Anwendungen für Open Source Microplate-Compatible Illumination Panels

Summary

Microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A.P.L.E.) ist ein computergesteuertes Gerät, das Mikrotiterbrunnen systematisch beleuchtet, um Anleitungen für die manuelle Herstellung von Mikroplatten zu bieten.  M.A.P.L.E. verbessert die Genauigkeit der Mikroplattenvorbereitung bei der Automatisierung der Datenaufzeichnung.  Darüber hinaus kann es bei der Untersuchung der Mikroplattenqualität oder bei der Erkennung von Fehlern helfen.

Abstract

Mikroplatten werden häufig in der modernen Laborumgebung für eine Vielzahl von Aufgaben sowohl in kleinen Labor-Tischoperationen als auch in groß angelegten High-Throughput-Screening-Kampagnen (HTS) eingesetzt. Obwohl die Laborautomatisierung den Nutzen von Mikroplatten erheblich erhöht hat, gibt es immer noch Fälle, in denen automatisierungsbasierte Instrumentierung nicht möglich, kostengünstig oder kompatibel mit den Anforderungen an die Mikroplattenformatierung ist. In diesen Fällen müssen Mikroplatten manuell hergestellt werden. Problematisch für manuelle Mikroplattenmanipulationen ist, dass eine Reihe von Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der genauen Verfolgung von Probenoperationen, der Aufzeichnung von Datensätzen und der Qualitätskontrolle (QC) auf Brunnenartefakte oder Formatierungsfehler auftreten können. Mit zunehmender Mikroplattenbrunnendichte (d.h. 96-Well, 384-well, 1536-well) steigt auch das Potenzial zur Fehlereinführung drastisch.  Darüber hinaus besteht für kleine Laboroperationen an der Spitze die Notwendigkeit, die Einfache und Genauigkeit der Probenhandhabung kostengünstig zu verbessern. Dabei beschreiben wir ein System, das als halbautomatische Pipettierführung fungiert, die als Microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A.P.L.E.) bezeichnet wird.  M.A.P.L.E. hat mehrere Anwendungen zur Unterstützung der Compound-Hit-Picking und Mikroplatten-Vorbereitung für die Assay-Entwicklung in High-Throughput-Screening- oder Labor-Tischoperationen sowie QC/Qualitätssicherung (QS) diagnostische Bewertung von Mikroplatten Qualität oder gut formatierende Fehler.

Introduction

Wie kürzlich^{veröffentlicht 1}, hat das Lead Identification Laboratory bei Scripps Research² ein Open-Source-Beleuchtungspanel für die Mikroplattenvorbereitung entwickelt und veröffentlicht, das als Microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A. P.L.E.). Die manuelle Herstellung von Mikroplatten, ob sie für das Compound-Management oder bio-assay-Bedürfnisse gemacht werden, kann anfällig für menschliche Fehler sein, die drastisch erhöhen sowie die Dichte der Mikroplatte erhöht. Darüber hinaus ist die ordnungsgemäße Aufzeichnung und Datenprotokollierung von Mikroplatteninhalten/-formaten auch anfällig für manuelle Eingabefehler. In Automatisierungseinrichtungen für Hochdurchsatz-Screening (HTS) werden diese Probleme durch den Einsatz computergesteuerter Roboterarbeitsplätze, die in die automatisierte Datenbankaufzeichnung integriert sind, gemildert. Minimierung manueller Manipulationen und Reduzierung des Potenzials von Formatierungs- und Datenaufzeichnungsfehlern. Es gibt jedoch nach wie vor viele Fälle, in denen automatisierungsbasierte Instrumentierung einfach nicht möglich oder kompatibel mit den Anforderungen an die Mikroplattenformatierung ist, was manuelle Eingriffe erfordert. Darüber hinaus ist es notwendig, kleine Laboroperationen zu unterstützen, die kompakte und kostengünstige halbautomatische Geräte erfordern, um ihren Durchsatz, ihre Genauigkeit und die Automatisierung der Datenaufzeichnung der Mikroplattenvorbereitung zu verbessern.

Während andere Mikroplatten-Beleuchtungssysteme existieren, sind sie proprietäre kommerzielle Lösungen^3,4,5,6,7 beschränkt auf ausgewählte Mikroplattenformate und ihre proprietären Closed-Source-Natur verhindert benutzergesteuerte Änderungen, die die Anpassung dieser Geräte für spezielle Operationen ermöglichen würden.  M.A.P.L.E. wurde entwickelt, um ein kostengünstiges Open-Source-Gerät zu sein, mit Quellcode und allen Design-Dateien kostenlos online⁸. Benutzer mit Kenntnissen der Oberflächenmontage-Löttechniken können ihre eigenen M.A.P.L.E.-Geräte mit den auf GitHub verfügbaren Code- und Designdateien zusammenstellen oder die mitgelieferten Leiterplatten-Designs (PCBs) ändern, 3D-Druckgehäuse computerunterstützt CAD-Modelle und Code, um ihren spezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Eine vollständige Liste der Teile, die für die Herstellung der Lichtleiterplatten benötigt werden, finden Sie in den Ergänzungstabellen 1 und 2 und weitere Details zur Gestaltung und Umsetzung der Lichtpaneele finden Sie in der kürzlich veröffentlichten Dokumentation¹. Benutzer, die vormontierte Lichtleiterplatten basierend auf den Open-Source-Dateien kaufen möchten, finden sie online^{gelistet 9}.

M.A.P.L.E. bietet dem Anwender ein leicht steuerbares Beleuchtungspanel, das über einen mikroplattenbasierten Fußabdruck und LED-zu-LED-Abstand verfügt, der auf die Society for Biomolecular Screening (SBS)-Spezifikationen für Mikroplatten¹⁰abgestimmt ist. M.A.P.L.E. wurde entwickelt, um 96- und 384-Well-Dichte-Mikroplatten zu unterstützen und es Benutzern zu ermöglichen, Brunnen in jeder gewünschten Konfiguration, Farbe und Intensität zu beleuchten. Diese Leuchtplatten können verwendet werden, um Mikroplatten für Pipettiervorgänge zu beleuchten¹¹, um Laborformatierungsoperationen oder Instrumente wie einen Mikroplattenleser^12,13 für Bildung und Demonstration zu simulieren Zwecke. Die Open-Source-Natur des Projekts ermöglicht es Benutzern, die Panels, Firmware oder grafische Benutzeroberfläche (GUI) Software leicht zu ändern, um jede neue gewünschte Funktionalität zu unterstützen. Anleitung und Datensatzführung sind computergesteuert und können in Tabellenkalkulationen integriert oder in ein Datenbanksystem portiert werden. Da M.A.P.L.E. für die Arbeit mit durch Klartextkomma getrennten Dateien entwickelt wurde, kann jede Kalkulationstabelle oder Datenbanksoftware, die CSV-formatierte Dateien importieren oder exportieren kann, problemlos auf die Arbeit mit M.A.P.L.E. erweitert werden. Darüber hinaus neigt das für dieses System konzipierte Projektgehäuse die Mikroplatte während des Pipettiervorgangs zum Benutzer, wodurch die Ergonomie erhöht wird, indem es dem Benutzer auf dem Labortisch eine natürlichere Körperhaltung bietet. Zu den spezifischen betrieblichen Merkmalen des M.A.P.L.E.-Systems gehören: (i) Erleichterung der Compound-Management-Bemühungen bei der Vorbereitung kundenspezifischer Platten durch Beleuchtung von Handgut und Ziel gut über Mikroplatten für manuelle Pipettierführung; durch ein Computerskript unterstützt, das als elektronischer Datensatz nach Abschluss gespeichert werden kann. ii) M.A.P.L.E. kann eine beliebige Anzahl von Brunnen über Mikroplattenreihen oder -säulen hinweg beleuchten; die sich ideal für eine schnelle serielle Verdünnungsführung oder platzierung ausgewählter Replikationssteuerungen eignet. (iii) M.A.P.L.E. kann in einem Demonstrationsmodus verwendet werden, um den Schulungsbedarf im Labor zu erleichtern oder Formatierungsanforderungen in Bezug auf Proben- und Kontrollplatzierungen oder dedizierte Brunnennutzung (z. B. Barrierelücke für Kantenauswirkungen) hervorzuheben. iv) M.A.P.L.E. kann transparente/transluzente Brunnen hinterlichten, um die Visualisierung von Artefakten wie Niederschlag/Kristallisation, Blasen, Brunnenheterogenität, leere Brunnen zu ermöglichen; die es dem Endbenutzer auch ermöglicht, Plattenbilder für Dokumentationsanforderungen einfach zu fotografieren

Protocol

1. Halbautomatische Probentransfervorbereitung "Platte zu Platte"

1. Generieren Sie eine CSV-Datei, wie in Abbildung 1 dargestellt, die Quell- und Zielkennzeichen enthält, mithilfe einer Tabellenbearbeitungsanwendung. Die generierte CSV-Datei muss die folgenden Headerspalten in der angegebenen Reihenfolge aufweisen: Source_barcode; Destination_barcode; Source_well; Dest_well; Transfer_volume.
2. Stellen Sie unter den Kopfspalten sicher, dass Sie für jeden gewünschten Pipettiervorgang (d. h. Beispielübertragung) eine Zeile in die CSV-Datei einschließen, und zwar mit den folgenden Informationen:
   1. Source_barcode: Alphanumerischer Barcode der Quellmikroplatte, z.B. S1007372; leer lassen, wenn kein Barcode zugeordnet ist.
   2. Destination_barcode: Alphanumerischer Barcode der Zielmikroplatte, z. B. D0573282; leer lassen, wenn kein Barcode zugeordnet ist.
   3. Source_well: Alphanumerische randalanische Zeilen- und Spaltenkennung für gut aus der Quellplatte herausgepipetifbt werden, z.B. H10 für Zeile H^(8. Zeile), Spalte 10 (ANSI/SLAS-Standardbrunnenbezeichnungen, z.B. A1, C10...).
   4. Dest_well: Alphanumerische randalanische Zeilen- und Spaltenkennung für Gut, aus der Zielplatte herausgepipetiert werden soll, z.B. A3 für Zeile A^(1. Reihe), Spalte 3 (ANSI/SLAS-Standardbrunnenbezeichnungen, z.B. A1, C10...).
   5. Transfer_volume: Volume, das von source_well in source_barcode nach dest_well in destination_barcode übertragen werden soll (numerisch und einheitslos: typischerweise in .L).
3. Öffnen Sie die Microplate Assistive Pipetting Light Emitter Plate to Plate GUI-Anwendung, die in Abbildung 2dargestellt ist, indem Sie das Light Guide-Programm (Maple-LightGuide.exe) öffnen.
4. Klicken Sie in der oberen linken Ecke der GUI auf die Schaltfläche Cherrypick-Datei auswählen.
5. Verwenden Sie das Dateibrowserfenster ( siehe Abbildung 3), um zu der CSV-Datei zu navigieren, die in den Schritten 1.1 und 1.2 oben generiert wurde, und klicken Sie auf die Schaltfläche Öffnen. Die Anwendung analysiert die erste Zeile der CSV-Datei und beleuchtet die entsprechenden Brunnen in den Quell- und Zielplatten.
6. Verwenden Sie die Schaltflächen "Vorherige gut" und "Weiter gut" in der oberen rechten Ecke der GUI, die in Abbildung 4dargestellt ist, um die CSV-Datei wie gewünscht zu durchlaufen. Die GUI hebt alle zuvor beleuchteten Zeilen in Grau hervor und hebt die aktuell aktive Zeile in Braun hervor.
7. Führen Sie nach Bedarf Pipettiervorgänge durch, um Proben zwischen Quellbrunnen der Quellplatte zum Zielbrunnen der Zielplatte zu übertragen. Ein Beispiel für einen M.A.P.L.E. nicht unterstützten Handpipettiervorgang ist in Abbildung 5zu sehen, mit einem Vergleich der aktuellen Benutzerpipettieransicht in Abbildung 4 und Abbildung 6. Zusätzlich zur Benutzer-GUI können Platten-Barcodes über die an den Beleuchtungspanels angebrachten LCD-Displays überprüft werden.
8. Fahren Sie fort, bis das Ende der CSV-Datei über die Schaltfläche Weiter gut erreicht wird. Um eine neue CSV-Datei zu laden, kann jederzeit auf Cherrypick-Datei auswählen geklickt werden. Um das Programm zu beenden, kann auf das rote X in der oberen rechten Ecke der GUI geklickt werden.

2. Multi-Well-Beleuchtungen für parallele Übertragungen und serielle Verdünnungen

1. Öffnen Sie die Anwendung Microplate Assistive Pipetting Light Emitter 'Serial dilution', indem Sie das serielle Verdünnungsprogramm (Maple-SerialDilution.exe) öffnen.
2. Verwenden Sie die GUI( siehe Abbildung 7 und Abbildung 8), um den gewünschten Titrationsmodus (Spalte oder Zeile), Plattendichte und Anfangszeile(n) oder Spalte(n) anzugeben. Mit der GUI können Benutzer auch eine Spalten- oder Zeilenmaske angeben, um zu steuern, welche LEDs in einer bestimmten Zeile oder Spalte beleuchtet werden. Dadurch kann eine Teilmenge von LEDs in einer Zeile oder Spalte beleuchtet werden, anstatt die gesamte Zeile oder Spalte zu beleuchten.
3. Verwenden Sie die Schaltflächen Weiter und Zurück, um die Zeilen oder Spalten in der Reihenfolge von der ersten Anfangszeile oder Spalte bis zur letzten Zeile oder Spalte in der Platte zu durchlaufen. Jedes Mal, wenn auf die Schaltfläche "Weiter" oder "Weiter" geklickt wird, leuchtet das Lichtpanel die entsprechenden LEDs der Mikroplatte aus.
4. Fahren Sie fort, bis das Ende der Titrationssequenz erreicht ist. Um das Programm zu beenden, klicken Sie auf das rote X in der oberen rechten Ecke der GUI.

3. Laborausbildung: Assay-Entwicklung und Screening-Format-Techniken

1. Legen Sie eine 96- oder 384-Well-Mikroplatte in die tragbare Lichtführung. Die tragbare Lichtführung enthält eine Batterie und alle Elektronik, die unabhängig von einem Computer verwendet werden müssen. Dadurch kann der tragbare Lichtleiter in einem Handheld-Modus verwendet werden, der mit eingebauten Drucktasten gesteuert werden kann, um zwischen den Demonstrationsmodi umzuschalten.
2. Verwenden Sie den Einschaltschalter am tragbaren Lichtführungsgehäuse, um das System einzuschalten.
3. Bestimmen Sie den Modus für die tragbare Lichtführung. Standardmäßig wird die tragbare Lichtführung in den standardmäßigen HTS-Demomodus geladen, der Benutzern eine visuelle Darstellung einer typischen Assay-Platte wie in Abbildung 9zeigt. In diesem Modus kann man den rechten Druckknopfschalter oben in der tragbaren Lichtführung verwenden, um durch die folgenden Muster der Probebeleuchtung zu wechseln.
   1. Alle mit roter Farbe beleuchteten Brunnen, um die Reagenzabgabe eines Assays zu simulieren, z.B. (schwebende Zellen in Medien).
   2. Alle Brunnen mit einer gelben Farbe beleuchtet, um Farbstoff Reagenz Zugabe zu simulieren.
   3. Erste Spalte und letzte Spalte der Brunnen leuchtete grün, verbleibende mittlere "Probefeld" Säulen blau beleuchtet, um anzuzeigen, dass die Platte auf Mikroplattenleser gelesen wird. Zufällige Brunnen im Beispielfeld haben auch grüne Farbe mit unterschiedlicher Intensität, um Treffer darzustellen.
4. Um die Lichtführung zwischen HTS-Demo-Modus und Titration-Demo-Modus umzuschalten, drücken Sie den linken Tasterschalter. Dadurch wird die tragbare Lichtführung in den Titrations-Demo-Modus umgeschaltet, der den Benutzern eine visuelle Anleitung bietet, um zu verstehen, wie Titrationen in zusammengesetzten Platten durchgeführt werden können. Wenn die Lichtführung in den Titrations-Demomodus wechselt, tritt Folgendes auf.
   1. Alle Brunnen in spalte3 und 13 sind gelb beleuchtet.
   2. Nachfolgende Pressen des rechten Drucktastenschalters beleuchten Säulen nacheinander, z.B. (4 und 14, 5 und 15, etc.).
   3. Wenn der Druckknopf gedrückt wird, nachdem die Spalten 12 und 22 erreicht sind, werden Brunnen in den Spalten 4-12 und 13-22 in abnehmender Intensität von Gelb beleuchtet, um die Titration darzustellen.
5. Um das Standardverhalten der Lichtführung zu ändern, schließen Sie die tragbare Lichtführung über ein USB-Kabel an einen Computer an und folgen Sie den detaillierten Anweisungen zur Aktualisierung der Standard-Firmware über die Arduino IDE, die auf der Projekt-GitHub-Seite⁸zu finden ist. Durch Aktualisieren der Firmware können Sie diese Modi so ändern, dass andere Sequenzen oder LED-Sets angezeigt werden.

4. Beleuchtung von Artefakten in Mikroplatten

1. Legen Sie eine 96- oder 384-Well-Mikroplatte in die tragbare Lichtführung.
2. Schalten Sie die Lichtführung in den Beleuchtungsmodus, indem Sie den linken Druckknopfschalter zweimal drücken.
   ANMERKUNG: Ein Beispiel für die praktische Anwendung dieses Modus ist in Abbildung 10 und Abbildung 11zu sehen, wo Verbindungen aus der Lösung herausgefallen sind und an der Unterseite der Mikroplatten beobachtet werden können. Ohne hinterleuchtete Beleuchtung ist der größte Teil des Niederschlags mit bloßem Auge unsichtbar, aber die M.A.P.L.E. Hintergrundbeleuchtung zeigt Niederschlag für die Benutzerinspektion und die fotografische Dokumentation.
3. Verwenden Sie die rechte Taste, um zwischen einem Satz vordefinierter Farben umzuschalten, je nach Bedarf für die Anwendung. Die Lichttafel schaltet alle LEDs nacheinander mit jedem Druck der rechten Taste auf die folgenden Farben ein: rot, blau, grün, orange, weiß, violett, gelb und indigo.
4. Verwenden Sie optional eine Kamera oder ein Smartphone, um die beleuchtete Platte zur Aufzeichnung oder Dokumentation der Arbeit zu fotografieren.

Results

Die M.A.P.L.E. Plattform ist in der Lage, Brunnen in 96- und 384-Well-Mikroplatten auf eine Vielzahl von benutzerkonfigurierbaren Weisen zu beleuchten und eine einfache und unabhängige Steuerung der Farbe und Lichtintensität in jedem Brunnen zu ermöglichen. Durch die Verringerung der Fehlermöglichkeiten bei manuellen Pipettiervorgängen hilft M.A.P.L.E. Benutzern, Mikroplatten mit erhöhter Sicherheit vorzubereiten, dass jeder Brunnen den gewünschten Inhalt enthält. Die Übertragung von Proben zwischen den Platten und die H...

Discussion

Durch die Veröffentlichung von M.A.P.L.E. als Open-Source-Plattform haben wir ein Labortool eingeführt, das Nützlichkeit bietet, aber auch leicht erweitert werden kann, um den sich entwickelnden Anforderungen des Endbenutzers gerecht zu werden. Die Herstellung von Benchtop-Mikroplattenproben ist eine häufige Aufgabe, die in einer Vielzahl von Laborumgebungen durchgeführt wird, und diese Aufgabe kann mit einer Technologie wie M.A.P.L.E. nachweislich verbessert werden.

Die M.A.P.L.E.-Plattform w...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
96- oder 384-Well-Mikrotiterplatten			https://en.wikipedia.org/wiki/Microplate
Mikrotiterplatten-Assistives Pipettieren Lichtemitter	Open-Source-https://github.com/pierrebaillargeon/Microplate-Assistive-Pipetting-Light-Emitter
Pipettierer			https://www.jove.com/science-education/5033/an-introduction-to-the-micropipettor
Spektrometer	Ocean Optics	USB-650 Red Tide