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

Los autores reconocen en gran medida el apoyo financiero del departamento de atención analítica y de limpieza personal de la función corporativa. Queremos expresar nuestra gratitud a los directores asociados analíticos, Sra. Jasmine Wang y Dr. Robb Gardner, por su orientación y apoyo y a la Sra. Li Yang por su ayuda en la recopilación de datos.

Este estudio fue aprobado por el comité de revisión institucional del Beijing Children's Hospital en cumplimiento de las directrices éticas de la Declaración de Helsinki de 1975. Se llevó a cabo de acuerdo con las pautas ich para buenas prácticas clínicas. El estudio tuvo lugar de mayo a julio de 2015.
1. Colección de espectros de Raman confocalines in vivo de sujetos humanos con dermatitis atópica
<ol><li>Incluir asignaturas de conformidad con los siguientes criterios.<ol>
<li>Incl...

<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 la recopilación de datos, como se describe en las secciones 2 y 3 del protocolo, cada perfil de profundidad se recopiló en un área con contacto entre la ventana del instrumento y la piel mediante la búsqueda de las áreas más oscuras de las imágenes microscópicas resaltadas en los círculos rojos en Figura 2C. Una vez localizadas estas áreas, fue fundamental iniciar el perfil de profundidad por encima de la superficie de la piel para determinar con precisió...

En estudios clínicos, la espectroscopia in vivo confocal de Raman ha demostrado su capacidad única para determinar el espesor del estrato córneo y el contenido de agua1,2,3,4, y el seguimiento de la penetración de materiales activos aplicados tópicamente a la piel5,6. Como enfoque no invasivo, la espectroscopia confocal de Raman detecta señales moleculares basadas en modos vibratorios. Por lo tanto, el etiquetado no es necesario7. La espectroscopia In vivo confocal de Raman proporciona información química con resolución de profundidad basada en la naturaleza confocal de la técnica. Esta información dependiente de la profundidad es muy útil en el estudio de los efectos de los productos para el cuidado de la piel4,8, envejecimiento9,10, cambios estacionales3, así como enfermedades de la función de barrera de la piel, como la dermatitis atópica11,12. Hay mucha información en la región de alta frecuencia de espectroscopia raman confocal (2.500-4.000 cm-1), donde el agua produce picos distintos en la región entre 3.250-3.550 cm-1. Sin embargo, los picos Raman de proteínas y lípidos, que se centran entre aproximadamente 2.800-3.000 cm-1, se superponen entre sí porque las señales se producen principalmente a partir de metileno (-CH2-) y metil (-CH3) grupos13 . Esta información superpuesta presenta un desafío técnico al obtener cantidades relativas de especies moleculares individuales. Se han utilizado los enfoques de ajuste máximo14,15 y posición pico selectiva12,16 para resolver este desafío. Sin embargo, es difícil para estos métodos basados en picos únicos extraer información de componentes puros porque varios picos Raman del mismo componente cambian simultáneamente17. En nuestra reciente publicación18, se propuso un enfoque MCR para dilucidar la información de componentes puros. Con este enfoque, se extrajeron tres componentes (agua, proteínas y lípidos) de un conjunto de datos espectroscópico Raman confocal grande in vivo.
La ejecución de grandes estudios clínicos puede ser exigente en individuos que recopilan datos espectroscópicos in vivo. En algunos casos, la adquisición espectral puede requerir equipo operativo durante muchas horas al día y el estudio puede extenderse hasta semanas o meses. En estas condiciones, los operadores de equipos que carecen de la experiencia técnica para identificar, excluir y corregir para todas las fuentes de artefactos espectroscópicos pueden generar datos espectroscópicos. El conjunto de datos resultante puede contener una pequeña fracción de valores atípicos espectroscópicos que deben identificarse y excluirse de los datos antes del análisis. Este documento ilustra en detalle un proceso de análisis quimiométrico para "limpiar" un conjunto de datos clínico de Raman antes de analizar los datos con MCR. Para eliminar con éxito los valores atípicos, es necesario identificar los tipos de valores atípicos y la posible causa de la generación de los espectros atípicos. A continuación, se puede desarrollar un enfoque específico para eliminar los valores atípicos de destino. Esto requiere un conocimiento previo del conjunto de datos, incluida una comprensión detallada sobre el proceso de generación de datos y el diseño del estudio. En este conjunto de datos, la mayoría de los valores atípicos son espectros de señal a ruido bajos y se originan principalmente a partir de 1) espectros recogidos por encima de la superficie de la piel (6.208 de 30.862), y 2) una fuerte contribución al espectro de la luz fluorescente de la habitación (67 de 30.862). Los espectros recogidos por encima de la superficie de la piel producen una respuesta Raman débil, ya que el punto focal del láser se acerca a la superficie de la piel y se encuentra principalmente en la ventana del instrumento debajo de la piel. Los espectros con una fuerte contribución de la luz fluorescente de la sala se generan debido a un error del operador del instrumento o al movimiento del sujeto, lo que produce una condición en la que la ventana de colección confocal de Raman no está completamente cubierta por el sitio del cuerpo del sujeto. Aunque estos tipos de artefactos espectrales podían ser identificados y remediados durante la adquisición espectral por un experto espectroscópico en el momento de la adquisición de datos, los operadores de instrumentos capacitados utilizados en este estudio recibieron instrucciones para recopilar todos los datos a menos que se observó un fallo catastrófico. La tarea de identificar y excluir valores atípicos se incorpora al protocolo de análisis de datos. El protocolo presentado está desarrollado para resolver este desafío. Para abordar los espectros de señal a ruido bajos por encima de la superficie de la piel, la ubicación de la superficie de la piel debe determinarse primero para permitir la eliminación de los espectros recogidos por encima de la superficie de la piel. La ubicación de la superficie de la piel se define como la profundidad donde el punto focal láser Raman está la mitad en la piel y la mitad fuera de la piel como se ilustra en la Figura Suplementaria 1. Después de eliminar espectros bajos de señal a ruido, se implementa un análisis de componentes principales (PCA) para extraer el factor dominado por picos de luz fluorescente de la sala. Estos valores atípicos se eliminan en función del valor de puntuación del factor correspondiente.
Este protocolo proporciona información detallada sobre cómo se determinan seis componentes principales en el proceso MCR. Esto se hace a través de un análisis de PCA seguido de la comparación de la forma espectral entre las cargas de los modelos generados con un número diferente de componentes principales. También se explica en detalle el proceso experimental para la recopilación de datos de materiales de referencia, así como de los sujetos humanos.

<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

El desarrollo de este método espectroscópico Deraman confocal in vivo permite la medición directa de agua, proteínas y lípidos con resolución de profundidad en sujetos humanos. Esta información es muy importante para las enfermedades relacionadas con la piel y caracterizar el rendimiento del producto para el cuidado de la piel. Este protocolo ilustra un método para la recolección de espectros Raman confocales y el análisis posterior del conjunto de datos espectral aprovechando la quimiometría. El objetivo de este método es establecer un protocolo estándar para la recopilación de datos y proporcionar orientación general para el análisis de datos. El preprocesamiento (por ejemplo, la eliminación de espectros atípicos) es un paso crítico al procesar grandes conjuntos de datos de estudios clínicos. Como ejemplo, proporcionamos orientación basada en el conocimiento previo de un conjunto de datos para identificar los tipos de valores atípicos y desarrollar estrategias específicas para eliminarlos. Se realiza un análisis de componentes principales y los espectros de carga se comparan con los espectros de los materiales de referencia para seleccionar el número de componentes utilizados en el análisis final de la resolución de curva sorcada (MCR). Este enfoque es exitoso para extraer información significativa de un dataset espectral grande.

En este estudio clínico, se recogieron espectros de Raman confocal in vivo de 28 sujetos de 4 a 18 años de edad. Un total de 30.862 espectros Raman fueron recogidos con el protocolo de recopilación de datos mencionado anteriormente. Este dataset espectral grande contiene 20% de valores atípicos espectrales como se muestra en la Figura 4A. Los espectros atípicos de señal a ruido bajos se eliminaron después de determinar la superficie de la piel, seguidos por el PCA para identificar...

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

Aquí, presentamos un protocolo para la recolección de espectros Raman confocales de sujetos humanos en estudios clínicos combinados con enfoques quimiométricos para la eliminación de valores atípicos espectrales y la posterior extracción de características clave.

Resolución de agua, proteínas y lípidos de In Vivo Confocal Raman Spectra de Stratum Corneum a través de un enfoque quimiométrico

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

La medición directa del agua, las proteínas y los lípidos con resolución de profundidad en seres humanos es muy importante para las enfermedades relacionadas con la piel, para la caracterización del rendimiento del producto para el cuidado de la piel. Este método, junto con el análisis posterior, aprovecha la quimiometría para extraer información química. La principal ventaja de esta técnica es que permite que los datos clínicos de Raman sean recopilados por operadores de instrumentos capacitados que carecen de conocimientos técnicos para identificar, excluir y corregir todas las fuentes de artefactos espectroscópicos.A continuación, el conjunto de datos resultante se puede procesar para identificar los valores atípicos que deben excluirse de la fecha anterior al análisis. Durante el análisis de datos, un desafío clave es la eliminación de los valores atípicos y la identificación del número de componentes clave en el conjunto de datos. El enfoque muestra en este video aprovecha el conocimiento previo del conjunto de datos clínicos y el enfoque quimiométrico para extraer con éxito el agua, la proteína y los lípidos con resolución de profundidad.Demostrando el procedimiento estará Li Yang, técnico de nuestro laboratorio C&T. Para comenzar, pida al sujeto que coloque un sitio de cuerpo de lesión marcado o un sitio de control en estrecho contacto con la ventana de imágenes del instrumento confocal Raman in vivo. Asegúrese de que cubran toda la ventana para evitar el impacto de la luz de la habitación en las imágenes.A continuación, abra el software y mueva el foco hasta que se vea un espectro similar al que se muestra aquí. Después, aleja el foco a 10 micras de la superficie de la piel. Recopile datos de 26 pasos con un tamaño de paso de dos micras en la región de frecuencia que se muestra aquí, utilizando un tiempo de exposición de un segundo.Mida ocho réplicas para cada área, durando hasta 15 minutos en total. En primer lugar, utilice la ventana de comandos y MATLAB para cambiar la extensión de archivo de los datos recopilados de ric a mat. A continuación, cargue el archivo de estera en la plataforma de software MATLAB, como se muestra aquí.Corrija la línea base del conjunto de datos utilizando el método automático de mínimos cuadrados ponderados, yendo a la ventana PLS_Workspace y haciendo clic con el botón derecho en el conjunto de datos importado, desplazándose a Analizar, seleccionando Otras herramientas y haciendo clic en Preprocesamiento. En la ventana que aparece, haga clic en Mostrar. A continuación, desplácese hacia abajo en la barra de herramientas Métodos disponibles hasta el filtrado de línea base de cuadrados arrendados ponderados automáticos y seleccione Agregar.A continuación, haga clic en Aceptar para establecer las opciones y aplicar el preprocesamiento a los datos. Guárdalo como Spectra_baseline. A continuación, vuelva a la ventana de comandos y reemplace los datos utilizando el resultado corregido de la línea base.Ahora, vaya al Editor de texto y ejecute el programa como se muestra aquí. Esto resumirá los valores entre 2910 y 2965 centímetros inversos para obtener los valores de intensidad debajo de cada espectro Raman a partir de la medición de 26 pasos consecutivos y almacenarlos en un archivo de Excel. En MATLAB, vaya al espacio de trabajo y establezca la ruta de acceso de los datos en Depth_save, como se muestra.A continuación, utilice el proceso descrito aquí para interpolar el valor de desplazamiento del instrumento de 26 a 260 utilizando la función linspace en MATLAB. Este proceso interpolará el valor de intensidad de 26 a 260 utilizando el método spline, aprovechando los 260 valores de posición recién generados. Además, utilizará los valores de posición e intensidad 260 como entradas x e y para la función polyfit respectivamente, estableciendo el valor de grado en 20.A continuación, utilizará los coeficientes de salida y los 260 valores de posición extendida como entrada para polival, para obtener los 260 valores de intensidad finales. A continuación, calculará la intensidad media y encontrará el punto en la curva que está más cerca de la intensidad media. También cambiará el valor de profundidad de acuerdo con la superficie de la piel, en el tamaño de paso de dos micras conocido.Ahora, ejecuta el programa. Cargue el conjunto de datos de espectros Raman después de eliminar los espectros de la piel externa en el software PLS_Toolbox, en la plataforma MATLAB y haga clic con el botón derecho en el conjunto de datos para elegir Analizar y, a continuación, seleccione PCA. A continuación, haga clic en Elegir preprocesamiento.Seleccione Normalizar como enfoque de preprocesamiento. A continuación, elija none para la validación cruzada. A continuación, cree el modelo utilizando los tres componentes para el análisis de descomposición PCA.Ahora, retire la cubierta en la ventana de recolección de instrumentos Ramen in vivo y recopile los espectros de luz de la habitación en la región de alta frecuencia utilizando los mismos parámetros utilizados para la recopilación de datos del material de referencia. Identifique el factor de efecto de luz de la habitación comparando con el fondo de la luz de la habitación. Ahora, revise las puntuaciones y elimine los espectros con el valor de puntuación correspondiente significativamente más alto de lo normal.Esto significa eliminar los valores de puntuación de más del 99,8% de todo el conjunto de datos, que es 0,16 en este estudio. Guarde los datos de bloque X de calibración resultantes. Por último, vaya al navegador PLS_Workspace y edite el nuevo archivo.Seleccione las etiquetas de fila y vaya a Eliminación rígida excluida para eliminar permanentemente los datos excluidos antes de volver a guardar el archivo. Comience corrigiendo la línea base de espectros de Raman utilizando la misma que se acaba de mostrar. A continuación, realice el análisis PCA en el conjunto de datos preprocesado.Trazar los valores propios en escala logarítmica junto con el número de componentes haciendo clic en el botón Elegir componente y seleccione log(eigenvalues)como valor y. Para realizar un análisis de resolución de curvas multivariante, utilice primero el botón de selección de datos para cargar el conjunto de datos en el software MCR_main. Elija manualmente el número de componentes y establezca el número de componente entre tres y ocho.A continuación, en la pestaña Estimación inicial, haga clic en el botón Puro. A continuación, seleccione Concentración y haga clic en el botón Hacer. Una vez que la pantalla se actualiza, haga clic en el botón Aceptar y, a continuación, en Continuar para pasar a la página siguiente.Ahora, haga clic en Continuar y, en Implementación, aplique fnnls. A continuación, seleccione seis en el menú desplegable para el número de especies con perfiles que no son de negatividad y haga clic en Continuar. En la página siguiente, elija los mismos parámetros y haga clic en Continuar.Para determinar la ubicación en la superficie de la piel, el área bajo el pico Raman de la proteína se integró para obtener el perfil de profundidad de la señal proteica. La superficie de la piel se definió como la ubicación donde el valor de intensidad del perfil de profundidad interpolado estaba más cerca de la intensidad media. La ubicación exacta de la superficie de la piel no necesita coincidir con un punto de datos experimental.Un total de 30, 862 espectros Raman fueron recogidos con el protocolo de recopilación de datos descrito en este video. Este gran conjunto de datos espectrales contiene valores atípicos espectrales del 20%. La identificación y eliminación adecuadas de los espectros de valores atípicos es importante para lograr un conjunto de datos adecuado.Aquí, se puede ver la contribución de las luces de la habitación, superpuesta en un espectro de referencia de Roomlight. El análisis de componentes de principio se realizó en el conjunto de datos Raman confocal preprocesado, y el valor propio, junto con el número de factores utilizados, se trazan aquí. Se observó una disminución significativa del valor propio para el factor nueve.Esta observación sugiere investigar modelos con el número de componentes principales que varían entre tres y ocho factores para su inclusión en el modelo de resolución de curvas multivariante. Al intentar este procedimiento, es fundamental iniciar un perfil de profundidad por encima de la superficie de la piel, para determinar con precisión la ubicación de la superficie de la piel. Esta metodología permite investigar el impacto de los productos para el cuidado de la piel en los componentes clave de la piel, incluyendo agua, proteínas y lípidos.

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

Metabolómica no focalizados de fuentes biológicas Uso UltraPerformance cromatografía líquida-espectrometría de masas de alta resolución (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 ...

Investigación

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

De alta presión de la célula de zafiro para la Fase Equilibrios mediciones de CO<sub&gt; 2</sub&gt; / Orgánicos / Sistemas de Agua

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

Un simple y protocolo Rapid para Medir lípidos neutros en las células de algas Utilizando Fluorescencia

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

Un enfoque de análisis inverso a la caracterización de Transporte de Productos Químicos en Pinturas

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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

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Espectros vibratorios de una interfaz N719-Chromophore/Titania de la simulación molecular-dinámica empírica-potencial, Solvada por un líquido iónico de temperatura ambiente