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세포 배양 자동화 기술 최신 동향
세포 배양 자동화 기술 최신 동향 저자 유정수, 정희진 (홍익대학교)
등록일 2019.07.30
자료번호 BRIC VIEW 2019-T20
조회 2184  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
세포 배양 기술을 표준화하고 재현성 있는 결과를 도출하여 이를 자연과학 및 공학뿐만이 아니라 재생의학 등의 다양한 분야에 응용하는 필요성이 증가되고 있다. 이에 따라 세포 배양을 자동화함으로써 단기간에 작업효율을 증대시킴이 요구되고 있다. 특히 배지 조절 및 세포수 계측 등을 포함한 일련의 과정의 자동화를 통화여 고품질의 세포를 재현성 있고 신속하게 확보하며, 이러한 배양기술을 표준화하고, 세포 배양에 특화된 현미경 및 소프트웨어와의 연결을 통한 일체형 자동화 기술 구축이 필요하다. 본 기고에서는 세포 배양 자동화 기술의 중요 개념 및 특징에 대하여 설명하고 기출시된 최신 자동화 장비에 대하여 정리하였다.
키워드: 세포배양, 자동화, 오염방지, 균일품질유지, High-throughput

목차

1. 서론
2. 본론
  2.1 세포 배양 자동화 기술
  2.2 세포 배양 자동화 장치 요구 사항
    2.2.1 배양기 내부 오염 방지
    2.2.2 외부 환경에의 오염 방지
    2.2.3 자동 배양 공정 관리
    2.2.4 배양기 관리
    2.2.5 세포 증식 모니터링
    2.2.6 자동화 범위 확장
  2.3 세포 배양 자동화 장치
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

세포배양은 생물학의 기초 연구뿐만 아니라 공학 및 제약 등의 다양한 연구 및 실용화 분야에 이용되는 필수불가결한 작업 중의 하나이다. iPS세포를 주축으로 할 수 있는 세포를 이용하는 재생의료 등의 개발이 기대되고 있는 가운데, 아직까지는 품질 관리 및 생산규모 증대 등에 대한 해결해야 할 점이 남아 있다. 특히 세포 배양 및 품질 관리는 수작업에 의해 실행되는 경우가 많아 배양 과정 시 발생할 수 있는 human error의 감소 및 작업자에 의존하지 않는 높은 재현성이 요구된다. 또한 세포배양을 자동화 시스템과 접목시켜 작업의 효율성 및 안전성을 꾀하며, 작업자의 숙련도에 의해 좌우되지 않는 균일한 품질의 세포를 낮은 가격으로 신속하게 제공할 수 있는 세포 배양 자동화 기술의 발전 및 실용화가 필요하다. 특히 iPS세포를 이용한 재생의료분야에서 종래의 투약 및 수술을 통해서는 치료가 곤란한 다양한 질환 및 기능회복의 가능성이 제시됨에 따라 산업계에서도 치료에 이용하는 세포의 수요를 확대하기 위해, 세포를 고품질, 안정, 대량으로 생산하는 방법을 확립하고 임상용도의 세포제조에 사용 가능한 시스템을 구축하는 것이 필요하다.

현재 대부분의 연구실에서는 경험이 없는 연구자가 실험 초기에 세포 배양 기술을 습득하기 위해 숙련된 배양기술자의 경험에 근거한 정성적인 조작기술 및 노하우를 “전수”받고 반복 조작에 의한 훈련을 통하여 기술을 습득하고 있다. 하지만 실험실 수준에서 연구결과의 정확성 및 재현성을 확보할 뿐만이 아니라 의약제품 등으로 사용되어 환자에게 직간접적으로 영향을 주는 약품으로의 응용 등을 위해서는 생산 세포의 고품질 확보가 중요하다. 특히 외부의 자극에 약한 세포에 있어서 배양 작업 중에 의해 발생하는 물리적 스트레스가 세포의 성장을 좌우하는 큰 원인이 된다. 그렇기 때문에 세포배양 중의 필수 작업인 접종 분주, 현탁액 흡입 및 배출 등의 실험 시 세포에 대한 damage를 극소화하는 것이 필요하며, 이 때문에 목적 세포를 고품질의 상태로 취득하기 위해서 교육 훈련을 거쳐야 하며 일정 기간의 실험을 통한 숙련된 배양조작기술이 필요하다.

따라서 숙련된 배양기술자의 기술을 수치화하여 그 수치화한 데이터를 배양장치의 동작사양설계에 반영한 자동화 시스템이 개발되고 있다. 즉, 세포 유지에 필요한 접종, 배지교환, 계대, 배양으로 구성되는 일련의 과정을 자동화함에 따라 복수의 연구자 간의 실험 오차를 없앨 수 있으며, 이후의 실험에서의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한 연구자가 세포배양을 하기 위해 투여하는 시간을 대폭 감소시킬 수 있기 때문에 세포배양이 복잡하고 샘플수가 많을수록 이점으로 작용될 수 있다.

이러한 배경을 바탕으로 본 원고에서는 세포배양 자동화 기술의 개념 및 기술적 원리에 대해 자세히 설명한 후, 실제로 사용되고 있는 세포배양 자동화 기술 현황에 대해 소개함을 목표로 한다.

2. 본론

2.1 세포 배양 자동화 기술 [1]

효율적인 세포배양 기술은 줄기세포, 종양치료 및 재생의료 등을 포함한 광범위한 영역을 아우르는 자연과학 및 의약공학 연구 및 상업화 측면에 있어서 기반이 되는 필수 기술이다. 고품질의 세포를 재현성 있게 확보하기 위해서는 세포 배양의 각 단계 (배양기내부에서의 세포 증식, 세포의 형태 및 밀도 확인, 세포 수 계측 및 희석, 배양 플레이트 또는 플라스크로 계대 등)마다 배양 진행 상황을 파악해야 하며 특히 분화 및 증식 시의 세포를 명확히 관찰하고 이를 데이터화함이 필요하다.

세포를 배지 상에서 배양할 경우, 계대, 보존, 배지 교환 및 분리, 세포 밀집 정도 및 세포수 계측 등을 통하여 배양의 지속성 여부 판단이 이루어진다. 이때 배양 및 모니터링 조건을 표준화 함으로써 실험 성공율을 향상시키고 과거에 수행한 실험 데이터와의 비교를 통하여 실험수행 시의 재현성을 확보하여 실험결과의 신뢰성을 높일 수 있다.

2.2 세포 배양 자동화 장치 요구 사항

2.2.1 배양기 내부 오염 방지

세포 배양계 내에 미생물 등의 외인성 오염원이 침입하는 것을 방지 가능하도록 밀폐형 용기를 사용함에 유의해야 하며, 서로 다른 종에서 유래한 세포 사이의 교차오염에도 충분한 주의가 필요하다. 특히 세포가 접하는 부분은 일회용 재료를 사용하여 오염되지 않도록 하며. 반복해서 사용하는 것은 세정, 멸균에 의해 오염원을 완벽히 제거하는 요건을 만족하는 구조로 설치해야 한다. 또한 한 대의 장비에 복수의 피험자 유래의 세포를 다루는 경우에는 세포를 포함하는 배양계에 따라 분리된 독립적 폐쇄형 구조를 구축하거나 오염 리스크를 최소화 하는 것이 필요하다.

배양용기 내부에 초기 세포 및 배지 등의 물질을 도입할 때 용기를 개방해야 할 필요성이 있는데 이때의 환경을 깨끗이 하여야 하기 때문에 도입부 경계의 오염을 제거하는 처리를 할 필요가 있다. 그리고 배양 장비 내에 배양용기, 배지용기 등을 설치할 경우에도 무균환경을 확보하여 설치를 행하여야 한다.

2.2.2 외부 환경에의 오염 방지

세포 배양 자동화 기기가 오염되는 것을 방지해야 할 뿐만이 아니라, 세포 배양 자동화 기기에 사용하는 재료, 부품, 장비가 주변을 오염시키지 않아야 한다. 특히 바이러스 감염 세포를 취급하는 경우, 작업자의 안전확보, 배양계 사이의 상호오염 방지의 관점으로부터 위해요소를 고려해야 한다. 그리고 배양 용기의 파손 등에 의해 배양액이 장치에 확산되지 않도록 하며 세척이 용이하도록 해야 한다.

2.2.3 배양기 설계 및 관리

배양기 구성 요소에서 특히 시료 및 배양액이 접하는 부분은 멸균에 의해 변질되지 않으며 세포 및 조직에 영향을 끼치지 않는 것으로 선정하여야 무균환경을 확보할 수 있다. 이때 청결도가 적절하게 유지되도록 하기 위한 실시간 모니터링 및 에러 발생 시의 신호처리 요소를 확보하여 리스크 관리를 하여야 하며 주기적으로 청소가 될 수 있도록 관리하도록 자동화 등의 보수유지 시스템을 확실히 해야 한다.

2.2.4 자동 배양 공정 관리

관측 장치에 의한 세포 수 계측 및 세포 형태 해석, 배지 분석 장치에 의한 배지 조성 및 상태 해석 등을 포함하도록 한다. 세포의 자동배양 공정에 관한 정보를 실시간으로 관리하는 시스템을 컴퓨터에 설치하고 세포 배양에 관한 작업 순서를 조정 가능하도록 하는 것이 필요하다. 배양 중에는 계대 및 배지교환 시에 배양장치 내부에 존재하는 세포현탁액 또는 상등액 성분을 일부 채취하여 세포 수 카운트, 배양성분을 분석할 필요가 있는데, 그때마다 채취용 샘플을 외부공간으로 내보낼 때 배양기 출입구를 오염시킬 수 있기 때문에 내부의 무균공간을 확보하면서 신속하게 측정용 샘플을 외부공간에 도출하는 것이 가능한 시스템이 필요하다.

자동 배양 실행을 위한 지시 항목 및 기계적 조정 항목은 실행할 때마다, 실시간 제어 항목은 필요한 시간마다, 공정 로그를 내부에 기록 보존하거나 외부에 출력 가능하도록 한다. 지시 항목은 작업자의 필요에 의하여 온도 설정, 배지 교환 시의 배지 투입량 등을 포함 시킬 수 있다. 기계적 조작 항목은 기계적으로 작동하는 조작을 나타내며, 배지교환 시의 펌프 동작, 밸브 개패 등을 들 수 있다. 실시간 제어 항목은 평상시 제어하는 환경적인 물성치를 나타내며, 조절온도 및 습도를 들 수 있다. 조절 및 기록공정을 일원화함으로써 일련의 자동공정이 실현 가능하다.

다양한 세포 배양 포맷에 대응 가능하도록 유연하게 분주기능을 설정할 수 있는 자동화 분주 플랫폼을 갖추는 것이 필요할 수 있다. 96웰 또는 384웰이 기반이 되는 멀티채널헤드에 의한 자동분주기는 많은 수의 분주처리를 동시에 행할 수 있으므로 high-throughput한 배양이 가능하여 소요되는 시간을 대폭 감소 가능하다. 6, 12, 4웰 플레이트 상에서의 배양할 경우에는 96웰 또는 384웰 보다 동시에 처리할 수 있는 샘플의 개수는 적지만 더욱 넓은 배양 면에서의 배양을 자동화할 수 있다. 필요에 의해서는 플레이트 상에서의 자동화 배양뿐만이 아니라 소형 플라스크를 이용한 high-throughput 배양도 가능하다.

2.2.5 세포 증식 모니터링

세포 배양의 자동화를 효율적으로 진행하기 위하여, 클린벤치 안에서의 작업에 적합한 소형, 경량 광학현미경을 사용함으로써 세포 관찰을 무균환경 내에서 행할 수 있어 오염 및 리스크를 감소시킬 수 있다. 이때 연구자의 손이 현미경의 초점조절 및 샘플링이 자유로운 위치에 위치할 수 있도록 한 인체공학적 설계를 바탕으로 하여 세포 처리 속도를 증대시킬 수 있도록 한다. 그리고 세포가 배양조건 외부에 위치하는 시간이 길어질수록 오염될 수 있는 확률이 늘어나고 세포 생리기능이 변화되어 스트레스를 유발시키며 샘플 간의 차이가 커질 수 있기 때문에 배양과 동시에 세포관측이 가능한 현미경을 구축하는 것이 요구된다.

세포 배양을 상세히 관측하는 것은 배양세포가 제대로 분화되고 있는지, 분석 단계로 나아갈 수 있는 준비가 되어있는지 등의 판단에 영향을 끼친다. 세포 증식을 엄밀히 모니터링하기 위해서는 배양액을 1~2일 주기로 관찰하는 것이 요구되는데 이때 세포 증식 속도가 저하되는 대수곡선에서의 포화단계를 넘어가지 않도록 주의하도록 해야 한다. 다시 말해서, 일반적으로 배양 중의 세포 밀도가 약 80% 정도 되었을 때가 계대 배양을 하기 위한 시점이 되는데 이러한 ‘약 80%’가 되었다는 판단은 연구자의 시각적 판단에 의해 평균적으로 이루어지는 경우가 많기 때문에 경우에 따라서는 계측밀도가 실제와 크게 차이가 날 수 있다. 이때 이러한 부착 또는 부유세포의 밀도측정을 자동화한다면 정밀하게 측정이 가능하며 표준화할 수가 있으며 이는 정확한 시각에 확실히 계대하는 것으로 이어지고 더욱 나아가서는 배양조건을 최적화 하기 위하여 필요 이상으로 세포 분리 및 계측을 되풀이하지 않아도 된다.

2.2.6 자동화 범위 확장

자동화 분주기를 탑재한 기기를 사용한 경우에도 충분히 세포 배양 자동화 기능을 수행할 수 있으나 더욱이 자동화된 주변 기기를 연결시킴으로써 그 기능을 보다 확장 시킬 수 있다. 예를 들어 CO2 인큐베이터를 접속하는 것에 의해 넓은 범위의 자동화 배양이 가능해지며, 생존 및 사멸세포 자동분석기를 접속함으로써 세포 수 및 세포 생존율을 자동으로 측정할 수 있는데 이는 생존 세포수를 일정하게 설정한 후에 계대하는 과정에서 유용하게 사용된다. 그 밖에도 플레이트 리더 및 세포이미징 등의 측정장치를 접속하는 것에 의해 다양한 해석방법으로의 배양세포의 모니터링 및 배양한 세포를 이용한 분석에 있어서의 데이터 취득을 자동화할 수 있다.

배양 제어 및 분석 자동화를 행하기 위한 프로그램 소프트웨어가 필요하다. 자세한 배양 설정 및 연산 기능을 이용한 설정이 가능하며, 하드웨어의 기능을 최대한으로 활용하여 사용자가 원하는 기능을 실현할 뿐만이 아니라, 프로그램 경험이 없는 사용자도 간단하게 이용 가능하도록 설계되는 것이 바람직하다. 특히 소프트웨어의 조작을 간편하게 하기 위해 한차례의 실험을 수행하기 위한 실험설계도를 작성하여 입력해두는 것만으로도 복수의 실험이 자동적으로 실행될 수 있도록 하는 것이 요구된다. 더 나아가서는 칼렌더뷰와 같은 프로그램과 연동하여 주, 월 단위의 장기간에 걸치는 배양실험도 자동적으로 스케쥴링하여, 수차례의 연속적인 계대배양 등이 가능하도록 할 수 있다. 이러한 시스템 작동 결과를 분석하여 세포의 증식에 미치는 영향을 정량적으로 분석 및 평가함으로써 궁극적으로 배양조절의 표준법 설정으로 이어질 수 있다.

2.3 세포 배양 자동화 장치

국내에서 출시되어 상품화 되고 있는 대표적인 세포 배양 자동화 장치 및 그 특징을 판매사 별로 간략히 정리하면 다음과 같다.

1) 레보틱스 [2]

순환 팬이 없는 방식의 CO2 인큐베이터로 구성되어 있으며, 순환 팬이 없으므로 진동을 최소화시킬 수 있어 세포에 부가되는 스트레스 요인을 최소화시키는 기능을 갖고 있다. 또한 6면 직접가열 시스템을 가지고 있으며 이음 부위가 없이 전체 모서리가 굴곡 처리되어 내부청소가 편리하다는 장점이 있다. 적외선 방식의 CO2 센서로 정밀하고 높은 농도를 유지시킨다.

2) 대일사이언스 [3]

inCu saFe 내부와 SafeCell UV 기술을 접목을 통한 오염방지가 가능하다. Direct Heat Air Jacket을 적용하여 정확하게 온도를 조절한다. 이중 적외선 센서 적용으로 정밀한 CO2 농도의 조절과 즉각적 농도 회복이 가능하며, 과산화수소 오염제거 시스템을 적용하였다. 도어를 좌우 겸용으로 사용 가능하도록 한 특징도 있다.

3) 비전과학 [4]

인공지능형 마이크로 CPU를 내장하여 초정밀 제어가 가능하다. 레보딕스 제품과 같이 전체 모서리를 굴곡 처리하여 오염방지와 세척이 용이하다. 정확한 테스트를 위한 CO2 센서를 가지고 있으며 셀프 테스트 기능 내장으로 우수한 성능을 유지할 수 있다. 이중 글래스 도어 사용으로 가스 소모를 최소화 시키는 것이 가능하며 온도 기록계를 내장하고 있어 결과치를 바로 확인 할 수 있다. USB를 통한 데이터 백업 및 업그레이드가 가능하다는 특징을 가지고 있다.

4) 영진코퍼레이션 [5]

180℃의 고온에서의 증기멸균을 통해 오염을 방지하는 기능을 가지고 있다. FPI infrared measuring system을 이용하여 정밀한 CO2 측정이 가능하기 때문에 안정적인 pH 제공이 가능하다. 습도가 높아도 응축이 일어나지 않으며 water-pan에는 내부 습기의 응축을 방지하는 시스템이 장착되어 배양기 내부를 건조한 상태로 유지할 수 있다.

5) 포사이언스 [6]

오염방지와 세척이 쉬운 라운드 코너를 적용하였다. 특수패킹을 사용하여 가스 누출 및 소모를 최대한 줄였으며 오버슈트와 언드슈트 없이 CO2 가스 농도 제어가 가능하다. CLO2 Gel과 강력한 자외선을 이용하여 공기 중의 부유물질 파괴 및 광촉매 작용으로 1시간에 박테리아, 곰팡이, 바이러스, 유해 물질 등 99.9% 안전한 살균이 가능하다.

6) 비전랩사이언스 [7]

Microprocessor P.I.D controller를 사용하여 온도 및 CO2 제어가 정확하며 사용이 간편하다. 온도 및 습도의 변화에 관계없이 정밀하게 조절되는 적외선 센서를 사용하여 가스농도를 정확하게 제어 할 수 있다. Water jacket 사용으로 온도 보존성을 높였으며 도어에 습기 제거 장치를 부착하였다. 자기 진단기능이 있어 기기 이상 유무를 판단하고 알려주며, 가스농도 수위경보, 과열방지 기능이 있어 실험의 안전성을 확보하고 있다.

3. 결론

세포 배양 자동화 기술은 자연과학 및 의약공학 등의 광범위한 분야에서의 기초 및 응용연구에서 고품질의 세포배양을 가능하도록 하는 핵심적인 기술이다. 성공적인 세포 배양 자동화 기술의 확립을 위하여 다양한 각도에서의 파라메터 설정이 필요하며 최신 배양 기술을 실시간으로 적용하는 것이 필요하다. 이를 바탕으로 재현성과 신뢰성이 높은 연구 결과를 확보 가능하며 간편하고 신속하게 연구를 진행 가능할 수 있게 됨이 기대된다.

4. 참고문헌

==> PDF 참조

 

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유정수, 정희진(2019). 세포 배양 자동화 기술 최신 동향. BRIC View 2019-T20. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3291 (Jul 30, 2019)
* 자료열람안내 본 내용은 BRIC에서 추가적인 검증과정을 거친 정보가 아님을 밝힙니다. 내용 중 잘못된 사실 전달 또는 오역 등이 있을 시 BRIC으로 연락(member@ibric.org) 바랍니다.
 
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