단일세포 분리 기술에서의
Revealer 고속카메라 활용 사례

바이오 연구와 세포 기반 분석 분야에서는 하나의 세포를 정확하게 구분하고 분리하는 기술의 중요성이 커지고 있습니다. 겉보기에는 같은 세포 집단이라도 실제로는 서로 다른 특성을 가진 세포들이 함께 존재할 수 있으며, 이러한 세포 이질성은 줄기세포 치료, 재생의학, 임상 헬스케어 연구에서 중요한 변수로 작용합니다.

이번 글에서는 실시간 세포 인식과 미세유체 충격 프린팅을 결합한 단일세포 분리 시스템에서 Revealer 고속카메라가 어떻게 활용되었는지 소개합니다. 고속카메라는 초당 2,620프레임으로 세포 이미지를 촬영하고, 액적 분사 과정에서 발생하는 세포 이동과 유체역학 반응을 분석하는 데 사용되었습니다.

▲ 단일세포 분리 기술은 세포 이질성 문제를 분석하고, 재생의학·약물 스크리닝·유전 분석 등 다양한 바이오 연구 분야에 활용될 수 있는 핵심 기술입니다.

▲ 연구팀은 실시간 세포 인식과 미세유체 충격 프린팅을 결합해 형광 표지 없이도 단일세포를 고효율로 분리할 수 있는 시스템을 설계했습니다.

▲ Revealer 고속카메라는 초당 2,620프레임으로 세포 이미지를 촬영하고, 액적 분사 중 세포 이동과 유체역학 반응 메커니즘을 분석하는 데 활용되었습니다.

단일세포 분리에서 실시간 관찰이 중요한 이유

단일세포 분리 과정에서는 세포가 미세채널을 따라 이동하고, 특정 위치에서 액적에 포함되어 분사됩니다. 이때 세포의 위치, 액적 생성 시점, 분사 타이밍은 단일세포 포획 효율과 프린팅 결과에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다.

기존 유세포 분석 기반 분류 기술은 형광 표지를 위한 전처리가 필요하며, 이 과정에서 시간 소요가 커지거나 세포 기능에 영향을 줄 수 있습니다. 또한 액적 미세유체 기술은 개별 세포를 액적 안에 캡슐화할 수 있지만, 포아송 분포의 영향으로 단일세포 포획 효율이 낮아질 수 있고, 캡슐화된 액적의 위치가 고정되어 있지 않아 실시간 관찰에 제약이 있습니다.

고속카메라는 세포의 순간적인 움직임을 프레임 단위로 기록해 세포 위치 인식과 프린팅 타이밍 제어에 필요한 데이터를 제공합니다. 따라서 단일세포 분리 시스템에서 고속카메라는 단순 관찰 장비를 넘어, 실시간 식별과 공정 제어를 지원하는 핵심 장비로 활용될 수 있습니다.

실험 구성 : 실시간 세포 인식과 미세유체 충격 프린팅

연구팀은 실시간 세포 인식과 미세유체 충격 프린팅을 결합한 단일세포 분리 시스템을 설계했습니다. 시스템은 형광 표지 없이도 단일세포를 실시간으로 인식하고, 고처리량으로 분리할 수 있도록 구성되었습니다.

고속카메라로 구현하는 실시간 세포 인식 과정

세포 현탁액은 압력 펌프에 의해 미세채널 입구에서 출구 방향으로 이동합니다. 도립 현미경에 장착된 Revealer 고속카메라는 미세채널 중앙의 관찰 평면에 초점을 맞추고, 초당 2,620프레임의 속도로 세포의 그레이스케일 이미지를 촬영했습니다.

촬영된 이미지는 실시간 배경 추출, 가우시안 노이즈 제거, 임계값 분할 과정을 거친 뒤 세포의 2차원 위치를 식별하는 데 사용되었습니다. 이후 신호 제어 모듈이 트리거 신호를 전송하면 압전 액추에이터가 작동하고, 식별된 세포를 포함한 액적이 기판 위로 분사됩니다.

고속카메라로 촬영한 미세유체 충격 프린팅 과정

미세유체 충격 프린팅 과정에서는 액적이 분사되는 동안 세포가 측면 또는 전방으로 이동할 수 있습니다. 이러한 움직임은 단일세포 분리와 프린팅 신뢰성에 영향을 줄 수 있기 때문에, 연구팀은 Revealer 고속카메라로 세포 분사 과정의 순간 이미지를 촬영했습니다.

실험 결과 : 15Hz 처리량과 95% 이상의 프린팅 효율

연구팀은 10μm 폴리스티렌 마이크로비드 분사 실험을 포함한 여러 실험을 통해, 실시간 세포 인식과 미세유체 충격 프린팅을 결합한 단일세포 분리 시스템의 성능을 확인했습니다.

이 시스템은 형광 표지 없이도 단일세포를 고처리량으로 분리할 수 있었으며, 단일세포 액적 프린팅 처리량은 15Hz에 도달했습니다. 또한 세포 집단 내 이종 단일세포를 한 단계로 분리할 수 있었고, 프린팅 효율은 95%를 초과했습니다.

고속카메라가 필요한 바이오·미세유체 응용 분야

단일세포 분리 기술은 바이오 오가노이드 프린팅, 종양 유형 분석, 약물 스크리닝, 화학 결정화, 유전 분석 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 이러한 분야에서는 세포나 미세입자의 움직임이 매우 짧은 시간 안에 발생하기 때문에, 일반 카메라나 육안 관찰만으로는 현상을 충분히 분석하기 어렵습니다.

Revealer 고속카메라는 빠르게 움직이는 세포, 액적, 미세유체 흐름을 프레임 단위로 기록해 연구자가 공정 조건과 결과를 분석할 수 있도록 지원합니다. 따라서 단일세포 분리, 미세유체 칩 개발, 액적 생성, 바이오 프린팅, 세포 반응 분석과 같은 연구에서는 관찰 대상의 속도, 배율, 해상도, 조명 조건에 맞는 고속카메라 구성이 중요합니다.

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