LITOS: универсальный светодиодный осветитель для оптогенетической стимуляции.

Nov 10, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13139 (2022) Цитировать эту статью

3116 Доступов

2 цитаты

42 Альтметрика

Подробности о метриках

Оптогенетика стала ключевым инструментом для управления биологическими процессами с высоким пространственно-временным разрешением. В последнее время был разработан ряд коммерческих и общедоступных многолуночных осветительных устройств для обеспечения производительности экспериментов по оптогенетике. Однако доступные коммерческие устройства остаются дорогими и лишенными гибкости, в то время как решения с открытым исходным кодом требуют знаний в области программирования и/или включают сложные процессы сборки. Мы представляем инструмент светодиодной подсветки для оптогенетической стимуляции (ЛИТОС), основанный на собранной печатной плате, управляющей имеющейся в продаже светодиодной матрицей размером 32 × 64 в качестве источника освещения. LITOS можно быстро собрать без пайки, он имеет простой в использовании интерфейс, доступный через веб-сайт, размещенный на самом устройстве. Сложные схемы световой стимуляции можно легко запрограммировать без опыта программирования. LITOS можно использовать с многолуночными планшетами, чашками Петри и колбами различных форматов. Мы подтвердили LITOS путем измерения активности сигнального пути MAPK/ERK в ответ на различные режимы динамической световой стимуляции с использованием оптогенетических актуаторов FGFR1 и Raf. LITOS может равномерно стимулировать все клетки в лунке и позволяет использовать гибкие схемы временной стимуляции. Доступность и простота использования LITOS направлены на демократизацию оптогенетики в любой лаборатории.

Хотя оптогенетика впервые была использована в нейробиологии1, в настоящее время она широко используется для управления широким спектром клеточно-биологических процессов с высоким пространственно-временным разрешением2. Это стало возможным благодаря открытию ряда светочувствительных белковых доменов, которые были созданы для создания актуаторов, контролирующих практически любой клеточно-биологический процесс2. Точность оптогенетики в воздействии на клеточные системы может привести к более глубокому пониманию их динамической регуляции3. Однако оптогенетические эксперименты также требуют соответствующего оборудования для оптической стимуляции.

Классическая оптогенетическая экспериментальная установка использует автоматизированные световые микроскопы для стимуляции клеток, экспрессирующих оптогенетические актуаторы, и для регистрации любого желаемого клеточного результата. В сочетании со спектрально совместимыми биосенсорами в флуоресцентном микроскопе эта установка может как контролировать клеточный вход с помощью оптогенетического актуатора, так и записывать динамику выходного сигнала с помощью биосенсора4. Это оказалось очень мощным подходом к изучению динамики передачи сигналов5,6,7. К сожалению, поле зрения системы линз микроскопа ограничивает количество клеток, получающих световую стимуляцию. Таким образом, микроскопы не могут стимулировать достаточное количество клеток, чтобы измерить их продуктивность с помощью биохимических методов. Кроме того, количество различных шаблонов входной стимуляции, которые можно вызывать параллельно, ограничено. Наконец, любой долгосрочный оптогенетический контроль клеток во временных масштабах в несколько дней может быть непрактичным или слишком дорогим, особенно в условиях микроскопии.

Использование специального источника освещения для отделения стимуляции от процесса визуализации позволяет обойти некоторые из этих ограничений. Светодиодные полосы, установленные в инкубаторе, можно использовать для стимуляции оптогенетического актуатора в большом количестве клеток, открывая возможность измерения клеточных результатов с помощью биохимических методов, таких как вестерн-блоттинг, протеомика или транскриптомика8.

Более продвинутые установки сочетают в себе микроконтроллеры и источники света для специфического освещения отдельных лунок многолуночных планшетов. Это позволяет одновременно стимулировать несколько скважин различными схемами подачи света, что приводит к повышению производительности эксперимента. Был разработан ряд аппаратных решений, использующих светодиоды в качестве источников освещения9,10,11,12. Эти устройства с открытым исходным кодом довольно дешевы, но требуют знаний в области программирования и могут полагаться на производственный опыт, недоступный в большинстве лабораторий. Недавно на рынок вышли некоторые коммерческие продукты (например, LUMOS от AXION Biosystems), но их стоимость остается высокой. Дешевое, простое в сборке и удобное в использовании устройство, обеспечивающее экспериментальную гибкость, до сих пор отсутствует в оптогенетическом сообществе.