如何写好可重复实验方案？|《自然》技术特写

源济

如何写好可重复实验方案？|《自然》技术特写

Original Nature Portfolio Nature Portfolio  2021-12-11 12:40

原文作者：Monya Baker

要让其他人能重复研究结果，有效分享实验方法十分关键。而现在有大把工具可以帮忙。

每个实验室科学家都有自己的恐怖故事：不知道一个五分钟的步骤，最终多耗了五个月甚至五年。或者在培养皿间分细胞时转了盘子；又或是出版的实验方案中写明清洗样品一次、加热三次，但其实恰好相反，结果样品死于出版指南之手。

在《自然》2016年的一项调查中，超过百分之六十的受访者表示他们曾试着重复其他研究人员的实验，结果失败了。美国细胞生物学会的一项投票也发现，超过百分之七十的投票者有重复实验结果失败的经历。其中最常见的解释是：原始实验方案中的细节并不完整。

插图：The Project Twins

Tim Errington对此并不意外。作为美国开放科学中心（Center for Open Science）的研究主任，Errington管理着可重复项目：肿瘤生物学（RP：CB），该项目自2013年起对肿瘤生物学界的杰出论文进行重复。Errington发现，方法解释不通有两个常见原因：一是缺乏提高动力或相关培训去改进描述；二是科研人员假定所有人都以同种方式工作，没有意识到那些决定成败的细节。他说，代表这种想法的危险信号是“标准”这个词：“没有什么‘标准’实验方案，它只是你实验室的标准。”

Elizabeth Iorns则认为情况有所改善。她是RP：CB发起人之一，也是美国Science Exchange的执行总裁，该平台提供科研外包服务。她说：“人们现在能用的文档资料和工具有了许多进步。”她说，转向自动化实验和数据收集也有所帮助，而且科研人员越来越意识到他们需要精准地描述试剂。

Errington提醒说只有当人们广泛使用这些工具时，才能推动可重复性的进步。“即便我们现在有这些工具，它们还没有系统性部署，也没有回报。”

倡导科研改进的人士认为，更准确地交流实验方法需要在心态和工作流程上做出改变。以下是一些有用的策略。

随时记录

如无特殊情况，请考虑一下如何共享从首日开始的实验方案。过去五年里，包括《自然》在内，有数家知名期刊已经对论文所报告的实验细节加强了要求。许多出版商鼓励在数据库中存档实验方法，例如Nature Portfolio的Protocol Exchange、protocol.io、以及Bio-protocol。protocol.io的首席执行官Lenny Teytelman说，等提交手稿的时候再去收集这些细节，会让研究者艰难地回头挖掘那些原本可以轻易搜集的信息。他说：“在做实验时记录信息，磨刀不误砍柴工。”

少写多展示

2014年，美国丹娜-法伯癌症研究所的乳腺癌学者Kornelia Polyak展示了分享实验方法的棘手之处（W. C. Hines et al. Cell Rep. 6, 779–781; 2014）。即便共享样品和试剂、巨细靡遗地讨论了实验方法，她在加州的合作者在流式细胞术实验中得到的结果还是截然不同。造访对方实验室后才真相大白：分离肿瘤组织时，一组采用剧烈摇动六至八小时，另一组则轻轻晃动十八至二十四小时。当两组都采用相同的、缓慢摇动的方法时，结果终于一致了。如今，Polyak的实验室制作了非正式的视频，新成员在开始一些实验之前就能观看。

位于马萨诸塞省剑桥的《可视化实验期刊》（Journal of Visualized Experiments）允许研究人员提交有关实验方法的文字叙述，以供同行评议。如被接受，杂志社将派摄制人员拍摄一天，再将实验过程剪辑成8-15分钟的视频。2006年创立该期刊的Moshe Pritsker说，这样一来，研究人员既能让自己的工作得到认可，又能说服别人采取他们的方法，并且拓宽一个领域，

Errington认为时间线和图表也很有价值。在他协调的一项重复研究中，原作者、审稿人和实验重复人员进行了密集沟通，以商定实验方案，但最后实验鼠却虚弱到无法完成实验（K. Eaton et al. eLife 7, e34364; 2018)。后来发现，由于对时间点的叙述模糊不清，重复人员开始测量的时间比原始实验晚了数周。Errington说，一张流程图能从一开始就避免这类混乱。

他说，存在许多好用的相关工具。例如英国国家实验动物3R研究中心的“实验设计助手（Experimental Design Assistant）”，这是一个帮助科研人员规划动物实验的网络平台。它在工作开始前收集有关报告要求，并以图表形式清晰地呈现。不过，他说，研究人员倾向忽略图表，更关注文字段落。

Errington敦促研究人员在设计和进行实验时，不用多想那些冗长的实验方案，而要多多考虑结合线上工具，从而共享相关信息。（这样做还有个额外好处：能显示出什么没有用，例如没能发挥作用的商业试剂——这类信息通常情况下很难获得。）任何用来共享数据的方法也都可以用于共享实验方案，他提到了电子实验记录本（electronic lab notebooks）或如Zenodo、GitHub、Figshare等信息库。问题只在于能否意识到这样做的必要性。

关联、模板、标准化

Ingo Przesdzing说，尤其是电子实验记录本（ELN），可以作为联系起实验方案、试剂细节、相关实验，以及推动实验进展的其他要素的关键。他是德国柏林健康研究所的ELN项目领导者。他说相较传统的手写记录，ELN能更有效地收集那些关键细节，而能够标记实验成功或失败的工具也有助于共享和问题排除。然而只有经过适当培训的用户才能发挥它们的益处，他说，否则人们就会像使用纸质笔记本一样使用ELN，浪费了数码产品的优势。

英国剑桥格登研究所的信息科技主任Alastair Downie帮助了许多当地实验室建立ELN，他说，电子实验室和研究记录本也有助于在提供实验灵活性的同时，建立标准化方案和记录。他说，准备好合适的模板能让沟通“做什么”变得十分简便。“（使用模板）成为了一项巨大优势，所有人都在用同样的语言交流。”

存储和记录试剂

无数实验出了岔子，是因为科研人员拿到了错误的细胞系或试剂。现在，美国ATCC、Addgene和杰克逊实验室（the Jackson Laboratory）等机构，分别能为细胞系、质粒和基因工程小鼠的供应把关，经过质量检查后分发给其他研究人员。许多期刊（包括《自然》）要求科研人员将研究材料录入上述机构的数据库。这样做能省去实验室分发此类信息的负担，并且确保其他科研人员能及时收到优质材料。

还有一些工具可以标准化记录商业试剂，例如来源鉴定倡议（Resource Identification Initiative）为每种试剂分配单独的、持久的标识符，即使公司歇业或修改产品编号，这些标识仍然存在。超过六百家期刊（包括《自然》）鼓励使用这些标识符。譬如填写实验记录本，也可被用于撰写手稿时简化研究写作、问题排查和可重复性。

Polyak说，一个常常被忽略的点是，理解每个步骤背后的原理也有助于提高可重复性。据此，科研人员能根据实验室独有的情况进行问题排查。她认为现成的工具套组削弱了人们的推理能力。哈佛医学院单细胞核心设施主任Luciano Martelotto认为：对于可重复性来说，好的实验方案“提供充足的细节”，而更好的方案是帮助科研人员理解每条步骤——例如为何使用某一种RNA抑制剂而非其他。

沟通

Martelotto认为，新兴方案共享工具最具影响力的一点，在于实现了人们之间的对话，从而沟通实验技巧和进行扩展。他通过protocols.io主持一个名为“单细胞忍者（single cell ninjas）”的小组，致力于帮助科研人员成功完成单细胞实验。他说，关于实验方法的更新、更正以及互动正在成为一种科学常态。

澳洲国立大学的Benjamin Schwessinger说，或许因为实验方案看上去不如论文正式，研究人员更有可能提出各种问题。Benjamin研究植物-微生物相互作用，他协助发起了“Reproducibility for Everyone”的项目，帮助研究人员共享方法和数据。他说相较他的论文，更多人来向他询问实验方案，或仅仅只是感谢他分享这些方法，以及解释他们为不同生物做出的修改。每当人们在protocol.io和社交媒体上评论他的实验方案时他都会收到提醒。“人与人的沟通是自然而然的，”他说：“你要做的只是打造一个可供交流的社区。”

原文以Five keys to writing a reproducible lab protocol为标题发表在2021年9月6日《自然》的技术特写版块上