Zastosowania paneli oświetleniowych kompatybilnych z mikropłytkami typu open source

Summary

Microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A.P.L.E.) to sterowane komputerowo urządzenie, które systematycznie oświetla studzienki mikropłytki, dostarczając wskazówek dotyczących ręcznego przygotowania mikropłytek. M.A.P.L.E. poprawia dokładność przygotowania mikropłytek, jednocześnie automatyzując rejestrowanie danych. Ponadto może pomóc w badaniu jakości mikropłytek lub pomóc w wykrywaniu błędów.

Abstract

Mikropłytki są powszechnie używane w nowoczesnym środowisku laboratoryjnym do szerokiej gamy zadań, zarówno w małych operacjach laboratoryjnych, jak i w dużych kampaniach przesiewowych o wysokiej przepustowości (HTS). Chociaż automatyzacja laboratoriów znacznie zwiększyła użyteczność mikropłytek, nadal zdarzają się przypadki, w których oprzyrządowanie oparte na automatyzacji nie jest wykonalne, opłacalne lub kompatybilne z potrzebami formatowania mikropłytek. W takich przypadkach mikropłytki należy przygotować ręcznie. Problemem związanym z ręcznymi manipulacjami mikropłytkami jest to, że może pojawić się szereg trudności związanych z dokładnym śledzeniem operacji na próbkach, prowadzeniem zapisów danych i kontrolą jakości (QC) pod kątem artefaktów odwiertu lub błędów formatowania. Wraz ze wzrostem gęstości mikropłytek (tj. 96-dołkowych, 384-dołkowych, 1536-dołkowych) drastycznie wzrasta również możliwość wprowadzenia błędów. Ponadto w przypadku małych laboratoriów laboratoryjnych istnieje potrzeba poprawy łatwości i dokładności obsługi próbek w sposób opłacalny. W niniejszym artykule opisano system, który działa jak półautomatyczny przewodnik po pipetowaniu, określany jako emiter światła wspomagającego pipetowanie mikropłytek (M.A.P.L.E.). M.A.P.L.E. ma wiele zastosowań do wspomagania wybierania trafień i przygotowywania mikropłytek do opracowywania testów w wysokoprzepustowych badaniach przesiewowych lub laboratoryjnych operacjach laboratoryjnych, a także do diagnostycznej oceny jakości mikropłytek / zapewnienia jakości (QA) lub wizualizacji błędów formatowania odwiertów.

Introduction

Jak ostatnio opublikowano¹, laboratorium Lead Identification w Scripps Research² opracowało i udostępniło panel oświetleniowy o otwartym kodzie źródłowym do przygotowania mikropłytek, zwany Microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A.P.L.E.). Ręczne przygotowanie mikropłytek, niezależnie od tego, czy są one przeznaczone do zarządzania związkami, czy na potrzeby testów biologicznych, może być podatne na błędy ludzkie, które drastycznie rosną wraz ze wzrostem gęstości mikropłytki. Ponadto prawidłowe prowadzenie ewidencji i rejestrowanie danych dotyczących zawartości/formatu mikropłytek jest również podatne na błędy przy ręcznym wprowadzaniu. W obiektach automatyzacji badań przesiewowych o wysokiej przepustowości (HTS) problemy te są łagodzone dzięki zastosowaniu sterowanych komputerowo zrobotyzowanych stacji roboczych, które są zintegrowane z automatycznym prowadzeniem ewidencji baz danych; Minimalizacja ręcznych manipulacji i zmniejszenie ryzyka błędów formatowania i zapisu danych. Pozostaje jednak wiele przypadków, w których oprzyrządowanie oparte na automatyzacji jest po prostu niewykonalne lub kompatybilne z potrzebami formatowania mikropłytek, co wymaga ręcznej interwencji. Co więcej, istnieje również potrzeba wspierania operacji laboratoryjnych na małą skalę, które wymagają kompaktowych i ekonomicznych urządzeń półautomatycznych, aby poprawić ich przepustowość, dokładność i zautomatyzować rejestrację danych dotyczących przygotowania mikropłytek.

Chociaż istnieją inne systemy oświetlenia mikropłytek, są to zastrzeżone rozwiązania komercyjne^3,4,5^,6^,7 ograniczone do wybranych formatów mikropłytek, a ich zastrzeżony charakter o zamkniętym kodzie źródłowym uniemożliwia modyfikacje sterowane przez użytkownika, które pozwoliłyby na dostosowanie tych urządzeń do specjalistycznych operacji. M.A.P.L.E. został zaprojektowany jako niedrogie urządzenie open-source, z kodem źródłowym i wszystkimi plikami projektowymi dostępnymi za darmo online⁸. Użytkownicy posiadający wiedzę na temat technik powierzchniowego mogą składać własne urządzenia M.A.P.L.E. z kodem i plikami projektowymi dostępnymi na GitHub lub mogą modyfikować dostarczone projekty płytek drukowanych (PCB), modele komputerowego wspomagania projektowania obudów do druku 3D (CAD) i kod, aby spełnić swoje specyficzne potrzeby. Pełna lista części potrzebnych do produkcji płytek PCB światłowodowych znajduje się w Tabelach Uzupełniających 1 i 2, a dalsze szczegóły dotyczące projektowania i realizacji paneli świetlnych można znaleźć w niedawno opublikowanej dokumentacji¹. Użytkownicy, którzy chcą zakupić wstępnie zmontowane płytki światłowodu na podstawie plików open-source, mogą je znaleźć na liście online⁹.

M.A.P.L.E. dostarcza użytkownikowi łatwo sterowany panel podświetlenia, który ma ślad oparty na mikropłytkach i odstępy między diodami LED dopasowane do specyfikacji Society for Biomolecular Screening (SBS) dla mikropłytek¹⁰. M.A.P.L.E. został opracowany do obsługi mikropłytek o gęstości 96 i 384 dołków i pozwala użytkownikom oświetlać studnie w dowolnej konfiguracji, kolorze i intensywności. Te panele świetlne mogą być używane do oświetlania mikropłytek do operacji pipetowania¹¹, do symulacji laboratoryjnych operacji formatowania lub przyrządów, takich jak czytnik mikropłytek^12,13 w celach edukacyjnych i demonstracyjnych. Otwarty charakter projektu pozwala użytkownikom na łatwą modyfikację paneli, oprogramowania układowego lub graficznego interfejsu użytkownika (GUI) w celu obsługi dowolnej nowej pożądanej funkcjonalności. Wytyczne i rejestrowanie danych są sterowane komputerowo i mogą być zintegrowane z arkuszami kalkulacyjnymi lub przeniesione do systemu baz danych. Ponieważ M.A.P.L.E. jest przeznaczony do pracy z plikami rozdzielanymi przecinkami w postaci zwykłego tekstu, każdy arkusz kalkulacyjny lub oprogramowanie bazodanowe, które jest w stanie importować lub eksportować pliki w formacie CSV, można łatwo rozszerzyć do pracy z M.A.P.L.E. Co więcej, obudowa projektowa, która została zaprojektowana dla tego systemu, przechyla mikropłytkę w kierunku użytkownika podczas operacji pipetowania, zwiększając ergonomię, zapewniając użytkownikowi bardziej naturalną postawę podczas pracy przy stole laboratoryjnym. Szczególne cechy operacyjne systemu M.A.P.L.E. obejmują: (i) ułatwienie zarządzania związkami w zakresie przygotowywania niestandardowych płytek poprzez oświetlenie studzienki z jednym źródłem i dołka docelowego na mikropłytkach w celu uzyskania wskazówek dotyczących ręcznego pipetowania; wspomagane przez skrypt komputerowy, który można zapisać jako elektroniczny zapis po wypełnieniu. (ii) M.A.P.L.E. może oświetlić dowolną liczbę studzienek w rzędach lub kolumnach mikropłytek; który idealnie nadaje się do szybkiego prowadzenia seryjnego rozcieńczania lub umieszczania wybranych kontroli kontrprób. (iii) M.A.P.L.E. może być używany w trybie demonstracyjnym w celu ułatwienia szkolenia laboratoryjnego lub podkreślenia wymagań dotyczących formatowania w odniesieniu do umieszczania próbek i kontroli lub dedykowanego wykorzystania studzienki (np. luka barierowa z efektem krawędziowym). (iv) M.A.P.L.E. może podświetlać przezroczyste/półprzezroczyste studnie, aby umożliwić wizualizację artefaktów, takich jak wytrącanie/krystalizacja, pęcherzyki, niejednorodność studni, puste studzienki; co pozwala również użytkownikowi końcowemu na łatwe fotografowanie obrazów płyt na potrzeby dokumentacji

Protocol

1. Półautomatyczne przygotowanie do przenoszenia próbek "płytka na płytkę"

1. Wygeneruj plik CSV, jak pokazano w Rysunek 1, zawierający tablice źródłowe i docelowe za pomocą aplikacji do edycji arkuszy kalkulacyjnych. Wygenerowany plik CSV musi zawierać następujące kolumny nagłówka w podanej kolejności: Source_barcode; Destination_barcode; Source_well; Dest_well; Transfer_volume.   
2. Upewnij się, że w kolumnach nagłówka znajduje się jeden wiersz w pliku CSV dla każdej żądanej operacji pipetowania (np. transferu próbki) z następującymi informacjami:
   1. Source_barcode: Alfanumeryczny kod kreskowy mikropłytki źródłowej, np. S1007372 pozostawić puste, jeśli nie jest powiązany żaden kod kreskowy.
   2. Destination_barcode: Alfanumeryczny kod kreskowy docelowej mikrotabliczki, np. D0573282 pozostawić puste, jeśli nie jest powiązany żaden kod kreskowy.
   3. Source_well: Alfanumeryczny identyfikator wiersza i kolumny studzienki, z której należy pipetować z płytki źródłowej, np. H10 dla rzędu H (8. wiersz), kolumna 10 (oznaczenia studzienek zgodne ze standardem ANSI/SLAS, np. A1, C10...).
   4. Dest_well: Alfanumeryczny identyfikator wiersza i kolumny studzienki, z której należy pipetować z tabliczki docelowej, np. A3 dla wiersza A (1. wiersz), kolumna 3 (oznaczenia studzienek zgodne ze standardem ANSI/SLAS, np. A1, C10...).
   5. Transfer_volume: Objętość, która ma zostać przeniesiona z source_well w source_barcode do dest_well w destination_barcode (numerycznie i bez jednostek: zwykle w μl).
3. Otwórz graficzny interfejs użytkownika Microplate Assistive Pipetting Light Emitter Plate to Plate, pokazany na rysunku Rysunek 2, otwierając program Light Guide (Maple-LightGuide.exe).
4. Kliknij przycisk Wybierz plik cherrypick w lewym górnym rogu graficznego interfejsu użytkownika.
5. Użyj okna przeglądarki plików, pokazanego w Rysunek 3, aby przejść do pliku CSV wygenerowanego w krokach 1.1 i 1.2 powyżej i kliknij przycisk Otwórz. Aplikacja przeanalizuje pierwszy wiersz pliku CSV i oświetli odpowiednie dołki na płytach źródłowych i docelowych.
6. Użyj przycisków Poprzednia studnia i Następna studnia w prawym górnym rogu graficznego interfejsu użytkownika, pokazanych w Rysunek 4, aby przejść przez plik CSV zgodnie z potrzebami. Graficzny interfejs użytkownika podświetli na szaro wszystkie wiersze, które zostały wcześniej oświetlone, a na brązowo podświetli aktualnie aktywny wiersz.
7. W razie potrzeby należy wykonać operacje pipetowania, aby przenieść próbki między dołkiem źródłowym płytki źródłowej a dołkiem docelowym płytki docelowej. Przykład niewspomaganej operacji pipetowania ręcznego M.A.P.L.E. można zobaczyć na Rysunek 5, z porównaniem aktualnego widoku pipetowania przez użytkownika widocznego w Rysunek 4 i Rysunek 6. Oprócz graficznego interfejsu użytkownika, kody kreskowe tabliczek można weryfikować za pomocą wyświetlaczy LCD umieszczonych na panelach podświetlanych.
8. Kontynuuj do momentu osiągnięcia końca pliku CSV za pomocą przycisku Następny dołek. Aby załadować nowy plik CSV, w dowolnym momencie można kliknąć przycisk Select cherrypick file. Aby wyjść z programu, można kliknąć czerwony X w prawym górnym rogu GUI.

2. Oświetlenie wielodołkowe do równoległych transferów i szeregowych rozcieńczeń

1. Otwórz aplikację Microplate Assistive Pipetting Light Emitter 'Serial dilution', otwierając program rozcieńczania szeregowego (Maple-SerialDilution.exe).
2. Użyj graficznego interfejsu użytkownika, pokazanego w Rysunek 7 i Rysunek 8, aby określić żądany tryb miareczkowania (kolumna lub wiersz), gęstość płytki i początkowy wiersz(e) lub kolumna(y). Graficzny interfejs użytkownika pozwala również użytkownikom określić maskę kolumny lub wiersza, aby kontrolować, które diody LED w danym wierszu lub kolumnie są podświetlone. Pozwala to na oświetlenie podzbioru diod LED w rzędzie lub kolumnie zamiast oświetlania całego rzędu lub kolumny.
3. Użyj przycisków Następny i Poprzedni, aby przechodzić kolejno między wierszami lub kolumnami od początkowego wiersza lub kolumny do ostatniego wiersza lub kolumny na płycie. Za każdym razem, gdy zostanie kliknięty przycisk Następny lub Poprzedni, panel świetlny zaświeci odpowiednie diody LED mikropłytki.
4. Kontynuuj aż do osiągnięcia końca sekwencji miareczkowania. Aby wyjść z programu, kliknij czerwony X w prawym górnym rogu GUI.

3. Szkolenie laboratoryjne: opracowywanie testów i techniki formatu badań przesiewowych

1. Umieść mikropłytkę z 96 lub 384 dołkami w przenośnym światłowodzie. Przenośny światłowód zawiera baterię i całą elektronikę niezbędną do korzystania z niego niezależnie od komputera. Dzięki temu przenośny światłowód może być używany w trybie ręcznym, którym można sterować za pomocą wbudowanych przycisków do przełączania między trybami demonstracyjnymi.
2. Użyj przełącznika zasilania na obudowie przenośnego światłowodu, aby włączyć system.
3. Określ tryb, w którym ma się znajdować przenośny światłowód. Domyślnie przenośny światłowód zostanie załadowany do domyślnego trybu demonstracyjnego HTS, który zapewnia użytkownikom wizualną reprezentację typowej płytki testowej, jak pokazano na Rysunek 9. W tym trybie można użyć prawego przełącznika przyciskowego w górnej części przenośnego światłowodu, aby przełączać się między poniższymi przykładowymi wzorcami oświetlenia.
   1. Wszystkie studzienki oświetlone kolorem czerwonym w celu symulacji dozowania odczynnika w teście, np. (zawieszone komórki w pożywce).
   2. Wszystkie studzienki oświetlone żółtym kolorem, aby symulować dodawanie odczynnika barwnikowego.
   3. Pierwsza kolumna i ostatnia kolumna studzienek podświetlone na zielono, pozostałe środkowe kolumny "pola próbki" podświetlone na niebiesko, aby wskazać, że tabliczka jest odczytywana na czytniku mikropłytek. Losowe studnie w polu próbki będą również miały zielony kolor o różnej intensywności, aby reprezentować trafienia.
4. Aby przełączyć światłowód między trybem demonstracyjnym HTS a trybem demonstracyjnym miareczkowania, naciśnij lewy przełącznik przyciskowy. Spowoduje to przełączenie przenośnego światłowodu w tryb demonstracyjny miareczkowania, który stanowi wizualny przewodnik dla użytkowników, aby zrozumieć, w jaki sposób można wykonywać miareczkowanie na płytkach złożonych. Gdy światłowód przejdzie w tryb demonstracyjny miareczkowania, wystąpią następujące zdarzenia.
   1. Wszystkie studzienki w kolumnach 3 i 13 są oświetlone kolorem żółtym.
   2. Kolejne naciśnięcia skrajnego prawego przełącznika przyciskowego oświetlają kolumny w kolejności, np. (4 i 14, 5 i 15 itd.).
   3. Gdy przycisk zostanie naciśnięty po osiągnięciu kolumn 12 i 22, studzienki w kolumnach 4-12 i 13-22 są podświetlane na kolor żółty o malejącej intensywności, aby przedstawić miareczkowanie.
5. Aby zmodyfikować domyślne zachowanie światłowodu, podłącz przenośny światłowód do komputera za pomocą USB i postępuj zgodnie ze szczegółowymi instrukcjami dotyczącymi aktualizacji domyślnego oprogramowania układowego za pomocą Arduino IDE, które można znaleźć na stronie projektu GitHub⁸. Aktualizując oprogramowanie układowe, można zmodyfikować te tryby, aby wyświetlać inne sekwencje lub zestawy diod LED.

4. Iluminacja artefaktów w mikropłytkach

1. Umieść mikropłytkę z 96 lub 384 dołkami w przenośnym światłowodzie.
2. Przełącz światłowód w tryb oświetlenia, naciskając dwa razy skrajny lewy przełącznik przyciskowy.
   UWAGA: Przykład praktycznego zastosowania tego trybu można zobaczyć na Rysunek 10 i Rysunek 11, gdzie związki wytrąciły się z roztworu i można je zaobserwować na dnie mikropłytek. Bez podświetlenia większość osadu jest niewidoczna gołym okiem, natomiast podświetlenie M.A.P.L.E. ujawnia osad do wglądu użytkownika i dokumentacji fotograficznej.
3. Użyj prawego przycisku, aby przełączać się między zestawem predefiniowanych kolorów zgodnie z potrzebami aplikacji. Panel świetlny włączy wszystkie diody LED na następujące kolory po kolei za każdym naciśnięciem prawego przycisku: czerwony, niebieski, zielony, pomarańczowy, biały, fioletowy, żółty i indygo.
4. Opcjonalnie użyj aparatu lub smartfona, aby sfotografować podświetlaną płytę w celu prowadzenia dokumentacji lub dokumentowania pracy.

Results

Platforma M.A.P.L.E. jest w stanie oświetlać studnie w mikropłytkach 96- i 384-dołkowych na różne konfigurowalne przez użytkownika sposoby, umożliwiając prostą i niezależną kontrolę koloru i intensywności światła w każdej studzience. Zmniejszając ryzyko wystąpienia błędów w ręcznym pipetowaniu, M.A.P.L.E. pomaga użytkownikom przygotować mikropłytki z większą pewnością, że każda studzienka zawiera pożądaną zawartość. Przenoszenie próbek między płytkami i przygotowanie seryjnych płytek rozcieńczających, takich jak przykład...

Discussion

Wypuszczając M.A.P.L.E. jako platformę open-source, wprowadziliśmy narzędzie laboratoryjne, które zapewnia użyteczność, ale może być również łatwo rozszerzone, aby sprostać zmieniającym się potrzebom użytkownika końcowego. Przygotowanie próbek z mikropłytek laboratoryjnych jest powszechnym zadaniem wykonywanym w wielu różnych środowiskach laboratoryjnych, a zadanie to można znacznie poprawić dzięki technologii takiej jak M.A.P.L.E.

Platforma M.A.P.L.E. została specjalnie zaprojektowana z myślą...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
96 lub 384-dołkowa mikropłytka			https://en.wikipedia.org/wiki/Microplate
mikropłytka Wspomagające pipetowanie Emiter światła	https://www.jove.com/science-education/5033/an-introduction-to-the-micropipettor https://github.com/pierrebaillargeon/Microplate-Assistive-Pipetting-Light-Emitter
	Ocean Optics	USB-650 Czerwony Przypływ