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Em uma época em que o progresso científico é fortemente impulsionado pela tecnologia, lidar com grandes quantidades de dados tornou-se uma faceta integrante da pesquisa em todas as disciplinas. O surgimento de novos campos, como biologia computacional e genômica, ressalta a crítica a utilização proativa da tecnologia. Estas tendências são certas continuar devido à lei de Moore e ao progresso constante ganhado dos avanços tecnológicos1,2. Uma consequência, no entanto, é o aumento das quantidades de dados gerados que excedem as capacidades dos métodos de organização anteriormente viáveis. Embora a maioria dos laboratórios acadêmicos tenha recursos computacionais suficientes para lidar com conjuntos de dados complexos, muitos grupos não possuem a experiência técnica necessária para construir sistemas personalizados adequados para o desenvolvimento de necessidades3. Ter as habilidades para gerenciar e atualizar esses conjuntos de dados continua a ser fundamental para um fluxo de trabalho e saída eficientes. Preencher a lacuna entre dados e conhecimentos é importante para lidar, reatualizar e analisar de forma eficiente um amplo espectro de dados multifacetados.
A escalabilidade é uma consideração essencial ao lidar com grandes conjuntos de dados. Big data, por exemplo, é uma área florescente de pesquisa que envolve a revelação de novos insights de processamento de dados caracterizados por grandes volumes, grande heterogeneidade e altas taxas de geração, como áudio e vídeo4,5. O uso de métodos automatizados de organização e análise é obrigatório para que esse campo manuseie adequadamente torrentes de dados. Muitos termos técnicos usados em big data não são claramente definidos, no entanto, e podem ser confusos; por exemplo, os dados de "alta velocidade" são frequentemente associados a milhões de novas entradas por dia, enquanto os dados de "baixa velocidade" podem ser apenas centenas de entradas por dia, como em um ambiente de laboratório acadêmico. Embora existam muitas descobertas interessantes ainda a serem descobertas usando big data, a maioria dos laboratórios acadêmicos não requer o escopo, o poder e a complexidade de tais métodos para abordar suas próprias questões científicas5. Embora seja inquestionável que os dados científicos se aumentem cada vez mais complexos com o tempo6,muitos cientistas continuam a usar métodos de organização que não atendem mais às suas necessidades de dados em expansão. Por exemplo, programas convenientes de planilhas são frequentemente usados para organizar dados científicos, mas à custa de serem incaláveis, propensos a erros e ineficientes de tempo a longo prazo7,8. Por outro lado, os bancos de dados são uma solução eficaz para o problema, pois são escaláveis, relativamente baratos e fáceis de usar no manuseio de conjuntos de dados variados de projetos em andamento.
Preocupações imediatas que surgem quando se considera schemas da organização de dados são custo, acessibilidade e investimento de tempo para treinamento e uso. Frequentemente usados em configurações de negócios, os programas de banco de dados são mais econômicos, sendo relativamente baratos ou gratuitos, do que o financiamento necessário para suportar o uso de sistemas de big data. Na verdade, existe uma variedade de software de código aberto e comercialmente disponível para a criação e manutenção de bancos de dados, como Oracle Database, MySQL e Microsoft (MS) Access9. Muitos investigadores também seriam encorajados a saber que vários pacotes académicos do MS Office vêm com o MS Access incluído, minimizando ainda mais as considerações de custos. Além disso, quase todos os desenvolvedores fornecem documentação extensa on-line e há uma infinidade de recursos on-line gratuitos, como Codecademy, W3Schools e SQLBolt para ajudar os pesquisadores a entender e utilizar linguagem consultada estruturada (SQL)10,11,12. Como qualquer linguagem de programação, aprender a usar bancos de dados e código usando SQL leva tempo para dominar, mas com os amplos recursos disponíveis, o processo é simples e vale a pena o esforço investido.
Os bancos de dados podem ser ferramentas poderosas para aumentar a acessibilidade de dados e a facilidade de agregação, mas é importante discernir quais dados mais se beneficiariam de um maior controle da organização. Multidimensionalidade refere-se ao número de condições que uma medição pode ser agrupada contra, e bancos de dados são mais poderosos ao gerenciar muitas condições diferentes13. Por outro lado, a informação com baixa dimensionalidade é mais simples de lidar com o uso de um programa de planilha; por exemplo, um conjunto de dados contendo anos e um valor para cada ano tem apenas um possível agrupamento (medições contra anos). Dados de alta dimensão, como de configurações clínicas, exigiriam um grande grau de organização manual para manter efetivamente, um processo tedioso e propenso a erros além do escopo dos programas de planilha13. Os bancos de dados não relacionais (NoSQL) também cumprem uma variedade de funções, principalmente em aplicativos onde os dados não se organizam bem em linhas e colunas14. Além de serem frequentemente de código aberto, esses esquemas organizacionais incluem associações gráficas, dados de séries de tempo ou dados baseados em documentos. NoSQL se destaca em escalabilidade melhor do que SQL, mas não pode criar consultas complexas, de modo bancos de dados relacionais são melhores em situações que exigem consistência, padronização e dados em larga escala pouco frequentes muda15. Os bancos de dados são os melhores em agrupar e reatualizar efetivamente os dados para a grande variedade de conformações muitas vezes necessárias em ambientes científicos13,16.
A principal intenção deste trabalho, portanto, é informar a comunidade científica sobre o potencial dos bancos de dados como sistemas escaláveis de gerenciamento de dados para dados de "tamanho médio", de baixa velocidade, bem como fornecer um modelo geral usando exemplos específicos de experimentos de linha celular de origem do paciente. Outras aplicações semelhantes incluem dados geoespaciais de leitos de rios, questionários de estudos clínicos longitudinais e condições de crescimento microbiana na mídia de crescimento17,18,19. Este trabalho destaca considerações comuns e utilidade da construção de um banco de dados juntamente com um pipeline de dados necessário para converter dados brutos em formatos estruturados. Os conceitos básicos de interfaces de banco de dados e codificação para bancos de dados em SQL são fornecidos e ilustrados com exemplos para permitir que outros obtenham o conhecimento aplicável à construção de estruturas básicas. Finalmente, um conjunto de dados experimentais de amostra demonstra a facilidade e eficácia dos bancos de dados para agregar dados multifacetados de várias maneiras. Essas informações fornecem contexto, comentários e modelos para ajudar colegas cientistas no caminho para a implementação de bancos de dados para suas próprias necessidades experimentais.
Para fins de criação de um banco de dados escalável em um ambiente de laboratório de pesquisa, dados de experimentos usando células fibroblastos humanas foram coletados nos últimos três anos. O foco principal deste protocolo é informar sobre a organização do software de computador para permitir que o usuário agregue, atualize e gerencie dados da maneira mais econômica e eficiente quanto ao tempo possível, mas os métodos experimentais relevantes também são fornecidos para Contexto.
Configuração experimental
O protocolo experimental para a preparação de amostras foi descrito anteriormente20,21,e é apresentado brevemente aqui. As construções foram preparadas por revestimentos retangulares de revestimento giratório com uma mistura 10:1 de polidimitilsiloxano (PDMS) e agente de cura, aplicando então 0,05 mg/mL fibronectina, em linhas desorganizadas (isotrópicas) ou 20 μm com arranjos micropadronizados de 5 μm gap (linhas). As células fibroblastas foram semeadas na passagem 7 (ou passagem 16 para controles positivos) para os lábios em densidades ideais e deixadas para crescer por 48 h, com a mídia sendo alterada após 24 h. As células foram então fixadas usando a solução de paraformaldeído (PFA) de 4% e surfactante nonionic de 0,0005%, seguida dos lábios sendo imunossmanizadas para núcleos celulares (4',6'-diaminodino-2-fenilodole [DAPI]), actina (Alexa Fluor 488 phalloidin) e fibronecina (fibronecina policlonco-humano). Uma mancha secundária para fibronectina usando anticorpos IgG anti-coelho de cabra (Alexa Fluor 750 cabra anti-coelho) foi aplicada e agente de preservação foi montado em todos os coverslips para evitar o desbotamento fluorescente. Esmalte foi usado para selar coverslips em lâminas de microscópio, em seguida, deixou para secar por 24 h.
As imagens de fluorescência foram obtidas conforme descrito anteriormente20 usando um objetivo de imersão de óleo 40x juntamente com uma câmera de dispositivo acoplado à carga digital (CCD) montada em um microscópio motorizado invertido. Dez campos de visão selecionados aleatoriamente foram visualizados para cada deslizamento de cobertura em ampliação 40x, correspondendo a uma resolução de 6,22 pixels/μm. Códigos personalizados foram usados para quantificar diferentes variáveis das imagens que descrevem os núcleos, filamentos de actina e fibronectina; Os valores correspondentes, bem como os parâmetros de organização e geometria, foram automaticamente salvos em arquivos de dados.
Linhas celulares
Documentação mais extensa em todas as linhas de células de dados de amostra pode ser encontrada em publicações anteriores20. Para descrever brevemente, a coleta de dados foi aprovada e o consentimento informado foi realizado de acordo com o Conselho de Revisão Institucional da UC Irvine (IRB # 2014-1253). Células fibroblastas humanas foram coletadas de três famílias de diferentes variações da mutação genética lamina A/C (LMNA),mutação do sítio de emenda lmna heterozigêutica LMNA (c.357-2A>G)22 (família A); Mutação sem sentido LMNA (c.736 C>T, pQ246X) em exon 423 (família B); e mutação insensata LMNA (c.1003C>T, pR335W) em exon 624 (família C). As células fibroblastos também foram coletadas de outros indivíduos em cada família como controles relacionados de mutação negativa, referidos como "Controles", e outros foram comprados como controles negativos de mutação não relacionados, referidos como "Doadores". Como um controle positivo, as pilhas do fibroblasto de um indivíduo com progeria de Hutchinson-Gliford (HGPS) foram compradas e crescidas de uma biópsia da pele tomada de um paciente fêmea dos anos de idade 8 com HGPS que possui uma mutação25do ponto de LMNA G608G. No total, os fibroblastos de 22 indivíduos foram testados e utilizados como dados neste trabalho.
Tipos de dados
Os dados do fibroblasto caíram em uma das duas categorias: variáveis de núcleos celulares (ou seja, percentual de núcleos dismórficos, área de núcleos, excentricidade de núcleos)20 ou variáveis estruturais decorrentes do parâmetro de ordem orientacional (OOP)21,26,27 (ou seja, actino, fibronectina OOP, núcleos OOP). Este parâmetro é igual ao eigenvalue máximo do tensor médio da ordem de todos os vetores da orientação, e é definido em detalhe em publicações precedentes26,28. Esses valores são agregados em uma variedade de possíveis conformações, como valores contra idade, sexo, estado da doença, presença de certos sintomas, etc. Exemplos de como essas variáveis são usadas podem ser encontrados na seção de resultados.
Exemplo de códigos e arquivos
Os códigos de exemplo e outros arquivos com base nos dados acima podem ser baixados com este papel, e seus nomes e tipos são resumidos na Tabela 1.