Portable real-time monitoring system for automated drug screening of 3D tumor spheroid
- 주제어 (키워드) 3D tumor spheroid , Real-time monitoring , Drug screening
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정봉근
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 융합의생명공학과협동과정
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079120
- UCI I804:11029-000000079120
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Three-dimensional (3D) tumor spheroid models closely imitate the in vivo tumor environment and play an important role in oncology research. Despite their importance, existing methods for analyzing 3D tumor spheroids face limitations such as low throughput, high cost, and insufficient resolution. To overcome these challenges, I developed a portable imaging system for real-time monitoring and quantitative analysis of 3D tumor spheroids. The system integrated the smooth workflow of spheroid generation, cell morphology tracking, and drug screening. The spheroid generation was successfully characterized using MCF-7 breast cancer cells by optimizing cell concentration (5-20×10^6 cells/mL), incubation time (24-96 hours) and microwell diameter (400-600 µm). A custom-written algorithm was developed for automated analysis of the spheroids, indicating high sensitivity (98.99%) and specificity (98.21%). Confusion matrices and receiver operating characteristic (ROC) curve analysis further validated the robustness of the algorithm, with an area under the curve (AUC) value of 93.75% and an equal error rate (EER) of 0.79%. Following the characterization, the real-time monitoring of spheroid generation and the response of spheroids to drug treatment were successfully demonstrated. Furthermore, live/dead assays with chemotherapy demonstrated the efficacy and cytotoxic effects of the drug, with a notable reduction in spheroid viability observed in a dose dependent. Therefore, this system offers significant potential to improve drug development processes and personalized treatment strategies, thereby contributing to more effective cancer therapies.
more초록 (요약문)
3 차원(3D) 종양 스페로이드 모델은 생체 내 종양 환경을 매우 유사하게 모방하여 종양학 연구에 중요한 역할을 한다. 이러한 중요성에도 불구하고 3D 종양 스페로이드 분석을 위한 기존의 방법은 낮은 처리량, 높은 비용, 불충분한 해상도 등의 한계에 직면해 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 3D 종양 스페로이드의 실시간 모니터링과 정량적 분석을 위한 휴대용 이미징 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 스페로이드 생성, 세포 형태 추적, 약물 스크리닝의 원활한 워크플로우를 통합하였다. 세포 농도 (5-20×10^6 cells/mL), 배양 시간 (24-96 시간), 마이크로웰 직경 (400-600 µm)을 최적화하여 MCF-7 유방암 세포를 사용하여 성공적으로 스페로이드 생성의 특성을 분석하였다. 스페로이드의 자동 분석을 위해 맞춤 작성된 알고리즘이 개발되어 높은 민감도 (98.99%)와 특이도 (98.21%)를 나타냈다. 혼동 행렬 (Confusion matrix)과 수신기 작동 특성 (ROC) 곡선 분석을 통해 알고리즘의 견고성을 검증하였고, 곡선 아래 면적 (AUC)이 93.75%, 동일 오류율 (EER) 0.79%로 나타났다. 특성 분석에 이어 스페로이드 생성의 실시간 모니터링과 약물 치료에 대한 스페로이드의 반응도 성공적으로 입증하였다. 또한 화학 요법을 사용한 생사 분석에서 약물의 효능과 세포 독성 효과가 입증되었으며, 용량 의존적으로 스페로이드 생존력이 현저하게 감소하는 것을 확인했다. 따라서 본 시스템은 약물 개발 과정과 개인 맞춤형 치료 전략을 개선하여 보다 효과적인 암 치료법에 기여할 수 있는 상당한 잠재력을 제공한다.
more목차
I. Introduction 5
II. Experimental section 7
i. Materials 7
ii. Fabrication of the microwell array 7
iii. Design and fabrication of imaging system 8
iv. Spheroid culture in a microwell array 9
v. Immunofluorescence staining analysis 9
vi. Drug screening and cell viability analysis 10
vii. Statistical analysis 10
III. Results and discussion 12
i. Portable imaging system for real-time monitoring of 3D tumor spheroids 12
ii. Characterization and evaluation of 3D tumor spheroid generation 15
iii. Image analysis algorithm for classification and quantification of 3D tumor spheroids 18
iv. Real-time monitoring of 3D tumor spheroids 21
v. Effect of drug treatment on 3D tumor spheroids 24
IV. Conclusion 26
References 27
