살아있는 세포를 모니터링하는 데 몇 시간을 소비했다면(세포가 분열하고 약물에 반응하거나 실시간으로 이동하는 것을 관찰) 원시 데이터와 실행 가능한 통찰력 사이의 격차가 시스템이 기본 설정 이상으로 수행할 수 있는 작업에 달려 있다는 것을 알고 계실 것입니다. 나는 라이브 세포 이미징 시스템 공급업체로서 좋은 이미저를 업무에 맞춰 유연하고 처리량이 높은 도구로 바꾸는 업그레이드를 모르기 때문에 장비를 제대로 사용하지 못하고 있는 연구자들과 매주 이야기를 나눕니다. 벤치 과학자를 위한 접근성부터 전문 연구를 위한 정밀도까지 가장 큰 차이를 만드는 업그레이드를 자세히 살펴보겠습니다.
첫째, 핵심부터 시작하는 것이 중요합니다. 기본 시스템은 적응하도록 구축되었지만 대상 하드웨어 업그레이드를 추가하면 즉각적인 이점을 얻을 수 있습니다. 제가 받는 가장 일반적인 업그레이드 요청은 광학, 환경 제어, 샘플 처리라는 세 가지 하드웨어 범주로 분류됩니다. 광학 업그레이드의 경우 이는 일반적으로 살아있는 세포를 방해하지 않고 더 많은 세부 정보를 캡처할 수 있도록 시스템 기능을 조정하는 것을 의미합니다. 대부분의 기본 라이브 셀 이미징 시스템 설정에는 표준 대물렌즈가 함께 제공되지만, 장거리 작동 거리(LWD) 수침 대물렌즈로 교체하는 것은 오가노이드나 회전타원체와 같은 두꺼운 샘플 작업에 있어 획기적인 변화입니다. 이 렌즈는 배럴이 길어 세포를 압축하거나 손상시키지 않고 조직과 같은 구조에 더 깊이 초점을 맞출 수 있습니다. 이는 평평한 단층과 매우 다르게 작동하는 3D 배양을 연구할 때 매우 중요합니다. 부착 세포의 단일 단백질 역학 추적과 같은 고배율 작업에 중점을 둔 연구자의 경우 높은 NA(개구수) 오일 침지 대물렌즈를 추가하면 빛 산란을 줄이고 더 선명한 이미지를 생성할 수 있습니다. 단, 드리프트를 방지하려면 안정적인 스테이지와 결합해야 합니다.
그 다음에는 세포 상태에 직접적인 영향을 미치는 종종 간과되는 하드웨어 업그레이드인 조명이 있습니다. 기본 라이브 셀 시스템은 표준 할로겐 또는 LED 전구를 사용하지만 조정 가능한 광원(예: 레이저 라인 또는 고속 LED 패널)으로 전환하면 나노미터 정밀도로 여기 파장을 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 스펙트럼이 가까운 두 개의 형광 단백질(예: GFP 및 EGFP)을 추적하는 경우 조정 가능한 광원을 사용하면 원하는 단백질만 자극할 수 있으므로 데이터를 혼란스럽게 만드는 혼선이 줄어듭니다. 또한 연구자들이 표준 광시야 설정 대신 회전 디스크 공초점 장치로 업그레이드하는 것을 보았습니다. 광시야는 특히 몇 시간 또는 며칠에 걸쳐 저속 촬영 이미지를 캡처할 때 광표백 및 광독성을 유발할 수 있습니다. 회전 디스크의 작은 핀홀은 초점이 맞지 않는 빛을 차단하고 세포에 대한 전체 빛 노출을 줄여 세포의 동작을 변경하지 않고도 더 오랫동안 이미지를 촬영할 수 있습니다. 어디서부터 시작해야 할지 잘 모르겠다면 여기에 연결된 기본 라이브 셀 이미징 시스템은 이미 대부분의 광학 추가 기능과 호환되므로 업그레이드하기 위해 전체 설정을 교체할 필요가 없습니다.
살아있는 세포에 대한 환경 제어는 협상할 수 없으며 이를 업그레이드하는 것은 신뢰할 수 있는 데이터를 얻는 것과 실험 중에 세포가 죽는 것을 관찰하는 것 사이의 차이인 경우가 많습니다. 온도와 CO2만 제어하는 기본 인큐베이터 챔버는 짧은 시간 동안 작동하지만 일주일에 걸친 줄기 세포 분화 추적이나 며칠에 걸친 약물 반응 추적과 같은 장기 연구에는 보다 정밀한 제어가 필요합니다. 전체 환경 업그레이드에는 온도를 0.1°C 이내로 유지하는 가열 단계, 생리학적 가스 수준을 모방하는 CO2 및 O2 컨트롤러, 매체 증발을 방지하는 습도 모니터가 포함됩니다. 1차 뉴런과 같이 아주 작은 변화에도 민감한 세포를 작업하는 연구자의 경우, 현미경 스테이지에 직접 맞는 스테이지 상단 인큐베이터를 추가하면 인큐베이터와 이미저 사이에서 샘플을 이동할 때 형성되는 온도 구배가 제거됩니다. 또 다른 업그레이드는 피에조 Z 드라이브가 장착된 전동식 스테이지로, 이를 통해 Z 스택을 자동으로 캡처하고 초점면을 밀리초 단위로 조정할 수 있습니다. 이는 3D 이미징 또는 세포가 수직으로 이동하는 저속 촬영에 중요합니다.
샘플 처리 업그레이드는 수동 개입 없이 더 많은 샘플 또는 더 다양한 샘플을 이미지화해야 하는 경우에 적합합니다. 많은 기본 시스템은 96웰 플레이트용 고정 샘플 홀더를 사용하지만 전동식 플레이트 로더나 다중 웰 캐러셀을 추가하면 연구원 없이 밤새 또는 주말 동안 실험을 실행할 수 있습니다. HTS(고처리량 스크리닝) 응용 분야의 경우 실험 중에 약물이나 배지를 웰에 추가할 수 있는 액체 처리기 어댑터를 통합하면 시간이 크게 절약됩니다. 즉, 세포 동작을 방해할 수 있는 샘플을 처리하기 위해 실험을 일시 중지할 필요가 없습니다. 미세유체 칩이나 유리 바닥 접시와 같은 작은 시료로 작업하는 경우 맞춤형 형식을 수용할 수 있는 유연한 시료 홀더로 업그레이드하는 것이 필수적입니다. 많은 기본 홀더는 표준 96웰 또는 384웰 플레이트에만 적합하므로 이 업그레이드를 통해 새로운 분석 유형까지 실험할 수 있습니다.
이제 업그레이드의 나머지 절반은 소프트웨어와 자동화이며 이를 통해 원시 이미지 데이터를 의미 있는 결과로 더 빠르게 전환할 수 있습니다. 저는 연구자들이 라이브 셀 시스템의 이미지를 수동으로 분석하는 데 일주일에 10시간 이상을 소비하는 것을 보았습니다. 이는 비효율적일 뿐만 아니라 인적 오류가 발생하기 쉽습니다. 대부분의 사람들이 고려해야 할 가장 큰 소프트웨어 업그레이드는 지능형 스캐닝 및 분석 플랫폼입니다. 당사의 Live Cell 지능형 스캐닝 시스템은 이를 위해 특별히 제작되었지만 기본 시스템과 통합되는 타사 소프트웨어 도구도 큰 차이를 만들 수 있습니다.
자동화 업그레이드는 여기서 첫 번째 단계입니다. 초점면 조정, 관심 영역(ROI) 정의, 시간 간격 설정 등 각 타임랩스 실험을 수동으로 설정하는 대신 자동화 소프트웨어를 사용하면 전체 실험을 몇 분 안에 프로그래밍할 수 있습니다. 예를 들어, 세포 이동을 연구하는 경우 세포가 성장하는 각 웰의 가장자리만 스캔하고, 빈 영역을 건너뛰고, 세포 밀도가 변경되면 시간 간격을 자동으로 조정하도록 시스템을 설정할 수 있습니다. 이는 설정 시간을 단축할 뿐만 아니라 게시 가능한 데이터의 핵심인 반복 간 일관성을 보장합니다. 또 다른 자동화 기능은 초점 추적입니다. 실험 중에 세포가 수평 또는 수직으로 이동하면 시스템이 몇 초마다 자동으로 초점면을 재조정하므로 며칠 동안 촬영해도 흐릿한 이미지를 얻을 수 없습니다.
분석 소프트웨어 업그레이드는 실제로 데이터를 처리하는 곳으로, 다양한 실험에 맞춰진 두 가지 주요 유형이 있습니다. 칼슘 플럭스 또는 단백질 전위 추적과 같은 기능적 연구의 경우 특정 매개변수를 자동으로 측정하는 단일 분석 분석 도구가 좋습니다. "50 마이크론 이상 이동한 세포 수 계산" 또는 "시간 경과에 따른 핵 위치 GFP의 형광 강도 측정"과 같은 측정 항목을 입력할 수 있으며 소프트웨어는 시간 경과에 따른 모든 이미지를 몇 분 안에 분석합니다. 3D 오가노이드 성장 또는 공동 배양 분석과 같은 보다 복잡한 연구의 경우 기계 학습 기반 분석 소프트웨어를 사용하여 세포 집단(겹치는 집단도 포함)을 분할하고 다양한 세포 유형을 구별할 수 있습니다. 3D 이미지를 수동으로 분할하는 데는 며칠이 걸릴 수 있고 주관적이기 때문에 이것은 엄청난 업그레이드입니다. 기계 학습 도구는 주석이 달린 이미지에서 학습하여 매번 일관되고 편견 없는 결과를 생성합니다. 연구자들이 저지르는 흔한 실수 중 하나는 시스템과 함께 제공되는 기본 소프트웨어를 고수하는 것입니다. 유연한 분석 플랫폼으로 업그레이드하면 매번 새로운 도구를 배우지 않고도 새로운 분석법에 적응할 수 있습니다.
또한 많은 신규 연구자들이 간과하고 있는 전문 연구 분야에 대한 타겟 업그레이드도 있습니다. 세포 간 상호 작용을 연구하는 면역학자의 경우 FRET(형광 공명 에너지 전달) 모듈을 추가하면 항원 제시 세포에 결합할 때 T 세포 활성화와 같은 두 세포 간의 분자 상호 작용을 측정할 수 있습니다. 이를 위해서는 두 개의 형광단을 동시에 여기시킬 수 있는 광원과 배경 잡음 없이 FRET 신호를 포착할 수 있는 검출기가 필요합니다. 신경과학자의 경우 근적외선(NIR) 이미징 업그레이드를 추가하는 것이 중요합니다. NIR 광선은 조직에 더 깊숙이 침투하고 가시광선보다 광독성을 덜 유발하므로 장기간에 걸쳐 뇌 절편이나 생체 내 동물 모델을 이미지화할 수 있기 때문입니다. 줄기 세포 연구자의 경우 자동 대비 조정 기능이 있는 위상차 모듈을 추가하면 형광 태그 없이 세포를 이미지화할 수 있으므로 세포 행동 변화를 방지하고 광독성을 줄일 수 있습니다. 이러한 특수 업그레이드가 모든 실험실에 적용되는 것은 아니지만 작업이 특정 분야에 중점을 두는 경우 일반 생세포 이미징 시스템을 정확한 실험을 위해 구축된 도구로 전환합니다.
많은 연구자들이 업그레이드가 비용을 들일만한 가치가 있는지 묻고 있으며 짧은 대답은 대부분 그렇습니다. 특히 시스템을 일주일에 10시간 이상 사용하는 경우에는 그렇습니다. 저는 실험실에서 회전 디스크 공초점 및 자동화 소프트웨어를 사용하여 기본 시스템을 업그레이드하는 것을 보았습니다. 그들은 구매를 고려하고 있던 고급 시스템보다 더 나은 데이터 품질로 일주일에 2번의 작은 실험을 10번으로 실행했습니다. 하지만 사전에 업그레이드를 계획하는 것이 중요합니다. 일부 연구실에서는 기본 시스템이 오래될 때까지 기다리지만 점진적으로 업그레이드를 추가하는 것이(몇 년마다 전체 시스템을 교체하는 대신) 비용 효율적입니다. 예를 들어, 기본 시스템으로 시작하여 6개월 후에 환경 제어 업그레이드를 추가하고, 1년 후에 자동화 소프트웨어를 추가하면 실험을 단계별로 개선하는 동시에 비용을 분산시킬 수 있습니다.
또 다른 핵심 사항은 호환성입니다. 모든 업그레이드가 모든 시스템에서 작동하는 것은 아니므로 공급업체에 문의하는 것이 중요합니다. 나는 업그레이드를 검토하는 연구자들과 대화할 때 항상 현재의 문제점과 향후 계획을 먼저 나열하라고 조언합니다. 내년에 HTS를 수행할 계획이라면 자동화 및 다중 웰 샘플 처리에 우선순위를 두십시오. 3D 문화로 전환하는 경우 광학 및 환경 업그레이드에 우선순위를 두십시오. 당사의 생세포 이미징 시스템은 가장 일반적인 업그레이드와 함께 작동하도록 설계되었으므로 부품이 서로 맞지 않는 것에 대해 걱정할 필요가 없습니다.
결국 최고의 업그레이드는 특정 문제를 해결하는 업그레이드입니다. 저속 촬영 이미지를 수동으로 분석하는 데 지친 벤치 과학자, 더 많은 HTS 분석을 실행해야 하는 약물 연구원, 오가노이드 성장을 연구하는 발달 생물학자 등 작업을 더 쉽게 만들고 데이터의 신뢰성을 높일 수 있는 업그레이드가 있습니다. 현재 라이브 셀 이미징 설정에 적합한 업그레이드가 무엇인지 궁금하거나 처음부터 시스템을 구축하려는 경우 주저하지 말고 문의하여 요구 사항을 논의하세요.
참고자료:
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