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최초의 automated cell counter 의 역사는 1950년대 월레스 쿨터 (Wallace H. Coulter) 에 의해 발명된 쿨터 카운터로 거슬러 올라갑니다. 쿨터 카운터는 전기적 임피던스 측정원리를 Cell Counting 에 도입함으로써 빠르고 정확한 세포카운팅을 가능하게 했습니다. 이 혁신적인 기술은 세포가 작은 구멍을 통과할 때 발생하는 미세한 전기 저항의 변화를 측정합니다. 이러한 임피던의 변화를 분석함으로써, 쿨터카운터는 샘플 내에 존재하는 세포 수와 크기 분포를 측정할 수 있습니다. 이 방법은 연구자들이 현미경에서 육안으로 일일이 세포를 세던 종래에 방식에 비해 매우 빠르고 정확했으며 사람과는 비교가 되지 않을 만큼 많은 숫자의 세포를 측정할 수 있었기 때문에 통계적으로 매우 안정된 결과를 제공할 수 있었습니다. 그 결과 쿨터 카운터는 진단 목적으로 혈액 내 세포 카운팅을 해야 하는 혈액 분석 분야에 빠르게 적용되었습니다.
그러나 쿨터 카운터는 기술적으로 여러가지 한계를 가지고 있었습니다.
첫째, 뭉쳐있는 세포가 존재할 경우 이들 세포 군집은 작은 구멍을 통과하지 못하거나 설사 통과하더라도 하나의 객체로 카운팅이 됩니다. 사용하는 세포가 대부분 부착성 세포 (attached cell) 인 일반 실험실에서는 세포 분리 과정에서 뭉친 세포가 발생하는 것을 피할 수 없습니다. 따라서 쿨터카운터는 이러한 류의 세포를 정확하게 측정하는데 어려움이 있었으며, routine cell culture 목적의 실험실에서 거의 사용이 어려웠습니다.
둘째, 쿨터 카운터는 세포 생존도 (cell viability) 에 대한 데이터를 제공할 수 없었습니다. 세포 생존도의 평가는 트리판 블루 (Trypan blue) 와 같은 염료를 사용하여 염료를 흡수한 세포와 그렇지 않은 세포의 색상 차이를 기초로 이루어지게 됩니다. 불행히도 쿨터 카운터는 이러한 염료 흡수에 근거한 색상차이를 구분하는 원리를 내재하고 있지 않았습니다.
이러한 제약 사항들로 인해 쿨터 카운터는 주로 혈액 카운팅을 위한 진단 용도로 사용되어 왔으며, 실험실에서의 활용은 제한적이었습니다. 연구자들은 뭉친세포들을 효과적으로 카운팅하고 세포 생존도를 제공할 수 있는 기술을 필요로 하기 때문에 이러한 요구조건을 해결하기 위한 다른 세포 카운팅 기술이 개발되었습니다.
유세포 분석기는 세포 분석 방법을 혁신한 강력한 기술에 기반하고 있습니다. 1960년대에 개발된 유세포 분석기는 세포를 액체 속에서 한줄의 stream 에 흘려 보내는 동시에 세포 하나 하나를 레이져 빔에 통과시킴으로써 산란되는 빛과 형광을 측정합니다. 세포를 특정한 형광 염료 또는 형광 염료가 표지된 항체로 염색한 후 유세포 분석기에 주입하면 레이저 빛을 통과한 세포로부터 forward scatter, side scatter, 그리고 각 파장별 형광을 얻을 수 있는데 이들 정보로부터 세포의 크기와 입자성, 그리고 분자적 특성에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
유세포 분석기는 동시에 여러 패러미터를 측정할 수 있기 때문에 연구자들이 세포의 복잡한 특성을 분석하는데 큰 도움을 줍니다. 또한 유세포 분석기와 자동 샘플처리 시스템이 동합되면서 효율성과 처리량이 크게 향상되었으며 오늘날 유세포 분석기는 면역학, 암연구, 신약개발등 다양한 분야에서 필수적인 도구가 되었습니다.
첫째, 유세포분석은 형광을 측정하는 장비이기 때문에 일반적으로 실험실에서 사용하는 트리판 블루 염색에 기반한 세포 생존도 측정에는 적합하지 않습니다.
둘째, 유세포 분석기는 세포의 절대 숫자 (absolute count) 를 제공하지 않습니다. 유세포 분석기의 세포 카운팅은 특정 시간 동안 흘러간 세포의 개수를 측정하는 방식으로 특정 볼륨 내에 존재하는 세포의 숫자, 즉 농도 정보를 직접적으로 제공하지 않습니다. 이를 극복하기 위해 농도를 알고 있는 형광 비드를 같이 섞는 방식으로 보정하는 방법을 사용하지만 직접적인 카운팅 보다는 부정확한 방법으로 알려져 있습니다.
셋째, 유세포 분석기는 많은 양의 샘플을 필요로 합니다. 유세포 분석기에 주입되는 세포는 긴 유로를 통과하여 측정 위치에 도달하기 때문에 현대적인 이미지 기반 세포 카운터보다 훨씬 많은 양의 샘플을 필요로 합니다.
넷째, 유세포 분석기 가동에 따르는 복잡성 때문에 전문 오퍼레이터가 필요하며, 빠르고 간단한 세포 카운팅이 어렵습니다. 샘플을 준비하는데 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 장비를 가동하고 운영하는데도 복잡한 과정이 필요하기 때문에 실험실에서 쉽게 사용하기 힘든 장비입니다.
다섯째, 가장 중요한 단점으로 유세포 분석기는 많은 투자가 필요한 비싼 장비 입니다. 따라서 routine cell culture 목적으로 간단하고 정확하게 세포 카운팅을 위해 투자하는 것은 소잡는 칼로 닭잡는 일에 비유할 수 있습니다.
이러한 한계들로 인해 유세포 분석기는 보다 강력한 분석이 필요한 면역학 등의 분야, 그리고 코어 퍼실리티와 같은 공동 장비를 운영하는 장소에 설치되어 사용되어 왔습니다.
자동 셀카운터의 역사에서 가장 큰 영향을 미친 것은 자동 현미경 원리에 기반한 셀카운터의 개발입니다. 2000년대초 디지털 이미징 기술과 컴퓨터 알고리즘의 발전은 연구자들이 현미경 이미지를 사용하여 세포 카운팅을 자동화 할수 있도록 하였습니다. 이러한 시스템은 세포의 형태학적 특징들, 예를 들어 크기, 모양, 색상 등을 기반으로 세포를 식별하고 카운팅하는 것을 가능하게 하였습니다. 이미지 기반 세포 카운터 는 향상된 정확도와 다양한 세포 형태를 분석할 수 있었으며, 이는 세포 배양 작업과 관련된 연구, 신약 개발 연구 등에서 매우 중요한 도구가 되었습니다.
이미지 기반 세포 카운터 는 세포 생존도 평가를 위해 다양한 염색방법을 활용할 수 있습니다. 트라이판 블루 (Trypan blue) 와 같은 컬러 기반의 염료 뿐 아니라 아크리딘 오렌지/프로피듐 요오드 (Acridine orange/Propidium Iodide)와 같은 형광 염료도 사용이 가능합니다. 이러한 다양한 염색방법은 연구자들이 세포 유형과 샘플 조건에 따라 최적의 방법을 사용할 수 있도록 합니다.
이미지 기반 셀카운터는 샘플 내에 존재하는 온전한 세포가 아닌 개체, 예를 들어 debirs 나 오염된 파티클, 먼지 입자등을 영상을 통해 구분할 수 있습니다. 이러한 구분에는 정교한 이미지 분석 알고리즘이 사용되며 오늘날 인공지능의 발달로 인해 그 성능이 점점 더 정교해지고 있습니다.
현대의 이미지 기반 셀카운터는 컴팩트한 광학 시스템을 탑재하고 있어서 크기가 작고 최소한의 실험실 공간만 필요로 합니다. 저렴하고 컴팩트한 세포 카운터의 보급으로 소규모 실험실, 클린 벤치 내부, 필드 연구와 같이 다양한 환경에서 자동 셀카운터를 사용할 수 있게 되었습니다.
자동 세포 카운팅 분야는 그간 많은 기술적 변화를 겪어왔습니다. 쿨터 카운터의 발명에서부터 유세포 분석기의 등장, 그리고 이미지기반 셀카운터의 보급까지 그 여정은 놀라운 기술적 진보와 그것이 생명과학 연구에 끼친 영향을 보여줍니다. 진화가 거듭될수록 그전의 약점을 극복하며 더운 개선된 정밀도, 다양성, 신뢰도를 제공하는 기술이 생겨났습니다.
자동 세포카운터의 역사적인 이정표와 현재의 능력에 대해 고찰하면서, 우리는 이분야에서 미래의 더 큰 혁신을 기대하고 있습니다. 인공지능, 기계 학습, 그리고 새로운 바이오센서와의 결합은 더욱 향상된 정밀도와 편리함을 제공할 것으로 생각됩니다. 자동 세포카운터의 진화는 아직 끝나지 않았으며, 더욱 흥미진진한 발견과 발전이 가능할 것입니다. 이를 통해 생명과학 연구에도 더 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대합니다.
Overall, cell viability measurement is a crucial technique in toxicology studies. By accurately measuring the viability of cells, researchers can identify the potential toxicity of substances, evaluate their effects on living organisms, and develop effective treatment strategies to minimize their impact.
로고스바이오는 저렴한 컴팩트 셀카운터에서 GMP 용 high throughput cell counter, 박테리아 카운터에 이르기 까지 사용자의 니즈에 맞는 다양한 셀카운터를 제공하고 있습니다. 더 많은 정보를 원하시면 www.logosbio.com 을 방문해주세요.
