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

De auteurs erkennen sterk de financiële steun van de afdeling analytische en persoonlijke reinigings zorg van het bedrijf. We willen onze dankbaarheid betuigen aan de analytische Associate Directors MS. Jasmine Wang en Dr. Robb Gardner voor hun begeleiding en ondersteuning en mevrouw Li Yang voor haar hulp bij het verzamelen van gegevens.

Deze studie werd goedgekeurd door de Commissie voor institutionele toetsing van het Children's Hospital in Beijing in overeenstemming met de ethische richtsnoeren van de verklaring van 1975 van Helsinki. Het werd uitgevoerd volgens ICH richtlijnen voor goede klinische praktijk. De studie vond plaats van mei tot en met 2015 juli.
1. verzameling van in vivo Confocale Raman spectra van menselijke proefpersonen met atopische dermatitis
<ol><li>Onderwerpen opnemen in overeenstemming met de volgen...

<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>

Tijdens het verzamelen van gegevens, zoals beschreven in sectie 2 en 3 van het Protocol, werd elk diepte profiel verzameld in een gebied met contact tussen het instrument venster en de huid door het vinden van de donkere gebieden van de microscopische beelden gemarkeerd in de rode cirkels in Figuur 2C. Zodra deze gebieden waren gevestigd, was het van cruciaal belang om het diepte profiel boven het huidoppervlak te starten om de locatie van het huidoppervlak voor de data-ana...

In klinische studies heeft Confocale Raman-spectroscopie in vivo zijn unieke vermogen aangetoond voor het bepalen van de dikte van stratum corneum en het watergehalte1,2,3,4en het volgen van de penetratie van actieve materialen die topisch op de huid worden aangebracht,5,6. Als een niet-invasieve aanpak detecteert Confocale Raman-spectroscopie moleculaire signalen op basis van vibrationele modi. Dus, labeling is niet nodig7. In vivo Confocale Raman-spectroscopie biedt chemische informatie met diepte resolutie op basis van het confocale karakter van de techniek. Deze diepte afhankelijke informatie is zeer nuttig bij het bestuderen van de effecten van huidverzorgingsproducten4,8, veroudering9,10, seizoensgebonden veranderingen3, evenals huidbarrière functie ziekten, zoals atopische dermatitis11,12. Er is veel informatie in de hoge frequentie regio van confocale Ramanspectroscopie (2500 – 4000 cm-1), waar water produceert verschillende pieken in de regio tussen 3250 – 3550 cm-1. Echter, de Raman pieken van eiwitten en lipiden, die zijn gecentreerd tussen ongeveer 2800 – 3000 cm-1, elkaar overlappen, omdat de signalen worden voornamelijk geproduceerd uit methyleen (-CH2-) en methyl (-CH3) groepen13 . Deze overlappende informatie geeft een technische uitdaging bij het verkrijgen van relatieve hoeveelheden van individuele moleculaire soorten. Piek fitting14,15 en selectieve piekpositie12,16 benaderingen zijn gebruikt om deze uitdaging op te lossen. Echter, het is moeilijk voor deze single Peak-gebaseerde methoden om zuivere component informatie te extraheren, omdat meerdere Raman pieken van dezelfde component tegelijkertijd veranderen17. In onze recente publicatie18werd een MCR-benadering voorgesteld om de zuivere component informatie te verheldering. Met behulp van deze benadering werden drie componenten (water, eiwitten en lipiden) geëxtraheerd uit een grote in vivo Confocale Raman spectroscopische gegevensset.
De uitvoering van grote klinische studies kan veeleisend zijn voor individuen die in vivo spectroscopische gegevens verzamelen. In sommige gevallen kan spectrale acquisitie gedurende vele uren op een dag besturingsapparatuur vereisen en kan de studie tot weken of maanden duren. Onder deze omstandigheden kunnen spectroscopische gegevens worden gegenereerd door exploitanten van apparatuur die niet over de technische deskundigheid beschikken om alle bronnen van spectroscopische artefacten te identificeren, uit te sluiten en te corrigeren. De resulterende gegevensset kan een kleine fractie van spectroscopische uitschieters bevatten die voorafgaand aan de analyse moeten worden geïdentificeerd en uitgesloten van de gegevens. Dit document illustreert in detail een chemometrische analyseproces voor het "opschonen" van een klinisch Raman gegevensset voordat de gegevens met MCR analyseren. Om de uitschieters met succes te verwijderen, moeten de typen uitschieters en de mogelijke oorzaak voor het genereren van de spectra in uitschieter worden geïdentificeerd. Vervolgens kan een specifieke aanpak worden ontwikkeld om de beoogde uitschieters te verwijderen. Dit vereist voorafgaande kennis van de gegevensset, inclusief een gedetailleerd inzicht in het proces voor het genereren van gegevens en het ontwerp van de studie. In deze gegevensset zijn de meeste uitschieters laag signaal-ruis Spectra en komen voornamelijk uit 1) spectra die boven het huidoppervlak worden verzameld (6.208 van 30.862), en 2) sterke bijdrage aan het spectrum van fluorescerende kamer verlichting (67 van 30.862). Spectra die boven het huidoppervlak worden verzameld, produceren een zwakke Raman-respons, omdat het Laser brandpunt het huidoppervlak benadert en zich meestal in het instrumenten venster onder de huid bevindt. Spectra met een sterke bijdrage van fluorescerende kamer licht worden gegenereerd als gevolg van een fout in de instrument operator of een beweging van het onderwerp, die een voorwaarde oplevert waarbij het Confocale Raman-collectie venster niet volledig wordt gedekt door de lichaams site van het onderwerp. Hoewel deze soorten spectrale artefacten kunnen worden geïdentificeerd en hersteld tijdens spectrale verwerving door een spectroscopische deskundige op het moment van gegevensverwerving, werden de in deze studie gebruikte getrainde instrumenten operatoren geïnstrueerd om alle gegevens te verzamelen, tenzij een onherstelbare fout is waargenomen. De taak van het identificeren en uitsluiten van uitschieters is opgenomen in het Data Analysis protocol. Het gepresenteerde protocol is ontwikkeld om deze uitdaging op te lossen. Om de lage signaal-ruis Spectra boven het huidoppervlak aan te pakken, moet de locatie van het huidoppervlak eerst worden bepaald om het verwijderen van spectra die boven het huidoppervlak zijn verzameld mogelijk te maken. De locatie van het huidoppervlak wordt gedefinieerd als de diepte waar het brandpunt van de Raman-laser de helft van de huid is en de helft uit de huid, zoals geïllustreerd in aanvullend figuur 1. Na het verwijderen van lage signaal-ruis spectra, wordt een principal component Analysis (PCA) geïmplementeerd om de factor te extraheren die gedomineerd wordt door fluorescerende kamer licht pieken. Deze uitschieters worden verwijderd op basis van de Score waarde van de corresponderende factor.
Dit protocol bevat gedetailleerde informatie over de manier waarop zes hoofdonderdelen worden bepaald in het MCR-proces. Dit gebeurt via een PCA-analyse gevolgd door spectrale vorm vergelijking tussen de ladingen voor modellen die worden gegenereerd met een verschillend aantal hoofdcomponenten. Het experimentele proces voor het verzamelen van gegevens van referentiematerialen en de menselijke proefpersonen wordt ook gedetailleerd toegelicht.

<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

Ontwikkeling van deze in vivo Confocale Raman spectroscopische methode maakt de directe meting van water, eiwitten en lipiden met diepte resolutie bij menselijke proefpersonen mogelijk. Deze informatie is zeer belangrijk voor huid-gerelateerde ziekten en het karakteriseren van de prestaties van huidverzorgingsproducten. Dit protocol illustreert een methode voor Confocale Raman spectra Collection en de daaropvolgende analyse van de spectrale gegevensset, gebruikmakend van Chemometrie. Het doel van deze methode is het opstellen van een standaardprotocol voor het verzamelen van gegevens en het bieden van algemene richtlijnen voor gegevensanalyse. Voor verwerking (bijvoorbeeld het verwijderen van uitschieters Spectra) is een kritieke stap bij het verwerken van grote gegevenssets uit klinische studies. Als voorbeeld bieden we richtlijnen op basis van voorafgaande kennis van een gegevensset om de typen uitschieters te identificeren en specifieke strategieën te ontwikkelen om ze te verwijderen. Er wordt een hoofdcomponent analyse uitgevoerd en de laad spectra worden vergeleken met Spectra uit referentiematerialen om het aantal componenten te selecteren dat wordt gebruikt in de uiteindelijke analyse van de multivariate curve Resolution (MCR). Deze aanpak is succesvol voor het extraheren van zinvolle informatie uit een grote spectrale gegevensset.

In deze klinische studie werden in vivo Confocale Raman spectra verzameld van 28 personen van 4 – 18 jaar oud. In totaal werden 30.862 Raman spectra verzameld met het hierboven genoemde protocol voor gegevensverzameling. Deze grote spectrale gegevensset bevat 20% spectrale uitschieters zoals weergegeven in Figuur 4A. De lage signaal-ruis-uitschieter Spectra werden verwijderd na het bepalen van het huidoppervlak, gevolgd door de PCA om de spectra te identificeren met kamer lichtfuncties...

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

Hier presenteren we een protocol voor het verzamelen van Confocale Raman spectra van menselijke proefpersonen in klinische studies gecombineerd met chemometrische benaderingen voor spectrale uitschieter verwijdering en de daaropvolgende extractie van belangrijke functies.

Oplossen van water, eiwitten en lipiden uit in vivo Confocale Raman spectra van stratum corneum door middel van een chemometrische benadering

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

Directe meting van water, eiwitten en lipiden met diepteresolutie bij menselijke proefpersonen is erg belangrijk voor huidgerelateerde ziekten, voor de karakterisering van de prestaties van huidverzorgingsproducten. Deze methode, samen met de daaropvolgende analyse, maakt gebruik van chemometrie om chemische informatie te extraheren. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het mogelijk is voor de klinische Raman dataset worden verzameld door getrainde instrument exploitanten die geen technische expertise te identificeren, uit te sluiten, en te saneren van alle bronnen van spectroscopische artefacten.De resulterende gegevensset kan vervolgens worden verwerkt om uitschieters te identificeren die moeten worden uitgesloten vanaf de datum voorafgaand aan de analyse. Tijdens de data-analyse is het verwijderen van de uitschieters en de identificatie van het nummer van de belangrijkste componenten in de gegevensset een belangrijke uitdaging. De aanpak toont in deze video maakt gebruik van voorkennis van de klinische dataset en chemometrie aanpak om met succes het water, eiwit en lipide met diepteresolutie te extraheren.Het aantonen van de procedure zal Li Yang zijn, technicus van ons C&T lab. Om te beginnen, hebben het onderwerp plaats een gemarkeerde laesie lichaam site of controle site in nauw contact met de beeldvorming venster van de in vivo confocale Raman instrument. Zorg ervoor dat ze het hele raam bedekken om de impact van kamerlicht op beeldvorming te voorkomen.Open vervolgens de software en verplaats de focus totdat een spectrum vergelijkbaar is met het spectrum dat hier wordt getoond, wordt gezien. Beweeg daarna de focus 10 micron uit de buurt van het huidoppervlak. Verzamel gegevens voor 26 stappen met een stapgrootte van twee micron in het hier getoonde frequentiegebied, met behulp van een belichtingstijd van één seconde.Meet acht replica's voor elk gebied, die in totaal maximaal 15 minuten duren. Gebruik eerst het opdrachtvenster en MATLAB om de bestandsextensie van de verzamelde gegevens van ric naar mat te wijzigen. Laad vervolgens het matbestand op het MATLAB-softwareplatform, zoals hier wordt getoond.Corrigeer de basislijn van de gegevensset met behulp van de automatische gewogen methode voor de minste vierkanten, door naar het PLS_Workspace venster te gaan en met de rechtermuisknop op de geïmporteerde gegevensset te klikken, te scrollen naar Analyseren, Andere gereedschappen te selecteren en op Voorbewerking te klikken. Klik in het venster dat verschijnt op Weergeven. Schuif vervolgens omlaag op de werkbalk Beschikbare methoden naar de filtering Basislijn van automatisch gewogen gehuurde vierkanten en selecteer Toevoegen.Klik vervolgens op Ok om de opties in te stellen en voorbewerking toe te passen op de gegevens. Bewaar dit als Spectra_baseline. Ga vervolgens terug naar het opdrachtvenster en vervang de gegevens met behulp van het gecorrigeerde basislijnresultaat.Ga nu naar de teksteditor en voer het programma uit zoals hier wordt weergegeven. Dit geeft een samenvatting van de waarden tussen 2910 en 2965 omgekeerde centimeters om de intensiteitswaarden onder elk Raman-spectrum te verkrijgen uit de 26 opeenvolgende stappenmeting en deze op te slaan in een Excel-bestand. Ga in MATLAB naar de werkruimte en stel het pad in voor de gegevens in Depth_save, zoals weergegeven.Gebruik vervolgens het hier beschreven proces om de waarde van de instrumentverschuiving van 26 tot 260 te interpoleren met behulp van de linspace-functie in MATLAB. Dit proces interpoleert de intensiteitswaarde van 26 tot 260 met behulp van de spline-methode, waarbij gebruik wordt gemaakt van de nieuw gegenereerde 260-positiewaarden. Bovendien zal het gebruik maken van de 260 positie en intensiteit waarden als x en y ingangen voor de polyfit functie respectievelijk, het instellen van de mate waarde op 20.Vervolgens zal het gebruik maken van de output coëfficiënten en de 260 uitgebreide positie waarden als de input voor polyval, om de laatste 260 intensiteit waarden te verkrijgen. Vervolgens berekent het de gemiddelde intensiteit en vindt het punt in de curve die het dichtst bij de gemiddelde intensiteit ligt. Het zal ook de diepte waarde veranderen afhankelijk van het huidoppervlak, in de bekende twee-micron stap grootte.Voer het programma uit. Laad de Raman spectra-gegevensset na verwijdering van de buitenste skinspectra in de PLS_Toolbox-software, onder het MATLAB-platform en klik met de rechtermuisknop op de gegevensset om Analyseren te kiezen en vervolgens PCA te selecteren. Klik vervolgens op Voorbewerking kiezen.Selecteer Normaliseren als de voorbewerkingsbenadering. Kies vervolgens geen voor de kruisvalidatie. Bouw vervolgens het model met behulp van de drie componenten voor de PCA-afbraakanalyse.Verwijder nu de hoes op het in vivo Ramen-instrumentverzamelingsvenster en verzamel de lichtspectra van de ruimte in het hoogfrequente gebied met dezelfde parameters die worden gebruikt voor de gegevensverzameling van het referentiemateriaal. Identificeer de factor ruimtelichteffect door vergelijking met de achtergrond van het ruimtelicht. Bekijk nu de scores en verwijder de spectra met de aanzienlijk hogere overeenkomstige scorewaarde dan normaal.Dit betekent het verwijderen van scorewaarden van meer dan 99,8% van de hele gegevensset, wat 0,16 is in deze studie. Sla de resulterende kalibratie X-blokgegevens op. Ga ten slotte naar de PLS_Workspace browser en bewerk het nieuwe bestand.Selecteer de rijlabels en ga naar Harde verwijdering uitgesloten om de uitgesloten gegevens permanent te verwijderen voordat u het bestand opnieuw opslaat. Begin met het corrigeren van de Raman spectra baseline met behulp van dezelfde net weergegeven. Voer vervolgens de PCA-analyse uit op de vooraf verwerkte gegevensset.Plot de eigenwaarden in logaritmische schaal samen met het aantal componenten door op de knop Component kiezen te klikken en selecteer logboek(eigenwaarden)als de y-waarde. Als u analyse van de curveresolutie met meerdere verschillende verschillende opties wilt uitvoeren, gebruikt u eerst de knop gegevensselectie om de gegevensset in de MCR_main software te laden. Kies handmatig het aantal componenten en stel het componentnummer in op drie tot acht.Klik vervolgens onder het tabblad Initiële schatting op de knop Pure. Selecteer vervolgens Concentratie en klik op de knop Doen. Zodra het scherm wordt vernieuwd, klikt u op de knop Ok en gaat u vervolgens verder naar de volgende pagina.Klik nu op Doorgaan en pas onder Implementatie fnnls toe. Selecteer er vervolgens zes in het vervolgkeuzemenu voor het aantal soorten met niet-negativiteitsprofielen en klik op Doorgaan. Kies op de volgende pagina dezelfde parameters en klik op Doorgaan.Om de locatie aan het huidoppervlak te bepalen, werd het gebied onder de Raman-piek van het eiwit geïntegreerd om het diepteprofiel van het eiwitsignaal te verkrijgen. Het huidoppervlak werd gedefinieerd als de locatie waar de intensiteitswaarde van het geïnterpoleerde diepteprofiel het dichtst bij de gemiddelde intensiteit lag. De exacte locatie van het huidoppervlak hoeft niet samen te vallen met een experimenteel gegevenspunt.Een totaal van 30, 862 Raman spectra werden verzameld met de gegevens verzameling protocol beschreven in deze video. Deze grote spectrale gegevensset bevat 20% spectrale uitschieters. Een goede identificatie en verwijdering van de uitschieter spectra is belangrijk om een goede dataset te bereiken.Hier kan men de bijdrage van kamerverlichting zien, bovenop een referentiespectra van Roomlight. De analyse van de principiële component werd uitgevoerd op de vooraf verwerkte confocale Raman-gegevensset, en de eigenwaarde, samen met het aantal gebruikte factoren, wordt hier uitgezet. Voor factor negen werd een significante daling van de eigenwaarde waargenomen.Deze observatie suggereert het onderzoeken van modellen met het aantal principiële componenten variërend tussen drie en acht factoren voor opname in de multivariate curve resolutie model. Bij het proberen van deze procedure is het van cruciaal belang om een diepteprofiel boven het huidoppervlak te starten, om de locatie van het huidoppervlak nauwkeurig te bepalen. Deze methodologie maakt het mogelijk om de impact van huidverzorgingsproducten op belangrijke huidcomponenten, waaronder water, eiwitten en lipiden, te onderzoeken.

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

Ongerichte Metabolomics uit biologische grondstoffen gebruiken UltraPerformance Liquid Chromatography-hoge resolutie massaspectrometrie (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

Hogedruk Sapphire Cel voor fasenevenwichten Metingen van CO<sub&gt; 2</sub&gt; / Organic / 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

Een eenvoudige en snelle protocol voor het meten van neutrale lipiden in algencellen met behulp van fluorescentie

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

Een Inverse Analyse aanpak van de karakterisering van de Chemical Transport in Paints

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

Water in olie emulsies: Een nieuw systeem voor het samenstellen van water-oplosbare-Chlorophyll bindende eiwitten met Pigmenten Hydrofobe

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 van gehydrateerde Eiwitten in Water door SALVI en 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

Bereiding van Biopolymer Aerogels die Groene Oplosmiddelen

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 productie van biobrandstoffen en Biochemicals uit een Koolzaadolie door middel van katalytisch kraken 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

Een nieuwe techniek voor Raman analyse van sterk radioactieve monsters behulp van een standaard micro-Raman Spectrometer

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

Vibrationele Spectra van een N719-Chromophore/Titania Interface van Empirisch-Potential Molecular-Dynamics Simulation, oplosbaar door een ionische vloeistof van kamertemperatuur