Name: resolving water, proteins, and lipids from in vivo confocal raman spectra of stratum corneum through a chemometric approach
Uploaded: 2019-09-26T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Resolving Water, Proteins, and Lipids from In Vivo Confocal Raman Spectra of Stratum Corneum through a Chemometric Approach at JoVE.com

Forfatterne anerkender i høj grad den finansielle støtte fra corporate funktion analytisk og personlig udrensning Care afdeling. Vi ønsker at udtrykke vores taknemmelighed over for analytiske associerede direktører MS Jasmine Wang og Dr. Robb Gardner for deres vejledning og støtte og MS Li Yang for hendes hjælp på dataindsamling.

Denne undersøgelse blev godkendt af det institutionelle undersøgelsesudvalg for børnehospitalet i Beijing i overensstemmelse med de etiske retningslinjer i Helsingfors-erklæringen fra 1975. Det blev udført i henhold til ICH retningslinjer for god klinisk praksis. Undersøgelsen fandt sted fra maj til juli 2015.
1. indsamling af in vivo konfokale Raman Spectra fra forsøgspersoner med atopisk dermatitis
<ol><li>Omfatte emner i overensstemmelse med følgende kriterier.<ol>
<li>Inkluder pe...

<ol>
	<li>Caspers, P., Lucassen, G., Bruining, H., Puppels, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+depth+-+scanning+confocal+Raman+microspectrometer+for+rapid+in+vivo+determination+of+water+concentration+profiles+in+human+skin.">Automated depth - scanning confocal Raman microspectrometer for rapid in vivo determination of water concentration profiles in human skin.</a> Journal of Raman Spectroscopy. 31 (8-9), 813-818 (2000).</li><li>Crowther, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+the+effects+of+topical+moisturizers+on+changes+in+stratum+corneum+thickness,+water+gradients+and+hydration+in+vivo.">Measuring the effects of topical moisturizers on changes in stratum corneum thickness, water gradients and hydration in vivo.</a> British Journal of Dermatology. 159 (3), 567-577 (2008).</li><li>Egawa, M., Tagami, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+depth+profiles+of+water+and+water-binding+substances+in+the+stratum+corneum+determined+in+vivo+by+Raman+spectroscopy+between+the+cheek+and+volar+forearm+skin:+effects+of+age,+seasonal+changes+and+artificial+forced+hydration.">Comparison of the depth profiles of water and water-binding substances in the stratum corneum determined in vivo by Raman spectroscopy between the cheek and volar forearm skin: effects of age, seasonal changes and artificial forced hydration.</a> British Journal of Dermatology. 158 (2), 251-260 (2008).</li><li>Crowther, J. M., Matts, P. J., Kaczvinsky, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Changes in Stratum Corneum Thickness, Water Gradients and Hydration by Moisturizers. , (2012).</li><li>Pudney, P. D., M&#233;lot, M., Caspers, P. J., Van, D. P. A., Puppels, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+in+vivo+confocal+Raman+study+of+the+delivery+of+trans+retinol+to+the+skin.">An in vivo confocal Raman study of the delivery of trans retinol to the skin.</a> Applied Spectroscopy. 61 (8), 804 (2007).</li><li>Mohammed, D., Matts, P., Hadgraft, J., Lane, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro-in+vivo+correlation+in+skin+permeation.">In vitro-in vivo correlation in skin permeation.</a> Pharmaceutical Research. 31 (2), 394-400 (2014).</li><li>Hanlon, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prospects+for+in+vivo+Raman+spectroscopy.">Prospects for in vivo Raman spectroscopy.</a> Physics in Medicine and Biology. 45 (2), 1 (2000).</li><li>Mohammed, D., Crowther, J. M., Matts, P. J., Hadgraft, J., Lane, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+niacinamide+containing+formulations+on+the+molecular+and+biophysical+properties+of+the+stratum+corneum.">Influence of niacinamide containing formulations on the molecular and biophysical properties of the stratum corneum.</a> International Journal of Pharmaceutics. 441 (1-2), 192-201 (2013).</li><li>Boireau-Adamezyk, E., Baillet-Guffroy, A., Stamatas, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Age-dependent+changes+in+stratum+corneum+barrier+function.">Age-dependent changes in stratum corneum barrier function.</a> Skin Research and Technology. 20 (4), 409-415 (2014).</li><li>Pezzotti, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+spectroscopy+of+human+skin:+looking+for+a+quantitative+algorithm+to+reliably+estimate+human+age.">Raman spectroscopy of human skin: looking for a quantitative algorithm to reliably estimate human age.</a> Journal of Biomedical Optics. 20 (6), 065008 (2015).</li><li>Mlitz, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+filaggrin+mutations+on+Raman+spectra+and+biophysical+properties+of+the+stratum+corneum+in+mild+to+moderate+atopic+dermatitis.">Impact of filaggrin mutations on Raman spectra and biophysical properties of the stratum corneum in mild to moderate atopic dermatitis.</a> Journal of the European Academy of Dermatology and Venereology. 26 (8), 983-990 (2012).</li><li>Janssens, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+to+protein+ratio+plays+an+important+role+in+the+skin+barrier+function+in+patients+with+atopic+eczema.">Lipid to protein ratio plays an important role in the skin barrier function in patients with atopic eczema.</a> British Journal of Dermatology. 170 (6), 1248-1255 (2014).</li><li>Faiman, R., Larsson, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assignment+of+the+C+H+stretching+vibrational+frequencies+in+the+Raman+spectra+of+lipids.">Assignment of the C H stretching vibrational frequencies in the Raman spectra of lipids.</a> Journal of Raman Spectroscopy. 4 (4), 387-394 (1976).</li><li>Edwards, H. G., Farwell, D. W., Williams, A. C., Barry, B. W., Rull, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+spectroscopic+deconvolution+procedure+for+complex+biological+systems:+vibrational+components+in+the+FT-Raman+spectra+of+ice-man+and+contemporary+skin.">Novel spectroscopic deconvolution procedure for complex biological systems: vibrational components in the FT-Raman spectra of ice-man and contemporary skin.</a> Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 91 (21), 3883-3887 (1995).</li><li>Choe, C., Lademann, J., Darvin, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+organization+and+stratum+corneum+thickness+determined+in+vivo+in+human+skin+analyzing+lipid-keratin+peak+(2820-3030+cm-+1)+using+confocal+Raman+microscopy.">Lipid organization and stratum corneum thickness determined in vivo in human skin analyzing lipid-keratin peak (2820-3030 cm- 1) using confocal Raman microscopy.</a> Journal of Raman Spectroscopy. 47 (11), 1327-1331 (2016).</li><li>Stamatas, G. N., de Sterke, J., Hauser, M., von Stetten, O., van der Pol, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+uptake+and+skin+occlusion+following+topical+application+of+oils+on+adult+and+infant+skin.">Lipid uptake and skin occlusion following topical application of oils on adult and infant skin.</a> Journal of Dermatological Science. 50 (2), 135-142 (2008).</li><li>Choe, C., Lademann, J., Darvin, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confocal+Raman+microscopy+for+investigating+the+penetration+of+various+oils+into+the+human+skin+in+vivo.">Confocal Raman microscopy for investigating the penetration of various oils into the human skin in vivo.</a> Journal of Dermatological Science. , (2015).</li><li>Zhang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+MCR+approach+revealing+protein,+water+and+lipid+depth+profile+in+atopic+dermatitis+patients'+stratum+corneum+via+in+vivo+confocal+Raman+spectroscopy.">A MCR approach revealing protein, water and lipid depth profile in atopic dermatitis patients' stratum corneum via in vivo confocal Raman spectroscopy.</a> Analytical Chemistry. , (2019).</li><li>Caspers, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> In vivo Skin Characterization by Confocal Raman Microspectroscopy. , (2003).</li><li>Jaumot, J., de Juan, A., Tauler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MCR-ALS+GUI+2.0:+New+features+and+applications.">MCR-ALS GUI 2.0: New features and applications.</a> Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 140, 1-12 (2015).</li><li>Choe, C., Choe, S., Schleusener, J., Lademann, J., Darvin, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modified+normalization+method+in+in+vivo+stratum+corneum+analysis+using+confocal+Raman+microscopy+to+compensate+nonhomogeneous+distribution+of+keratin.">Modified normalization method in in vivo stratum corneum analysis using confocal Raman microscopy to compensate nonhomogeneous distribution of keratin.</a> Journal of Raman Spectroscopy. , (2019).</li><li>Wise, B. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemometrics+tutorial+for+PLS_Toolbox+and+Solo.">Chemometrics tutorial for PLS_Toolbox and Solo.</a> Eigenvector Research, Inc. 3905, 102-159 (2006).</li></ol>

Under dataindsamlingen, som beskrevet i afsnit 2 og 3 i protokollen, blev hver dybde profil indsamlet i et område med kontakt mellem instrument vinduet og huden ved at finde de mørkere områder fra de mikroskopiske billeder, der er fremhævet i de røde cirkler i Figur 2C. Når disse områder var placeret, det var vigtigt at starte dybden profil over hudens overflade til præcist at bestemme placeringen af hudens overflade for dataanalyse procedure. Placeringen af hudover...

I kliniske studier har in vivo konfokale Raman spectroskopi vist sin unikke evne til at bestemme stratum corneum tykkelse og vandindhold1,2,3,4, og spore penetration af aktive materialer topisk påføres huden5,6. Som en ikke-invasiv tilgang detekterer konfokale Raman spectroskopi molekylære signaler baseret på vibrationelle tilstande. Således, mærkning er ikke nødvendig7. In vivo konfokale Raman spectroskopi giver kemisk information med dybde opløsning baseret på den konfokale karakter af teknikken. Denne dybde-afhængige oplysninger er meget nyttigt i at studere virkningerne af hudplejeprodukter4,8, aging9,10, sæson ændringer3, samt hud barriere funktion sygdomme, såsom atopisk dermatitis11,12. Der er en masse information i højfrekvens regionen af konfokale Raman spektroskopi (2500 – 4000 cm-1), hvor vand producerer forskellige toppe i regionen mellem 3250-3550 cm-1. Raman toppe af proteiner og lipider, som er centreret mellem ca. 2800-3000 cm-1, overlapper hinanden, fordi signalerne hovedsageligt produceres fra methylen (-CH2-) og methyl (-CH3) grupper13 . Disse overlappende oplysninger udgør en teknisk udfordring ved opnåelse af relative mængder af individuelle molekylære arter. Topmontering14,15 og selektiv peak position12,16 tilgange er blevet brugt til at løse denne udfordring. Men, det er vanskeligt for disse enkelt peak-baserede metoder til at udtrække ren komponentoplysninger, fordi flere Raman toppe fra samme komponent ændring samtidig17. I vores nylige publikation18blev en MCR-tilgang foreslået for at belyse den rene komponent information. Ved hjælp af denne fremgangsmåde blev tre komponenter (vand, proteiner og lipider) udvundet fra et stort in vivo konfokale Raman spektroskopisk datasæt.
Gennemførelsen af store kliniske undersøgelser kan være krævende for enkeltpersoner at indsamle in vivo spektroskopiske data. I nogle tilfælde kan spektral erhvervelse kræve driftsudstyr i mange timer på en dag, og undersøgelsen kan strække sig op til uger eller måneder. Under disse omstændigheder kan spektroskopiske data genereres af udstyrs operatører, der mangler den tekniske ekspertise til at identificere, udelukke og korrigere for alle kilder til spektroskopiske artefakter. Det resulterende datasæt kan indeholde en lille brøkdel af spektroskopiske afvigende værdier, som skal identificeres og udelukkes fra data forud for analysen. Dette papir illustrerer i detaljer en chemometrisk analyse proces for at "rydde op" et klinisk Raman datasæt, før du analyserer data med MCR. For at kunne fjerne outliers, skal typerne af afvigende værdier og den potentielle årsag til genereringen af outlier Spectra identificeres. Derefter, en specifik tilgang kan udvikles til at fjerne de målrettede outliers. Dette kræver forudgående kendskab til datasættet, herunder en detaljeret forståelse af datagenererings processen og undersøgelsens design. I dette datasæt er størstedelen af afvigende værdier lav signal-til-støj-spektre og stammer primært fra 1) spektre indsamlet over hudens overflade (6.208 ud af 30.862) og 2) stærkt bidrag til spektret fra fluorescerende rum-lys (67 ud af 30.862). Spektre indsamlet over hudens overflade giver et svagt Raman-respons, da laser brændpunktet nærmer sig hudens overflade og er for det meste i instrument vinduet under huden. Spectra med et stærkt bidrag fra fluorescerende rum lys genereres på grund af enten instrument operatør fejl eller motiv bevægelse, som frembringer en tilstand, hvor konfokale Raman Collection vinduet ikke er fuldt dækket af motivet krop site. Selv om disse typer af spektral artefakter kunne identificeres og aflæres under spektral erhvervelse af en spektroskopisk ekspert på tidspunktet for dataindsamlingen, blev de uddannede instrument operatører, der anvendes i dette studie, instrueret om at indsamle alle data, medmindre en katastrofale svigt blev observeret. Opgaven med at identificere og udelukke afvigende værdier er indarbejdet i dataanalyse protokollen. Den forelagte protokol er udarbejdet for at løse denne udfordring. For at adressere det lave signal-til-støj-spektre over hudoverfladen skal placeringen af hudens overflade bestemmes først for at tillade fjernelse af spektre indsamlet over hudens overflade. Placeringen af hudens overflade defineres som dybden, hvor Raman laser brændpunktet er halvt i huden og halvt ud af huden som illustreret i supplerende figur 1. Efter fjernelse af lav signal-støj-spektre, en hovedkomponent analyse (PCA) er implementeret for at udtrække den faktor domineret af fluorescerende rum lys toppe. Disse afvigende værdier fjernes baseret på score værdien af den tilsvarende faktor.
Denne protokol indeholder detaljerede oplysninger om, hvordan seks hovedkomponenter bestemmes i MCR-processen. Dette sker gennem en PCA-analyse efterfulgt af spektral form sammenligning mellem belastningerne for modeller genereret med et forskelligt antal hovedkomponenter. Den eksperimentelle proces for dataindsamling af referencematerialer samt de menneskelige er også forklaret i detaljer.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1055px;" width="1054">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="33">
			<td height="33" style="height:34px;width:319px;">Bovine Serum Albumin</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Cholesterol</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Cholesterol 3-sulfate sodium</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">D-Erythro-Dihydrosphingosine</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">DI water</td>
			<td style="width:360px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td>Purified with Milipore(18.2M&#937;)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Gen2-SCA skin analyzer</td>
			<td style="width:360px;">River Diagnostics, Rotterdam, The Netherlands</td>
			<td style="width:136px;">Gen2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Matlab 2018b</td>
			<td style="width:360px;">Mathwork</td>
			<td style="width:136px;">2018b</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">N-behenoyl-D-erythro-sphingosine</td>
			<td style="width:360px;">Avanti Polar Lipids, Inc.</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:319px;">N-Lignoceroyl-D-erythro-sphinganine(ceramide)</td>
			<td style="width:360px;">Avanti Polar Lipids, Inc.</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Oleic Acid</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Palmitic Acid</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Palmitoleic Acid</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">PLS_Toolbox version 8.2</td>
			<td style="width:360px;">Eigenvector Research Inc.</td>
			<td align="right" style="width:136px;">8.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">RiverICon</td>
			<td style="width:360px;">River Diagnostics, Rotterdam, The Netherlands</td>
			<td style="width:136px;">version 3.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Squalene</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Stearic Acid</td>
			<td style="width:360px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

resolving water, proteins, and lipids from in vivo confocal raman spectra of stratum corneum through a chemometric approach

Udvikling af denne in vivo konfokale Raman spektroskopiske metode muliggør direkte måling af vand, proteiner og lipiderne med dybde opløsning hos mennesker. Disse oplysninger er meget vigtige for hudrelaterede sygdomme og kendetegner hudpleje produktets ydeevne. Denne protokol illustrerer en metode til Konfokal Raman Spectra kollektion og den efterfølgende analyse af spektral datasæt, der udnytter chemometrics. Formålet med denne metode er at etablere en standardprotokol for dataindsamling og give generelle retningslinjer for dataanalyse. Forbehandling (f. eks. fjernelse af outlier Spectra) er et afgørende skridt ved behandling af store datasæt fra kliniske studier. Som et eksempel giver vi vejledning baseret på forudgående kendskab til et datasæt for at identificere typerne af afvigende værdier og udvikle specifikke strategier til at fjerne dem. Der udføres en hovedkomponent analyse, og belastnings spektrene sammenlignes med spektre fra referencematerialer for at vælge det antal komponenter, der anvendes i den endelige multivariat kurve opløsning (MCR)-analyse. Denne fremgangsmåde er vellykket til udvinding af meningsfulde oplysninger fra et stort spektral datasæt.

I dette kliniske studie blev in vivo konfokale Raman Spectra indsamlet fra 28 personer fra 4 – 18 år. I alt 30.862 Raman Spectra blev indsamlet med den ovennævnte dataindsamlings protokol. Dette store spektral datasæt indeholder 20% spektral outliers som vist i figur 4A. Den lave signal-til-støj outlier Spectra blev fjernet efter bestemmelse af hudens overflade, efterfulgt af PCA til at identificere spektrene med rum lys funktioner. Den tredje faktor i denne PCA-model er identifice...

Watch this Scientific Journal Video about Resolving Water, Proteins, and Lipids from In Vivo Confocal Raman Spectra of Stratum Corneum through a Chemometric Approach at JoVE.com

Resolving Water, Proteins, and Lipids from In Vivo Confocal Raman Spectra of Stratum Corneum through a Chemometric Approach

Her præsenterer vi en protokol for indsamling af konfokale Raman Spectra fra mennesker i kliniske studier kombineret med chemometriske tilgange til spektral outlier fjernelse og den efterfølgende udvinding af nøglefunktioner.

Løsning af vand, proteiner og lipider fra in vivo Confocal Raman Spectra af stratum corneum gennem en Kemometrisk tilgang

Development of this in vivo confocal Raman spectroscopic method enables the direct measurement of water, proteins, and lipids with depth resolution in ...

Direkte måling af vand, proteiner og lipider med dybdegående opløsning hos mennesker er meget vigtigt for hudrelaterede sygdomme, for karakterisering af hudpleje produkt ydeevne. Denne metode, sammen med den efterfølgende analyse, udnytter kemometrics at udtrække kemiske oplysninger. Den største fordel ved denne teknik er, at det giver mulighed for den kliniske Raman datasæt, der skal indsamles af uddannede instrument operatører, der mangler teknisk ekspertise til at identificere, udelukke og afhjælpe alle kilder til spektroskopiske artefakter.Det resulterende datasæt kan derefter behandles for at identificere afvigende værdier, der skal udelukkes fra datoen før analysen. Under dataanalysen er en vigtig udfordring fjernelsen af afvigende værdier og identifikation af antallet af nøglekomponenter i datasættet. Tilgangen viser i denne video udnytter forudgående viden om de kliniske datasæt og kemometrics tilgang til succes udtrække vand, protein og lipid med dybdeopløsning.Demonstration af proceduren vil være Li Yang, tekniker fra vores C & T lab. Til at begynde, har emnet placere en markeret læsion krop site eller kontrol sted i tæt kontakt med billeddannelse vinduet i in vivo confocal Raman instrument. Sørg for, at de dækker hele vinduet for at undgå, at rummets lys påvirker billeddannelsen.Derefter skal du åbne softwaren og flytte fokus, indtil et spektrum svarende til det, der vises her, ses. Derefter skal du flytte fokus 10 mikron væk fra hudens overflade. Indsaml data for 26 trin med en to-mikron trin størrelse i frekvensområdet vist her, ved hjælp af en eksponeringstid på et sekund.Mål otte replikater for hvert område, der varer op til 15 minutter i alt. Først skal du bruge kommandovinduet og MATLAB til at ændre filtypenavnet på de indsamlede data fra ric til mat. Indlæs derefter måttefilen på MATLAB-softwareplatformen, som vist her.Ret datasættets oprindelige plan ved hjælp af den automatiske mindst vægtede metode ved at gå til vinduet PLS_Workspace og højreklikke på det importerede datasæt, rulle til Analysér, vælge Andre værktøjer og klikke på Forbehandling. I det vindue, der popper op, skal du klikke på Vis. Rul derefter ned ad værktøjslinjen Tilgængelige metoder til filtrering af automatisk vægtede udlejede firkanters grundlinje, og vælg Tilføj.Klik derefter på Ok for at angive indstillingerne og anvende forbehandling på dataene. Gem det her som Spectra_baseline. Derefter skal du vende tilbage til kommandovinduet og erstatte dataene ved hjælp af det korrigerede oprindelige resultat.Gå nu til teksteditoren, og kør programmet som vist her. Dette vil opsummere værdierne mellem 2910 og 2965 inverse centimeter for at opnå intensitetsværdierne under hvert Raman-spektrum fra de 26 på hinanden følgende trins måling og gemme dem i en Excel-fil. I MATLAB skal du gå til Arbejdsområdet og angive stien til dataene i Depth_save, som vist.Brug derefter den proces, der er beskrevet her, til at interpolere instrumentforskydningsværdien fra 26 til 260 ved hjælp af linspace-funktionen i MATLAB. Denne proces interpolerer intensitetsværdien fra 26 til 260 ved hjælp af spline-metoden ved hjælp af de nyligt genererede 260 positionsværdier. Derudover vil det bruge de 260 position og intensitet værdier som x og y indgange til polyfit funktion henholdsvis, indstilling graden værdi til 20.Derefter vil det bruge outputkoefficienterne og de 260 udvidede positionsværdier som input til polyval for at opnå de endelige 260 intensitetsværdier. Dernæst vil den beregne middelintensiteten og finde det punkt i kurven, der er tættest på middelintensiteten. Det vil også ændre dybdeværdien i henhold til hudoverfladen, i den kendte to-mikron trin størrelse.Kør programmet. Indlæs Raman-spektredatasættet efter fjernelse af det ydre hudspektre i PLS_Toolbox-softwaren under MATLAB-platformen, og højreklik på datasættet for at vælge Analysér, og vælg derefter PCA. Klik derefter på Vælg forbehandling.Vælg Normaliser som forbehandlingsmetode. Vælg derefter ingen til krydsvalideringen. Byg derefter modellen ved hjælp af de tre komponenter til PCA-nedbrydningsanalysen.Fjern nu dækslet på in vivo Ramen instrumentindsamlingsvinduet, og saml rumlyspektre i højfrekvensområdet ved hjælp af de samme parametre, der anvendes til referencematerialets dataindsamling. Identificer rumlyseffektfaktoren ved sammenligning med rummets lysbaggrund. Gennemgå nu scorerne, og fjern spektre med den betydeligt højere tilsvarende scoreværdi end normalt.Det betyder, at scoreværdierne på mere end 99,8 % af hele datasættet skal fjernes, hvilket er 0,16 i denne undersøgelse. Gem de resulterende kalibrerings-X-block-data. Endelig skal du gå til PLS_Workspace browser og redigere den nye fil.Vælg rækkeetiketterne, og gå til Hard Delete Udeladt for permanent at slette de udeladte data, før du gemmer filen igen. Begynd med at korrigere Raman-spektre baseline ved hjælp af den samme netop viste. Udfør derefter PCA-analysen af det forarbejdede datasæt.Plot eigenvalues i logaritmisk skala sammen med antallet af komponenter ved at klikke på knappen Vælg komponent, og vælg log (eigenvalues) som y-værdien. Hvis du vil udføre analyse af kurveopløsning med flere 70 gater, skal du først bruge datamarkeringsknappen til at indlæse datasættet i MCR_main software. Vælg antallet af komponenter manuelt, og angiv komponentnummeret til mellem tre og otte.Klik derefter på knappen Ren under fanen Indledende estimering. Vælg derefter Koncentration, og klik på knappen Gør. Når skærmen opdateres, skal du klikke på knappen Ok og derefter fortsætte med at gå til næste side.Klik nu på Fortsæt, og under Implementering skal du anvende fnnls. Vælg derefter seks i rullemenuen for antallet af arter med ikke-negativitetsprofiler, og klik på Fortsæt. Vælg de samme parametre på næste side, og klik på Fortsæt.For at bestemme placeringen på hudoverfladen blev området under proteinets Raman-top integreret for at opnå proteinsignalets dybdeprofil. Hudoverfladen blev defineret som det sted, hvor intensitetsværdien fra den interpolerede dybdeprofil var tættest på middelintensiteten. Den nøjagtige placering af hudoverfladen behøver ikke at falde sammen med et eksperimentelt datapunkt.I alt 30, 862 Raman spektre blev indsamlet med dataindsamling protokol beskrevet i denne video. Dette store spektrale datasæt indeholder 20% spektrale outliers. Korrekt identifikation og fjernelse af outlier spektre er vigtigt at opnå en ordentlig datasæt.Her kan man se bidraget fra rumlys, overlejret på en referencespektre af Roomlight. Principkomponentanalysen blev udført på det forarbejdede konfokale Raman-datasæt, og eigenvalue afbildes sammen med antallet af anvendte faktorer her. Der blev observeret et betydeligt fald i eigenvalue for faktor ni.Denne observation foreslår at undersøge modeller med antallet af principkomponenter, der varierer mellem tre og otte faktorer for optagelse i den multivariate kurveopløsningsmodel. Når du forsøger denne procedure, er det vigtigt at starte en dybdeprofil over hudoverfladen for præcist at bestemme placeringen af hudoverfladen. Denne metode gør det muligt at undersøge hudplejeprodukters indvirkning på vigtige hudkomponenter, herunder vand, proteiner og lipider.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry (UPLC-HRMS)

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry UPLC-HRMS

Målrettede Metabolomics fra biologiske kilder Brug Ultraperformance væskekromatografi-højopløsningsmassespektrometri (UPLC-HRMS)

Here we present a workflow to analyze the metabolic profiles for biological samples of interest including; cells, serum, or tissue. The sample is first ...

High-pressure Sapphire Cell for Phase Equilibria Measurements of CO2/Organic/Water Systems

High-pressure Sapphire Cell for Phase Equilibria Measurements of CO2/Organic/Water Systems

Højtryks-Sapphire Cell til faseligevægte Målinger af CO<sub&gt; 2.</sub&gt; / Organiske / Water Systems

The high pressure sapphire cell apparatus was constructed to visually determine the composition of multiphase systems without physical sampling. ...

A Simple and Rapid Protocol for Measuring Neutral Lipids in Algal Cells Using Fluorescence

En enkel og hurtig protokol til måling af neutrale lipider i algeceller Brug Fluorescens

Algae are considered excellent candidates for renewable fuel sources due to their natural lipid storage capabilities. Robust monitoring of algal ...

An Inverse Analysis Approach to the Characterization of Chemical Transport in Paints

En omvendt analyse tilgang til karakterisering af kemiske Transport i Maling

The ability to directly characterize chemical transport and interactions that occur within a material (i.e., subsurface dynamics) is a vital component in ...

Water in Oil Emulsions: A New System for Assembling Water-soluble Chlorophyll-binding Proteins with Hydrophobic Pigments

Vand i olie Emulsioner: Et nyt system til samling Vandopløselige klorofyl-bindende proteiner med Hydrofobe Pigmenter

Chlorophylls (Chls) and bacteriochlorophylls (BChls) are the primary cofactors that carry out photosynthetic light harvesting and electron transport. ...

In Situ Characterization of Hydrated Proteins in Water by SALVI and ToF-SIMS

In Situ Characterization of Hydrated Proteins in Water by SALVI and ToF-SIMS

In situ karakterisering af Hydratformerne Proteiner i vand ved Salvi og ToF-SIMS

This work demonstrates in situ characterization of protein biomolecules in the aqueous solution using the System for Analysis at the Liquid Vacuum ...

Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents

Forberedelse biopolymer Aerogeler Brug Grønne Opløsningsmidler

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers ...

Laboratory Production of Biofuels and Biochemicals from a Rapeseed Oil through Catalytic Cracking Conversion

Laboratorium Produktion af biobrændstoffer og biokemikalier fra en Rapsolie gennem Catalytic Cracking Conversion

The work is based on a reported study which investigates the processability of canola oil (bio-feed) in the presence of bitumen-derived heavy gas oil ...

A Novel Technique for Raman Analysis of Highly Radioactive Samples Using Any Standard Micro-Raman Spectrometer

En ny teknik til Raman Analyse af højradioaktive Prøver Brug nogen standard Micro-Raman spektrometer

A novel approach for the Raman measurement of nuclear materials is reported in this paper. It consists of the enclosure of the radioactive sample in a ...

Vibrational Spectra of a N719-Chromophore/Titania Interface from Empirical-Potential Molecular-Dynamics Simulation, Solvated by a Room Temperature Ionic Liquid

Vibrationelle spektre af en N719-Chromophore/Titania Interface fra empirisk-potentiel molekylær-dynamik simulering, solvated af en rumtemperatur ionisk væske