Zuckerberg-Fonds: Wie man optische Technologie und Biomedizin „findet“

Um die biomedizinische Technologie zu beschleunigen, hat der Entwickler von Facebook beschlossen, Imaging Scientists (Wissenschaftler, die sich mit dem Sammeln, Speichern, Suchen und Verarbeiten visueller Informationen befassen) zu finanzieren.



Konfokale Mikroskopie von Fibroblasten, die im Bindegewebe wichtig sind. Die Kerne sind blau, die aktinischen Fasern rot und das Tubulin grün markiert. Foto: iStock.com.

Die Erfindung des Mikroskops Ende des 16. Jahrhunderts ermöglichte es Wissenschaftlern, die mikroskopische Welt zum ersten Mal zu erkunden. Die Wissenschaftler brauchten jedoch weitere 200 Jahre, um das Mikroskop als wichtiges Instrument in der klinischen Medizin zu bewerten. Bilder von Molekülen, Zellen und Geweben sind heute ein entscheidender Schritt in der biomedizinischen Forschung und klinischen Praxis. Mängel in der Bildverarbeitungssoftware und die Verbreitung neuer Mikroskoptechnologien haben jedoch die Fortschritte in diesem Bereich verlangsamt.

Die Chan Zuckerberg Initiative (CZI) veranstaltete im vergangenen Jahr drei Bildverarbeitungsworkshops , die sich mit Rechenwerkzeugen für die Mikroskopie, die zelluläre und subzelluläre Bildgebung sowie die mesoskalige und makroskalige Bildgebung befassten. Wir haben auch sieben verschiedene Bildverarbeitungszentren in den USA und in Europa besucht. In den erhaltenen Rückmeldungen sahen wir die Möglichkeit, den Fortschritt auf dem Gebiet der Bildverarbeitung durch den Einsatz von technologischem Fachwissen zu beschleunigen. Dies wurde zur Grundlage unserer Forderung nach Bereitstellung von Informationssystemen für Wissenschaftler, die in der Wissenschaft des Sammelns, Speicherns, Suchens und Verarbeitens visueller Informationen (RFA) tätig sind.

Das neue Imaging Scientists- Programm von CZI zielt darauf ab, die Entwicklung von Biologie und Medizin zu beschleunigen, indem die Zusammenarbeit zwischen Biologen und Technologieexperten ausgebaut und damit die Mikroskopie-Tools verbessert werden. Das Programm wird bis zu 10 Wissenschaftler in diesem Programm dabei unterstützen, drei bis fünf Jahre in Bildverarbeitungszentren in den USA zu arbeiten. Diese Erfinder können Ingenieure, Physiker, Mathematiker, Programmierer oder Biologen sein, die sich auf optische Mikroskopietechnologie oder Datenanalyse spezialisiert haben.

Warum Bildverarbeitung?

Die Mikroskopie - die Hauptmethode der Zellbiologie - spielt eine zentrale Rolle in der Biologie und Medizin. Die Mikroskopie ist auch der Schlüssel zur Pathologie, die die Ursachen und Folgen von Krankheiten bestimmt. Neben der Mikroskopie bietet die medizinische Bildgebung eine wichtige Möglichkeit, eine Krankheit auf der Ebene des gesamten Organismus zu diagnostizieren. Die Verbesserung der Bildgebungsmethoden bedeutet die Verbesserung der weiten Bereiche der Biomedizin. Dies ist die Kernidee der Mission des CZI, Wissenschaft und Technologie zu unterstützen, die bis zum Ende dieses Jahrhunderts alle Krankheiten heilen, verhindern oder hemmen werden.

In den letzten zehn Jahren wurden technologische Fortschritte erzielt, die die Auflösung der optischen Mikroskopie dramatisch erhöht haben . Nun kann man beispielsweise in lebenden Zellen die Bewegung einzelner Moleküle beobachten, die mit fluoreszierenden Markern markiert wurden. Viele dieser neuen Mikroskope wurden jedoch nicht vermarktet, und Software zur Analyse dieser neuen Datentypen bleibt hinter den Fortschritten bei der Hardware zurück. Wir glauben, dass dieses Problem auf eine unzureichende Interaktion zwischen Biologen und Ingenieuren zurückzuführen ist. Unser Imaging Scientists-Programm hat sich zum Ziel gesetzt, dieses Problem zu lösen.



Der Forscher prüft, ob die Gewebe mit einem fluoreszierenden Antikörper (Alexa Fluor 555) angefärbt sind. Foto: Jobelle Peralta.

Unterstützung für das Image Center-Design

Bildverarbeitungszentren verwenden hochmoderne Mikroskope, Organbildgebungswerkzeuge und zugehörige Software für Forscher an Universitäten, medizinischen Zentren oder angeschlossenen Forschungseinrichtungen. Bei unseren Besuchen in Bildverarbeitungszentren haben wir von Biologen erfahren, dass sie den Kontakt mit Hardware- und Software-Ingenieuren sehr schätzen, aber diese Technik wird in der Biomedizin unterschätzt. Beispielsweise werden Ingenieure in US-amerikanischen Bildverarbeitungszentren häufig durch kostenpflichtige Dienste finanziert. Dieses Fehlen eines Treuhandfonds behindert ihren kreativen Einfallsreichtum, lässt ihre Erfahrung nicht in vollem Umfang nutzen und beschränkt ihre Aufmerksamkeit auf systemische Fortschritte, die das gesamte Feld verbessern könnten. Die Mittel aus dem CZI-Preis werden verwendet, um diese Lücke zu schließen, indem Gehaltskosten an Wissenschaftler gezahlt werden, die in der Wissenschaft des Sammelns, Speicherns, Suchens und Verarbeitens visueller Informationen tätig sind, damit sie in ihren Projekten intensiver und kreativer mit Personen interagieren können, die mit experimenteller Biologie befasst sind.

Verbesserung der Bildverarbeitungshardware und -software

Moderne Mikroskopie kann 3D-Bilder mit sehr hohen Geschwindigkeiten oder Zeitraffervideos für eine lange Zeit erzeugen. Die biologische Gemeinschaft versucht, so große Mengen verarbeiteter Bilder zu teilen, zu analysieren und zu visualisieren. Das bestehende Ökosystem von Open-Source-Tools erfüllt die dringendsten Anforderungen von Wissenschaftlern. Diese Tools sind jedoch nach wie vor schwierig zu verwenden, schwer zu interagieren und enthalten noch keine modernen Fortschritte bei der Entwicklung und Automatisierung von Benutzeroberflächen mithilfe von maschinellem Lernen. Darüber hinaus erfordern viele neue Mikroskope, insbesondere die in der Entwicklung befindlichen, spezielle Fachkenntnisse für die Montage und sogar für die Arbeit mit ihnen. Wir sehen, wie wichtig es für Biologen und Ingenieure ist, sich auf ihre Wissensgebiete zu konzentrieren und gemeinsam Probleme zu lösen, die die Teilnahme fortschrittlicher Technologien erfordern.

Wissenschaftler, die mit CZI zusammenarbeiten, werden direkt mit Biologen zusammenarbeiten, um die neueste Hardware und Software für die Bildverarbeitung zu verwenden und zu verbessern. Durch regelmäßige Diskussionen und Interaktionen ermittelt dieses Ingenieurteam vor Ort die Anforderungen der Software- und Dateninfrastruktur im Bereich der Mikroskopie, ermittelt, welche Softwarepakete derzeit am nützlichsten sind, wie diese Systeme verbessert werden können und ob eine völlig neue Software entwickelt werden muss. Im Rahmen unseres Interesses an Open Science verfügt CZI über eigene Vollzeit-Engineering-Teams, die gemeinsam mit Wissenschaftlern aus dieser Umgebung Software entwickeln, offene Entwicklungsseiten wie GitHub verwenden und Software veröffentlichen, die von unserem eigenen Team und unseren finanzierten Partnern innerhalb der zulässigen Grenzen entwickelt wurde Open Source Lizenzen



Fluoreszenzansicht menschlicher Hautzellen in Kultur unter einem Mikroskop. Die Kerne sind blau, die aktinischen Fasern rot und das Tubulin grün markiert. Foto: iStock.com.

Weiterer und schnellerer Austausch neuer Bildverarbeitungstechniken

Es reicht nicht aus, nur neue Technologien zu entwickeln, diese neuen Technologien müssen weit verbreitet und schnell verbreitet werden. Zusätzlich zu den täglichen Einzelgesprächen mit Biologen müssen Wissenschaftler, die mit CZI arbeiten, Kurse unterrichten, die moderne Mikroskopietechniken verbreiten und für Wissenschaftler und Studenten auf der ganzen Welt offen sind. Es wird auch erwartet, dass sie Teil eines breiteren Netzwerks von Bildverarbeitungsexperten werden, um Fortschritte in diesem Bereich und seine Bedürfnisse zu ermitteln. Zweimal im Jahr bieten wissenschaftliche Seminare und Treffen des CZI auf dem Gebiet der Bildverarbeitung und verwandten biomedizinischen Bereichen die Möglichkeit, Bekanntschaften zu schließen, Erfahrungen und Wissen auszutauschen und die Erfahrungen des jeweils anderen zu nutzen, um Verbesserungen in der Bildverarbeitungstechnologie zu erzielen.

CZI und Software

Das einzigartige Design der Chan Zuckerberg-Initiative kombiniert traditionelle philanthropische Unterstützung mit Softwareentwicklung mithilfe eines Vollzeit-Teams von Software-Ingenieuren. Teams dienen den drei Säulen des CZI: Wissenschaft, Bildung sowie Gerechtigkeit und Chancen. Die entwickelte Software wird in der Regel mit Open Source Code frei verbreitet und in Zusammenarbeit mit externen Entwicklern und Anwendern entwickelt. Durch die Zusammenarbeit mit Akademikern, Pädagogen und dem Sektor der sozialen Dienste kann CZI Bereiche identifizieren, in denen seine Ingenieure den Wert in diesen verschiedenen Bereichen maximieren können. Um mehr über unser Technologieteam zu erfahren, abonnieren Sie den CZI-Technologieblog .

Mit Hilfe dieses Programms, Imaging Scientists, erwartet CZI, einen Beitrag zu den Experten auf dem Gebiet der Mikroskopie und Software zu leisten, die dieses Gebiet voranbringen und seine aktuellen Probleme und zukünftigen Potenziale identifizieren. Sie können die RFA lesen und sich bis zum 3. Oktober 2018 um 17:00 Uhr pazifischer Zeit bewerben. Bitte teilen Sie diese wichtigen Perspektiven und helfen Sie uns, diese Informationen zu verbreiten! Für administrative, programmatische, technische Unterstützung oder andere RFA-bezogene Probleme wenden Sie sich bitte an sciencegrants@chanzuckerberg.com. Abonnieren Sie unseren Newsletter, um über Finanzierungsmöglichkeiten auf dem Laufenden zu bleiben. Um mehr über das Arbeiten in der Wissenschaft zu erfahren, besuchen Sie unsere Website oder folgen Sie uns auf Twitter .

Ed McCleskey, Forscher

Ed McCleskey ist seit März 2017 Forscher bei der Chan Zuckerberg Initiative. Zuvor war er 10 Jahre lang Forscher am Howard Hughes Medical Institute. Er war Professor und Wissenschaftler am Vollum Institute der University of Oregon Helt & Science (1993-2007) und an der University of Washington Medical School (1986-1993). Seine Forschung konzentriert sich auf die biophysikalischen Eigenschaften kalziumselektiver Ionenkanäle und die Öffnung von Ionenkanälen, die verschiedene Arten von Schmerzen verursachen. Er unterrichtete Physiologie und Neurologie und leitete einen Kurs in Neurobiologie am Woods Hall Marine Biological Laboratory.

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Der Empfang von Anträgen an den Filtek-Beschleuniger wird bis zum 27. September verlängert.

Thema: „Altern: technologische Lösungen für ein soziales Problem“ - wie man Technologie einsetzt, um soziale, wirtschaftliche und kulturelle Probleme zu lösen, die mit dem Altern der Menschheit verbunden sind.