Introduction to Cell-based High Content Analysis system (BD Pathway 855)
Background 세포는각각의기능과장소그리고외부물질로인해많은성장. 분화와변화등을거치기도합니다. 세포의기본적연구와의료목적의연구, 더나아가신약개발목적을위해생명과학연구자및신약개발연구자들은세포내에서일어나는일련의생명현상들을좀더명확히관찰하고자합니다. 이러한요구로인해현미경 (Microscope) 과형광 (Fluorescence) 기술그리고다양한화학적기술들이급격히발전해왔으며이러한기본도구들은세포를연구하는데있어서귀중한도구의하나로쓰입니다. 현미경 (Microscope) 에서얻은세포이미지 (Cell Image) 에는세포가말하려는많은생명현상의정보들을가지고있습니다. 하지만이러한정보를분석하는데는많은시간이필요하며주관적인관점이많이개입됩니다. 생물학적이미지 (Bioimaging) 정보는주로기초연구자에게국한되어있었지만최근에는새로운신약개발을위한임상실험기초연구에많은생물이미지들의분석특히세포의형광이미지분석요구량이많이증가하고있습니다. 따라서고속화되고자동화된세포의이미지분석은효과적인치료약의발견및개발을위한신기술로대두되고있습니다. Biology Image Acquisition Image Analysis Data Analysis Definition High content analysis (HCA) 란이러한요구에부합하고자살아있는세포나고정되어있는세포에서광학적, 화학적, 생물학적기술과이미지분석을이용하여세포에서일어날수있는일련의세포생물학적변화현상 ( 예를들어 Apoptosis, RNA 간섭등 ) 또는신약개발스크린과같은연구에서나타나는세포의변화현상을데이터화하여보여줄수있는자동화된세포학적생물영상정보분석기법입니다. 또한한가지실험방법으로얻은일련의세포이미지들로부터여러가지의생물학적분석을도출할수있는기법입니다. 이러한기술은분자생물학적기법, 고해상광학기술및자동화시스템이결합되어있는산물이기도합니다. 1
HCA 를이용하여연구할수있는주요 biological process Receptor translocation Protein translocation Protein trafficking Neurobiology Cytotoxicity Cell motility Cell death Cellular differentiation Cell cycle 2
Live cell imaging with kinetics 세포생물학 tool 에있어서가장많이응용되는유세포분석기 (Flow cytometry) 와 Highcontent analysis system 를비교분석하여 HCA 의장비의특성을종종언급하기도합니다. 3
유세포분석기 High content analysis system 측정내용 : 형광의세기 (intensity) 형광의세기세포에서형광분포변화세포의움직임의수치화세포모양의변화약 100,000 개이상의 suspension 된세포필요 10 ~ 1000 개의 suspension 세포또는 adherent 세포필요 12+ colors 의형광분석가능 4+ colors 의형광분석가능세포의재분석불가세포의재분석이가능 특장 특정세포의분리 (Sorting) 통계학적특정세포의분포분석 분포율이작은 cell event 의특징분석 Strengths: 시간적공간적분석뿐만아니라형태학적가능 적은세포수로분석가능 세포이미지재분석가능 시각적데이타 4
High content analysis 에서요구되는사항 1) 고해상도의형광현미경 (High resolution fluorescence microscope): 앞에서언급한바와같이세포에서발현되는 cellular macromolecule ( 단백질, 지방및탄수화물등 ) 을감지하는방법으로형광의감지가중요합니다. 따라서미세한형광의변화를감지하여고해상도의이미지를얻을수있는형광현미경이필수적입니다. 더불어세포는 2 차원이아니라 3 차원적공간적인의미를담기때문에이러한공간적분석을효율적으로하기위하여공초점시스템 (confocal unit) 을채택하는것이보편적입니다. 2) 이미지분석시스템 : HCA 시스템에서중요한부분중의하나는형광현미경에서얻어진고해상도이미지를분석하는시스템이필수적이며이는이미지내에서형태의특징변화, 형광의세기변화및형태의변화를체계적이면서객관적으로그리고손쉽게분석하여정량화할수있습니다. 3) 자동화시스템 : 단시간에많은이미지를대조군과함께효율적으로획득하는시스템이필요합니다 5
BD Pathway System BD Biosciences 에서출시된 BD Pathway TH system 은세포이미지에기반을둔자동화영상정보분석시스템 (automated high content analysis system) 으로서이미지분석의효율화및신약개발에있어서아주효과적인분석을할수있습니다. BD 에서제공하는 HCA 시스템은 Pathway 855 와 Pathway 435 두가지타입을제공하는데이중 Pathway 855 시스템은다음과같은특징이있습니다. Pathway 855 외형설명 Environmental chamber : 온도와 CO2 를조절할수있는챔버로서 live cell 의이미지획득이가능합니다. 6
Liquid handling : disposable tip 을이용하여일정량의약물이나화합물을첨가한후그에대한반응을 Kinetic assay 로결과를얻을수있습니다. Stationary stage : Pathway 장비는 plate 를고정하는 stationary 가움직이지않고대물렌즈가움직이기때문에부착세포뿐만아니라 Cancer cell 과같이떠다니는세포의관찰및분석도가능합니다. Full spectrum illumination : 2 개의형광램프 (Mercury arc lamp) 를채용하여 16 개의다른 excitation filter 를장착할수있습니다. 스펙트럼의범위는 UV 에서적외선파장까지광범위한범위에서측정이가능합니다. Bionocular eyepieces : Pathway 는컴퓨터화면뿐만아니라눈으로도형광과투과광 (transmitted light) 으로반사된물체를관찰할수있습니다. Tansmitted light: 투과광과형광을이중인화시켜세포에서의형광위치를정확히파악할수있습니다. Confocal optics : Nipkow spinning disk 를이용한공초점현미경방식을채택하여실시간의공초점이미지를관찰할수있는장점이있습니다. 또한이방식은기존의 laser 방식에비해 background 가낮고 photobleaching 이적은장점이있습니다. Robotic automation : Tip 과 plate 를자동적으로교환하며바꾸어줄수있는자동화시스템이 Pathway 와같이작동할수있도록 automation door system 이설치되어있습니다. 7
Pathway 855 Software Flow Instrument Control Image Acquisition Image Analysis Data Analysis & Data Management AttoVision Software BD Biosciences Products IPLab Image Data Explorer Axiope Catalyzer Software: Indexing Search & Retrieval Application Integration 8
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