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

Os autores reconhecem grandemente o apoio financeiro do departamento de cuidados analíticos e de limpeza pessoal da função corporativa. Queremos expressar nossa gratidão aos diretores analíticos associados MS. Jasmine Wang e Dr. Robb Gardner por sua orientação e apoio e Sra. li Yang para sua ajuda na coleta de dados.

Este estudo foi aprovado pelo Comitê de revisão institucional do hospital infantil de Pequim, em conformidade com as diretrizes éticas da declaração 1975 de Helsínquia. Foi conduzido de acordo com as diretrizes da ICH para boa prática clínica. O estudo foi realizado de maio a julho de 2015.
1. coleção de espectros Raman confocais in vivo de indivíduos humanos com dermatite atópica
<ol><li>Inclua os sujeitos em conformidade com os seguintes critérios.<ol>
<li>Inclua assuntos entr...

<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>

Durante a coleta de dados, conforme descrito na seção 2 e 3 do protocolo, cada perfil de profundidade foi coletado em uma área com contato entre a janela do instrumento e a pele, encontrando as áreas mais escuras das imagens microscópicas destacadas nos círculos vermelhos em Figura 2C. Uma vez que estas áreas foram localizadas, era crítico para iniciar o perfil de profundidade acima da superfície da pele para determinar com precisão a localização da superfície ...

Em estudos clínicos, a Espectroscopia Raman confocal in vivo demonstrou sua habilidade única para determinar a espessura do estrato córneo e o teor de água1,2,3,4e rastrear a penetração de materiais ativos aplicados topicamente na pele5,6. Como uma aproximação não invasora, a espectroscopia confocal de Raman detecta sinais moleculars baseados em modos vibracional. Assim, a rotulagem não é necessária7. A Espectroscopia Raman confocal in vivo fornece informações químicas com resolução de profundidade com base na natureza Confocal da técnica. Esta informação dependente da profundidade é muito útil em estudar os efeitos de produtos do cuidado de pele4,8, envelhecendo9,10, mudançassazonais3, assim como doenças da função da barreira da pele, como a dermatite atópica11,12. Há muita informação na região de alta frequência da espectroscopia confocal Raman (2500 – 4000 cm-1), onde a água produz picos distintos na região entre 3250 – 3550 cm-1. No entanto, os picos Raman de proteínas e lipídios, que são centralizados entre aproximadamente 2800 – 3000 cm-1, se sobrepõem uns aos outros porque os sinais são produzidos principalmente a partir de metileno (-CH2-) e metil (-CH3) grupos13 . Esta informação sobreposta apresenta um desafio técnico ao obter quantidades relativas de espécies moleculares individuais. O encaixe máximo14,15 e a posição de pico seletivo12,16 aproximações foram usadas para resolver este desafio. Entretanto, é difícil para estes únicos métodos Peak-based extrair a informação componente pura porque os picos Raman múltiplos do mesmo componente mudam simultaneamente17. Em nossa recente publicação18, uma abordagem MCR foi proposta para elucidar a informação do componente puro. Usando esta aproximação, três componentes (água, proteínas, e lipídios) foram extraídos de um grande conjunto de dados espectroscópicos confocal Raman in vivo.
A execução de grandes estudos clínicos pode ser exigente em indivíduos que coletam dados espectroscópicos in vivo. Em alguns casos, a aquisição espectral pode exigir o equipamento operando-se por muitas horas em um dia e o estudo pode estender até semanas ou meses. Nessas condições, os dados espectroscópicos podem ser gerados por operadores de equipamentos que não possuem expertise técnica para identificar, excluir e corrigir todas as fontes de artefatos espectroscópicos. O conjunto de dados resultante pode conter uma pequena fração de outliers espectroscópicos que precisam ser identificados e excluídos dos dados antes da análise. Este papel ilustra em detalhe um processo de análise quimiométrico para "limpar" um conjunto de dados clínico Raman antes de analisar os dados com MCR. Para remover com sucesso os outliers, os tipos de outliers e a causa potencial para a geração dos espectros do outlier precisam de ser identificados. Em seguida, uma abordagem específica pode ser desenvolvida para remover os outliers direcionados. Isso requer o conhecimento prévio do conjunto de dados, incluindo um entendimento detalhado sobre o processo de geração e o design do estudo. Neste conjunto de dados, a maioria dos Outliers são baixos espectros de sinal para ruído e originam-se principalmente de 1) espectros recolhidos acima da superfície da pele (6.208 fora de 30.862), e 2) forte contribuição para o espectro da luz fluorescente do quarto (67 de 30.862). Espectros recolhidos acima da superfície da pele produzem uma fraca resposta Raman, como o ponto focal laser se aproxima da superfície da pele e é principalmente na janela do instrumento abaixo da pele. Os espectros com uma contribuição forte da luz fluorescente do quarto são gerados devido ao erro do operador do instrumento ou ao movimento do assunto, que produz uma circunstância onde a janela Confocal da coleção de Raman não seja coberta inteiramente pelo local do corpo do assunto. Embora esses tipos de artefatos espectrais possam ser identificados e remediados durante a aquisição espectral por um especialista espectroscópico no momento da aquisição de dados, os operadores de instrumentos treinados utilizados neste estudo foram instruídos a coletar todos os dados, a menos que um a falha catastrófica foi observada. A tarefa de identificar e excluir outliers é incorporada ao protocolo de análise de dados. O protocolo apresentado é desenvolvido para resolver esse desafio. Para endereçar os baixos espectros do sinal-à-ruído acima da superfície da pele, a posição da superfície da pele precisa de ser determinada primeiramente para permitir a remoção dos espectros recolhidos acima da superfície da pele. A localização da superfície da pele é definida como a profundidade onde o ponto focal do laser Raman é metade na pele e metade da pele, como ilustrado na Figura 1 suplementar. Após a remoção de baixos espectros de sinal para ruído, uma análise de componentes principais (PCA) é implementada para extrair o fator dominado por picos de luz de sala fluorescente. Esses Outliers são removidos com base no valor da Pontuação do fator correspondente.
Este protocolo fornece informações detalhadas sobre como seis componentes principais são determinados no processo MCR. Isso é feito por meio de uma análise de PCA seguida pela comparação da forma espectral entre as cargas para os modelos gerados com um número diferente de componentes principais. O processo experimental para coleta de dados de materiais de referência, bem como os sujeitos humanos também é explicado detalhadamente.

<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

O desenvolvimento deste método espectroscópico Raman confocal in vivo possibilita a mensuração direta de água, proteínas e lipídios com resolução de profundidade em indivíduos humanos. Esta informação é muito importante para doenças relacionadas com a pele e caracterizar o desempenho do produto de cuidados da pele. Este protocolo ilustra um método para a coleção confocal dos espectros de Raman e a análise subseqüente do conjunto de dados espectral que aproveita o chemometrics. O objetivo deste método é estabelecer um protocolo padrão para a coleta de dados e fornecer orientações gerais para a análise de dados. O pré-processamento (por exemplo, remoção de espectros de outlier) é um passo crítico ao processar grandes conjuntos de dados de estudos clínicos. Como exemplo, fornecemos orientação com base no conhecimento prévio de um conjunto de dados para identificar os tipos de outliers e desenvolver estratégias específicas para removê-los. Uma análise de componentes principais é realizada e os espectros de carga são comparados com os espectros de materiais de referência para selecionar o número de peças usadas na análise de resolução de curva multivariada (MCR) final. Essa abordagem é bem-sucedida para extrair informações significativas de um grande conjunto de dados espectral.

Neste estudo clínico, os espectros de Raman confocal in vivo foram coletados de 28 indivíduos de 4 a 18 anos de idade. Um total de 30.862 espectros Raman foram coletados com o protocolo de coleta de dados mencionado acima. Este grande conjunto de dados espectral contém 20% de outliers espectrais, como mostrado na Figura 4A. Os baixos espectros do outlier do sinal-à-ruído foram removidos após a determinação da superfície da pele, seguido pelo PCA para identificar os espectros com...

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

Aqui, nós apresentamos um protocolo para a coleção de espectros confocal de Raman dos indivíduos humanos em estudos clínicos combinados com as aproximações quimiométricas para a remoção espectral do outlier e a extração subseqüente de características chaves.

Resolvendo água, proteínas e lipídeos de in vivo confocal Raman Spectra de stratum corneum através de uma abordagem quimiométrica

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

A medição direta de água, proteínas e lipídios com resolução de profundidade em seres humanos é muito importante para doenças relacionadas à pele, para a caracterização do desempenho do produto skincare. Este método, juntamente com a análise subsequente, aproveita a quimiometria para extrair informações químicas. A principal vantagem dessa técnica é que ela permite que os dados clínicos de Raman sejam coletados por operadores de instrumentos treinados que não possuem conhecimento técnico para identificar, excluir e remediar todas as fontes de artefatos espectroscópicos.O conjunto de dados resultante pode então ser processado para identificar outliers que precisam ser excluídos da data anterior à análise. Durante a análise dos dados, um desafio fundamental é a remoção dos outliers e a identificação do número dos componentes-chave no conjunto de dados. A abordagem mostra neste vídeo alavanca o conhecimento prévio do conjunto de dados clínicos e a abordagem da quimioterapia para extrair com sucesso a água, proteína e lipídio com resolução de profundidade.Demonstrando o procedimento estará Li Yang, técnico do nosso laboratório de C&T. Para começar, coloque o sujeito em local marcado do corpo da lesão ou local de controle em contato próximo com a janela de imagem do instrumento In vivo confocal Raman. Certifique-se de que eles cobrem toda a janela para evitar o impacto da luz do quarto na imagem.Em seguida, abra o software e mova o foco até que um espectro semelhante ao mostrado aqui, seja visto. Depois, mova o foco a 10 mícrons da superfície da pele. Colete dados para 26 etapas com um tamanho de passo de dois mícrons na região de frequência mostrada aqui, usando um tempo de exposição de um segundo.Meça oito réplicas para cada área, com duração de até 15 minutos no total. Primeiro, use a janela de comando e o MATLAB para alterar a extensão do arquivo dos dados coletados de ric para mat. Em seguida, carregue o arquivo do tapete para a plataforma de software MATLAB, como mostrado aqui.Corrija a linha de base do conjunto de dados usando o método de menos quadrados ponderados automáticos, indo para a janela PLS_Workspace e clicando com o botão direito do mouse no conjunto de dados importado, rolando para Analisar, selecionando Outras Ferramentas e clicando em Pré-processamento. Na janela que aparece, clique em Mostrar. Em seguida, role a barra de ferramentas Métodos Disponíveis para a filtragem da linha de base de quadrados ponderados automáticos e selecione Adicionar.Em seguida, clique em Ok para definir as opções e para aplicar o pré-processamento aos dados. Guarde isso como Spectra_baseline. Em seguida, retorne à janela de comando e substitua os dados usando o resultado corrigido na linha de base.Agora, vá ao Editor de Texto e execute o programa como mostrado aqui. Isso resumirá os valores entre 2910 e 2965 centímetros inversos para obter os valores de intensidade sob cada espectro Raman a partir da medição de 26 etapas consecutivas e armazená-los em um arquivo Excel. No MATLAB, vá até o Espaço de Trabalho e defina o caminho para os dados em Depth_save, como mostrado.Em seguida, use o processo descrito aqui para interpolar o valor de deslocamento do instrumento de 26 a 260 usando a função linspace no MATLAB. Este processo interpolará o valor de intensidade de 26 a 260 utilizando o método spline, aproveitando os valores de posição recém-gerados 260. Além disso, utilizará os valores de posição e intensidade 260 como entradas x e y para a função de polifit, respectivamente, definindo o valor do grau para 20.Em seguida, utilizará os coeficientes de saída e os 260 valores de posição estendidas como entrada para polival, para obter os valores finais de intensidade de 260. Em seguida, calculará a intensidade média e encontrará o ponto na curva que está mais próxima da intensidade média. Também mudará o valor de profundidade de acordo com a superfície da pele, no conhecido tamanho do passo de dois mícrons.Agora, execute o programa. Carregue o conjunto de dados de espectro raman após a remoção do espectro externo da pele no software PLS_Toolbox, sob a plataforma MATLAB e clique com o botão direito do mouse no conjunto de dados para escolher Analisar e, em seguida, selecione PCA. Em seguida, clique em Escolher Pré-processamento.Selecione Normalizar como a abordagem de pré-processamento. Em seguida, escolha nenhum para a validação cruzada. Em seguida, construa o modelo usando os três componentes para a análise de decomposição do PCA.Agora, remova a tampa da janela de coleta do instrumento In vivo Ramen e colete os espectros de luz da sala na região de alta frequência usando os mesmos parâmetros utilizados para a coleta de dados do material de referência. Identifique o fator de efeito de luz da sala através da comparação com o fundo de luz da sala. Agora, revise os escores e remova os espectros com o valor de pontuação correspondente significativamente maior do que o normal.Isso significa a remoção de valores de pontuação de mais de 99,8% de todo o conjunto de dados, o que é de 0,16 neste estudo. Salve os dados de bloco X de calibração resultantes. Finalmente, vá para o PLS_Workspace Browser e edite o novo arquivo.Selecione os rótulos de linha e vá para Hard Delete Excluded para excluir permanentemente os dados excluídos antes de re-salvar o arquivo. Comece corrigindo a linha de base do espectro raman usando o mesmo apenas mostrado. Em seguida, realize a análise do PCA no conjunto de dados pré-processados.Plote os valores eigen em escala logarítmica junto com o número de componentes clicando no botão Escolher componentes e selecione log(eigenvalues) como o valor y. Para realizar a análise de resolução de curvas multivariadas, primeiro use o botão de seleção de dados para carregar os dados definidos no software MCR_main. Escolha manualmente o número de componentes e defina o número do componente entre três e oito.Em seguida, na guia Estimativa Inicial, clique no botão Puro. Em seguida, selecione Concentração e clique no botão Fazer. Uma vez que a tela se atualize, clique no botão Ok e, em seguida, continue a mover-se para a próxima página.Agora, clique em Continuar e, em Implementação, aplique fnnls. Em seguida, selecione seis no menu suspenso para o número de espécies com perfis de não negatividade e clique em Continuar. Na próxima página, escolha os mesmos parâmetros e clique em Continuar.Para determinar a localização na superfície da pele, a área sob o pico raman da proteína foi integrada para obter o perfil de profundidade do sinal proteico. A superfície da pele foi definida como o local onde o valor de intensidade do perfil de profundidade interpolado estava mais próximo da intensidade média. A localização exata da superfície da pele não precisa coincidir com um ponto de dados experimental.Um total de 30.862 espectros raman foram coletados com o protocolo de coleta de dados descrito neste vídeo. Este grande conjunto de dados espectrais contém outliers espectrais de 20%. A identificação e remoção adequada dos espectros outlier é importante para alcançar um conjunto de dados adequado.Aqui, pode-se ver a contribuição das luzes da sala, sobrepostas a um espectro de referência da Roomlight. A análise dos componentes principais foi realizada no conjunto de dados confocal Raman pré-processado, e o eigenvalue, juntamente com o número de fatores utilizados, são plotados aqui. Observou-se diminuição significativa do valor do eigenvalue para o fator nove.Esta observação sugere a investigação de modelos com o número de componentes principais variando entre três e oito fatores para inclusão no modelo de resolução de curvas multivariadas. Ao tentar este procedimento, é fundamental iniciar um perfil de profundidade acima da superfície da pele, para determinar com precisão a localização da superfície da pele. Essa metodologia permite a investigação sobre o impacto dos produtos de skincare nos principais componentes da pele, incluindo água, proteínas e lipídios.

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

Metabolomics irrelevantes de fontes biológicas Usando UltraPerformance cromatografia líquida de alta resolução Espectrometria de Massa (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 ...

Química

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

Sapphire celular de alta pressão para medições de Equilíbrio de Fases de CO 2 / Orgânicos / Sistemas de Água

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

Um simples e rápido protocolo para medir lipídios neutros em algas células usando fluorescência

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

Uma abordagem de análise inversa à caracterização dos Transportes Química em Tintas

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

Emulsões água em óleo: Um novo sistema para a montagem de proteínas de ligação de clorofila solúveis em água com pigmentos hidrofóbicos

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 Caracterização de Proteínas hidratadas em água por SALVI e 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

Preparação de Biopolymer Aerogels utilizando solventes verdes

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

Produção Laboratório de Biocombustíveis e Bioquímicos de um óleo de colza por meio de Craqueamento Catalítico Conversão

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

Uma nova técnica de Análise de Raman de amostras altamente radioativo Usando qualquer padrão Micro-Raman

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

Espectro vibracional de uma interface N719-Cromosforre/Titania da Simulação Empírica-Potencial de Dinâmica Molecular, solvated por um líquido iônico de temperatura ambiente