체계적인 세포 배양 워크플로를 사용하여 실험적 성공 가속화

세포 배양 프로세스의 확장과 현대화가 진행되면서 표준화, 정확한 문서화, 속도 향상 및 작업량 감소를 지원하는 기술에 대한 수요가 늘어나고 있습니다.이 백서에서는 효율적이고 표준화된 세포 배양 워크플로를 지원하여 세포 배양 기반 분야에서 실험적 성공을 가속하는 솔루션에 대해 설명합니다.

향상된 세포 배양 워크플로에 대한 수요 증가

효과적인 세포 배양 프로세스는 줄기세포와 암 연구부터 재생 의학까지 생명 과학 및 제약 산업 전반에서 응용 분야의 성공을 위한 기반을 구축합니다.세포가 성장하고 증식하고 시험관 내에서 분화할 때 세포를 정확하게 관찰하고 문서화하는 능력은 세포 배양 워크플로 전반에서 품질과 재현성을 보장하기 위한 핵심입니다.이 능력을 갖추기 위해 많은 실험실에서 표준화와 정확한 문서화를 지원하는 한편, 속도와 효율성도 개선할 수 있는 기술을 도입하고 있습니다.

세포 배양의 효율성, 표준화 및 문서화 지원

가장 기본적으로, 세포 배양 프로세스에는 세포 형태를 평가하면서 세포 증식과 밀도(포화도라고도 함)를 수량화하는 작업이 포함됩니다.이러한 프로세스를 보다 효율적이고 정확하며 표준화하는 세포 배양 워크플로에 적응하면 다운스트림 실험의 재현성을 개선할 수 있습니다.

• 조건을 표준화하면 서로 다른 연구원과 서로 다른 실험 간의 샘플을 비교할 수 있습니다.일관되지 않은 조건에서 배양된 세포는 성장 패턴과 유전자 발현이 변경되어 세포 기능에 영향을 줄 수 있습니다.
• 결과를 문서화하면 시간 경과에 따른 세포의 행동을 정확히 알 수 있어 향후 참조, 감사, 동료 평가 질의 또는 특허 출원에 대한 추적이 가능합니다.
• 속도와 효율성은 세포가 최적의 배양 조건을 벗어나는 시간을 최소화하여 배양 상태를 양호하게 유지합니다. 또한 빠른 워크플로 덕분에 과학자가 다른 작업에 집중할 수 있는 시간도 확보할 수 있습니다.

최신 세포 배양 프로세스는 도립 현미경 같은 대표적인 세포 배양 시스템의 개선 사항을 활용하는 동시에 세포 배양 실험실의 자동화를 지원하는 발전된 기술을 통합할 수 있습니다(그림 1).

그림 1.최적화된 세포 배양 워크플로를 지원하는 기술

향상된 세포 배양 현미경을 위한 하드웨어 기능

세포 배양의 성공은 통찰력 있는 관찰과 워크플로 효율성에서 비롯됩니다.현미경 관찰법이 발전함에 따라, 세포 배양 관찰과 분석을 위해 설계된 시스템은 워크플로 문제를 해결하기 위해 다양한 하드웨어 기능을 통합했습니다(그림 2).

그림 2.CKX53 세포 배양 현미경(왼쪽)과 Olympus Provi™ CM20 배양 모니터링 시스템(오른쪽)은 세포 배양 워크플로에서 표준화와 품질 관리를 간소화하는 기능을 제공합니다.

예를 들어, 초점 조절과 샘플링을 위한 자연스러운 손 위치 설정 같은 인체공학적 요소는 세포 처리 속도를 높입니다.이렇게 하면 세포가 최적의 배양 조건을 벗어나는 시간을 줄여 세포 배양에 유익합니다.배양기 외부에 있는 시간이 늘어나면 오염될 위험이 증가하고 세포에 스트레스를 주어 세포 생리가 변경되고 샘플 간에 불일치가 발생할 수 있습니다.

또한 이 시스템은 생물 안전 캐비닛 내부에 맞는 소형 디자인이 특징입니다.멸균 환경에서 관찰을 수행하여 오염될 위험을 줄일 수 있습니다.

세포 배양을 위한 일관된 고대비 관찰

세포 배양 워크플로의 또 다른 개선 사항은 빠르게 고대비 관찰을 수행하는 기능입니다.세포 배양 현미경을 고급 광학 장치와 페어링하면 깨끗하고 넓은 시야로 빠르고 효율적인 스크리닝을 할 수 있습니다.

관찰 방법의 발전으로 세포 배양을 위한 이미징 프로세스도 개선됩니다.위상 대비는 세포 생물학자들이 많이 사용하는 방법입니다.그러나 이 방법을 적절하게 적용하려면 각 대물렌즈를 준비하여 중심을 조정하고 적절한 위상 링과 함께 사용해야 합니다.연구원이 배율을 바꿀 때 위상 링을 잘못 정렬하거나 잘못된 위상 링을 사용하면 시간이 오래 걸리고 오류가 발생할 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Evident에서는 4배~40배 대물렌즈 간에 전환할 때 링 슬릿을 변경할 필요 없이 고대비 이미지를 제공하는 통합 위상 대비(iPC) 기술을 제공합니다.이 단순한 워크플로로 효율성이 높아지고 서로 다른 연구원 간의 잠재적인 불일치 지점이 제거됩니다.

광범위한 관찰과 분석 작업을 위한 다용성

세포 배양 현미경의 다양성을 확장한 형광 이미징 기능을 사용하여 연구원은 일상적인 관찰과 기능 연구를 동일한 시스템에서 수행할 수 있습니다.이렇게 하면 공간과 비용이 모두 절약됩니다.단일 시스템은 시딩, 증식 및 계대 모니터링부터 다양한 염료를 사용한 세포 분석의 고대비 형광 이미징까지, 세포 배양 워크플로의 여러 단계에 사용할 수 있습니다.

간단하고 유연한 이미지 획득

세포 배양 프로세스에서 중요한 부분은 이미징을 통해 세포를 일상적으로 문서화하는 것입니다.조직 배양 도립 현미경에는 다양한 디지털카메라를 유연하게 추가할 수 있는 경우가 많아 연구원이 작업하면서 이미지를 획득할 수 있습니다.

최근까지 이러한 카메라는 이미징 컴퓨터에 연결해야 했습니다.컴퓨터는 조직 배양실의 귀한 작업대 공간을 차지하고 카메라와 컴퓨터를 유선으로 연결하려면 서로 가까이 두어야 하므로 카메라와 컴퓨터 배치에 제한이 생깁니다.최신 카메라 시스템은 유연하고 공간을 절약하는 이미징 옵션을 통해 이러한 문제를 해결합니다.예를 들어, Olympus EP50 카메라는 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰 등의 다양한 장치에 무선으로 연결될 수 있습니다.이렇게 무선으로 설정하면 현미경을 조직 배양 공간 주위로 이동하여 편리한 위치에 배치할 수도 있습니다.

유연성을 더한 EP50 카메라에는 운영 체제, 소프트웨어 및 보관 옵션이 카메라에 내장되어 있습니다.그 결과, 모니터를 카메라에 직접 장착하여 올인원 이미징 솔루션을 만들 수 있습니다.이 설정 덕분에 외부 컴퓨터가 전혀 필요 없습니다.또한 전체 장치를 생물 안전 작업대 내부에서 안전하게 사용할 수 있어 멸균 환경에서 이미징이 가능합니다.

그림 3.CKX53 세포 배양 현미경과 EP50 카메라

수량화할 수 있는 세포 성장 데이터 생성

성공적인 세포 배양의 필수 요소는 세포 성장과 포화도를 장기간 적절하게 모니터링하는 것입니다.세포 배양 성장은 지체기, 대수증식기, 정체기라는 3가지의 뚜렷한 단계를 거칩니다(그림 4).

그림 4.세포 성장

세포 증식은 지체기에서 시작하여, 성장 인자 농도가 증가하면서 대수증식기로 바뀝니다.영양분이 소모되거나 세포 밀도가 증가하면 접촉 억제가 발생하고 세포 증식이 정체됩니다.증식하는 세포를 처리할 적절한 시기를 선택하는 것은 매우 중요합니다. 충분한 수율이 확보될 만큼 세포가 성장했지만, 아직 포화 상태에는 도달하지 않아야 하기 때문입니다.

계대, 다운스트림 실험 또는 보관을 위해 세포 샘플을 준비할 때 정확한 세포 계수는 다음과 같은 이유로 매우 중요합니다.

• 계대: 일관된 시딩 밀도는 배양이 동일한 속도로 그리고 건강하게 이루어진다는 의미입니다.
• 다운스트림 실험: 세포 수가 동일하면 비교 가능한 결과를 얻을 수 있습니다.
• 보관: 보관되어 있던 세포주를 되살릴 때 각 바이알의 세포 농도와 생존율을 아는 것이 중요합니다.

포화도와 세포 수는 흔히 육안으로 판단하므로 매우 가변적일 수 있습니다.동일한 세포 플레이트라도 여러 연구원이 평가했을 때 세포 수와 포화도 추정치가 매우 다르게 나올 수 있습니다.

모니터링 일관성

기존의 현미경은 배양을 일관되게 평가하는 데 도움이 될 수 있지만, 배양을 정기적으로 모니터링하는 것도 마찬가지로 중요합니다.세포를 정확한 날짜에 확인하지 않거나 심지어 하루 중 정확한 시간에 확인하지 않는 경우에도 계대 또는 기타 실험적 변이를 위한 최적의 시간을 놓칠 수 있습니다(그림 5).정확하지 않거나 일관되지 않은 시간에 계대하면 배양과 실험에 다운스트림 문제가 발생할 수도 있습니다.지속적인 모니터링을 위해 세포 배양 소프트웨어를 배양 모니터링 시스템과 결합하면 연구원은 세포가 계대 준비가 되는 시점을 정확히 알 수 있습니다.

그림 5.세포 성장을 지속적으로 모니터링하면 프로세스 표준화가 가능합니다.

인공 지능을 사용한 자동화된 세포 분석

CM20 시스템 같은 배양 모니터링 시스템은 고급 인공 지능 소프트웨어를 제공합니다.AI 기반 세포 분석을 통해 사용자는 일관된 매개변수를 사용하여 세포 배양 상태를 자동으로 평가할 수 있으므로 인적 오류는 줄어들고 보다 정확하고 재현 가능한 세포주가 만들어집니다.

또한 이러한 데이터 및 분석 매개변수를 쉽게 저장하고 재사용하고 전송할 수 있습니다.이렇게 하면 훈련 시간이 단축되고 실험실 전체에 있는 여러 사용자가 동일한 절차에 따라 세포 상태를 평가할 수 있습니다.

수량적 데이터 수집을 통해 워크플로를 표준화하면 프로세스 초기에 비정상적인 세포 배양을 감지하여 시간을 절약하고 사용할 수 없는 세포 배양에 값비싼 실험실 소모품을 사용하는 상황을 최소화할 수 있습니다.

원격 모니터링으로 세포 배양 패러다임 전환

세포 배양 워크플로의 또 다른 개선 사항은 세포 배양의 원격 모니터링입니다.기존 세포 배양 워크플로에서는 연구원이 실험실에서 배양 모니터링 프로세스를 수동으로 진행해야 합니다.CM20 시스템 같은 배양 모니터링 시스템은 연구원의 개입 없이도 지속적으로 세포 배양 플레이트를 모니터링할 수 있습니다.이러한 장치는 세포 배양기에 직접 배치되고 수량적 세포 배양 데이터를 원격으로 제공합니다(그림 6).

그림 6.CM20 배양 모니터링 시스템에서 배양기의 세포 데이터를 수집합니다.

세포 상태 개선

배양기 모니터링 시스템은 본질적으로 세포 상태를 양호하게 유지하는 데 좋습니다.배양기에 직접 배치하기 때문에 정기적인 모니터링을 위해 세포 배양 플레이트를 배양기에서 꺼낼 필요가 없습니다.이렇게 하면 세포가 최적의 조건에서 일관되게 유지되고 오염될 위험이 줄어듭니다.

배양기 모니터링 시스템은 이미징 중에 세포 생존율을 지원하도록 특별히 설계된 조명 방법을 사용할 수도 있습니다.기존 현미경에 사용되는 명시야 조명 방법에 과도하게 노출되면 세포가 손상될 수 있습니다.이 문제를 해결하기 위해 CM20 배양 모니터링 시스템은 EPI-Oblique 조명이라고 하는 대체 조명 방법을 사용합니다.EPI-Oblique 조명은 630nm LED를 사용하여 지속적으로 관찰하는 경우에도 광독성을 줄입니다.

또한 배양기 모니터링 시스템과 배양 소프트웨어를 결합하면 정확한 성장 로그를 만드는 데 사용되는 수량화할 수 있는 세포 성장 데이터를 원활히 생성할 수 있어 불필요한 분리와 용액 내 계수를 방지하고 배양 조건을 최적화할 수 있습니다.이러한 시스템은 데이터를 원격으로 전송하도록 설계되어 있어 연구원은 어디에 있든 배양 진행 상황을 모니터링할 수 있습니다(그림 7).

그림 7.CM20 시스템을 사용하여 세포 배양 데이터를 원격으로 확인합니다.

세포 배양 워크플로 재설계

세포 배양은 생명 과학 분야의 초석을 이루며, 고품질 결과를 얻으려면 고품질 세포 배양 프로세스가 필요합니다.세포 배양은 성숙한 분야이지만, 새로운 기술은 지속적으로 점진적이면서도 상당한 개선을 이루어 일관되고 효율적이며 수량화할 수 있는 결과를 내놓고 있습니다.

최신 세포 배양 현미경은 향상된 인체공학성, 더 우수하고 일관된 광학 장치, 더 많은 이미징 방식(예: 형광)을 통합할 수 있는 유연성을 제공합니다.

배양기 모니터링 시스템은 세포 손상을 최소화하고 상당한 양의 일상적인 수동 작업을 제거하는 동시에 지속적으로 수량적 데이터 수집을 가능하게 합니다.

이러한 시스템은 서로 결합할 때 가장 잘 작동합니다.배양기 모니터링 시스템이 일상적인 모니터링, 정확한 세포 계수, 계대 등의 많은 작업을 대신하지만, 형광 세포 평가는 아직도 훈련된 연구원이 현미경으로 관찰할 때 가장 성공적으로 이루어집니다.

스마트 실험실 기술을 채택하는 새로운 워크플로를 만들면 과학자들이 효율적이고 완벽하게 문서화되며 고도로 표준화된 세포 배양 시스템을 갖출 수 있습니다.그 결과, 과학자들은 생명 과학 실험과 재생 의학 분야에 대한 연구를 가속할 수 있습니다.

작성자

Joanna Hawryluk, Evident의 제품 관리자
Avi Smith, Evident의 제품 관리자