Une plate-forme technologique open source pour fabriquer des modèles de culture 3D basés sur l’hydrogel de manière automatisée et standardisée

La recherche biomédicale est confrontée à une crise de reproductibilité dans la mesure où les nouveaux résultats de la recherche sont rarement traduits en applications thérapeutiques. Ce protocole réduit le facteur humain et introduit l’automatisation et la normalisation dans la fabrication. Cette méthode se concentre spécifiquement sur les hydrogels phototiculables pour les applications de culture cellulaire 3D, car les hydrogels sont devenus la plate-forme la plus utilisée dans le cancer et d’autres modèles de tissus pathologiques au cours de la dernière décennie.

Nous avons réussi à résoudre les limitations matérielles et logicielles actuelles avec le développement d’une plate-forme technologique open source. Cette plate-forme a été spécialement conçue pour les hydrogels et permet des flux de travail de fabrication automatisés pour la recherche en génie tissulaire. Pour installer l’API, ouvrez l’interface de ligne de commande.

Pour installer l’API de travail, entrez pip install openworkstation et appuyez sur Entrée. Pour faire fonctionner le module de biofabrication de pipetage, entrez la commande pour installer l’API opentrons. Utilisez ensuite la ligne de commande pour ouvrir un script Python et vérifier si les deux API ont été installées avec succès.

Pour générer le code de protocole, ouvrez l’application de conception de protocole pour générer un script de protocole personnalisé qui sera exécuté par la plate-forme. L’interface fonctionne sur tous les navigateurs Internet couramment utilisés. Entrez le nom du protocole sur la page de configuration et cliquez sur Continuer.

Dans la configuration du bac d’entrée, sélectionnez trois par quatre bloc chauffant pour définir le bac d’entrée. Pour définir les matériaux et les concentrations de stock, sélectionnez Gel 1 dans le menu Définir les entrées et entrez GelMA comme nom. Définissez la concentration du stock sur 20 % et le nombre d’échantillons sur trois, puis cliquez sur Ajouter pour enregistrer les entrées et remplir la première colonne.

Sélectionnez Gel 2 dans le menu Définir les entrées et entrez Alginate comme nom. Définissez la concentration du stock sur 4 % et le nombre d’échantillons sur trois, puis cliquez sur Ajouter pour enregistrer les entrées et remplir la deuxième colonne. Après avoir défini les paramètres du photoinitiateur et du diluant comme illustré, sélectionnez la réticulation de la photo, réglez le temps sur 30 secondes et l’intensité sur deux, puis cliquez sur OK. Ensuite, définissez le type de plaque de puits sur 96 plaques de puits et cliquez sur Groupe 1 pour permettre de spécifier les paramètres de création d’hydrogels à double réseau.

Cochez ensuite la case Appliquer le protocole de mélange avancé si nécessaire, définissez le nombre d’échantillons sur 96, puis cliquez sur Continuer. Pour définir la disposition du pont, sélectionnez le type de plateau approprié pour chaque emplacement. Lorsque tous les types de plateaux ont été sélectionnés, cliquez sur la case de gauche de la pipette et sélectionnez un déplacement positif de 10 à 100 microlitres dans le menu déroulant.

Réglez la vitesse d’aspiration sur 600 et la vitesse de distribution sur 800. Ensuite, réglez les paramètres droits de la pipette de la même manière. Cliquez ensuite sur Générer le protocole pour générer et enregistrer le script de protocole.

Avant d’exécuter le protocole, vaporisez les consommables avec de l’éthanol à 70% et positionnez-les en fonction de la configuration définie dans la configuration de l’utilisateur. Placez les tubes de réaction avec les matériaux dans le bloc d’aluminium sur les quais de température en fonction de la configuration sélectionnée. Ensuite, vaporisez vos gants avec de l’éthanol à 70% et ouvrez soigneusement les tubes de réaction sans toucher les tubes ouverts.

Lorsque les substances ont atteint la température expérimentale appropriée, exécutez le protocole généré à l’aide de l’interface utilisateur. Le poste de travail commencera par le processus de repérage, suivi de l’obtention d’une plaque de puits vide à partir du module de stockage. Après avoir retiré le couvercle de la plaque du puits, la plaque est transportée vers le module suivant.

Le protocole spécifie le volume pipeté à partir de chaque solution mère et modifie automatiquement les embouts après chaque matériau pour éviter toute contamination croisée. Pour mélanger des solutions visqueuses de manière reproductible, le poste de travail exécute un protocole de mélange spécifique qui a été optimisé pour les hydrogels visqueux. L’application de conception de protocole prend en compte le niveau de remplissage du réservoir et adapte automatiquement la hauteur de mélange pour éviter tout immersion inutile dans les matériaux visqueux.

Après la génération automatique de modèles 3D et de plaques de puits, le poste de travail referme la plaque de puits avec le couvercle et stocke la plaque de puits dans la position programmée dans le module de stockage. Une fois le protocole terminé, retirez la plaque du module de stockage. Pour la validation et la vérification du protocole conduit, chargez la plaque sur un spectrophotomètre et lisez l’absorbance deux fois à 450 nanomètres.

Après avoir enregistré les valeurs d’absorbance, ouvrez le fichier de feuille de calcul d’analyse qui est fourni en tant que matériel supplémentaire dans la publication et copiez les lectures d’absorbance dans le tableau de la fiche de données brutes. Cliquez ensuite sur la feuille d’analyse pour afficher les valeurs moyennes, l’écart-type et les valeurs du coefficient de variance, qui sont automatiquement calculées et affichées pour une distribution uniforme de l’échantillon pour des lignes spécifiques et pour des colonnes spécifiques d’une plaque de 96 puits. Pour trouver la configuration qui assure une reproductibilité élevée pour les solutions de glycérol, des protocoles ont été générés sans contrôle de la température et sans contact de la pointe, avec contrôle de la température et sans contact de la pointe, ou avec contrôle de la température et avec la pointe tactile.

Les valeurs de coefficient de variation calculées pour les trois configurations ont révélé une influence significative de la station de température et de la fonction tactile de pointe, soulignant la capacité du protocole à générer des résultats hautement reproductibles lorsqu’il est utilisé dans les deux fonctionnalités. En utilisant la fonction tactile de pointe avec la station de température, l’écart-type a été considérablement réduit dans la configuration trois. Le traçage des valeurs d’absorbance de l’échantillon pour la configuration trois n’a donné aucune valeur d’augmentation ou de diminution tout au long de l’expérience et n’a donc indiqué aucune influence de la position de l’échantillon sur les valeurs d’absorbance.

Ensuite, une série de dilution GelMA a été préparée en diluant une solution mère GelMA à 20% et en évaluant les différences entre les différentes dilutions GelMA. La valeur d’absorbance mesurée à chaque étape de concentration était significativement différente et la régression linéaire a démontré un ajustement élevé confirmant la capacité de générer des étapes de concentration distinctes. En outre, l’influence du toucher de pointe a été évaluée pour les hydrogels à double réseau avec 5% GelMA, 2% alginate et 0,15% LAP, qui ont été générés automatiquement avec la configuration.

L’intégration du tip touch se traduit par une diminution significative de l’écart-type supportant la génération d’un jeu de données reproductible. La visualisation des valeurs d’absorbance et des cartes thermiques a confirmé l’écart réduit lors de l’utilisation du toucher de la pointe pour éliminer l’excès de matière de la pointe. Notre technologie permet l’automatisation de la fabrication d’hydrogel pour la culture cellulaire 3D et l’ingénierie tissulaire.

Il s’agit d’une solution peu coûteuse pour augmenter le débit et la reproductibilité des flux de travail techniquement difficiles. En fournissant une approche open source personnalisable, cette technologie ouvre la voie à l’adaptation généralisée de l’automatisation des processus dans la recherche en génie tissulaire.