Aplicação Web para Gestão de Informações Experimentais em Biologia e para Cooperação Mediada por Computador (CSCW) entre pesquisadores Cleber Cicero Magnagnagno 1, Fabiana Louise Teixeira Motta 2, João Bosco Pesquero 3, Ivan Torres Pisa 4, Jackson Cordeiro Lima 5, Paulo Bandiera Paiva 6 1,2,3 Departamento de Biofísica, Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), Brasil 4,5,6 Departamento de Informática em Saúde, Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), Brasil. Resumo Ensaios e experimentos em estudos biológicos são práticas amplamente utilizadas por pesquisadores. Esses estudos geralmente são conduzidos por grupos de pesquisadores trabalhando cooperativamente. Nessas pesquisas, inúmeros dados e resultados experimentais são gerados, alterados, catalogados, agrupados, comparados e atualizados ao longo do projeto. Esta manipulação de informação cria a necessidade de uma ferramenta que permita a gestão dos dados de forma segura, produtiva e amigável aos pesquisadores. Este trabalho tem como objetivo desenvolver (com software livre) e avaliar uma aplicação web que permita o uso do computador como ferramenta de colaboração (CSCW) e meio de armazenamento, compartilhamento, gerenciamento e análise de dados e resultados de experimentos em biologia. Palavras-chave: CSCW, Armazenamento, Compartilhamento de Dados, Aplicação Web, Software Livre Abstract Experiments in biological studies are practical largely used by researchers. Those studies are usually driven by researchers' groups working cooperatively. In those researches, a large quantity of data and experimental results are generated, changed, classified, grouped, compared, and updated along the project. This manipulation of information creates the need of a tool that allows the productive, friendly, and safe management of the data to the researchers. This work has as objective to propose a CSCW web system development, based on free software, to share and storage data tool, management and analysis tool of data and experimental results in biology. Key-words: CSCW, Storage, Sharing Data, Web Application, Free Software Introdução A elaboração de experimentos pela ciência é uma prática antiga e largamente utilizada por pesquisadores de todo o mundo. Em pesquisas biológicas, por exemplo, para que alguma nova droga, técnica cirúrgica ou medicamento seja considerado seguro para ser aplicado ou utilizado em seres humanos, inúmeros testes preliminares são necessários. No decorrer dessas pesquisas, uma enorme quantidade de informações é obtida e manipulada. São informações diversas tais como: droga ou medicamento utilizado; datas e períodos; dosagens ou concentrações; pesos, idades, dietas, temperaturas, animais, técnicas envolvidas na obtenção do modelo experimental utilizado no estudo, além de informações relacionadas ao tratamento e manutenção das amostras experimentais, ou seja, são informações experimentais relacionadas a cada experimento efetuado. Ao longo do projeto, essas informações são alteradas, catalogadas, agrupadas, comparadas e atualizadas. Esta manipulação de informação cria a necessidade de armazenamento desses dados de uma forma segura, produtiva e amigável ao pesquisador. Tradicionalmente os pesquisadores arquivam dados e resultados de experimentos e ensaios biológicos em cadernos e em papel ao longo de projetos experimentais que por vezes duram anos. Isso gera uma série de problemas relacionados ao armazenamento, controle e acompanhamento da pesquisa. Os cadernos de protocolos são usados para anotações manuais de dados experimentais e são utilizados como arquivo dos mais diversos tipos de dados relacionados ao trabalho [1]. São colados nas páginas desses cadernos gráficos e imagens diversas. Esses gráficos são feitos em papel milimetrado ou impressos após serem feitos em programas de computador como o programa Excel da Microsoft. O armazenamento em papel dificulta e compromete o levantamento e o acompanhamento de informações relacionadas à pesquisa, pois exige dos pesquisadores um extenso trabalho de catalogação manual dos dados. Sempre que houver alguma informação que precise ser verificada, caberá ao pesquisador um longo trabalho de consulta a inúmeros cadernos que podem ser extraviados e que
poderão estar desatualizados em função da dificuldade de atualização. Outro ponto importante refere-se ao compartilhamento de informações experimentais, pois vários trabalhos são produzidos em colaboração por pesquisadores distantes geograficamente. A colaboração científica é amplamente focada no compartilhamento e análise conjunta de dados e resultados [2]. Sempre que um gráfico ou fotografia precisa ser analisado por alguém distante, há o trabalho de se digitalizar e enviar por e-mail ou correio convencional tal informação. Segundo Nielsen [3], a denominação Computer Supported Cooperative Work (CSCW), ou Trabalho Cooperativo Mediado por Computador, define o que acontece com pessoas que colaboram entre si em alguma tarefa com a ajuda de computadores (ligados em rede). Podem ser definidos como: sistemas baseados em computador que suportam grupos de pessoas engajadas em uma tarefa ou objetivo comum e que fornecem uma interface para um ambiente compartilhado. Já o termo groupware, segundo Cockburn [4], é a denominação empregada para definir toda a ferramenta que apóie o CSCW. Um exemplo bastante significativo e básico de groupware é o correio eletrônico (assíncrono). Pode-se também definir groupware como o software projetado para proporcionar o CSCW. O software também pode ser on-line, como os casos de chats (síncrono). Este trabalho tem o intuito de desenvolver uma ferramenta que forneça aos pesquisadores ambas as possibilidades: trabalho colaborativo síncrono a assíncrono. Uma ferramenta que permita o uso do computador para o compartilhamento inteligente, armazenamento seguro e a manipulação eficiente de dados experimentais permitirá um controle maior de cada experimento, menos trabalho e tempo na identificação de resultados, além de possibilitar alterações ou correções no estudo a partir de resultados preliminares. Isto pode trazer uma significativa melhora na qualidade da pesquisa e possivelmente reduzir custos, pois menos experimentos serão necessários e menos drogas ou animais serão utilizados. Funcionando como uma área comum de armazenamento e permitindo o compartilhamento eficiente dos dados experimentais, esse sistema pode ser utilizado como uma ferramenta de colaboração entre pesquisadores, já que além do compartilhamento de dados, utilitários tais como fórum de discussão, mural de recados, agenda coletiva e outras ferramentas de colaboração remota serão recursos adicionais do sistema. Para mostrar a variedade de dados e informações experimentais que são manipuladas pelos pesquisadores ao longo do desenvolvimento de um projeto, alguns estudos são rapidamente mencionados, bem como a particularidade de informações de cada um. Há experimentos que objetivam a elaboração de curvas dose-resposta de drogas. São estudos da ação de inibidores ou supressores de processos e respostas biológicas. Estes experimentos são elaborados para a investigação dos mecanismos de ação de drogas nos organismos, tecidos, órgãos e células. Nesse tipo de estudo são manipulados dados relacionados às drogas utilizadas, concentrações, efeitos, durações de efeitos, intensidades, latências, quantidades, tipos de animais, tecidos ou órgãos utilizados e vias de administração das drogas, por exemplo. Dependendo do protocolo experimental elaborado pelo pesquisador ou necessário em determinado experimento, o modelo experimental utilizado será um animal vivo. Esses ensaios são denominados experimentos in vivo. Existem, porém, experimentos nos quais são utilizados órgãos ou tecidos retirados de animais. Há estudos que se concentram na análise da ação de determinada droga em células retiradas de animais sacrificados. Nesses estudos, células são mantidas e cultivadas em laboratório (in vitro) enquanto outros estudos são feitos a partir da análise de hemoderivados provenientes dos animais. Já nesses tipos de estudos são manipulados dados relacionados à obtenção, manutenção e cultivo das células usadas, além das informações relacionadas às drogas utilizadas no estudo. A Figura 1 mostra o resumo de um estudo em andamento no Departamento de Biofísica, intitulado Efeito do inibidor da enzima conversora de angiotensina (enalapril) e associações no peso corporal de ratos normotensos e espontaneamente hipertensos (SHR), sob dieta normal e hipercalórica. Nesse estudo foram levantadas 29 variáveis experimentais. Quando combinadas entre si, há um total de 829 possibilidades de combinações das variáveis utilizadas na pesquisa, excluindo-se a combinação de uma variável com ela mesma. Das possibilidades de combinações desse estudo exemplo, são possíveis 829 perguntas tais como: quantos animais do tipo SHR, que receberam a dieta normal com a combinação de enalapril e losartan na dose de 50 mg/l engordaram? E quantos perderam peso? Qual foi a pressão média de cada animal dessa seleção (grupo)? E o consumo de água ou ração? Ilustrada a questão, coloca-se o principal objetivo desse trabalho: oferecer ao pesquisador uma ferramenta que permita responder de maneira ágil perguntas como as exemplificadas acima, ou seja, produzir uma ferramenta que permita aos pesquisadores fazer um armazenamento personalizado dos dados experimentais e fornecer um meio de análise e
compartilhamento da informação armazenada de forma que possa existir colaboração mediada por computador entre pesquisadores que fizerem parte do projeto. Com o uso inteligente de banco de dados e a elaboração de uma ferramenta com interface amigável e intuitiva é possível implementar um sistema que permita o fácil armazenamento e cruzamento das mais diversas variáveis experimentais de um ensaio, possibilitando aos pesquisadores aumentar detalhamento da pesquisa, o controle de cada experimento usufruindo do benefício de compartilhamento dos dados experimentais. O desenvolvimento de obesidade está intimamente ligado a doenças no sistema cardiovascular como, por exemplo, a hipertensão arterial. Dados recentes do nosso grupo mostraram pela primeira vez uma importante participação do sistema calicreína-cininas no processo de ingestão e ganho de peso em camundongos. Com base nesses dados, o presente trabalho tem por objetivo avaliar o efeito da associação do inibidor da enzima conversora de angiotensina, enalapril, com o bloqueador de canais de cálcio anlodipino e o antagonista do receptor AT 1 losartan no peso corporal de ratos Wistar-EPM normotensos e ratos espontaneamente hipertensos (SHR). Para o desenvolvimento deste trabalho serão utilizados ratos normotensos machos Wistar-EPM (30 dias de idade) e SHR machos (90 dias de idade), provenientes do Centro para o Desenvolvimento de Modelos Experimentais em Medicina e Biologia (CEDEME) da Universidade Federal de São Paulo UNIFESP. Formaremos grupos com 10 ratos Wistar e 10 ratos SHR, que receberão dieta normocalórica ou hipercalórica para ratos e água (grupos controle), e grupos que receberão água contendo apenas a droga a ser associada, e outros grupos receberão as associações enalapril/anlodipino ou enalapril/losartan em várias concentrações. Durante todo o período de tratamento será feita avaliação diária do consumo alimentar e semanal do peso. Ao final do tratamento, observaremos possíveis alterações na pressão arterial média e freqüência cardíaca dos animais e o sangue será coletado para posteriores análises das concentrações plasmáticas de leptina, insulina, glicemia, colesterol total e triglicérides. Figura 1 - Resumo do estudo utilizado como exemplo. Objetivos Este trabalho tem o objetivo de desenvolver e avaliar uma aplicação web que viabilize, de forma produtiva, o uso do computador como ferramenta de colaboração entre pesquisadores e um meio de armazenamento personalizado de dados e resultados provenientes de experimentos em biologia. O sistema busca oferecer ao pesquisador, numa mesma aplicação: armazenamento, compartilhamento, gestão e análise de dados além de ferramentas de trabalho colaborativo tais como envio e recebimento de mensagens instantâneas entre os usuários do sistema, mural de recados, agenda de controle e planejamento de trabalho coletivo e fórum de discussão. Justificativas A principal justificativa desse trabalho é a ausência de uma ferramenta que forneça aos pesquisadores, numa mesma aplicação, os seguintes recursos integrados: armazenamento personalizado de dados e resultados experimentais, compartilhamento dessas informações e ferramentas de trabalho cooperativo tais como mensagens instantâneas, agenda coletiva, mural de avisos, fórum de discussão. Atualmente, os computadores, redes e acesso à internet estão presentes na maioria dos laboratórios e até existem ferramentas que são usadas para o armazenamento de informações, mas nenhuma delas permite a formatação personalizada dos campos de armazenamento e possuem recursos de trabalho colaborativo integrados. Durante os projetos, os pesquisadores armazenam seus dados experimentais em papel, dificultando o controle e acompanhamento da pesquisa, e comprometendo o compartilhamento dos dados e resultados entre os colaboradores. Utilitários de trabalho cooperativo tais como correio eletrônico ou programas de mensagens instantâneas são utilizados, mas por não estarem integrados aos aplicativos utilizados para armazenagem dos dados experimentais, comprometem a produtividade do grupo por obrigarem os pesquisadores a conhecerem e utilizarem várias aplicações para poder colaborar entre si. Uma ferramenta que possua recursos de trabalho colaborativo e permita o uso do computador para o armazenamento seguro e a manipulação eficiente de dados experimentais permitirá um controle maior de cada experimento por parte do grupo, menos trabalho e tempo na identificação de resultados, possibilitando alterações e correções no estudo a partir de resultados preliminares. Isto traz uma significativa melhora na qualidade da pesquisa e reduz custos, pois menos experimentos serão necessários com menos animais ou drogas utilizados. A partir de questões como: a) o aumento do controle e qualidade da pesquisa; b) a redução do tempo e custo dos projetos; c) a facilidade no compartilhamento de dados experimentais; d) os recursos e ferramentas de trabalho colaborativo
integrados ao sistema de armazenamento e; e) baseado em resultados positivos obtidos com o uso de piloto conclui-se que um sistema de armazenamento personalizado de informações experimentais por computador com ferramentas de trabalho cooperativo integradas é de grande importância para a pesquisa científica em biologia. Pode-se afirmar que este sistema poderá tornar-se uma ferramenta tão indispensável para pesquisadores, quanto os animais, equipamentos laboratoriais ou as drogas estudadas. Sistema Piloto O uso do computador para o armazenamento e compartilhamento de dados experimentais traz uma significativa melhora na qualidade da pesquisa. Isto já foi atingido com o uso de um sistema piloto disponibilizado a pesquisadores do Departamento de Biofísica da UNIFESP que o utilizam na produção de animais transgênicos. O sistema é utilizado no controle da produção dos animais e permite que a partir da verificação dos dados se consiga localizar possíveis problemas e explicações para o não nascimento de embriões, além do levantamento de informações de todas as gerações anteriores e posteriores de cada animal. A partir do armazenamento, em computador, de informações de todas as etapas da geração de animais, tais como microinjeção, transferências, nascimentos, número de animais positivos como mostrado na Figura 2, qualquer problema ou dificuldade na produção de algum animal pode ser rapidamente detectado, e conseqüentemente solucionado, aumentando assim a produtividade de animais e a qualidade da pesquisa. Figura 2 - Amostra de tela do sistema piloto, exibindo campos personalizados de armazenamento e dados de alguns animais. Os nomes dos campos (na primeira linha) foram definidos pelo pesquisador em função tipo de informação armazenada. A segunda parte importante, que também pode ser melhorada com o uso do sistema, é a administração e manutenção das colônias de animais transgênicos a partir do armazenamento de informações de todos os animais com fenótipos característicos, descendentes e ascendentes. O compartilhamento dessas informações permitirá que pesquisadores responsáveis pelos animais transgênicos acompanhem de perto e com riqueza de detalhes seus animais, facilitando suas pesquisas uma vez que qualquer anomalia física ou comportamental pode indicar uma característica causada pela modificação genética. Neste Piloto disponibilizamos aos pesquisadores, acesso ao SGBD [5] MySql configurado no sistema operacional Linux. Para manuseio do banco de dados, foi instalado o programa phpmyadmin [6]. A escolha do phpmyadmin ocorreu em função da facilidade de instalação e uso além desse programa dispensar qualquer instalação ou configuração nas máquinas dos pesquisadores, já que o acesso é feito através de navegadores internet, presentes na maioria das instalações. Além do acesso ao banco de dados (Figura 3), uma unidade de armazenamento remoto de arquivos também foi disponibilizada aos pesquisadores, para ser utilizada como repositório comum de arquivos diversos. Com o objetivo de facilitar a utilização do sistema por parte dos pesquisadores que desconheciam conceitos de utilização de bancos de dados, foi fornecida uma tabela modelo acompanhada de um breve treinamento sobre a utilização do programa de gerenciamento do banco de dados.
Figura 3 - Figura mostrando o conjunto de recursos que foram fornecidos aos pesquisadores no sistema Piloto. Metodologia De acordo com a enciclopédia livre Wikipedia, LAMP (Linux, Apache, MySql e PHP) é um acrônimo que se refere a um conjunto de softwares livres que são utilizados juntos para a geração de sites dinâmicos ou servidores [7]. Sendo um conjunto gratuito de ferramentas e uma plataforma web de código aberto, o LAMP implementa a geração e execução de páginas web que podem interagir com diversas aplicações no servidor. São possíveis acessos a bancos de dados, envio de e-mails, acessos a discos e arquivos e uma variedade de recursos que explorados corretamente permitem o desenvolvimento de aplicações muito poderosas. Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma aplicação de armazenamento, compartilhamento e gerenciamento de informações de ensaios biológicos utilizando os recursos oferecidos pelo Linux [8] em conjunto com o Apache [9], MySql [10] e o PHP [11]. Figura 4 Arquitetura básica do sistema Com o uso inteligente de banco de dados e a elaboração de uma ferramenta com interface amigável e intuitiva, é possível implementar um sistema que permita o armazenamento e o cruzamento das mais diversas variáveis experimentais dos ensaios, permitindo aos pesquisadores aumentar o detalhamento da pesquisa e o controle de cada experimento usufruindo do benefício de compartilhamento dos dados experimentais. Como sistema operacional será utilizado o Linux. No suporte a páginas web será utilizado o servidor Apache. Para armazenamento será utilizado o MySQL. O desenvolvimento da aplicação será feito em PHP em conjunto com HTML[12] e JavaScript [13]. Sistema Como ilustrado na Figura 4, as principais especificações do sistema são: 1) Possibilidade de cadastro e armazenamento personalizado de dados experimentais; Fazendo uso do PHP para desenvolvimento de páginas web, do Apache como servidor web e do MySQL como banco de dados, produzir um sistema que forneça aos pesquisadores uma ferramenta de armazenamento que possibilite a formatação dos campos de acordo com critérios específicos de cada experimento, ou seja, com os campos de armazenamento definidos pelo próprio pesquisador em função dos tipos de dados que serão armazenados; 2) A partir dos dados armazenados, o sistema deverá permitir a manipulação e seleção de dados ou combinações a critério do pesquisador; Após o cadastro e armazenamento dos dados experimentais, utilizando a linguagem SQL e palavras-chaves, o sistema deverá fazer buscas
específicas no banco de dados, incluindo o cruzamento de campos, permitindo o levantamento e seleção de informações específicas; 3) A partir das seleções ou grupos experimentais, o sistema deverá gerar gráficos e exportar dados estatísticos, comparativos, médias, desvios e análises. Com base nos levantamentos efetuados, permitir a impressão e exportação desses agrupamentos. Sempre que houver campos numéricos, usando a técnica de orientação a objeto (OO) em conjunto com a biblioteca JPGraph do PHP [14], possibilitar a geração de gráficos diversos como área, barras, linhas, além de exportar dados estatísticos, comparativos, médias e desvios; 4) Deverá possuir as seguintes ferramentas de trabalho colaborativo: a) Envio e recebimento de mensagens instantâneas entre os usuários do sistema; b) Quadro ou mural de recados; c) Agenda de controle e planejamento de trabalho coletivo; d) Fórum de discussão; 5) Deverá permitir instalação e configuração num servidor e uso remoto através de computadores em rede ou pela internet. 6) O acesso para utilização do sistema deverá ser feito através de navegadores web, independente de plataforma ou sistema operacional; 7) Deverá possuir mecanismos de segurança como controle e documentação de acesso, uso de usuário e senha, rotina de gravação e restauração de backup. 8) Deverá permitir instalação e configuração num servidor e uso remoto através de computadores em rede. Referências [1] J.D. Myers, C. Fox-Dobbs, J. Laird, Dai Le, D. Reich, T. Curtz, "Electronic laboratory notebooks for collaborative research," wetice, p. 47, 5th International Workshops on Enabling Technologies: Infrastructure for Collaborative Enterprises (WET ICE'96), 1996. [2] Chin Jr G, Lansing CS (2004). Capturing and supporting contexts for scientific data sharing via the biological sciences collaboratory. Proceedings of the 2004 ACM Conference on Computer Supported Cooperative Work, November 06-10. Chicago, Illinois, USA. [3] Nielsen J (1996). Multimedia and Hypermedia The Internet and Beyond, Academic Press Inc. [4] Cockburn A, Jones S (1995). Four Principles of Groupware Design. Interacting with Computers; vol 7 no. 2. [5] Sistema de gerenciamento de banco de dados Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.; http://pt.wikipedia.org/wiki/sgbd; Julho 2006. [6] phpmyadmin - MySQL Database Administration Tool; http://www.phpmyadmin.net/home_page/index.ph p; Julho 2006. [7] Wikipedia, The Free Encyclopedia (2006). LAMP term. June. [http://en.wikipedia.org/wiki/lamp]. Junho 2006. [8] Linux Online Inc.; The Linux Home Page at Linux Online. [http://www.linux.org]. Junho 2006. [9] The Apache Software Foundation. [http://httpd.apache.org]. Junho 2006. [10] MySQL AB Inc. Gerenciador de banco de dados MySQL. [http://www.mysql.com]. Junho 2006. [11] The PHP Group. Linguagem PHP. [http://www.php.net]. Junho 2006. [12] HyperText Markup Language (HTML) Home Page - The World Wide Web Consortium (W3C); http://www.w3.org/markup/; Julho 2006. [13] Edgard B. Damiani, JavaScript - Guia de Consulta Rápida. Novatec Editora. ISBN 85-7522- 007-1. [14] PHP Graph Creating Library; http://www.aditus.nu/jpgraph/; Junlho 2006 Contato Cleber Cicero Magnagnagno, Departamento de Biofísica, UNIFESP - Rua Botucatu, 862 7º andar CEP: 04023-062 - São Paulo/SP Brasil e-mail: cleber@biofis.epm.br - Fone: (11) 5572-4583 FAX: (11) 5571-57