세포 생물학 연구의 진전

Basler ace USB 3.0 카메라 및 Basler pylon 카메라 소프트웨어

독일 숀가우에 위치한 Dartsch Scientific GmbH, 세포생물학 테스트시스템은 바이오테크놀로지 연구 및 개발하는 기관이다. 바슬러의 ace USB 3.0 카메라 및 pylon 카메라 소프트웨어를 사용하고 있는 Dartsch Scientific GmbH에서 어떻게 카메라와 소프트웨어를 활용하고 있는지 알아본다.

위상차 현미경의 장점
현미경 검사는 세포 생물학 연구에서 시각적 세포 검사를 가능케 하 는 중요한 기술이다.
특히 위상차 현미경 검사를 이용하면 일반적인 광학 현미경의 브라이트 필드 방식(bright field method)으로는 인식이 아주 어렵거나 불가능한 염색되지 않은 표본이나 조직에 서 가장 작은 조직까지 식별할 수 있다. 위상차 현미경 검사 방식은 광파의 진폭 변화뿐 아니라 광파가 통과하는 매질의 굴절률에 따른 위상 변화까지도 활용한다.
이로 인해 낮은 고유 컨트래스트를 갖고 있는 세포 조직까지 관찰할 수 있다. 위상차 현미경 검 사 방식의 가장 큰 장점은 재래식 대조 방법(contrast method)과 달리 인위적인 세포 염색이 필요하지 않다는 점이다. 대부분의 경우 염색을 하면 세포가 죽기 때문에 세포 염색이 필요하지 않다는 것은 매우 큰 장점이다.

Dartsch Scientific에서 필요한 카메라

숀가우의 Upper Bavarian 타운에 위치한 세포 생물학 테스트 시스템 연구 기관인 Dartsch Scientific은 특히 테스트와 이미징을 위한 새로운 절차 확립을 위해 이 방식을 이용한다. Dartsch Scientific GmbH의 Managing Director인 Peter Dartsch 교수는 현미경 검사에서 과학적 연구 자료 수집을 위해 움직이는 이미지를 선명하게 보여 줄 수 있는 카메라 솔루션을 찾고 있었다.
문제는 상기도에서 상피세포의 섬모 활동(cilium activity)과 같은 급속 세포 프로세스(rapid cell processes)에 대한 현미경 검사 연구, 그리고 세포 활동의 지속적인 저속 촬영 녹화라는 두 가지 목표 에 적합한 카메라를 찾는 것이다. 현미경 검사 연구에는 최소 100fps의 카메라 녹화 속도가 필요했다. 또한 지속적인 녹화를 위해 뛰어난 이미지 품질이 필요하지만 분석할 데이터의 양이 관리할 수 있는 수준이어야 한다.

솔루션 및 장점
Dartsch Scientific은 Basler 세일즈 파트너인 Rauscher GmbH에게 적당한 카메라를 찾아달라고 의뢰했다. Rauscher는 급속 세포 프로세스(rapid cell processes)의 현미경 검사를 위한 솔루션을 바로 제안할 수 있었는데, 바로 바슬러의 ace 모델 acA640-120um을 사용하는 것이었다.
 이 카메라는 매력적인 가격과 29×29㎜의 작은 크기로 고객에게 어필했다. 하지만 결정적인 요소는 카메라의 USB 3.0 인터페이스와 100fps 이상의 프레임 속도였다.
USB 3.0 인터페이스를 이용하면 하드웨어를 추가하지 않고도 컴퓨터에 카메라를 직접 연결할 수 있다. 모노크롬 이미지 역 시 Dartsch 교수의 연구 목적에 꼭 들어맞았다. Dartsch 교수는 Basler ace 카메라를 선택한 이유를 설명하면서 비 점막에서 새로 박리한 상피세포의 섬모 운동을 녹화할 때 섬모의 운동 주파수(대략 초당 10회)를 파악하기 위한 개별 이미지가 필요하며 이를 위해 최소 100fps의 카메라가 필요했다는 점을 지적했다. 이와 동시에 데이터 양이 관리할 수 있는 수준이어야 하는데, 그렇지 않을 경우 몇 번의 검사만으로 하드 드라이브 용량이 금방 부족해질 수도 있다고 설명했다.
Dartsch Scientific은 이를 위한 이상적인 카메라를 바로 찾아낼 수 있었고 그것이 바로 바슬러의 acA640- 120um이었다. 659×494 픽셀 해상도의 모노크롬 카메라와 강력한 확대용 기본 렌즈를 사용하면 개별 섬모를 충분히 관찰할 수 있기 때문이다.
다음으로 필요한 것은 120fps의 높은 이미지 주파수인데 이는 나중에 컴퓨터에서 운동 주파수를 계산할 때 작업을 훨씬 간단하게 만들어 준다.
카메라를 선택하는 기준의 두 번째, 카메라는 위상차 현미경 검사 방식으로 세포의 움직임을 며칠에 걸쳐 연속으로 저속 촬영해 녹화하는 데 적합해야 한다. Dartsch Scientific은 현미경의 모든 렌즈와 어떤 용도로든 사용할 수 있는 바슬러 ace acA1600-20uc를 선택했다. 최고의 선택을 위해 세 가지 Basler ace 모델을 테스트했다. 균형 잡힌 사실적 이미지를 제공하는 컬러 카메라 acA1600-20uc의 장점은 선택에 결정적인 영향을 끼쳤다.
뛰어난 이미지 품질과 1440×1080 픽셀의 크기는 가장 작은 부분까지도 구분이 가능했기 때문이다. 이러한 특징을 가진 이 카메라는 저속 촬영 녹화에 거의 완벽한 제품이다.
그리고 모든 Basler ace 카메라와 마찬가지로 사용이 간편하고 가격도 저렴하다. 나중에 검토하기 위한 녹화 데이터의 양 또한 관리할 수 있는 수준이다.
장시간에 걸친 세포의 움직임을 연구하기 위해 고객은 며칠에 걸쳐 75초 간격으로 세포 이미지를 녹화한 뒤, 무료로 제공되는 Basler pylon 소프트웨어(버전 4.2.1)와 pylon Viewer를 사용해 필요한 이미지를 선택했다. pylon Viewer는 개별 이미지 또는 시간과 관련된 다양한 녹화 옵션도 제공한다.
역학 조사는 전적으로 마이크로 디쉬(높이 35㎜, 높은 광학 품질 의 플라스틱 소재로 제작)와 뮌헨 소재 ibidi GmbH의 인큐베이션 시스템을 사용해 수행됐다. 적절한 카메라 설정 및 제어에는 pylon Viewer를 사용했다. 이로 인해 필요한 이미지 선택과 후속 검토 작업이 매우 간편해졌다.
Dartsch 교수는 “연구 시작에 필요한 모든 기능을 제공하는 ‘초보 모드’에서는 약간의 기초 지식만 있으면 누구든 탁월한 결과를 신속히 얻을 수 있다. 원한다면 고급 모드에서 많은 설정 을 변경할 수 있다. 소프트웨어는 USB 3.0 포트에 연결된 모든 Basler ace 카메라를 바로 인식하고 즉시 이미지 최적화를 시작할 수 있다.”고 카메라의 쉬운 조작법을 설명 했다.

Dartsch Scientific의 실제 활용 사례

<사진 3>에서 각각의 이미지 A~D는 75초 간격으로 이미지를 녹화한 저속 촬영 비디오에서의 120분간에 걸친 변화를 보여 준다. 이미지에서 분열 중인 세포들의 다양한 유사분열 단계도 매우 잘 파악할 수 있다. 위상차 현미경 검사 방식, Olympus IX 50 도립현미경, 그리고 Plan Achromat 20×렌즈와 Basler acA2500-14um을 사용하여 관찰 되었다.
<사진 4>은 결합조직세포 도포 후 16시간 동안의 대량 배양에 따른 역동적인 전개 상황을 관찰한 것이다.
(A)와 (B)는 각각 세포 도포 후 1시간과 4시간 후 의 상태이며 아직 둥근 형태의 세포가 많고 약간의 세포만 부착 및 분산되어 있다. (C)와 (D)는 도포 후 8시간과 16시간 뒤 의 상태를 보여준다. 세포가 확장되었으며 약간의 둥근 세포 들이 이미 일차 유사분열을 보이고 있다. 위상차 현미경 검사 방식, Olympus IX 50 도립현미경, 그리고 Plan Achromat 10x 렌즈와 Basler acA1600-20uc를 사용해 촬영된 이미지이다.

자료제공 | Basler(www.baslerweb.com)

현미경용 Basler PowerPack
현미경 애플리케이션을 위한 맞춤형 올라운드 카메라 패키지

현미경 애플리케이션에 따라 이미지를 구현하는 시스템의 요구 사항은 매우 달라진다. 현미경용 Basler PowerPack에는 이러한 요구 사항을 만족시키기 위한 최신 기술 및 비용 대비 가장 효과적인 카메라들이 포함된다. 바슬러의 최첨단 CMOS 센서들은 120만 픽셀부터 500만 픽셀까지의 해상도를 가진 최고의 이미지 품질을 제공한다. 움직이는 물체를 포착해야 하든 실시간 시각화가 필요하든 초당 최대 82개의 이미지까지 완벽하고 신뢰할 수 있는 화상 처리를 지원한다. 또한, 디지털 산업용 카메라를 선택함으로써 컬러 재현 및 충실도가 탁월하고, 소재 또는 생물학적 표본의 아주 섬세한 구조까지 높은 동적 범위에 걸쳐 재현 가능하고 자세한 관찰, 구분 및 분석이 가능하다.
현미경용 Basler PowerPack에는 카메라 제어, 이미지 수집, 처리 및 분석을 위한 전문적인 Basler Microscopy Software가 포함되어 있다. 카메라 및 소프트웨어는 신뢰할 수 있는 성능 보장을 위해 손쉬운 설치, 직관적인 사용자 인터페이스, 그리고 교육 및 정기 조사 및 산업용 설정에서의 모니터링, 문서 작성 및 파일 보관을 위한 모든 특징 및 기능을 위한 종합적인 지원 도구를 제공한다.
CMOS 센서는 비용 대비 효과적일 뿐 아니라 작고 다재다능하여 앞으로는 지속적인 발전과 괄목할 만한 성능 개선으로 인해 현미경에서 CMOS 센서가 중요한 역할을 차지하게 될 것이다. 

자료제공 | Basler(www.baslerweb.com)