Automated Single-Cell Picking System for Cancer Diagnotics

Abstract

암은 여전히 전 세계 주요 사망 원인 중 하나이며, 이에 따라 조기 진단과 효과적인 치료를 위한 기술적 접근이 점점 더 중요해지고 있다. 특히 기존 조직 생검은 침습적이고 반복 검사가 어렵다는 한계를 지니고 있어, 이를 보완할 수 있는 비침습적이며 실시간 모니터링이 가능한 혈액 생검(Blood Biopsy) 기술이 주목받고 있다. 그 중에서도 혈액 내 순환 종양 세포(Circulating Tumor Cells, CTC)분석은 암의 전이 예측과 맞춤형 치료 전략 수립에 핵심적인 정보를 제공한다. 그러나 CTC는 혈액 내 존재 밀도가 극히 낮고, 고정된 환경에서는 세포를 손상 없이 분리하기 어려워, 기존 단일세포 분리 및 채취 시스템은 형광 표지 의존성, 세포 손상, 낮은 성공률 등의 기술적 한계를 수반한다. 이에 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 HypICC(Hydrogel Pellicle Immuno Cyto Chemistry) chamber 기반의 단일세포 분리 및 채취 시스템을 제안한다. 본 시스템은 이미지 기반 Single-cell Localization 기법을 적용한 Mapping 작업을 통해 chamber내부 전 영역에서 단일세포의 좌표를 효과적으로 추정할 수 있었으며, Electro-Osmotic Pipette을 이용한 Micro-punching Mechanism을 통해 세포 손상을 최소화하면서도 높은 성공률로 단일세포를 안정적으로 채취할 수 있었다. 제안된 Electro-Osmotic Pipette은 25~100V의 전압 범위에서 4.5~42.1 μL/min의 유량과 최대 683.5 kPa의 압력을 구현하였으며, 이를 통해 정밀한 유체 제어 성능을 실험적으로 입증하였다. 이어서, Polystyrene Micro Bead와 PC-09를 활용한 in-vitro 실험을 통해 좌표 검출 정확도와 채취 가능성을 분석하였고, 이를 바탕으로 최적의 단일세포 채취 밀도 범위를 정량적으로 도출할 수 있었다. 마지막으로 기존 시스템 대비 더 높은 성공률로 세포를 안정적으로 분리 가능함을 실험적으로 검증하였다.|Cancer remains one of the leading causes of death worldwide, emphasizing the growing importance of technological approaches for early diagnosis and effective treatment. In particular, conventional tissue biopsy techniques are invasive and difficult to repeat, highlighting the need for non-invasive and real-time monitoring alternatives. Blood biopsy has emerged as a promising method, and among its various targets Circulating Tumor Cells(CTCs) in the bloodstream provide critical information for predicting metastasis and formulating personalized treatment strategies. However, the extremely low abundance of CTCs and the difficulty of isolating them without damage in fixed environments pose significant challenges. Existing single-cell isolation and picking systems are limited by dependence on fluorescent labeling, low success rates, and potential cell damage. To overcome these limitations, this study proposes an automated single-cell isolation and picking system based on the HypICC (Hydrogel Pellicle Immuno Cyto Chemistry) chamber. The system employs an image-based single-cell localization technique for mapping, enabling effective coordinate estimation of individual cells across the entire chamber. An electro-osmotic pipette integrated with a Micro-punching Mechanism is used to minimize cell damage while maintaining high picking accuracy. The proposed pipette demonstrated precise fluid control, with flow rates of 4.5~42.1 μL/min and a maximum pressure of 683.5 kPa under an applied voltage of 25~100V. In-vitro experiments using polystyrene microbeads were conducted to evaluate coordinates detection accuracy and picking performance. Finally, experiments using PC-09 cells confirmed that the proposed system achieved higher picking success rates than conventional methods, validating its practical applicability.