Méthode d’étalonnage micropipette-image basée sur un système de micromanipulation pour la microinjection de cellules somatiques

Contexte de la recherche

La microinjection est une technique qui consiste à injecter des quantités précises de matériel génétique, de médicaments ou d’autres substances exogènes directement dans des cellules ou des tissus à l’aide d’une micropipette fine. Cette technique joue un rôle crucial dans la recherche biomédicale, notamment dans les domaines de la transgénèse, du ciblage génétique, du clonage animal, du traitement de l’infertilité humaine et de l’ingénierie génétique guidée par des nucléases. Avec les progrès de la technologie d’automatisation, la microinjection manuelle traditionnelle a progressivement évolué vers des modes opératoires automatisés. Cependant, dans les systèmes de microinjection automatisés, cartographier avec précision les coordonnées bidimensionnelles de la pointe de la micropipette observée dans le champ de vision du microscope avec les données de position tridimensionnelles obtenues à partir d’un contrôleur externe reste un défi technique. Les méthodes d’étalonnage existantes reposent généralement sur des objectifs motorisés ou des systèmes de vision microscopique complexes, qui ne sont souvent pas assez rapides et pratiques pour une application réelle.

Pour relever ce défi, Fei Pan et son équipe ont proposé une méthode pratique d’étalonnage micropipette-image, visant à établir une cartographie précise entre les coordonnées bidimensionnelles en pixels de la pointe de la micropipette dans le champ de vision du microscope et les positions tridimensionnelles obtenues à partir du contrôleur externe d’un micromanipulateur XYZ. Cette étude fournit non seulement une nouvelle méthode d’étalonnage pour la microinjection de cellules somatiques, mais offre également des références techniques pour d’autres applications de micromanipulation, telles que le micro-assemblage.

Source de la recherche

Cet article a été rédigé en collaboration par Fei Pan, Shuxun Chen, Liushuai Zheng, Shaohua Zhi, Xi Chen et Dong Sun, issus d’institutions telles que l’Université Lingnan de Hong Kong et l’Université de la Ville de Hong Kong. L’article a été publié en 2025 dans la revue IEEE Transactions on Automation Science and Engineering.

Contenu et processus de la recherche

1. Méthode d’étalonnage micropipette-image

Le cœur de cette recherche réside dans la proposition d’une méthode d’étalonnage micropipette-image basée sur le contact de la pointe de la micropipette avec le fond d’une boîte de culture. Le processus est le suivant :

1. Définition des systèmes de coordonnées : L’étude définit plusieurs systèmes de coordonnées spatiaux, y compris le système de coordonnées en pixels (op, u, v) et le système de coordonnées mondial (o, x, y, z). Grâce à des rotations et des inclinaisons des systèmes de coordonnées, une relation de position est établie pour la pointe de la micropipette dans différents systèmes de coordonnées.
2. Processus d’étalonnage : La pointe de la micropipette est déplacée vers trois points de contact non colinéaires sur le fond de la boîte de culture, enregistrant les coordonnées bidimensionnelles en pixels et les données de position tridimensionnelles du contrôleur externe pour chaque point de contact. Une relation de cartographie entre les coordonnées en pixels et les lectures du contrôleur est établie via des calculs matriciels.
3. Analyse des erreurs : La faisabilité et la stabilité de cette méthode sont vérifiées en analysant les données d’étalonnage.

2. Techniques de rupture de pointe de micropipette et de prétraitement cellulaire

Pour améliorer davantage le taux de réussite de la microinjection, l’étude propose également deux techniques auxiliaires :

1. Technique de rupture de pointe de micropipette : L’utilisation d’un anneau acrylique à faible coût permet une rupture contrôlée de la pointe de la micropipette, garantissant une ouverture suffisamment petite pour la microinjection de cellules individuelles. Cette méthode surmonte les inconvénients des méthodes traditionnelles, telles que l’accumulation de poussière et la complexité opérationnelle.
2. Technique de prétraitement cellulaire : Les cellules somatiques complètement adhérentes sont transformées en un état semi-adhérent, augmentant ainsi l’épaisseur des cellules et les rendant plus faciles à percer. Ce traitement améliore significativement le taux de réussite de la microinjection et le taux de survie des cellules.

3. Validation expérimentale

L’équipe de recherche a validé l’efficacité de cette méthode en réalisant plus de 900 expériences de microinjection sur des fibroblastes dermiques humains (HDF). Les résultats montrent un taux de réussite de 53,3 % et un taux de survie cellulaire de 95,8 %.

Conclusion de la recherche

Cette étude propose une méthode pratique d’étalonnage micropipette-image, particulièrement adaptée aux systèmes de micromanipulation équipés uniquement d’un micromanipulateur motorisé mais dépourvus d’objectif motorisé. En combinant les techniques de rupture de pointe de micropipette et de prétraitement cellulaire, l’équipe de recherche a réussi à réaliser des opérations de microinjection efficaces. Cette méthode a non seulement une valeur d’application dans la microinjection de cellules somatiques, mais offre également de nouvelles solutions pour d’autres tâches de micromanipulation.

Points forts de la recherche

1. Méthode d’étalonnage innovante : L’étude propose une méthode d’étalonnage micropipette-image basée sur le contact de la pointe de la micropipette avec le fond de la boîte de culture, offrant un nouveau support technique pour la microinjection précise.
2. Techniques auxiliaires efficaces : Les techniques de rupture de pointe de micropipette et de prétraitement cellulaire améliorent significativement le taux de réussite de la microinjection et le taux de survie des cellules.
3. Validation expérimentale : Une validation expérimentale approfondie confirme l’efficacité et l’utilité de cette méthode, fournissant une référence technique pour les futurs systèmes de microinjection automatisés.

Importance de la recherche

Cette étude ne résout pas seulement le problème de l’étalonnage de la position de la pointe de la micropipette dans la microinjection, mais offre également de nouvelles idées pour le développement de systèmes de micromanipulation automatisés. À l’avenir, cette méthode peut être combinée avec d’autres technologies pour optimiser davantage la précision et l’efficacité des systèmes de microinjection, favorisant ainsi les progrès de la recherche biomédicale et des applications cliniques.