Science：無紙化實驗室演進記

　　紙質筆記本看起來似乎能夠永久保存。畢竟，古登堡版圣經自15世紀就留存至今。

　　但紙張不是完美的。真實事例擺在眼前：在澳大利亞一所大學，裝訂好的書籍在搬移中散開，保存了30年的筆記本變成了一堆散落的紙片。在美國，一名博士后梳理了數天，才從三孔活頁夾中找到了審稿人需要的實驗細節。而無紙化的正面例子是，一家瑞士合作生產組織實時在線地展示了客戶樣品的色譜反應，客戶對此倍加贊賞。

　　電子實驗室工具已經優勢十足，然而科學家還是不愿意采用。數字化最主要的障礙在于成本，改變工作習慣的動力以及讓人望而生畏的可選種類。

　　始于何處

　　對于實驗室信息化的初學者來說，LIMSwiki是絕佳的開始。實驗室信息化研究所是LabLynx公司（基于瀏覽器的研究管理軟件商）在2006年成立的商業機構，提供在線社區服務資源。LabLynx強調透明性，如定價，LIMSwiki可提供的價格都在最新的供應商描述中。“我們盡力保持中立，避免營銷和自我推銷。wiki是一個逐步發展的工具，我們也一直在找尋高質量的提供者。”LIMSwiki負責人Shawn Douglas表示。

　　LIMSwiki對這些術語進行了定義，例如ELN（通常用于記錄實驗數據）和LIMS（傳統上用于追蹤標準化流程，如生產）。然而信息化產品間的區別是模糊的，羅氏公司優質生產規范與計算機系統驗證協調員Markus Dathe說，因為“正在出現技術的結合”。ELNs、LIMS和設備軟件在不斷地擴展功能，互相聯系、交錯。信息化軟件包持續地瞄準覆蓋研發項目的全生命周期，包括試劑庫存、監管形式、工作需求以及實驗細節。然而，許多研究者從小規模起步，使用自我搭建的、帶有實驗步驟文本文檔和電子數據文件的ELN。

　　“從科學家到課題組長再到實驗管理者，所有人都看到了ELNs的價值。”Accelrys公司軟件研發部高級主管Erik Alsmyr說，該公司的ELNs（之前為Contur公司的iLabber）可以用于小型到中等規模的研究組。Alsmyr說大部分實驗室起初都采用通用的組織和共享軟件，如Evernote或SharePoint，之后他們會意識到需要更多的存儲能力或知識產權保護。對于你的電子記錄，電子系統提供7天24小時的全球權限，Alsmyr說，大多數商業化ELNs都符合電子記錄的法規要求。例如，《美國聯邦法規》第21篇第11部分，其中包括美國食品藥品監督管理局的要求，以及面向歐洲市場的歐盟附錄11條。

　　然而，尤其是在大學，研究人員的接受速度仍然較慢。這就是為什么LabArchives公司在提供具有更大存儲及特性的凝膠成像之外，要提供免費的ELN版本。“我們的調查發現，在學術界，約95%的科學家仍然在使用紙質的實驗記錄本。”LabArchives公司首席執行官Earl Beutler說道。Beutler的整個家族都是科學家（包括一位諾貝爾獎獲得者），他認為實驗室應該走向數字化時代了。他說，“我這輩子都在與那些精通技術的天才科學家打交道，然而令我吃驚的是，他們最先進的做法依然是拍照，打印出來，然后把它貼在紙質的實驗記錄本上。”

　　當高校意識到黏合劑會失效，筆記本電腦中的記錄沒有最強的知識產權保護時，他們開始購買覆蓋整個系所的信息化站點許可，Beutler說。這樣就為科學家掃清了成本障礙，確保正確地歸檔潛在的ZL成果。LabArchives的目標群體也包括沒有紙張依賴癥的群體：學生。“我們的許多用戶都是從事教學工作的研究者，因此我們應他們的需求開發了課堂ELN。”Beutler表示，“這樣教師在提供背景信息和評判作業時，都能做到電子化。目前使用的最大課堂超過2000名學生。”

　　學術研究者Tammy Morrish從第一天起就開始使用數字化工具，她在Labguru上搭建了自己的實驗室，這是一個基于網絡的研究管理系統。作為一名博士后，Morrish有一個自己搭建的項目資源數據庫，然而當她在托萊多大學生化與癌癥生物學系開始助理教授生涯時，她需要一個更高級的可共享系統。這是構建新系統的最好時機，她說，因為你了解項目可以使用的所有的小鼠、細胞系和質粒。

　　Morrish對Labguru的客戶服務評價很高，稱這一系統節約了大量時間。它通過將產品數量、供應商和當前訂單放在一起，將訂購流程化，她說。Labguru保存了實驗室小鼠的所有基因型，以及包括圖譜的質粒信息。Morrish認為該系統對于定位物品來說尤其有用。“想想看我們在找東西上浪費了多少時間。”她說，“現在我一需要找東西時，即使不問其他人，也能在數據庫中輸入名稱并找到它。”她接著說，“當然，人們需要將找到的東西放回原處。”她的實驗室有一名實驗員每周定期比對數據庫檢查庫存。

　　在更高的層面上，該系統可以促進團隊交流，例如通過便捷的數據交換。它也是最好的實踐教學，Morrish說，“它幫助學生用任何數據庫都可以掌握這一技能，你需要正確、一致地輸入信息，否則就找不到它。”

　　可控數字化

　　基于科研的商業機構也十分欣賞數字化研究管理的效率，但是長期的穩定性也至關重要。“挑戰在于確保數據從現在起20年的可達性和可用性。”Dathe說。選擇主流的信息供應商，如IDBS、PerkinElmer或者Accelrys可能會提供較為持久的保障，但是市場是動態的，任何機構都可能面臨改變。在過去的幾十年間，賽默飛世爾公司收購了InnaPhase公司，PerkinElmer公司購買了Labtronics、CambridgeSoft和ArtusLabs公司，擁有漫長并購和收購史的Accelrys最近也被法國的軟件公司Dassault所收購。誠然，合并后的公司仍力求保留用戶。“我們依然擁有自上世紀90年代就研發出來的軟件，我們也經常會為客戶指明前進的道路。”Accelrys公司高級副總裁Leif Pedersen說。

　　盡管如此，產業界并不都采用實驗室信息化系統。但即使是食品藥品監督管理局這樣的機構都鼓勵使用電子文檔，Dathe說，“制藥廠商通常都比較保守，它們認為已經被監管機構所接受的紙質系統通常更容易、更便宜。”

　　丹麥的LEO制藥廠的信息化探索與數據管理部負責人Ulrik Nicolai de Lichtenberg研發了一種致力于商業信息化系統的模型。他說，起初是利益相關者的深入分析。定義出你的需求、目標和“能承受多大的痛苦”，也就是使用新系統所要耗費的時間、金錢和努力。要意識到你的ELN或者LIMS只是信息生態系統的一部分。LEO制藥廠為其藥物化學研發部門選擇了Accelrys公司的ELN，但ELN只是de Lichtenberg團隊設計的整套復雜的基礎設施中的一個元素。他們的系統會捕獲、驗證并永久存儲記錄，一旦發生知識產權訴訟，這些記錄將會易于獲取、搜索并能夠提供法律依據。這是一項復雜的計劃，de Lichtenberg建議從獨立顧問那里尋求建議，因為他們懂得不斷變化的信息化市場。

　　“云”端之上

　　Atrium研究咨詢公司首席執行官Michael Elliott為de Lichtenberg提供建議，并支持他的方法。他說，“不要迷戀于一個示范產品，要向深層次看，檢驗信息化系統的潛在能力。”客戶們的理想系統能夠流程化管理、確保存儲的安全持久，同時快速檢索所需信息。一個理想的系統甚至能夠找到“暗數據”（能夠回答目前研究問題的早期數據，但是淹沒于雜亂的數據中）。客戶需要的是可擴展性、用戶友好的界面和杰出的全球支持。然而，不同產品在這些能力上存在差異，Elliott說，“不要只依靠宣講和品牌名稱來做選擇，而要仔細考慮你當前和未來的需求。”

　　如果可擴展性和易于使用性是第一需要，那么可以選擇基于云的系統，如Core Informatics。原則上來說，云系統可以存儲無限量的數據，而且網絡瀏覽器的接入方式為用戶提供熟悉的界面。基于瀏覽器的系統不需要專門的軟件，因此也易于升級。信息化供應商也提供了用戶友好的模塊化軟件包。類似于選擇手機應用，用戶僅需要選擇他們所需的組分。

　　同時進入視線的entire有更好的移動性和兼容性。研究者現在都攜帶智能手機和平板電腦進入實驗室，因此信息化研發者正在打造與手持設備兼容的產品。數據日益需要在不同的設備和信息化平臺上匯編，因此，Pedersen表示，他個人正在推動促進信息共享的標準化提升工作。然而，曾經的現實主義者Elliott也表示，標準化的進程也十分緩慢，因為即使是在同一個部門，用戶也可能采用不同的術語和定義。Elliott說，推動科學信息標準化和數據集成優化的驅動力，“是走向更加協作的工作”。

　　在信息化提升的愿望清單上，Dathe加入了數據的背景特性，即該數據何時何地被哪項研究采集。數據應該與相關的分子和臨床信息以及整個數據產生過程相鏈接，包括使用儀器的類型和狀態。Dathe說，“沒有這些背景，我們所采集的海量數據將毫無意義。”

　　開放的心態

　　調整海量數據規模是Britt Piehler的工作，作為LabKey軟件公司的總裁，他開發了用于數據管理和整合的工具。他說，全球化和多點合作的趨勢意味著，項目經理必須要協調從各個站點、在多樣環境下、以各種儀器采集的數據。“這正是LabKey起作用的地方。”Piehler說，“我們為具體任務打造工具，通常是為多點合作計劃打造的數據整合，這些計劃需要對各種各樣的數據進行標準化。”LabKey軟件公司的一個不尋常特性就是其產品是開放源碼。

　　“我們成長于學術群體。”LabKey公司科學拓展部主任Elizabeth Nelson說，“因此我們相信軟件平臺的優勢在于免費獲取。”開源代碼使得研究者可以量身定做他們的系統，Piehler說，LabKey工具的構建和分享形成了一個社區。

　　如果代碼是免費的，那么LabKey提供什么呢？“定制化”，Piehler說。LabKey軟件公司的專家可以打造出直接解決Dathe數據背景需求的工具，例如加入人口統計信息。在2013年8月，開源和開放獲取通過LabKey相結合，以提升科學的透明性和再現性。在一項發表于《新英格蘭醫學雜志》上的脈管炎治療臨床試驗中，利用LabKey的開源平臺搭建網絡入口，免費向公眾開放除去了參與者識別信息的數據。

　　對于那些致力于透明化和自己動手（DIY）的研究者來說，開源工作流程管理工具是一項選擇。加州大學圣克魯茲分校生態與進化學博士后研究員Carl Boettiger已經經歷了完整的DIY實驗室記錄本之旅。起初Boettiger將可開放獲取的實驗記錄保存在OpenWetWare平臺上。“這有點激進”，Boettiger說，“任何人都能進入并且編輯他人的筆記，盡管這不常發生。”在OpenWetWare之后，Boettiger轉向了能讓他加強控制自己的研究記錄的平臺，這次是通常用于發表博客的WordPress平臺。Boettiger目前使用在線軟件開發網站GitHub作為他的記錄本，并利用Jekyll網站生成軟件在線發表他的記錄本。

　　博客型的ELN為你的研究建立了強大的歷史保險柜，Boettiger說。這將使欺騙無所遁形，因為任何改變都會留下記錄。你可以選擇公開、隱私的內容并受密碼保護。他說，當你在學術會議上與人交談或回復審稿人的要求時，你可以直接在手持設備上調出記錄，回顧你在何時做了哪些嘗試，以及如何做出來的。

　　下一步呢？

　　Boettiger說，“實驗記錄趨向開放性和協作，更安全，更加自動化。”Boettiger和Dathe分別是圣克魯茲的生態學家和巴塞爾的藥物研發和信息技術專家，盡管他們的觀點應該有所不同，但是他們對于未來實驗室有著近乎科幻的一致觀點。在這個愿景中，科學家只管做他們的工作，自動跟蹤系統就會同時記錄數據。條形碼會標明使用的試劑、樣品和儀器，為數據的后續分析提供背景。整個的過程也將被記錄下來，展現出每個字節的出處，并最終建立知識產權的聲明。“這將提供更廣泛的數據記錄，只要你愿意就可以透明化并可以分享。”Boettiger說。一個完全自動化的系統能夠不用人工數據輸入就可以采集實驗細節，使研究簡化。然后，我們所需要的只是將試劑歸位的機器人。