Nature는 공간 전사체 기술을 2020년 올해의 기술(Method of the Year in 2020)로 선정했습니다. 건강을 결정하는 복잡한 유전적 관계를 이해하는 데 중요한 기여를 하는 기술로 인정한 것입니다. 현재, 공간 전사체 기술은 다양한 질병에 대한 이해를 높이는 데 지속적으로 도움을 주고 있습니다. 특히, 암 연구 분야에서 매우 유용하게 활용되어 왔습니다. 연구자들은 이 기술을 활용하여 암 발생 기전과 특정 치료법이 종양 세포의 유전자 발현에 영향을 주는 방식을 이해할 수 있었습니다.

이 기술의 핵심은 조직 샘플에서 유전자 발현 패턴을 시각화하는 형광 스캔입니다. 그러나 현재 형광 현미경 검사는 현미경 시스템의 광학 성능, 처리량, 복잡성 때문에 제약을 받고 있습니다. 전 세계의 핵심 현미경 시설은 현재와 미래의 연구자들이 가진 요구 사항과 보조를 맞추기 위해 자동화 및 처리량을 향상시키고 기기를 단순화하여 이미지 품질을 저해하지 않으면서 분석 효율성을 높이고자 합니다.

Evident는 최근 EMBL Rome에서 현미경 검사 부문 책임자로 일하는 Alvaro Crevenna 박사와 공간 전사체 분야에서 개발된 새로운 방법에 대한 인터뷰를 가졌습니다. Crevenna 박사가 Evident의 SLIDEVIEW™ VS200 연구 슬라이드 스캐너가 어떻게 현재의 형광 스캔 기능을 확장하는 동시에 기술 발전과 처리량 향상을 위해 핵심적인 역할을 수행했는지 설명합니다.

대량의 조직 샘플 처리

“이곳에서 이미징 요구 사항의 핵심은 조직 이미징입니다.” — Alvaro Crevenna 박사, EMBL Rome 현미경 검사 부문 책임자

EMBL Rome의 현미경 검사 부문 책임자인 Alvaro Crevenna 박사는 작업자들의 샘플 이미징을 지원하는 시설을 이끌고 있습니다. 이 시설은 후생유전학과 신경과학이라는 두 가지 연구 주제에 집중합니다. 두 가지 연구 모두 생쥐를 사용합니다. 조직 이미징은 이 시설에 반드시 필요한 기술이며, 고정 조직이 샘플의 99%를 차지합니다. Alvaro가 2019에 합류했을 때, 이 시설에는 세 대의 기기가 있었지만 그중 조직 이미징에 맞는 것은 하나도 없었습니다. 따라서 연구자들은 샘플 처리에 과도한 시간을 사용하고 있었습니다.

특히 신경생물학 연구자들이 많은 시간을 투자해야 했습니다. 신경과학 연구에서는 뇌의 작용을 이해하려면 뉴런의 활동을 시각화하는 것이 필수적입니다. 연구원들은 일련의 행동과 작업 수행 중의 신경 활동을 모니터링하고 기록하기 위해 미니 스코프나 2광자 스코프를 사용하는 경우가 많습니다. 실험 후 진행해야 하는 첫 단계는 뇌의 절편을 만들어 바이러스가 제대로 주입되었는지 확인하는 것입니다. 그러나 연구자들이 이미징이 필요한 영역을 수작업으로 찾고 후속 고해상도 스캔을 위해 관심영역(ROI)을 선택하는 데 긴 시간이 소요되었습니다.

따라서 ROI를 찾는 더 효율적이고 정확한 방법과 대용량 조직 샘플을 처리하도록 설계된 시스템이 필요했습니다.

조직 이미징 자동화의 필요성

Alvaro 박사는 현미경 검사 시설을 위한 최적의 슬라이드 이미징 시스템을 찾기 위해 여러 장비를 사용해 보고 고민했습니다. 그중에는 Evident의 VS200 연구용 슬라이드 스캐너도 있었습니다.

EMBL Rome의 VS200 연구용 슬라이드 스캐너.

놀라운 유연성을 통해 개요 생성과 형광 스캔을 동시에 지원하는 VS200 스캐너가 선택되었습니다. 또한, 소프트웨어의 AI 지원 조직 감지 알고리즘 덕분에 조직 스캔과 ROI 감지 작업이 간소화되어 시간과 노력을 절약할 수 있었습니다. Alvaro 박사가 말한 대로, 이러한 두 가지 장점이 EMBL 현미경 검사 시설의 결정에 영향을 준 주요 요인이었습니다.

“Evident의 VS200 연구 슬라이드 스캐너가 제공하는 정말 멋진 기능 중 하나는 형광으로 개요 이미지를 얻을 수 있다는 것입니다.” — Alvaro Crevenna 박사, EMBL Rome 현미경 검사 부문 책임자

VS200 스캐너는 자동 이미지 처리 기능을 제공할 뿐만 아니라 다수의 유사 모델보다 더 높은 슬라이드 처리 용량과 처리량을 제공합니다. Alvaro는 연구자들이 이제 하룻밤 사이 프로세스를 실행하여 10배 더 많은 작업을 수행할 수 있다는 것을 알 수 있었습니다. 이를 통해 업무일 중 수작업으로 슬라이드를 처리하는 데 소요되는 여러 시간을 절약할 수 있습니다. VS200 스캐너는 또한 탁월한 이미지 품질과 광학 성능을 보여주었으며, 사용하기가 매우 쉽습니다. Alvaro는 이렇게 말합니다. “사람들은 보통 40분 정도 교육을 받으면 혼자서 작업할 준비가 됩니다.” 이러한 지적은 모든 숙련도의 사용자가 빠른 시간 내에 시스템 사용에 자신감을 갖게 되어 장비 활용도가 높아지고 이미징 시설의 교육 부담이 줄어든다는 의미이므로 중요한 지적입니다.

이러한 기능은 Alvaro가 공간 전사체를 위한 제자리 염기서열분석 구현을 포함한 혁신 기술 개발을 진행 중인 EMBL에서의 연구에 반드시 필요합니다. VS200 스캐너는 미래에도 EMBL의 연구에 필수적인 도구가 될 것입니다. 또한, EMBL이 쉽고 효율적으로 목표를 달성하도록 지원할 것입니다.

공간 전사체 분야의 경계 확장

공간 전사체 기술은 한 곳에서 유전자 발현 패턴의 시각화를 가능하게 하여 조직 내 세포 다양성과 구성에 관한 유용한 정보를 제공하는 강력한 기술입니다. 그러나 관찰 대상 채널 수로 인해 이 기술로 단일 조직 세그먼트에서 더 많은 수의 유전자를 연구하지 못하는 경우가 발생합니다.

EMBL Rome에서 일하는 Alvaro 박사의 팀은 특히 신경과학 및 후생유전학 연구에서 공간 전사체 기술의 역량을 높여야 할 필요성을 느꼈습니다. 이를 위해 EMBL Rome은 시각화 가능한 파장의 수를 확장하고 효율적인 데이터 처리를 위한 자동 분석 파이프라인을 개발하고자 합니다.

3개의 별도 형광 채널(DAPI, Cy3 및 Cy5)을 사용한 공간 전사체 방법을 통해 생쥐 뇌 관상 절편 안에 RNA 분자가 존재하는 것으로 확인되었습니다.

기존에는 현미경으로 약 다섯 가지의 파장만 시각화 가능했습니다. 멀티플렉싱 역량과 복합 관찰 방법을 제공하는 VS200 스캐너는 안정적으로 시각화 가능한 파장의 수를 확장하는 최고급 기기입니다. 이 스캐너를 통해 연구자는 조직 내 더 많은 유전자의 활동을 관찰하여 이미징 주기의 수를 줄이고 결과의 품질과 정확도를 높일 수 있습니다.

Alvaro 박사는 Evident와의 협력을 통해 채널 수를 더 확장할 수 있는 멀티플렉싱의 잠재력을 모색할 계획입니다. 현재, 이들은 최대 11개의 채널을 시각화하여 조직 내 유전자 발현 패턴에 대해 더욱 상세한 정보를 제공하는 시스템을 설계했습니다. 협력이 계속됨에 따라 이러한 채널 수는 증가할 것으로 보입니다.

다른 사람들도 이 연구를 활용할 수 있도록 EMBL은 또한 자동 분석 파이프라인을 개발하고 있습니다. 이 파이프라인은 데이터 처리를 간소화하여 연구자가 결과를 빠르고 효율적으로 분석할 수 있도록 지원합니다. 이뿐만 아니라, Alvaro 박사는 데이터 품질을 더욱 높이기 위해 기본 컴퓨팅 초고해상도 체계 확립에 관해 연구하고 있습니다.

“우리는 다른 사람들도 활용할 수 있는 방식으로 연구를 수행해야 한다고 생각합니다. 그래서 이러한 유형의 연구를 수행하는 누구나가 활용할 수 있도록 Evident와 스펙트럼 언믹싱을 위한 새로운 알고리즘을 구현하는 방법을 이미 논의 중입니다.”

EMBL Rome은 멀티플렉싱 및 자동 분석 파이프라인을 통해 공간 전사체 기술의 경계를 확장함으로써 신경과학과 후생유전학 분야를 발전시키고 있습니다. 또한 조직 내 유전자 발현 패턴에 대한 심층적 인사이트를 얻는 데 필요한 도구를 연구자들에게 제공하고 있습니다.

미래에 대한 비전

EMBL Rome은 향후 VS200 스캐너 사용 방식에 대한 분명한 비전을 갖고 있습니다. 이 스캐너는 공간 전사체 서비스 플랫폼 개발에 있어 중심적 역할을 수행할 것입니다. EMBL Rome은 단일 샘플을 자동화하는 대신 샘플 준비 프로세스를 병렬화할 계획입니다. 이를 통해 VS200 스캐너의 슬라이드 처리량을 높일 수 있습니다. 그리고 EMBL Rome은 높은 수준의 정확도와 정밀도를 유지하면서 실험 효율성을 향상시킬 수 있을 것입니다. EMBL Rome은 이러한 방식으로 VS200 스캐너를 사용하여 전 세계 연구자들에게 고품질 공간 전사체 데이터를 제공할 수 있는 플랫폼을 구축한다는 목표를 달성할 수 있기를 희망하고 있습니다.