Applications pour les panneaux d'éclairage Microplate-Compatible open Source

Summary

Microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A.P.L.E.) est un dispositif piloté par ordinateur qui éclaire systématiquement les puits de microtiter pour fournir des conseils pour la préparation manuelle des microplaques.  M.A.P.L.E. améliore l'exactitude de la préparation des microplaques tout en automatisant la tenue des dossiers de données.  En outre, il peut aider à examiner la qualité des microplaques ou aider à la détection des erreurs.

Abstract

Les microplaques sont couramment utilisées dans l'environnement de laboratoire moderne pour une grande variété de tâches à la fois dans les opérations de laboratoire à petite échelle benchtop ainsi que à grande échelle à haut débit de dépistage (HTS) campagnes. Bien que l'automatisation en laboratoire ait considérablement accru l'utilité des microplaques, il reste des cas où l'instrumentation basée sur l'automatisation n'est pas faisable, rentable ou compatible avec les besoins de formatage des microplaques. Dans ces cas, les microplaques doivent être préparées manuellement. Les manipulations manuelles de microplaques sont problématiques, car un certain nombre de difficultés peuvent survenir en ce qui concerne le suivi précis des opérations d'échantillons, la tenue des données et l'inspection du contrôle de la qualité (QC) pour les artefacts de puits ou les erreurs de mise en forme. À mesure que les densités de puits microplaques augmentent (c.-à-d. 96 puits, 384 puits, 1536 puits), le risque d'introduire des erreurs augmente également considérablement.  De plus, pour les petites opérations de laboratoire sur le banc, il est nécessaire d'améliorer la facilité et l'exactitude de la manipulation des échantillons de façon rentable. Ici, nous décrivons un système qui agit comme un guide semi-automatisé de pipetting appelé microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A.P.L.E.).  M.A.P.L.E. a de multiples utilisations pour soutenir la cueillette des composés et la préparation des microplaques pour le développement d'analyses dans le dépistage à haut débit ou les opérations de laboratoire benchtop, ainsi que QC / assurance de la qualité (QA) évaluation diagnostique de microplaque qualité ou la visualisation d'erreurs de formatage bien.

Introduction

Comme récemment publié¹, le laboratoire d'identification des plombs à Scripps Research² a développé et publié un panneau d'éclairage open-source pour la préparation de microplaques appelé microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A. P.L.E.). La préparation manuelle des microplaques, qu'elles soient faites pour la gestion des composés ou les besoins de bio-analyse, peut être sujette à des erreurs humaines qui augmentent considérablement ainsi que la densité de la microplaque augmente. En outre, la tenue de dossiers et l'enregistrement des données du contenu/format des microplaques sont également sujets à des erreurs d'entrée manuelles. Dans les installations d'automatisation de dépistage à haut débit (HTS), ces problèmes sont atténués par l'utilisation de postes de travail robotiques pilotés par ordinateur qui sont intégrés à la tenue automatisée des dossiers des bases de données; réduire les manipulations manuelles et réduire le potentiel de mise en forme et d'enregistrement de données. Cependant, il reste de nombreux cas où l'instrumentation basée sur l'automatisation n'est tout simplement pas faisable ou compatible avec les besoins de formatage des microplaques, nécessitant une intervention manuelle. En outre, il est également nécessaire de soutenir les opérations de laboratoire à petite échelle qui nécessitent des dispositifs semi-automatisés compacts et rentables pour améliorer leur débit, leur précision et automatiser la tenue des données de la préparation des microplaques.

Bien que d'autres systèmes d'éclairage microplaque existent, ils sont propriétaires des solutions commerciales^3,4,5, 6^,7 limitée à certains formats de microplaque et leur propriétaire la nature à source fermée empêche les modifications apportées par l'utilisateur qui permettraient l'adaptation de ces appareils à des opérations spécialisées.  M.A.P.L.E. a été conçu pour être un appareil open-source peu coûteux, avec du code source et tous les fichiers de conception disponibles gratuitement en ligne⁸. Les utilisateurs ayant une connaissance des techniques de soudure de montage de surface peuvent assembler leurs propres appareils M.A.P.L.E. avec le code et les fichiers de conception disponibles sur GitHub, ou ils peuvent modifier les circuits imprimés fournis (PCBs), l'enceinte d'impression 3D assistée par ordinateur (CAD) et le code pour répondre à leurs besoins spécifiques. Une liste complète des pièces nécessaires à la fabrication des BPC de guide lumineux peut être trouvée dans les tableaux supplémentaires 1 et 2 et plus de détails concernant la conception et la mise en œuvre des panneaux lumineux peuvent être trouvés dans récemment publié documentation¹. Les utilisateurs qui souhaitent acheter des BPC de guidage léger pré-assemblés basés sur les fichiers open-source peuvent les trouver répertoriés en ligne⁹.

M.A.P.L.E. fournit à l'utilisateur un panneau d'éclairage facilement contrôlable qui a une empreinte à base de microplaques et un espacement LED-à-LED assorti aux spécifications de la Société pour le dépistage biomoléculaire (SBS) pour les microplates¹⁰. M.A.P.L.E. a été développé pour supporter les microplates de densité de 96 et 384 puits et permettre aux utilisateurs d'illuminer les puits dans n'importe quelle configuration, couleur et intensité souhaitée. Ces panneaux lumineux peuvent être utilisés pour éclairer les microplaques pour les opérations de tuyauterie¹¹, pour simuler des opérations de mise en forme en laboratoire ou des instruments tels qu'un lecteur de microplaque^12,13 pour l'éducation et la démonstration Fins. La nature open source du projet permet aux utilisateurs de modifier facilement les panneaux, le firmware ou le logiciel d'interface utilisateur graphique (GUI) pour prendre en charge toute nouvelle fonctionnalité souhaitée. Les directives et la tenue de données sont pilotées par ordinateur et peuvent être intégrées à des feuilles de calcul ou portées vers un système de base de données. Étant donné que M.A.P.L.E. est conçu pour fonctionner avec des fichiers délimités par virgule en texte clair, toute feuille de calcul ou logiciel de base de données capable d'importer ou d'exporter des fichiers formatés CSV peut être facilement étendu pour fonctionner avec M.A.P.L.E. En outre, l'enceinte du projet qui a été conçu pour ce système incline la microplaque vers l'utilisateur lors des opérations de tuyauterie, augmentant l'ergonomie en fournissant une posture plus naturelle pour l'utilisateur pendant le banc de laboratoire. Les caractéristiques opérationnelles spécifiques du système M.A.P.L.E. comprennent : (i) Faciliter les efforts de gestion des composés dans la préparation de plaques personnalisées en illuminant le puits et la destination à source unique sur les microplaques pour le guidage manuel de tuyauterie; assisté par un script d'ordinateur qui peut être enregistré comme un enregistrement électronique après l'achèvement. (ii) M.A.P.L.E. peut éclairer n'importe quel nombre de puits à travers des rangées ou des colonnes de microplaques; qui est idéalement adapté pour le guidage de dilution en série rapide ou le placement de contrôles de repli sélectionnés. (iii) M.A.P.L.E. peut être utilisé en mode de démonstration pour faciliter les besoins de formation en laboratoire ou mettre en évidence les exigences de mise en forme en ce qui concerne les emplacements d'échantillons et de contrôle ou l'utilisation de puits dédiés (p. ex., écart de barrière à effet de bord). (iv) M.A.P.L.E. peut éclairer des puits transparents/translucides pour permettre la visualisation d'artefacts tels que les précipitations/cristallisation, les bulles, l'hétérogénéité des puits, les puits vides; qui permet également à l'utilisateur final de photographier facilement les images de plaque pour les besoins de documentation

Protocol

1. Préparation semi-automatisée du transfert d'échantillon « plaque à plaque »

1. Générez un fichier CSV comme indiqué dans la figure 1 contenant des plaques de source et de destination à l'aide d'une application d'édition de feuilles de calcul. Le fichier CSV qui est généré doit avoir les colonnes d'en-tête suivantes dans l'ordre indiqué : Code-barres Source; Code-barres De destination; Source-bien; Dest-well; Transfert-volume.
2. Sous les colonnes d'en-tête, assurez-vous d'inclure une rangée dans le fichier CSV pour chaque opération de tuyauterie souhaitée (c.-à-d. transfert d'échantillons) avec les informations suivantes :
   1. Code-barres source : Code à barres alphanumérique de la microplaque source, p. ex. S1007372; laisser vide si aucun code-barres n'est associé.
   2. Code-barres de destination : code-barres alphanumérique de la microplaque de destination, p. ex. D0573282; laisser vide si aucun code-barres n'est associé.
   3. Source: Identificateur alphanumérique de ligne et de colonne pour bien être pipetted hors de la plaque source, par exemple, H10 pour la rangée H (8^e rangée), colonne 10 (ansI/SLAS désignations de puits standard, par exemple, A1, C10...).
   4. Dest-well: Alphanumeric row and column identifier for well to be pipetted out from destination plate, p. ex., A3 for row A (1^st row), column 3 (ANSI/SLAS standard well designations, p. ex., A1, C10...).
   5. Transfert-volume : Volume à transférer de source-well dans le code-barres source à dest-well dans le code-barres de destination (numérique et unitaire : généralement en L).
3. Ouvrez la plaque d'émetteur de lumière de pipetilisation microplate à l'application gui gui d'approche de plaque, montrée dans la figure 2,en ouvrant le programme light Guide (Maple-LightGuide.exe).
4. Cliquez sur le bouton Fichier Sélectionnez dans le coin supérieur gauche de l'interface graphique.
5. Utilisez la fenêtre du navigateur de fichiers, indiquée dans la figure 3, pour naviguer vers le fichier CSV généré dans les étapes 1.1 et 1.2 ci-dessus et cliquez sur le bouton Open. L'application permettra d'éparper la première rangée du fichier CSV et d'éclairer les puits correspondants dans les plaques de source et de destination.
6. Utilisez les boutons de puits et de puits suivant précédents, dans le coin supérieur droit de l'interface graphique, indiqués dans la figure 4, pour parcourir le fichier CSV comme vous le souhaitez. L'interface graphique mettra en évidence en gris toutes les lignes qui ont déjà été illuminées et mettre en évidence en brun la rangée actuellement active.
7. Effectuer des opérations de tuyauterie au besoin pour transférer des échantillons entre le puits de source de la plaque source au puits de destination de la plaque de destination. Un exemple d'opération de tuyauterie non assistée M.A.P.L.E. peut être vu à la figure 5, avec une comparaison de la vue actuelle de pipetage de l'utilisateur vue à la figure 4 et à la figure 6. En plus de l'interface graphique de l'utilisateur, les codes-barres de plaque peuvent être vérifiés via les écrans LCD attachés aux panneaux d'éclairage.
8. Continuer jusqu'à la fin du fichier CSV est atteint via le bouton De puits suivant. Pour charger un nouveau fichier CSV, le fichier Select cherrypick peut être cliqué à tout moment. Pour quitter le programme, le X rouge dans le coin supérieur droit de l'interface graphique peut être cliqué.

2. Illuminations multi-puits pour les transferts parallèles et les dilutions en série

1. Ouvrez l'application Microplate Assisttting Light Emitter 'Serial dilution' en ouvrant le programme de dilution en série (Maple-SerialDilution.exe).
2. Utilisez l'interface graphique, indiquée dans la figure 7 et la figure 8, pour spécifier le mode de titration souhaité (colonne ou ligne), densité de plaque et ligne de démarrage (s) ou colonnes. L'interface graphique permet également aux utilisateurs de spécifier une colonne ou un masque de ligne pour contrôler les LED d'une ligne ou d'une colonne donnée qui sont éclairées. Cela permet d'éclairer un sous-ensemble de LED dans une rangée ou une colonne au lieu d'éclairer toute la ligne ou la colonne.
3. Utilisez les boutons suivant et précédent pour passer à travers les lignes ou les colonnes dans l'ordre de la ligne de démarrage initiale ou de la colonne à la dernière ligne ou colonne dans la plaque. Chaque fois que le bouton Suivant ou Précédent est cliqué, le panneau lumineux illumine les LED correspondantes de la microplaque.
4. Continuer jusqu'à la fin de la séquence de titration est atteint. Pour quitter le programme, cliquez sur le X rouge dans le coin supérieur droit de l'interface graphique.

3. Formation en laboratoire : techniques de développement et de filtrage d'essais

1. Placez une microplaque de 96 ou 384 puits dans le guide lumineux portatif. Le guide lumineux portable contient une batterie et tous les appareils électroniques nécessaires pour être utilisés indépendamment d'un ordinateur. Cela permet d'utiliser le guide lumineux portable en mode portatif qui peut être contrôlé avec des boutons-poussoirs intégrés pour basculer entre les modes de démonstration.
2. Utilisez l'interrupteur de bascule d'alimentation de l'enceinte portative du guide lumineux pour allumer le système.
3. Déterminez le mode dans lequel se tiendra le guide lumineux portatif. Par défaut, le guide lumineux portable se chargera dans le mode de démonstration HTS par défaut qui fournit aux utilisateurs une représentation visuelle d'une plaque d'analyse typique comme on le voit dans la figure 9. Dans ce mode, on peut utiliser le commutateur de bouton-poussoir droit en haut du guide lumineux portable pour basculer à travers les modèles d'éclairage de l'échantillon suivant.
   1. Tous les puits illuminés de couleur rouge pour simuler la dispense de réactif d'un jeu d'enfant, par exemple, (cellules suspendues dans les médias).
   2. Tous les puits illuminés avec une couleur jaune pour simuler l'addition de réactif de colorant.
   3. La première colonne et la dernière colonne de puits illuminées en vert, restantes colonnes de « champ d'échantillon » du milieu illuminé esquissées en bleu pour indiquer la plaque étant lue sur le lecteur de microplate. Les puits aléatoires dans le champ d'échantillon auront également la couleur verte d'intensité variable pour représenter des coups.
4. Pour basculer le guide lumineux entre le mode démo HTS et le mode démo Titration, appuyez sur l'interrupteur du bouton de pression gauche. Cela changera le guide lumineux portable vers le mode de démonstration DeItration qui fournit un guide visuel aux utilisateurs pour comprendre comment les titrations peuvent être exécutées dans des plaques composées. Lorsque le guide lumineux entre dans le mode de démonstration Deitration, ce qui suit se produira.
   1. Tous les puits des colonnes 3 et 13 sont illuminés de couleur jaune.
   2. Les presses suivantes de l'interrupteur du bouton de cancle-poussoir le plus à droite illuminent les colonnes dans l'ordre, par exemple (4 et 14, 5 et 15, etc.).
   3. Lorsque le bouton poussoir est appuyé après que les colonnes 12 et 22 sont atteintes, les puits dans les colonnes 4-12 et 13-22 sont éclairés en diminution de l'intensité jaune pour représenter la titration.
5. Pour modifier le comportement par défaut du guide lumineux, branchez le guide lumineux portable à un ordinateur via un câble USB et suivez les instructions détaillées pour la mise à jour du firmware par défaut via l'Arduino IDE qui peut être trouvé sur le projet GitHub page⁸. En mettant à jour le firmware, vous pouvez modifier ces modes pour afficher d'autres séquences ou ensembles de LED.

4. Illumination d'artefacts dans des microplates

1. Placez une microplaque de 96 ou 384 puits dans le guide lumineux portatif.
2. Passez le guide lumineux au mode Illumination en appuyant deux fois sur l'interrupteur du bouton poussoir le plus à gauche.
   REMARQUE : Un exemple de l'utilisation pratique de ce mode peut être vu dans la figure 10 et la figure 11, où les composés se sont précipités hors de la solution et peuvent être observés sur le fond des microplaques. Sans éclairage rétroéclairé, la majeure partie du précipité est invisible à l'œil nu, mais Le rétroéclairage de M.A.P.L.E. révèle précipiter pour l'inspection des utilisateurs et la documentation photographique.
3. Utilisez le bouton poussoir droit pour basculer entre un ensemble de couleurs prédéfinies au besoin pour l'application. Le panneau lumineux allumera toutes les LED sur les couleurs suivantes dans l'ordre avec chaque poussée du bouton droit : rouge, bleu, vert, orange, blanc, violet, jaune et indigo.
4. En option, utilisez un appareil photo ou un smartphone pour photographier la plaque illuminée pour la tenue de dossiers ou la documentation de l'œuvre.

Results

La plate-forme M.A.P.L.E. est capable d'éclairer les puits dans des microplates de 96 et 384 puits de diverses façons configurables par l'utilisateur, permettant un contrôle simple et indépendant de l'intensité des couleurs et de la lumière dans chaque puits. En aidant à réduire les possibilités d'erreur dans les opérations manuelles de tuyauterie, M.A.P.L.E. aide les utilisateurs à préparer des microplaques avec une confiance accrue que chaque puits contient le contenu désiré. Le transfert d'échantillons entre les plaqu...

Discussion

En publiant M.A.P.L.E. comme une plate-forme open-source, nous avons introduit un outil de laboratoire qui fournit l'utilité, mais peut également être facilement étendu pour répondre aux besoins évolutifs de l'utilisateur final. La préparation d'échantillons de microplaques Benchtop est une tâche commune qui est effectuée dans une grande variété d'environnements de laboratoire et cette tâche peut être manifestement améliorée avec une technologie telle que M.A.P.L.E.

La plate-forme M.A.P.L.E. a...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
		de	96 ou 384 puits
Microplaque Pipette assistée Émetteur de lumière	Open source		https://github.com/pierrebaillargeon/Microplate-Assistive-Pipetting-Light-Emitter
Pipettor			https://www.jove.com/science-education/5033/an-introduction-to-the-micropipettor
Spectromètre	Ocean Optics	USB-650 Marée