 들어서 큰 이슈로 떠오르고 있는 주제가 바로 항균제 내성 문제이다. 전 세계적으로 항균제가 개발된 이후로 오랜 시간 동안 광범위한 항균제가 환자에게 처방되어 환자 신체 내 약제에 대한 내성이 발생하였으며, 이로 인하여 치료에 활용될 수 있는 항균제 종류가 줄어드는 위기로 이어졌다. 이러한 문제를 타개하고자, 빠르고 정확하게 환자의 항균제에 대한 반응(감수성)을 알려줄 수 있는 기술 개발이 이뤄지고 있다. E. Segal Group은 기존에 반도체 및 광학 분야에서 많이 사용되었던 실리콘 마이크로구조물을 이용하여 분광기를 구현하여 세균의 항균제에 대한 반응을 3시간 내에 도출할 수 있다고 보고하였다. 세균이 미세유체칩을 통해 주입이 되면 세균이 실리콘 구조물 사이로 침전이 발생하여 분광기를 통해서 광원에서 입사된 실리콘 마이크로구조물의 상단과 하단 사이의 침전 전후의 경로차 변화를 관찰한다. 침전된 세균이 살아있거나 용해되었을 경우의 경로차 변화를 통하여 세균의 항균제에 대한 감수성을 빠른 시간 내에 판단할 수 있다고 밝혔다. 추가로 경로차 변화를 통해 Bactericidal한 경향을 보이는 항균제와 Bacteriostatic한 반응을 보이는 항균제의 종류를 밝혀낼 수 있다고 하였다.

4. 3D PRINTED ROLL-TO-ROLL MASKLESS LITHOGRAPHY SYSTEM WITH WATER-SOLUBLE SUBSTRATE FOR SUPPLYING A MANAGEABLE MICROSTRUCTURE.

- W. Park Group, Kyung Hee University, KOREA

 Digital micromirror device를 이용해 기존의 반도체 공정에서 사용하던 Mask를 활용하던 리소그래피 기술을 대신하여 Maskless lithography 기술을 이용해 원하는 모양의 폴리머 구조물을 생성할 수 있다는 연구가 이전에 보고된 바가 있다(S. E. Chung et al, Appl. Phys. Lett, 2007, 4, 91, 041106). 이 발표에서 W. Park Group은 기존의 마스크리스 리소그래피 기술을 제조업 공정에서 사용되던 Roll-to-roll 기술과 결합하여 다양한 크기의 폴리머 구조물을 만들 수 있다고 밝혔다. 이 발표를 통해서 마이크로크기의 점(Point), 선(Line), 면(Plane), 3차원 구조물(Volume)을 제작자의 의도에 따라 만들 수 있음을 보였다. 이 구조물 제작 과정에서 Polyvinyl alcohol (PVA)의 친수성을 활용해 PVA를 지지하고 있는 다른 물질로부터 쉽게 분리할 수 있다고 보고했다. 추가로 Water transfer printing을 이용해 원하는 마이크로구조물을 PDMS 미세유체채널에 transfer할 수 있음을 통하여 PVA 상의 다양한 크기, 모양의 마이크로구조물을 패터닝할 수 있음을 보였다.

3D 프린터를 활용하여 제작한 Roll-to-roll 마스크리스 리소그라피 시스템

5. Shark Tank Competition.

올해 처음으로 Shark Tank Competition이라는 행사가 개최되었다. 행사의 목적은 기술 개발을 위한 투자 유치를 위하여 아이디어를 행사 참가자들에게 피치(Pitch)할 수 있는 기회 제공이었다. 또한 이 Competition의 우승자는 상금과 함께 기술 기반 창업으로 이어질 수 있는 지원이 부상으로 제공되었다.

참가자는 기존에 알려진 Elevator speech와 유사한 방식으로 5분이라는 짧은 시간 내에 그들이 해결하고자 하는 문제, 시장의 크기, 경쟁 기술에 대한 지형도에 대해서 이야기하고, 문제를 해결하기 위한 기술적인 아이디어에 대해서 설명하고 그들의 기술의 우월성을 논하는 시간이 주어졌다. 미세유체기술 기반의 스타트업 및 기업의 창업활성화를 위한 학회 차원의 새로운 시도였다.

6. LOW-COST DISPOSABLE POINT-OF-CARE DEVICES BASED ON POROUS MATERIALS FOR RAPID DETECTION OF PATHOGENS.
 - P. Yager Group, University of Washington, USA

 P. Yager Group은 이 분야에서 오랫동안 병원균을 빠르게 검출해 내는 기술을 지속적으로 보고한 연구그룹 중 하나이다. 또한 그의 그룹은 개발도상국에서의 Point-of-care(현장진단) 기술에의 미세유체기술의 적용을 활발하게 시도하는 선도 그룹 중 하나이다. 그는 개발도상국에서의 현장진단 기술로의 적용을 위한 선제 조건으로, 다음과 같은 선결 조건으로 내걸었다.

1) Very low number에서도 검출
2) 다양한 종류의 sample에 적용
3) 단백질, DNA, RNA를 동시에 검출
4) 1시간 내에 결과 확보
5) 후처리가 필요 없는 소모품
6) 특별한 교육 없이 아무나 사용 가능할 정도의 편의성

 그는 스마트폰의 개발 및 발전과 함께 더 이상 의료기관 중심의 의료정보처리의 시대가 지나갔으며, 인터넷을 통하여 개인이 자신의 의료정보를 관리할 수 있는 시대가 도래하였다고 덧붙였다. 그는 그의 연구 그룹에서 발표한 연구 내용을 언급함과 동시에 분자 진단에 있어서 isothermal amplification 기술의 활용이 증대될 것이라고 이야기하며, 현장진단에도 활발히 활용할 수 있음을 뒷받침하는 연구결과를 보였다.

7. SEPSIS DIAGNOSIS FROM WHOLE BLOOD BASED ON NEUTROPHIL MOTILITY SIGNATURES IN A MICROFLUIDIC ASSAY.
 - D. Irimia Group, Massachusetts General Hospital, USA

패혈증(Sepsis)는 전세계적으로 사망률이 높은 질병 중 하나이며, 치료에 소요되는 비용이 여러 질병 중에서도 첫 번째로 꼽을 정도로 위험한 질병이다(미국 건강보험 자료에 따르면 전체 건강보험 지출의 6%를 차지). 초진의 30% 이상이 오진일 가능성이 있으며, 이러한 오진을 방지하기 위하여 대다수의 의료 기관에서 광범위한 항균제의 사용이 이뤄지고 있다. 이러한 광범위한 항균제의 사용으로 인하여 세균의 항균제에 대한 내성이 점차 심화되고 있으며, 이로 인하여 환자에게 사용 가능한 항균제의 수가 감소하고 있어 전 세계 보건당국에서 광범위한 항균제의 사용을 심각한 문제로 인지하고 있다. 따라서 오진을 방지하기 위하여 가능한 빠른 시기에 정확한 진단이 환자의 생존율 및 보건 비용 지출의 증가를 막는데 있어서 가장 중요하다. D. Irimia Group은 패혈증 환자의 Neutrophil(호중성 과립구)가 정상인의 호중성 과립구에 비하여 미세유체 채널 내에서 특이한 양상을 보이는 것을 관찰함으로 통해서 패혈증 진단에 활용할 수 있다고 보고하였다. 미세 유체 채널 내에서 13가지 종류의 Data(움직이는 세포 수, 평균 이동 거리, 최대 이동 거리, 속도, 가속도, 핵의 크기 등)를 수집하여 sepsis score를 도출해 패혈증 환자의 예후를 파악할 수 있다고 언급하였다.

8. A MICROFLUIDIC GUILLOTINE FOR SINGLE-CELL WOUND REPAIR STUDIES.
 - S.K.Y. Tang Group, Stanford University, USA

단일 세포의 Wound healing 매커니즘을 파악하기 위해서 마이크로크기의 세포 단두대를 만들어 이를 위한 연구에 대한 간략한 소개를 하였다. Solid contact, Electroporation, Pore forming agent들에 의해서 세포의 막이 열리는데 어떤 경우에 세포가 이를 wound로 인식하는지를 우리가 잘 알지 못한다는 점에서 이 스터디의 motivation이 형성되었다고 했다. 또한 세포의 wound healing의 경우에는 몇 시간, 일의 단위가 아닌 초의 단위로 일어나기 때문에 이를 실시간으로 관찰하는 것이 매우 중요하다고 한다. 세포의 wound healing은 Ca2+ 이온에 의해서 발생한다는 사실도 덧붙였다. 그러나 wound healing의 molecular mechanism이라든지, 무슨 요인이 세포로 하여금 죽을지 아니면 회복을 선택하는 지와 같은 질문들에 대해서는 여전히 명확하게 밝혀지지 않았다고 하였다(Tang and Marshall, Science, 2017). 이를 확인하기 위해서 Model organism으로 적합한 Stentor coeruleus를 선택하여 기존의 수작업으로 진행하는 방식 대신에 미세 유체 내에 마이크로크기의 세포 단두대를 제작하였다고 보고하였다. 그러나 이 연구는 아직 시작 단계에 놓여있다고 발표를 마무리하면 구체적인 방법론은 아직 정해지지 않은 상태라고 하였다.

단일 세포의 wound healing 매커니즘에 필요한 microfluidic guillotine

9. INERTIAL MICROFLUIDIC CELL HYDROPORATOR (iMCH) FOR HIGH-THROUGHPUT & SINGLE-STEP INTRACELLULAR MOLECULE DELIVERY.
- A.J. Chung Group, Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), USA

 Intracellular molecule delivery(세포 내 분자 전달) 기술은 예로부터 많은 생명공학자들에게 큰 관심사 중 하나로 여겨졌다. 그 예로, 최근에 많은 관심을 받고 있는 CRISPR-Cas9, siRNA, Nanotube DNA origami와 같은 물질을 세포 내에 주입하였을 때, Gene editing, Gene expression modulation, Intracellular environment를 할 수 있다는 큰 장점이 있기 때문에, Cell-based 치료, 재생의학 분야에 활용할 수 있다는 기대가 늘 존재했었다. RPI의 A.J. Chung Group은 세포와 미세 유체 채널의 충돌을 이용해서 세포막을 일시적으로 열 수 있다고 하였다. 이를 활용해 Dextran, CRISPR-Cas9, siRNA, DNA plasmid를 전달하는 실험 결과를 발표하였다. 이를 통해서 단일 과정을 통해서 대용량의 세포 내 물질 전달을 할 수 있다고 하며 줄기 세포나 면역 세포로의 활용을 시도할 예정이라고 하였다.

10. FLEXIBLE IMPEDANCE SENSOR FOR IN SITU SENSING OF CATHETER BIOFILMS.
- R. Ghodssi Group, University of Maryland, USA

 Cathether(카테터)는 의료용 소재를 이용해서, 수술이나 병을 다룰 때 인체에 삽입하는 의료용 기구이다. 재료나 만드는 방식에 따라서 심혈관계, 비뇨기관, 신경 혈관 등의 다양한 인체 기관에 사용되고 있다. 그러나 카테터에 Biofilm(미생물막)이 붙어있는 경우가 빈번하게 보고되었다. 미생물막은 Hospital acquired infection (HAI, 원내 휙득 감염)의 원인이 되며, 이는 환자에게 감염증을 유발하는 요인으로 작용한다. 따라서 카테터 상에 포착되는 미생물막을 추적하면, 감염증에 걸린 환자의 예후에 대해서 보다 더 정확하게 예측할 수 있다. R. Ghodssi Group은 카테타 상에 신축성이 좋은 Polyimide 물질에 금으로 제작한 전극을 증착 후 부착하는 방법을 통해서 이를 신축성 좋은 임피던스 센서로 사용 가능하다고 보고하였다. 또한 금 전극을 통해서 무선으로 데이터를 전송 가능하기 때문에, 이를 통해서 비뇨기 질환의 추적에 도움이 될 수 있을 것이라고 발표하였다.

11. HIGH THROUGHPUT ISOLATION OF INTACT BACTERIA FROM WHOLE BLOOD USING INTEGRATED POROUS SILICA MONOLITH BRICKS.
 - D.L. DeVoe Group, University of Maryland, USA

 Bloodstream infection(혈류 감염) 진단 과정에서 빠르게는 하루에서 길게는 3일의 시간이 소요된다. 긴 진단 시간이 소요되는 이유는 혈류 감염을 유발하는 세균의 항균제에 대한 프로파일링에 있어서 세균의 배양에 다소 시간이 필요하기 때문이다. 따라서 빠른 시간 내에 다양한 세균의 항균제에 대한 프로파일링을 이끌어내는 것은 이 분야에서 중요한 과제로 남아있다. 세균의 항균제 프로파일링을 하기 위해서는 세균을 샘플에서 분리하는 과정이 선행되어야 하는데, 미세 유체 기술을 이용해서 이전까지 다양한 분리 방법 등이 보고된 바 있다. 이전에 진행된 방법으로는 친화도 차에 의한 분리 방법, 미세수력학적 분리 방법, 화학적 또는 기계적 세포 용해 방법 등이 있다. DeVoe Group에서는 Silica monolith를 이용해 혈구를 용해하여 세균을 선택적으로 분리하는 방법을 보고하였다. 약 99% 이상의 적혈구 용해률을 보고하였으며, 여러 종류의 세균을 혈액과 혼합하여 테스트를 진행하였을 때, 87% 이상의 세균 수 이상을 회수할 수 있었다고 하였다. 또한 연속적으로 Silca monolith를 두었을 때 99.999%의 최대 적혈구 용해률이 가능하며, 이를 통해서 전혈에서 세균의 용해 없이 분리가 가능함을 보였다.

Ⅱ. 총평

 이번 학회는 랩온어칩 기술의 다양한 분야로의 응용이 활발하게 진행되고 있는 시점에, 전 세계에서 많은 연구자들이 모여 기초 학문으로부터 실제 산업으로의 응용에 대한 열띤 토론의 장이 되었다. 랩온어칩, 미세유체기술은 과거의 연구실 공간에 벗어나 않고 실제 세계로의 적용에 도전하고 있는 상황이다. 이번 학회는 이러한 도전을 다루는 연구가 많이 보고되었으며, 국내에서도 서울대학교, 카이스트, 고려대학교 등의 교육 기관과 한국과학기술연구원(KIST) 등의 연구 기관에서 많은 수의 구두 발표와 포스터 발표를 통해서 학회에 활발한 참여가 이루어졌다.

대서양 해변에 위치한 온화한 사바나 컨벤션 센터의 모습

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