㈜토모큐브는 세포, 조직, 오가노이드와 같은 살아있는 생물 시료를 표지 없이 고해상도로 관찰할 수 있는 광학 이미징 솔루션을 공급하고 있습니다. ㈜토모큐브는 “홀로토모그래피 (Holotomography, HT)” 기술을 사용하여 형광 염색이나 세포 고정 없이 세포나 오가노이드의 세포와 소기관의 형태를 3차원 영상으로 획득할 수 있는 현미경과, 이 현미경을 통해 획득한 HT 영상을 편리하게 분석할 수 있는 소프트웨어를 제공하고 있습니다. 이를 통해 연구자들은 다양한 이미지 기반 데이터를 활용할 수 있습니다. 또한 영상 분석에 AI 기술을 접목하여 세포 소기관과 세포 내 미세 환경에 대한 역학 분석 기능을 제공함으로써 살아있는 세포를 관찰하는 모든 분야에 혁신을 일으키고자 합니다. 2017년 HT 영상과 3차원 형광 영상을 동시에 획득할 수 있는 HT-2H 제품 출시에 이어서, 2022년에는 LED를 광원으로 사용한 저간섭 HT-X1을 세계 최초로 출시하였습니다.
㈜토모큐브는 세계 최고 성능의 홀로토모그래피 제품을 지속적으로 개발하여 생명과학 및 의과학 분야에서 혁신적인 기술을 제공하는 기업입니다. 이를 통해 과학자들이 다양한 분야에서 새로운 발견을 할 수 있도록 지원하고 있습니다. “삶을 바라보는 방식을 혁신하라(Innovate the way we see life)”는 기업 철학을 바탕으로 지속적인 탐구와 진화를 추구하며, 이를 통해 질병의 이해, 진단 및 치료에 대한 기여를 하고 있습니다. 이러한 끊임없는 노력을 통해 과학자들이 다양한 발견을 할 수 있는 새로운 가능성을 열고 있습니다.
세포를 자세히 관찰하고 분석하는 것은 생명 현상을 이해하기 위한 연구 과정에서 필수적인 단계입니다. 이미징 기술의 발전으로 세포의 표면, 세포 소기관, 골격, 내부 구조의 형태와 이동까지 실시간으로 관찰할 수 있게 되면서, 연구자들은 다양한 생명 현상을 실시간으로 관찰하는 기술을 찾고 있습니다. 자연 상태의 세포와 세포의 내부를 관찰할 수 있는 솔루션인 HT는 3차원 정량위상 이미징 (Quantitative phase imaging, QPI) 기술의 하나로, 세포와 같은 투명한 시료의 3차원 굴절률 분포를 정확하게 측정하는 기술입니다. 병원에서 흔히 사용되는 X-ray CT(Computed tomography)가 X-ray를 이용하여 신체 내부의 X-ray 흡수도 분포를 측정하여 장기의 3차원 영상을 얻는 것과 유사한 원리로, HT는 가시광선을 사용하여 세포와 소기관의 굴절률 분포를 재구성한 3차원 영상을 획득합니다. 굴절률은 물질의 농도에 선형 비례하는 특징이 있기 때문에, HT를 통해 획득한 굴절률 값으로 세포의 농도 및 건질량(dry mass) 등의 물리적 정보를 도출할 수 있습니다.
특히 2022년에 출시된 HT-X1은 LED를 광원으로 사용하여 보다 깨끗한 3차원 영상을 획득할 수 있으며, 자연광과 유사한 수준의 낮은 광량으로 세포에 해를 끼치지 않고 고해상도 영상을 획득할 수 있습니다. 사용자 친화적인 인터페이스(UX/UI)를 갖추고 있으며, 복잡한 사전 조정 단계 없이 156 nm의 높은 측면해상도를 갖는 영상을 얻을 수 있습니다. 내부에 기본 장착된 세포 배양기를 이용하여 안정적으로 장기간 세포를 배양하며 관찰할 수 있습니다. 무엇보다도 다양한 상용 multi-well plate를 호환하여 사용할 수 있으며 96 well plate를 활용한 high-throughput 실험이 가능합니다.
그림 1. X-ray CT와 홀로토모그래피(HT) 기술의 비교
HT-X1  |
저간섭 광원을 사용하는 최초의 홀로토모그래피 제품으로 고해상도, 높은 대비의 이미징이 가능하며 레이저를 통한 자동 초점 기능을 이용한 안정적인 넓은 영역 이미징과 multi-well plate 이미징을 제공합니다. - 고정이나 염색이 필요 없는 실시간 세포 이미징 - 높은 처리량, 빠른 이미징으로 약물 스크리닝 실험 - 장기간 안정적인 모니터링을 통한 분화 과정 관찰 - 오가노이드 연구를 위한 고해상도 3D 이미징 - HT와 함께 획득 가능한 3차원 형광 이미징(4채널)을 통한 연구의 확장 |
TomoAnalysis  |
HT로 획득한 영상을 분석하는 3D 이미지 시각화 및 분석 소프트웨어입니다. 세포와 세포 내 구조를 분석할 수 있으며, 사용자의 요구에 맞게 유연하게 구성할 수 있는 모듈 기반의 소프트웨어입니다. - 효과적인 3D 이미지 시각화 기능 - 사용자 맞춤형 분석 파이프라인 - 멀티 모달리티를 이용한 분석 - 자동화된 배치 분석 - 정량 분석 결과 제공 |
HT-Ready 96 Well Plate  |
HT-X1 시스템으로 HCS (High-Contents Screening) 실험을 하기 위해 설계된 96 well 이미징 플레이트입니다. 안정적인 배양 환경을 제공하며 정교한 내부 well과 바닥의 평탄도를 보장합니다. 염색 및 고정을 위한 용매에 내성이 있고 자가 형광이 없는 바닥의 유리는 깨끗한 이미지를 제공할 수 있기 때문에 여러가지 도립 현미경에 사용하기 위해 최적화되었습니다. - 세포 배양: 부착 세포, 부유 세포 및 오가노이드 - HCS 및 고해상도 현미경 - 실시간 라이브 셀 이미징 - 면역 형광 염색 |
염색이나 고정 등 전 처리 과정이 필요 없는 HT의 가장 큰 장점은 살아있는 세포의 성장, 변화, 운동의 현상을 관찰할 수 있다는 것입니다. 낮은 광량의 가시광선을 광원으로 사용하기 때문에 살아있는 세포에 자극을 주지 않고 장기간 관찰이 가능합니다. 세포 소기관의 밀도와 3차원 형태 차이는 HT 영상에서 이들을 서로 구별할 수 있게 하며, 획득된 세포 소기관의 굴절률과 위치 정보를 조합하여 소기관의 농도와 건질량, 부피, 표면적과 같은 정량적인 정보를 알아낼 수 있습니다. HT로 구별이 가능한 대표적인 세포 소기관은 핵(Nucleus), 핵인(Nucleolus), 미토콘드리아(Mitochondria), 세포막(Cell membrane), 지방 방울(Lipid droplet) 입니다. 또한 HT의 빠른 이미지 획득 속도는 세포의 타임랩스 영상을 찍는 데 용이하기 때문에 염색 없이 세포 분열 과정, 지방 세포의 성숙 과정, 미토콘드리아의 분열과 융합 과정을 관찰할 수 있습니다. 영상 데이터에 그치지 않고 분석 소프트웨어를 통하여 굴절률과 형태 정보를 이용하여 원하는 부분을 분할할 수 있습니다. 또한 분할 된 부분의 정량적 정보를 얻을 수 있기 때문에 생명 현상을 수치적으로 나타낼 수 있습니다. 이러한 정량 분석 결과는 데이터의 신뢰성을 높여줄 수 있습니다.
그림 2. 간암 세포의 홀로토모그래피 이미지와 세포 소기관
박테리아의 형태 변화를 현미경으로 관찰하고 정량적인 수치를 분석하는 것은 기초 연구를 비롯하여 진단 검사에서도 중요한 역할을 합니다. 1 – 5 µm 정도의 작고 투명한 미생물을 관찰하기 위해서는 고해상도의 장비가 필요하며, 특히 브라운 운동(Brownian motion)이나 미생물 자체의 운동성으로 인해 일반 명시야(bright-field) 현미경으로는 관찰에 어려움이 있습니다. 하지만 고해상도와 빠른 획득 속도를 제공하는 HT-X을 이용하면액체배지 안에서 부유하거나 빠르게 변화하는 박테리아의 3차원 형태를 수월하게 관찰할 수 있습니다. 특히 형광을 이용한 염색법이 개발되지 않은 미생물 종은 염색이 필요하지 않은 HT 기술을 이용하면 전처리 방법에 구애받지 않고 다양한 생물종을 관찰할 수 있습니다.
또한 미생물의 활동을 3차원으로 관찰함과 동시에, 분석 소프트웨어를 사용하여 특정 영역 내 박테리아의 농도를 계수할 수 있어서, 기존의 여러 샘플에 대해 몇 분 내에 정확한 CFU (colony-forming units)를 얻을 수 있습니다. 그 외에도 HT 영상의 굴절률 분포를 계산하여 개별 세포질의 농도와 질량을 측정하거나, 미생물 내부에 축적되는 지질이나 미세플라스틱 등 높은 굴절률을 갖는 물질의 농도를 측정할 수 있습니다. 이러한 기능을 활용하여 미생물에 약을 처리하였을 때 나타나는 변화를 개체의 개수 증감과 함께 부피, 면적, 길이, 농도, 굴절률, 질량과 같은 다양한 정량적인 수치를 분석하여 규명할 수 있습니다.
2021년에 PNAS에는 HT를 이용하여 미생물 내부에 특정 물질(PHA, polyhydroxyalkanoate)이 합성되는 과정과 기전을 밝힌 연구가 보고되었습니다. 박테리아에 추가적인 염색이나 세포 고정 과정이 필요 없고, 배양과 동시에 빠른 이미징이 가능한 HT-X1을 이용하여 빠르고 정확하게 박테리아를 이미징 할 수 있으며 높은 정확도의 정량 정보를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 다양한 미생물학 연구와 진단에 응용할 수 있습니다.
그림 3. Depth color-coding으로 표현한 label-free Euplotes와 Choanoflagellates
오가노이드를 신약 개발 과정에 응용하려는 시도는 꾸준히 이어지고 있지만 복잡하고 입체적인 구조를 가진 오가노이드를 이해하기 위해서는 3차원 이미징과 같은 현미경 기술의 발전이 뒷받침되어야 합니다. HT-X1 시스템을 이용하면 하이드로 젤 내의 살아있는 오가노이드를 150 µm 두께까지 고해상도로 관찰할 수 있기 때문에 오가노이드를 관찰하기에 최적의 장비입니다. 156 nm의 높은 측면 해상도는 폐 오가노이드 내부의 섬모(Cilia), 기저막(Basement membrane), 점액(Mucus)을 관찰 가능하게 하며 핵과 미토콘드리아와 같은 세포 소기관도 구별이 가능합니다.
오가노이드 영상 역시 분석 소프트웨어를 통하여 분석이 가능하며, 이를 통해 오가노이드의 부피, 단백질 농도, 질량 정보를 정량적으로 분석할 수 있습니다. 또한 HT-X1의 안정적인 배양 환경과 독성이 없는 광학계는 오가노이드에 안정적인 배양 환경을 제공하며 장기간 모니터링에 이용할 수 있기에 오가노이드의 분화, 발달 과정의 관찰과 같이 배양 기간이 긴 실험에도 적용할 수 있습니다. 특히 소장 오가노이드에 항암제인 시스플라틴(Cisplatin)을 처리한 2023년 bioRxiv의 연구 결과를 통해서 약물 처리에 의한 오가노이드의 정량 분석이 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 이런 장점으로 인해 오가노이드 분야에서 HT 기술이 빠르게 적용되고 있으며 HT-X1 시스템을 오가노이드를 이용한 약물 스크리닝에 이용할 수 있음을 시사합니다.
미생물과 인간의 신체에 대한 상호작용을 연구하기 위해 줄기세포에서 유래한 소장 오가노이드와 박테리아의 공배양 모델이 개발되었습니다. 이 공배양 방법은 미생물이 인체에 미치는 영향을 연구하기에 매우 유용합니다. 특히, HT를 이용하면 복잡한 구조의 소장 오가노이드에서 미생물의 위치와 형태, 군집을 높은 해상도로 이미징 할 수 있으며, 오가노이드의 상태를 함께 관찰할 수 있습니다. 오가노이드는 세포의 밀도가 높고 하이드로젤 안에 배양하는 경우가 많아 형광 염색이 어려운 경우가 많습니다. 하지만 HT는 염색 없이도 오가노이드의 3차원 형태와 구조, 미생물과의 상호작용을 동시에 관찰할 수 있어, 공배양 모델 관찰에 적용할 수 있는 가장 적합한 이미징 방법입니다.
그림 4. 폐 오가노이드와 내부 구조
액체-액체 상 분리 현상(LLPS, Liquid-Liquid Phase Separation)은 세포 내부의 단백질에서도 나타나며, 세포 내 구조 형성, 세포 소기관 형성, 유전자 발현 조절에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 세포 내부에서 빠르게 일어나는 단백질 응집체의 실시간 위치와 농도 분석 연구에는 기존에는 형광 기반의 이미징 기술이 사용되어 왔습니다. 하지만 형광 신호를 이용할 때 생기는 신호 표준화의 문제와 지속적인 bleaching 현상은 단백질 응집체의 정량 분석을 어렵게 만듭니다. HT-X1의 correlative 형광 이미징 기능을 이용하면 형광을 이용한 분자 표지 기능과 HT를 이용한 굴절률 기반 정량 분석을 동시에 얻을 수 있습니다. 2021년 Advanced Material에 발표된 연구 결과를 통해, HT로 측정한 단백질 농도 계산 값이 실제 농도의 예측 값과 상당히 유사하다는 것을 확인할 수 있습니다. 막이 없어 빠르게 변화하는 단백질 응집체를 관찰할 수 있고, 표지된 부분의 농도와 질량을 분석할 수 있는 HT-X1 시스템은 LLPS 연구에 필수적인 도구입니다.
그림 5. Phase separation in fibroblast
| 회사명 | ㈜토모큐브, Tomocube, Inc. |
| 설립일 | 2015년 8월 24일 |
| 대표이사 | 박용근, 홍기현 |
| 본사 소재지 | 대전광역시 유성구 신성로 155, 4층 토모큐브 |
| 홈페이지 | http://www.tomocube.com |
| 대표 메일 | info@tomocube.com |
| 사업분야 | 바이오 장비 및 기기산업, 바이오 의료기기산업 |
