生物成像普及化

斯坦福生物工程师Manu Prakash同样相信，任何人都可以使用廉价的显微镜进行高质量的研究。“我在印度长大，这是我思考科学的一部分，”Prakash解释说。“获取工具是我在科学进步中看到的最重要的瓶颈之一。我亲眼看到了这一点，当我在2011年开始我的实验室时，我有机会对此做点什么。”

首先，Prakash设计了Foldscope，这是一种由纸板和透镜组装的光学显微镜，生产成本不到1美元——完美体现了他的“节俭科学”哲学。印度生物技术部与Prakash合作，将这些设备分发给全国的学生，而在非洲，用户使用这种纸制显微镜来诊断疟疾等疾病。从他设计、生产和分发Foldscope的工作中学到了很多关于进行社区驱动项目的经验，他正在将这些经验应用到另一个节俭科学项目：一个名为Squid（简化定量成像开发和部署）的成像设置及其临床级对应物Octopi。

Squid是一套模块化组件，可以根据用户的需求组装成各种显微镜。“到目前为止，我们已经展示了37种不同类型的显微镜，它们可以使用相同的模块化工具工作和操作，”Prakash说。他指出，机构的显微镜通常太脆弱和昂贵，任何人都可以使用——即使在资源丰富的环境中也是如此。有了Squid，设计耐用且鲁棒性强，并鼓励用户将其拆开并重新组装，并尽可能多地修改它。“所有的软件都在GitHub上开放，这在三四年前就开始了这个连锁反应，”他说。“许多加入的合作伙伴带来了我们没有想到的全新应用。”在利比里亚，研究人员使用该设备开发了一种埃博拉检测；在柬埔寨，用于进行登革热ELISA测试的工具。拉丁美洲的一个小组正在构建一个微流体组件。

“人们想要构建新事物，”Prakash说。“当你公开分享这些基于显微镜的工具和随之而来的AI引擎时，其他个人也能够构建完全新的应用。”到目前为止，全球实验室大约有150个Squid单元；Prakash说，甚至有一个已经进入太空。现在有一个名为Cephla的制造设施，用于构建和分发Squid和Octopi的核心组件，供希望获得现成的而不是自己动手制作的研究人员使用。“我们需要能够兑现大规模生产低成本显微镜的承诺，”Prakash说。“任何人都可以在上面构建和贡献。”用户创建的附加组件，就像核心组件一样，可以在网上免费获得。他说，重要的是使用Squid的研究人员分享开放获取的理念。“如果有一个完全新的应用，实际上对学术团体来说，在其上构建会更好，”他说。“如果我用这个平台想出了一些新的东西，我把它分享回去，那么使用这个平台的每个人都应该能够访问它。

”Prakash正在与包括塞内加尔、马达加斯加、利比里亚和刚果在内的国家的合作伙伴合作，制定一个国家规模的战略，以建立成像社区，研究人员在那里开发新工具并相互分享，而不是采用中心辐射模型。他设想的未来是光学成像技术变得像手机和个人电脑一样普遍和容易获得。“这就像科学的无线时刻，”他说。“我们可以在许多国家跨越生物医学研究。”

Teng-Leong Chew是Janelia研究校区高级成像中心（AIC）的主任，这是一个开放获取成像中心，接受来自世界各地的研究人员的提案，让他们使用其仪器。在他们的头八年里，Chew说，AIC只收到了一个来自非洲的提案。2020年，Chew启动了成像非洲研讨会，以扩大整个大陆对显微镜技术的认识，提供显微镜技术培训，并鼓励非洲科学家之间的合作。该研讨会的成功加速了整个过程，2022年，AMI诞生了。

“非洲显微镜倡议的创建极大地提高了非洲对显微镜的认识，”Chew说。“更重要的是，它提高了一个简单的认识，即他们并不孤单；每个人都在努力合作，只是他们没有连接。”在过去的几年里，非洲向AIC提交的申请数量大幅增加，现在占提案的10-20%。“人们申请意味着他们有希望，”Chew说。“他们不再感到被排斥，这种心态的变化实际上非常重要。”

除了外联和教育项目，AMI在南非开普敦大学维护了一个开放获取成像中心。在任何非洲非营利机构工作的研究人员都可以提交提案来使用这些仪器，AMI将承担费用，包括旅行和住宿，以及提供访问后图像分析支持。虽然这是一个很好的机会，但事实证明，研究人员很难围绕他们从未使用过的仪器规划研究提案。

开普敦大学的Caron Jacobs是非洲生物成像联盟（ABIC）的联合创始人，该联盟成立于2022年，建立在成像非洲的成功基础上。“在非洲，每个方面都有挑战，”她说。“我们必须同时解决所有方面的问题。”例如，如果实验室没有接受过使用该设备培训的人员，就很难说服机构资助设备，但对于研究人员来说，在培训结束后无法再访问他们接受培训的仪器，这也很令人沮丧。实际上，这种恶性循环意味着许多研究人员对成像技术不够熟悉，不知道如何开始设计实验。

“如果你从未使用过这项技术，你如何计划一个测定？”Jacobs指出。“人们很容易完全低估在一个多人使用相同应用程序并讨论如何规划实验的环境中的影响。如何思考荧光蛋白，如何思考焦点，光学原理，”她说。“我们一直期望研究人员因为互联网上有可用的东西而神奇地掌握它，但这就像从消防水龙带喝水一样。”ABIC正在努力扩大非洲成像科学家之间的合作，希望创建更多的同行培训和资源共享，而不是研究人员总是寻求全球北方的合作或设备捐赠。“它旨在‘建立非洲内部的社区，使其成为对世界其他地区具有吸引力、得到良好支持和合作的伙伴，处于平等地位，’Jacobs说，‘更像是一个公平的合作合作伙伴关系，而不是目前经常发生的情况，无论是慈善还是剥削性合作合作伙伴关系。”

例如，高收入国家的研究人员可能会向非洲科学家捐赠使用过的仪器，而不考虑接受者是否有能力适当安置它们或接受培训以充分利用它们。这些捐赠的仪器没有制造商的维护支持，甚至可能已经停产。“很容易将低收入国家变成垃圾场，”Chew说。他注意到，通常，显微镜公司提供折价交易，以诱使用户升级。“许多这些交易的仪器非常新，只有两三年的历史，完全运行良好并得到良好维护，”Chew说。“这些仪器坐在仓库里，直到公司用完空间，然后它们就去了垃圾填埋场。这只是对资源的令人心碎的浪费。”

为了在不牺牲客户支持的情况下促进仪器捐赠，AMI正在启动一个名为PEER的计划，或设备交换和再利用计划。PEER背后的最初想法是，交易的仪器可以捐赠给服务不足地区的科学家，并得到制造商的支持，用于安装和维护。AMI还将与接收机构合作，确保该机构有专门的仪器联系人，并且该联系人有他们需要的培训和支持。“这是一个非常新的计划，”Chew说。“一旦我们更多地了解实地情况，我们面临的挑战，然后我们将变得更聪明，并进行必要的改变。”不平等合作的另一个陷阱是“人才流失”的风险。将人们送到最先进的设施进行培训可能会适得其反，英国苏塞克斯大学的神经科学家Mahmoud Maina说。当这些研究人员回到家时，他们可能会因为培训超出了他们可用资源而感到沮丧。他们可能会失去动力或开始寻找出国的方式。“你真正需要的是一个机会，你有设备，你有培训，理想情况下，你也有资金支持人们收集一些初步数据，”他说。“我们不能为整个非洲的机构提供设备，这就是枢纽的想法。”

2021年，Maina在尼日利亚的Yobe州立大学建立了一个名为生物医学科学研究和培训中心（BioRTC）的研究中心，为尼日利亚乃至西非其他国家的科学家提供成像设备的访问权限。将该中心建立为核心成像设施，他说，提高了对正在进行的研究的认识，并有助于解锁更多的地方资金。“当地方机构看到已经有来自外部资助者的投资时，他们也想要进行类似的投资，”他说。为了启动BioRTC，Maina从Wellcome Trust和CZI获得了资金，并从世界其他地方的机构收集了捐赠的设备。由于项目的成功，尼日利亚政府现在正在为他们建造一个专用设施。“它让人们进入州接受培训，”他说。“在我们的第一年，我们有一两个实验室空间。在第二年，政府将我们搬到了一个临时地点。现在我们正在完成中心的永久地点，他们正在给我们年度预算。”拥有一个区域中心避免了必须前往欧洲、北美甚至南非的设施的问题，所有这些地方都可能难以获得签证。这也是建立势头的一种方式，Maina说，因为研究人员有机会与当地地区的其他研究人员建立联系。理想情况下，他说，整个非洲将建立多个这样的中心。

尽管核心设施提供了好处，但个别研究人员可能仍然没有足够的支持，无法充分利用这些共享资源。“当我们在BioRTC培训你时，我们告诉你，现在你自动有权使用这些设施，”他说。“你可以回来做你的研究。我们不会向你收取任何设备使用费，但你只需要购买你的抗体。”在BioRTC接受培训的300多人中，不到10%的人回来了。“部分原因是因为他们没有资金购买抗体，以便现在回来继续。”

Maina开始使用基础赠款创建政府有信心资助的东西，但有时资金流向是相反的。演变成LABI的合作伙伴关系源于墨西哥和乌拉圭政府之间的合作；该组织在2021年作为全球生物成像会议的一部分首次亲自会面。“我们受到国际网络的强烈激励，”乌拉圭Institut Pasteur de Montevideo和Universidad de la República联合运行的核心设施高级生物成像单元（UBA）的Leonel Malacrida说。他是LABI的创始成员。该小组在2022年获得了CZI全球生物成像获取赠款，允许他们聘请行政人员并创建一个更正式的组织，包括专注于外联、培训和教育、通信和其他领域的工作组。“我们很兴奋，因为我们在短时间内取得了很大的增长，”Malacrida说。“成为其中的一部分真是一个惊人的时刻。”

LABI的使命涉及三个支柱：建立能力，如培训研讨会等活动；建立社区，通过年度会议和其他活动；促进与国际生物成像社区的全球一体化。今年6月，LABI在阿根廷布宜诺斯艾利斯举办了其首个“培训培训师”研讨会。来自不同国家显微镜设施的工作人员参加了学习如何在他们自己的机构领导光学显微镜基础课程。Malacrida在UBA举办了六年的显微镜研讨会，LABI研讨会的理念是为成像设施工作人员创建一个支持网络。“我们追求的一个主要目标是促进一个可以帮助彼此的培训师社区，”Malacrida说。“当你是唯一一个运行核心设施的人，或者甚至只有一两个显微镜时，如果你想运行一个课程，这可能会压倒性。”

尽管拉丁美洲有多个核心设施，“该地区的情况是多样的，”Malacrida说。“LABI在理解该地区核心设施的价值方面非常重要——即使在两三年前，这一点也没有得到很好的理解。”传统上，观点是机构资源供该机构的工作人员使用，而不是向任何敲门的科学家开放。资源共享文化开始流行，但拉丁美洲与欧洲有一些关键差异，带来了挑战。例如，没有拉丁美洲相当于欧盟的机构，很难在不同国家和政府之间进行协调。“你不能有，例如，一个可以资助技术或研究的区域研究和创新机构，”Malacrida指出。“你不能支持LABI通过一个区域政府。如果你有来自巴西的资金，这笔资金不能在乌拉圭支付在这里雇佣的人。”相反，拉丁美洲比欧洲有某些优势。例如，非洲人更容易获得拉丁美洲国家的签证，而不是欧洲或北美。“真正给我很多希望的是，南南合作有很大的空间，”他说。

在今年的LABI培训研讨会上，例如，三名非洲科学家申请参加。最近，一位尼日利亚科学家收到了一台用于光谱成像的捐赠仪器，他联系了Malacrida，因为他在这一领域有专业知识，看看他是否会接待一名学生并培训他。Malacrida同意了，并获得了旅行资金。“现在，我们将为尼日利亚的这个设施开放机会，这将帮助该地区的许多其他人，他们拥有的技术，”他说。“对我来说，这些是最令人兴奋的事情。”

神经科学家Satoshi Ogawa来自马来西亚莫纳什大学，两年前首次参与GBI，一位同事邀请他参加在日本举办的生物成像研讨会。那次研讨会导致Ogawa参加了2023年在南非举行的GBI会议，在那里他与世界各地解决类似问题的人联系。“每当我们尝试进行生物成像实验时，我们从一开始就受到限制，因为基础设施不可用，”他说。GBI会议是开眼界的，他说。看着GBI的区域生物成像网络地图，他注意到一个明显的差距：东南亚。“除了新加坡，没有人，”他说。“事实上，在马来西亚，每当我们想要访问一些成像基础设施时，我们不知道要和谁交谈，或者在该国哪里可以找到这些仪器。”

在新加坡，科学技术研究局（A*STAR）资助了SingaScope，这是一个显微镜基础设施网络，连接了新加坡的研究人员，并促进了设备和专业知识的共享。“一个关键成就是建立了一个全面的数据库，涵盖新加坡的所有能力，以便用户可以搜索，可以找到正确的设备，重要的是，可以找到正确的专家去交谈，”A*STAR显微镜平台主任Graham Wright说。

今年早些时候，Ogawa和Chew在马来西亚组织了一个研讨会，对生物成像感兴趣的学生和研究人员可以相互见面，分享他们面临的问题，并讨论可能的解决方案。“我们学到了很多东西，”Ogawa说。“我多次听到的是，‘有一台显微镜可用，但没有人知道如何使用它’。或者‘大学不为维护成本分配资金，所以这些昂贵的机器从未因为缺乏维护而得到利用’。”Ogawa意识到，首先需要建立研究人员之间的沟通，然后才寻求更多仪器的资金。“建立联系是第一步，”他说。有一个有凝聚力的社区将有助于阐明可用的基础设施及其位置，以及最紧迫的需求，不仅在马来西亚，而且可能在整个东盟国家。

“东盟地区通过相对低成本的航空公司非常连接，所以人们可以四处走动以获取仪器，”Wright说。“新加坡拥有愿意分享的卓越仪器舰队。”Wright正在与Ogawa密切合作，为东盟国家开发一个生物成像网络。首先，他们正在接触每个国家的联系人，了解已经做了什么，并将人们纳入培训和资源共享。“今年晚些时候，我们将在新加坡举办一个设施管理课程，”Wright说。“我们举办很多活动，我们现在受到启发，确保我们针对更广泛的东南亚社区。”在显微镜基础设施方面，不同国家可能处于不同的发展阶段，但所有国家都可以从强大的本地网络和增加参与全球研究生态系统中受益。“基层社区努力可以非常有效，”Wright说。“像全球生物成像等组织已经帮助创建了如何与资助者交谈，或者如何与政府接触的材料，这些举措非常好，以及展示了这些努力可以产生的影响和潜在价值。”

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