DRUG DISCOVERY · CELL PAINTING · TRANSCRIPTOMICS

세포의 형태와 유전자 발현을 함께 분석하면 무엇을 알 수 있을까요?

Cell Painting과 DRUG-seq를 결합한 차세대 신약개발 스크리닝

신약 후보물질을 평가할 때 세포 생존율이나 특정 단백질의 활성만 측정하면 화합물이 세포에 미치는 복잡한 영향을 충분히 파악하기 어려울 수 있습니다.

최근 신약개발에서는 세포의 형태학적 변화와 유전자 발현 변화를 함께 분석하는 Multiparametric Profiling 접근법이 활용되고 있습니다.

대표적인 기술이 Cell Painting과 DRUG-seq입니다.

1. 단일 분석 지표의 한계

기존의 세포 기반 스크리닝에서는 ATP 기반 생존율, 특정 효소 활성 또는 Reporter Gene Signal과 같은 하나의 주요 지표를 측정하는 경우가 많습니다.

이러한 분석은 특정 연구 질문에 효과적이지만 다음과 같은 정보를 모두 제공하지는 않습니다.

• 화합물이 어떤 세포 내 구조에 영향을 미치는가?
• 미토콘드리아 또는 세포골격에 변화가 발생하는가?
• 어떤 유전자 발현 경로가 변화하는가?
• 표적 외 작용(Off-target Effect)이 나타나는가?
• 세포 생존율이 감소하기 전에 독성 관련 변화가 발생하는가?

따라서 서로 다른 생물학적 정보를 제공하는 분석법을 함께 사용하는 전략을 고려할 수 있습니다.

2. Cell Painting이란?

Cell Painting은 여러 형광 염색 시약을 이용해 세포 내부 구조를 시각화하고, High-Content Imaging으로 세포의 형태학적 특징을 정량 분석하는 기술입니다.

대표적인 Cell Painting 프로토콜에서는 6종의 형광 염색 시약을 사용해 5개 Imaging Channel에서 여러 세포 구조를 관찰합니다.

주요 관찰 대상

• Nucleus 및 DNA
• Nucleoli 및 Cytoplasmic RNA
• Mitochondria
• Endoplasmic Reticulum
• Golgi Apparatus
• Actin Cytoskeleton
• Plasma Membrane

획득한 이미지는 Image Analysis Software를 이용해 세포 크기, 형태, 형광 강도, Texture 및 세포 내 구조의 분포 등 다양한 특징으로 변환됩니다.

이러한 특징을 종합하면 각 처리 조건에 대한 Morphological Profile을 생성할 수 있습니다.

Cell Painting의 활용

서로 다른 화합물이 유사한 형태학적 변화를 유도한다면 공통된 생물학적 반응이나 작용기전의 가능성을 탐색할 수 있습니다.

또한 CRISPR 또는 RNAi를 이용한 유전자 교란 실험과 결합하여 특정 유전자의 기능을 연구할 수 있습니다.

다만 유사한 형태학적 Profile이 반드시 동일한 분자 표적이나 작용기전을 의미하지는 않습니다.

3. DRUG-seq란?

DRUG-seq는 많은 수의 약물 처리 조건이나 유전자 교란 조건에서 유전자 발현 변화를 효율적으로 분석하기 위한 High-Throughput Transcriptomics 기술입니다.

Alithea Genomics의 MERCURIUS DRUG-seq 기술은 Plate 기반의 RNA-seq Workflow를 사용합니다.

세포를 각 Well에서 처리한 후 RNA 추출 단계를 생략할 수 있는 방식으로 세포 용해액을 준비하고, 초기 단계에서 Sample Barcode를 부여합니다.

이후 여러 샘플을 Pooling하여 Sequencing Library를 제작합니다.

기본 Workflow

1. 세포 배양 및 화합물 처리
2. Cell Lysis
3. Reverse Transcription 및 Sample Barcoding
4. Sample Pooling
5. Library Preparation
6. Next-Generation Sequencing
7. Differential Gene Expression 및 Pathway Analysis

이러한 방식은 많은 실험 조건에서 Transcriptomic Profile을 비교하는 데 활용할 수 있습니다.

분석 결과를 통해 세포 스트레스 반응, 염증 관련 유전자, 대사 경로 및 약물 작용기전과 관련된 유전자 발현 변화를 탐색할 수 있습니다.

DRUG-seq는 일반적으로 Well 단위의 Bulk Transcriptomic Readout을 제공하므로 Single-Cell RNA-seq와 구분해야 합니다.

MERCURIUS DRUG-seq 기술 정보 확인 →

4. Cell Painting과 DRUG-seq를 함께 사용하는 이유

두 기술은 서로 다른 수준의 생물학적 정보를 제공합니다.

예를 들어 특정 화합물이 미토콘드리아의 형태를 변화시켰다면 Cell Painting으로 해당 Phenotype을 확인할 수 있습니다.

동일하거나 비교 가능한 처리 조건에서 DRUG-seq를 수행하면 미토콘드리아 기능, 산화 스트레스 또는 에너지 대사 관련 유전자 발현 변화가 동반되는지 조사할 수 있습니다.

두 데이터가 일관된 결과를 나타낸다면 화합물의 작용기전에 대한 가설을 보다 구체적으로 설정할 수 있습니다.

다만 형태학적 변화와 유전자 발현 변화의 연관성만으로 직접적인 인과관계가 입증되는 것은 아닙니다.

5. 연구 사례 ① CRISPR를 이용한 ALS 관련 표적 검증

2026년 10월 21일 예정된 Alithea Genomics와 Axxam의 공동 웨비나에서는 ALS(Amyotrophic Lateral Sclerosis) 관련 CRISPR 연구 사례가 소개됩니다.

발표 안내에 따르면 연구진은 90개의 후보 표적을 평가하고 4개의 후속 검증 후보로 좁히는 과정을 설명할 예정입니다.

이 사례는 유전자 교란 이후 발생하는 세포 형태학적 변화와 유전자 발현 변화를 함께 평가하는 접근법을 다룹니다.

연구 설계에서 고려할 사항

• 적절한 CRISPR Negative Control
• Gene Editing 또는 Knockdown 효율 검증
• Biological Replicates
• Cell Painting Image Quality Control
• RNA-seq Library Quality Control
• 후속 표적 검증 실험

이와 같은 다중 분석 접근법은 후보 표적의 우선순위를 결정할 때 추가적인 생물학적 근거를 제공할 수 있습니다.

6. 연구 사례 ② DILI 관련 화합물의 독성 평가

Drug-Induced Liver Injury(DILI)는 신약개발 과정에서 중요한 안전성 평가 항목입니다.

이번 웨비나에서는 DILI 관련 정보가 주석으로 부여된 58개 화합물을 인간 간세포 모델에서 평가한 사례를 소개할 예정입니다.

연구진은 Cell Painting과 Transcriptomics를 이용하여 서로 다른 분석 지표가 독성 관련 변화를 어떻게 포착하는지 비교할 예정입니다.

분석에서 고려할 수 있는 지표

• Cell Viability
• Mitochondrial Morphology
• Cellular Stress Response
• Oxidative Stress-Related Gene Expression
• Inflammatory Signaling
• Dose-Dependent Responses

이러한 접근법은 기존 생존율 분석에서 충분히 드러나지 않는 세포 반응을 추가로 탐색하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그러나 Cell Painting 또는 Transcriptomics의 독성 예측 성능이 항상 기존 분석법보다 우수하다고 일반화할 수는 없습니다.

실제 성능은 세포 모델, 화합물, 농도, 노출 시간 및 분석 기준에 따라 달라집니다.

7. 실험 설계 시 주의사항

① 동일한 실험 조건

두 분석법을 비교하려면 세포 모델, 처리 농도, 처리 시간 및 대조군을 가능한 한 일치시켜야 합니다.

② 샘플 준비 방식

Cell Painting은 일반적으로 고정 및 형광 염색된 세포를 사용하지만, DRUG-seq는 RNA 분석을 위한 세포 용해액을 사용합니다.

따라서 별도의 Well 또는 Parallel Plate를 이용하는 실험 설계가 필요할 수 있습니다.

③ Image Quality Control

Cell Painting에서는 세포 밀도, 염색 균일성, 초점 및 이미지 Segmentation 품질을 확인해야 합니다.

④ RNA-seq Quality Control

DRUG-seq에서는 Library Quality, Sequencing Depth, Mapping Rate, Gene Detection 및 Batch Effect를 검토해야 합니다.

⑤ 데이터 통합

Morphological Profile과 Transcriptomic Profile을 함께 분석할 때는 각 데이터의 정규화와 Batch Effect를 고려해야 합니다.

중요한 결과는 독립적인 실험과 적절한 Orthogonal Assay로 검증하는 것이 좋습니다.

8. 관련 웨비나 안내

From Target Discovery to Toxicology

Combining Cell Painting and Transcriptomics Across the Drug Discovery Workflow

일정: 2026년 10월 21일 수요일

한국 시간: 오후 11:00 ~ 12:00

미국 Pacific Time: 오전 7:00 ~ 8:00

발표자:

• Roberto Ravasio — Principal Scientist, Axxam
• Riccardo Dainese — CBO & Co-founder, Alithea Genomics

주요 내용은 CRISPR Target Validation, Phenotypic Screening, Transcriptomic Profiling 및 Preclinical Toxicology입니다.

실시간 참석이 어려운 경우에도 등록하면 녹화본을 받을 수 있다고 안내되어 있습니다.

9. 관련 연구시약 및 분석 도구

Cell Painting과 Transcriptomics를 결합한 연구에서는 다양한 시약과 분석 도구가 필요합니다.

Cell Painting 및 Imaging

• Fluorescent Dyes 및 Organelle Stains
• Cell Culture Media 및 Supplements
• Multiwell Plates
• Fixation 및 Washing Reagents

CRISPR 및 Functional Genomics

• CRISPR Reagents
• sgRNA 및 관련 시약
• Transfection Reagents
• Gene Expression Validation Reagents

Transcriptomics 및 RNA Analysis

• RNA Analysis Reagents
• RNA QC Reagents
• Library Preparation 관련 시약
• qPCR Validation Reagents

연구 목적에 따라 제품별 호환성과 분석 플랫폼 요구사항을 확인하는 것이 중요합니다.

관련 기술자료

Alithea Genomics / Axxam Webinar

MERCURIUS DRUG-seq Technology

Broad Institute — Cell Painting

Cell Painting Protocol — Nature Protocols

신약개발 및 세포 기반 스크리닝 연구를 준비하고 계신가요?

알앤디메이트에서는 Cell Painting, High-Content Imaging, CRISPR Screening, RNA Analysis 및 세포 기반 분석에 필요한 연구시약의 공급 가능 여부를 검토합니다.

연구 대상 세포, 분석 목적, 사용 장비, 필요한 시약 및 수량을 알려주시면 적합한 제품과 대체 옵션을 확인해 드립니다.

본 콘텐츠는 연구 및 기술 정보 제공을 목적으로 작성되었습니다. 특정 제조사와의 공식 대리점 관계를 의미하지 않습니다.