LITOS : un outil d'éclairage LED polyvalent pour la stimulation optogénétique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13139 (2022) Citer cet article

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L'optogénétique est devenue un outil clé pour manipuler les processus biologiques à haute résolution spatio-temporelle. Récemment, un certain nombre de dispositifs d'éclairage multi-puits commerciaux et open source ont été développés pour fournir un débit aux expériences optogénétiques. Cependant, les appareils commerciaux disponibles restent coûteux et manquent de flexibilité, tandis que les solutions open source nécessitent des connaissances en programmation et/ou incluent des processus d'assemblage complexes. Nous présentons un outil d'éclairage LED pour la stimulation optogénétique (LITOS) basé sur une carte de circuit imprimé assemblée contrôlant une matrice LED 32 × 64 disponible dans le commerce comme source d'éclairage. LITOS peut être assemblé rapidement sans aucune soudure et comprend une interface facile à utiliser, accessible via un site Web hébergé sur l'appareil lui-même. Des modèles complexes de stimulation lumineuse peuvent facilement être programmés sans expertise en codage. LITOS peut être utilisé avec différents formats de plaques multipuits, de boîtes de Pétri et de flacons. Nous avons validé LITOS en mesurant l'activité de la voie de signalisation MAPK/ERK en réponse à différents régimes de stimulation lumineuse dynamique à l'aide d'actionneurs optogénétiques FGFR1 et Raf. LITOS peut stimuler uniformément toutes les cellules d’un puits et permet des schémas de stimulation temporelle flexibles. L'abordabilité et la facilité d'utilisation de LITOS visent à démocratiser l'optogénétique dans n'importe quel laboratoire.

Si l’optogénétique a été utilisée pour la première fois en neurobiologie1, elle est désormais largement utilisée pour contrôler une grande variété de processus biologiques cellulaires avec une résolution spatio-temporelle élevée2. Cela a été rendu possible par la découverte d'un certain nombre de domaines protéiques sensibles à la lumière qui ont été conçus pour construire des actionneurs permettant de contrôler presque tous les processus biologiques cellulaires2. La précision de l’optogénétique pour perturber les systèmes cellulaires peut conduire à une compréhension plus approfondie de leur régulation dynamique3. Cependant, les expériences optogénétiques nécessitent également un matériel de stimulation optique approprié.

Une configuration expérimentale optogénétique classique utilise des microscopes optiques automatisés pour stimuler les cellules exprimant des actionneurs optogénétiques et pour enregistrer toute sortie cellulaire souhaitée. Lorsqu'elle est combinée avec des biocapteurs spectralement compatibles dans un microscope à fluorescence, cette configuration peut à la fois contrôler l'entrée cellulaire à l'aide de l'actionneur optogénétique et enregistrer la dynamique de sortie à l'aide du biocapteur4. Cela s’est avéré être une approche très puissante pour étudier la dynamique de la signalisation5,6,7. Malheureusement, le champ de vision du système de lentilles du microscope limite le nombre de cellules qui reçoivent la stimulation lumineuse. Ainsi, les microscopes ne peuvent pas stimuler suffisamment de cellules pour mesurer les résultats cellulaires à l’aide de méthodes biochimiques. De plus, le nombre de modèles de stimulation d'entrée différents pouvant être induits en parallèle est limité. Enfin, tout contrôle optogénétique à long terme des cellules sur des échelles de temps de plusieurs jours pourrait s'avérer peu pratique ou trop coûteux, en particulier dans les installations de microscopie.

L’utilisation d’une source d’éclairage dédiée pour séparer la stimulation du processus d’imagerie contourne certaines de ces limitations. Des bandes LED montées dans un incubateur peuvent être utilisées pour stimuler un actionneur optogénétique dans un grand nombre de cellules, ouvrant ainsi la possibilité de mesurer les résultats cellulaires à l'aide de méthodes biochimiques telles que le Western Blot, la protéomique ou la transcriptomique8.

Des configurations plus avancées combinent des microcontrôleurs et des sources lumineuses pour éclairer spécifiquement des puits individuels à partir de plaques multi-puits. Cela permet de stimuler plusieurs puits avec différents modèles d’entrées de lumière en parallèle, ce qui entraîne un débit expérimental plus élevé. Un certain nombre de solutions matérielles tirant parti des LED comme sources d'éclairage ont été développées9,10,11,12. Ces dispositifs open source sont relativement bon marché mais nécessitent des connaissances en programmation et peuvent s'appuyer sur une expertise en fabrication non disponible dans la plupart des laboratoires. Récemment, certains produits commerciaux (par exemple LUMOS d'AXION Biosystems) sont entrés sur le marché, mais leur coût reste élevé. Il manque toujours un dispositif bon marché, facile à assembler et convivial offrant une flexibilité expérimentale dans la communauté optogénétique.