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 i stor grad erkjenner den økonomiske støtten fra bedriftens funksjon analytiske og personlige rensing omsorg avdeling. Vi ønsker å uttrykke vår takknemlighet til analytiske knytte direktører MS Jasmine Wang og Dr. Robb Gardner for deres veiledning og støtte og MS Li Yang for hennes hjelp på datainnsamling.

Denne studien ble godkjent av den institusjonelle gjennomgangen komité Beijing Children ' s Hospital i samsvar med de etiske retningslinjene i 1975 erklæringen av Helsingfors. Det ble gjennomført i henhold til ICH retningslinjer for god klinisk praksis. Studien fant sted fra mai til juli 2015.
1. innsamling av in vivo konfokalmikroskopi Raman Spectra fra menneskelige motiver med atopisk dermatitt
<ol><li>Inkluder emner i samsvar med følgende kriterier.<ol>
<li>Ta med emner mellom 4 – 1...

<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>

I løpet av datainnsamlingen, som beskrevet i punkt 2 og 3 i protokollen, ble hver dybde profil samlet i et område med kontakt mellom instrument vinduet og huden ved å finne de mørkere områdene fra de mikroskopiske bildene som er uthevet i de røde sirklene i Figur 2C. Når disse områdene var plassert, var det avgjørende å starte dybde profilen over hudoverflaten for å nøyaktig bestemme plasseringen av hudens overflate for dataanalyse prosedyre. Plasseringen av hud...

I kliniske studier har in vivo konfokalmikroskopi Raman spektroskopi vist sin unike evne til å bestemme stratum corneum tykkelse og vanninnhold1,2,3,4, og sporing av inntrengning av aktivt materiale lokalt påføres huden5,6. Som en ikke-invasiv tilnærming, konfokalmikroskopi Raman spektroskopi oppdager molekylære signaler basert på vibrasjonen moduser. Dermed er merking ikke nødvendig7. In vivo konfokalmikroskopi Raman spektroskopi gir kjemisk informasjon med dybde oppløsning basert på den konfokalmikroskopi natur teknikken. Denne dybde avhengige informasjonen er svært nyttig i å studere virkningene av hudpleieprodukter4,8, aldring9,10, sesongmessige endringer3, samt hudbarriere funksjon sykdommer, som atopisk dermatitt11,12. Det er mye informasjon i høy frekvens regionen konfokalmikroskopi Raman spektroskopi (2500-4000 cm-1), der vann produserer distinkte topper i regionen mellom 3250-3550 cm-1. Men Raman toppene av proteiner og lipider, som er sentrert mellom ca 2800-3000 cm-1, overlapper hverandre fordi signalene er hovedsakelig produsert fra metylen (-CH2-) og methyl (-CH3) grupper13 . Dette overlappet informasjon presenterer en teknisk utfordring ved innhenting relative mengder av individuelle molekylære arter. Toppmontering14,15 og selektiv topp posisjon12,16 tilnærminger har blitt brukt til å løse denne utfordringen. Det er imidlertid vanskelig for disse enkelt topp-baserte metoder for å trekke ut ren komponentinformasjon fordi flere Raman topper fra samme komponent endres samtidig17. I vår nylige utgivelse18ble en MCR-tilnærming foreslått for å belyse den rene komponentinformasjonen. Ved hjelp av denne tilnærmingen, tre komponenter (vann, proteiner og lipider) ble utvunnet fra en stor in vivo konfokalmikroskopi Raman spektroskopiske datasett.
Gjennomføringen av store kliniske studier kan være krevende for enkeltpersoner å samle inn vivo spektroskopiske data. I noen tilfeller kan Spectral oppkjøp kreve drifts utstyr i mange timer på en dag, og studien kan forlenge opp til uker eller måneder. Under disse forholdene kan spektroskopiske data genereres av utstyrs operatører som mangler teknisk ekspertise for å identifisere, ekskludere og korrigere for alle kilder til spektroskopiske artefakter. Det resulterende datasettet kan inneholde en liten brøkdel av spektroskopiske outliers som må identifiseres og ekskluderes fra dataene før analysen. Dette papiret illustrerer i detalj en chemometric analyse prosess for å "rydde opp" et klinisk Raman datasett før analysere dataene med MCR. Å med hell fjerne det outliers, typene av outliers og det muligheter anledning for det generasjon av det avvikende Spectra nød å bli kjennemerke. Deretter kan en bestemt tilnærming utvikles for å fjerne målrettede outliers. Dette krever forhåndskunnskap om datasettet, inkludert en detaljert forståelse av dataene og studie utformingen. I dette datasettet, flertallet av outliers er lav signal-til-støy Spectra og kommer først og fremst fra 1) Spectra samlet over hudoverflaten (6 208 av 30 862), og 2) sterkt bidrag til spekteret fra fluorescerende rom lys (67 ut av 30 862). Spectra samlet over hudoverflaten produsere en svak Raman respons, som laser fokuspunktet nærmer seg hudoverflaten og er for det meste i instrumentet vinduet under huden. Spectra med et sterkt bidrag fra fluorescerende rom lys genereres på grunn av enten instrument operatørfeil eller motivbevegelse, som produserer en tilstand der konfokalmikroskopi Raman samling vinduet ikke er fullt ut dekket av faget kropp nettsted. Selv om disse typene av Spectral artefakter kunne identifiseres og utbedres i løpet av Spectral oppkjøp av en spektroskopiske-ekspert på tidspunktet for datainnhenting, ble de trente instrument operatørene som ble brukt i denne studien, instruert til å samle inn alle data med katastrofal svikt ble observert. Oppgaven med å identifisere og ekskludere outliers er innlemmet i dataanalyse protokollen. Protokollen som presenteres er utviklet for å løse denne utfordringen. For å møte den lave signal-til-støy Spectra over hudens overflate, må plasseringen av hudoverflaten bestemmes først for å tillate fjerning av Spectra samlet over hudoverflaten. Plasseringen av hudoverflaten er definert som dybden der Raman laser knutepunkt er halvparten i huden og halvparten ut av huden som illustrert i supplerende figur 1. Etter å ha fjernet lav signal-til-støy Spectra, en rektor komponent analyse (PCA) er implementert for å trekke ut faktoren dominert av fluorescerende rom lys topper. Disse outliers er fjernet basert på score verdien av den tilsvarende faktoren.
Denne protokollen gir detaljert informasjon om hvordan seks hovedkomponenter bestemmes i MCR-prosessen. Dette gjøres gjennom en PCA-analyse etterfulgt av Spectral figur sammenligning mellom belastninger for modeller generert med et ulikt antall hovedkomponenter. Den eksperimentelle prosessen for datainnsamling av referansematerialer så vel som de menneskelige fagene er også forklart i detalj.

<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

Utvikling av denne in vivo konfokalmikroskopi Raman spektroskopiske metoden muliggjør direkte måling av vann, proteiner og lipider med dybde oppløsning i menneskelige. Denne informasjonen er svært viktig for hud-relaterte sykdommer og karakteriserer hudpleieprodukt ytelse. Denne protokollen illustrerer en metode for konfokalmikroskopi Raman Spectra samling og den påfølgende analyse av Spectral datasettet utnytte kjemometri. Målet med denne metoden er å etablere en standard protokoll for datainnsamling og gi generell veiledning for dataanalyse. Forbehandling (for eksempel fjerning av avvikende Spectra) er et kritisk trinn ved behandling av store datasett fra kliniske studier. Som et eksempel gir vi veiledning basert på tidligere kjennskap til et datasett for å identifisere outliers og utvikle spesifikke strategier for å fjerne dem. En hovedkomponent analyse utføres, og lasting Spectra sammenlignes med Spectra fra referansemateriale for å velge antall komponenter som brukes i den endelige multivariabel kurve oppløsning (MCR) analyse. Denne tilnærmingen er vellykket for å utvinne meningsfull informasjon fra en stor Spectral datasett.

I denne kliniske studien ble in vivo konfokalmikroskopi Raman Spectra samlet inn fra 28 fra 4 – 18 år gammel. Totalt 30 862 Raman Spectra ble samlet inn med datainnsamlings protokollen nevnt ovenfor. Denne store Spectral datasettet inneholder 20% Spectral outliers som vist i Figur 4A. Den lave signal-til-støy avvikende Spectra ble fjernet etter fastsettelse hudoverflaten, etterfulgt av PCA å identifisere Spectra med lysfunksjoner. Den tredje faktoren i denne PCA-modellen er identifi...

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 presenterer vi en protokoll for innsamling av konfokalmikroskopi Raman Spectra fra menneskelige i kliniske studier kombinert med chemometric tilnærminger for Spectral avvikende fjerning og den påfølgende ekstraksjon av viktige funksjoner.

Løse vann, proteiner og lipider fra in vivo Konfokalmikroskopi Raman Spectra av stratum corneum gjennom en Chemometric Approach

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

Direkte måling av vann, proteiner og lipider med dybdeoppløsning hos mennesker er svært viktig for hudrelaterte sykdommer, for karakterisering av hudpleieproduktytelse. Denne metoden, sammen med den påfølgende analysen, utnytter kjemoometri for å trekke ut kjemisk informasjon. Den største fordelen med denne teknikken er at det gjør det mulig for det kliniske Raman-datasettet å bli samlet inn av opplærte instrumentoperatører som mangler teknisk ekspertise for å identifisere, ekskludere og utbedre alle kilder til spektroskopiske gjenstander.Det resulterende datasettet kan deretter behandles for å identifisere avvik som må utelates fra datoen før analyse. Under dataanalysen er en viktig utfordring fjerning av ytterpunktene, og identifisering av antall nøkkelkomponenter i datasettet. Tilnærmingen viser i denne videoen utnytter forkunnskaper om det kliniske datasettet og kjemoometritilnærmingen for å kunne trekke ut vann, protein og lipid med dybdeoppløsning.Demonstrere prosedyren vil være Li Yang, tekniker fra vår C & T lab. Til å begynne med må motivet plassere et merket lesjonsområde eller kontrollsted i nær kontakt med bildevinduet på det in vivo confocal Raman-instrumentet. Pass på at de dekker hele vinduet for å unngå virkningen av romlys på bildebehandling.Deretter åpner du programvaren og flytter fokus til et spektrum som ligner på det som vises her, blir sett. Etterpå flytter du fokuset 10 mikrometer bort fra hudoverflaten. Samle inn data for 26 trinn med en to-mikron trinnstørrelse i frekvensområdet som vises her, ved hjelp av en eksponeringstid på ett sekund.Mål åtte repliker for hvert område, som varer opptil 15 minutter totalt. Bruk først kommandovinduet og MATLAB til å endre filtypen til de innsamlede dataene fra ric til matte. Deretter laster du mattefilen til MATLAB-programvareplattformen, som vist her.Korriger datasettets opprinnelige plan ved hjelp av metoden for automatisk vektet minst kvadrater ved å gå til PLS_Workspace-vinduet og høyreklikke det importerte datasettet, rulle til Analyser, velge Andre verktøy og klikke på Forhåndsbehandling. I vinduet som dukker opp, klikk på Vis. Deretter ruller du ned verktøylinjen tilgjengelige metoder til automatisk filtrering av leide firkanter, og velger Legg til.Deretter klikker du på Ok for å angi alternativene og for å bruke forhåndsbehandling på dataene. Lagre dette som Spectra_baseline. Deretter går du tilbake til kommandovinduet og erstatter dataene ved hjelp av det opprinnelige planlagte resultatet.Nå går du til Tekstredigering og kjører programmet som vist her. Dette vil oppsummere verdiene mellom 2910 og 2965 inverse centimeter for å oppnå intensitetsverdiene under hvert Raman-spektrum fra 26 påfølgende trinnmåling, og lagre dem i en Excel-fil. I MATLAB går du til arbeidsområdet og angir banen for dataene i Depth_save, som vist.Deretter bruker du prosessen som er beskrevet her for å interpolere instrumentforskyvningsverdien fra 26 til 260 ved hjelp av linspace-funksjonen i MATLAB. Denne prosessen vil interpolere intensitetsverdien fra 26 til 260 ved hjelp av spline-metoden, ved hjelp av de nylig genererte 260 posisjonsverdiene. I tillegg vil den bruke 260 posisjons- og intensitetsverdiene som x- og y-innganger for henholdsvis polyfit-funksjonen, og sette gradsverdien til 20.Deretter vil den bruke utgangskoeffisientene og de 260 utvidede posisjonsverdiene som inngang for polyval, for å oppnå de endelige 260 intensitetsverdiene. Deretter vil den beregne gjennomsnittsintensiteten og finne punktet i kurven som er nærmest gjennomsnittsintensiteten. Det vil også endre dybdeverdien i henhold til hudoverflaten, i den kjente to-mikron trinnstørrelsen.Kjør programmet. Last raman spectra datasettet etter fjerning av den ytre hudspektraen i PLS_Toolbox-programvaren, under MATLAB-plattformen og høyreklikk på datasettet for å velge Analyser og velg deretter PCA. Deretter klikker du på Velg forhåndsprosessering.Velg Normaliser som forhåndsprosesseringstilnærming. Velg deretter ingen for kryssvalideringen. Deretter bygger du modellen ved hjelp av de tre komponentene for PCA-nedbrytningsanalysen.Fjern nå dekselet på in vivo Ramen-instrumentinnsamlingsvinduet, og samle romlysspektraet i høyfrekvente området ved hjelp av de samme parametrene som brukes til referansematerialets datainnsamling. Identifiser rommet lyseffektfaktor sammenlignet med rommet lys bakgrunn. Nå, gjennomgå score og fjerne spektra med betydelig høyere tilsvarende score verdi enn normalt.Dette betyr å fjerne poengverdier på mer enn 99,8 % av hele datasettet, som er 0,16 i denne studien. Lagre de resulterende kalibrerings-X-blokkdataene. Til slutt går du til PLS_Workspace og redigerer den nye filen.Velg radetikettene, og gå til Slett hardt ekskludert for å slette de utelatte dataene permanent før du lagrer filen på ny. Begynn med å korrigere Raman spectra baseline ved hjelp av det samme som nettopp vises. Deretter utfører du PCA-analysen på det forhåndsbehandlede datasettet.Plott eigenvalues i logaritmisk skala sammen med antall komponenter ved å klikke på Velg komponent knappen, og velg logg (eigenvalues) som y verdi. Hvis du vil utføre analyse av multivariatekurveoppløsning, må du først bruke datavalgknappen til å laste inn datasettet MCR_main programvare. Velg manuelt antall komponenter og sett komponentnummeret til mellom tre og åtte.Deretter, under den Første Estimering kategorien, klikk på Ren knapp. Deretter velger du Konsentrasjon og klikker på Gjør-knappen. Når skjermen oppdateres, klikker du Ok-knappen, og deretter på Fortsett for å gå til neste side.Klikk nå Fortsett, og bruk fnnls under Implementering. Velg deretter seks fra rullegardinmenyen for antall arter med profiler som ikke er negativitet, og klikker på Fortsett. Velg de samme parameterne på neste side, og klikk fortsett.For å bestemme plasseringen på hudoverflaten ble området under proteinets Raman-topp integrert for å oppnå dybdeprofilen til proteinsignalet. Hudoverflaten ble definert som stedet der intensitetsverdien fra den interpolerte dybdeprofilen var nærmest gjennomsnittsintensiteten. Den nøyaktige plasseringen av hudoverflaten trenger ikke å falle sammen med et eksperimentelt datapunkt.Totalt 30, 862 Raman spectra ble samlet inn med datainnsamling protokollen beskrevet i denne videoen. Dette store spektraldatasettet inneholder 20 % spektrale outliers. Riktig identifisering og fjerning av ytre spektra er viktig for å oppnå et riktig datasett.Her kan man se bidraget fra romlys, lagt på en referansespektra av Roomlight. Prinsippkomponentanalyse ble utført på det forhåndsbehandlede konfokale Raman-datasettet, og eigenvalue, sammen med antall faktorer som brukes, plottes her. En signifikant reduksjon i eigenvalue ble observert for faktor ni.Denne observasjonen foreslår å undersøke modeller med antall prinsippkomponenter som varierer mellom tre og åtte faktorer for inkludering i multivariatkurveoppløsningsmodellen. Når du prøver denne prosedyren, er det viktig å starte en dybdeprofil over hudoverflaten, for å nøyaktig bestemme plasseringen av hudoverflaten. Denne metodikken gjør det mulig å utse undersøkelsen av hudpleieprodukter på viktige hudkomponenter, inkludert vann, 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

Vilkårlige Metabolomics fra biologiske kilder Bruke UltraPerformance væskekromatografi-High Resolution massespektrometri (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

Høytrykks Sapphire Cell for faselikevekter Målinger av CO<sub&gt; 2</sub&gt; / organisk / 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 rask protokoll for måling av nøytrale lipider i algecellene med fluoresens

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 invers Analyse Tilnærming til Karakterisering av Chemical 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

Vann i olje emulsjoner: Et nytt system for Montering Vannløselige Klorofyll 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 av Hydratiserte Proteiner i vann 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

Utarbeidelse av Biopolymer Aerogels Bruke Grønne Løsemidler

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

Laboratory produksjon av biodrivstoff og biokjemikalier fra en rapsolje gjennom 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 teknikk for Raman analyse av høyradioaktivt Prøver Bruke noen standard 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

Vibrasjonsspektra av et N719-Chromophore/Titania-grensesnitt fra Empirisk-potensiell molekylær-dynamikksimulering, løst av en romtemperatur ionisk væske