《ACS》丨基于單細胞拉曼光譜結合機器學習方法對阿魏酸鈉治療大鼠腦缺血/再灌注損傷的體外診斷
2023年1月14日，吉林大學張大奕教授、浙江中醫藥大學劉明英副教授團隊應用長光辰英核心產品——P300共聚焦拉曼光譜儀在《ACS Chemical Neuroscience》期刊上發表了題為“In-vitro diagnosis and visualization of cerebral ischemia/reperfusion injury in rats and protective effects of ferulic acid by Raman biospectroscopy and machine learning”的論文。該研究創新性采用共聚焦拉曼光譜和機器學習相結合的技術，實現了阿魏酸鈉對缺血性中風治療作用的定量和可視化評價。
一、研究背景
缺血性中風是導致人類死亡的一個主要原因，具有病理生理機制復雜、化學診斷困難等問題?，F代藥理研究表明，阿魏酸鈉具有抗氧化、抑制血小板聚集、抑制血栓形成、抗炎等作用。然而，阿魏酸鈉在缺血性中風治療過程中的分子機制研究較少，主要受限于缺少高精度的原位觀測技術。該研究通過模擬人類中風的短暫性大腦中動脈阻塞（MCAO）的動物模型，開發了一種基于拉曼光譜的非侵入性檢測方法，可以實現腦缺血/再灌注損傷和阿魏酸神經保護作用的體外診斷和可視化。
二、研究內容
該研究建立了Sprague-Dawley雄性大鼠的大腦中動脈閉塞（MCAO）模型，將SD雄性大鼠隨機分為模型組（CK）、阿魏酸鈉低劑量組（LFA）、阿魏酸鈉中劑量組（MFA）、阿魏酸鈉高劑量組（HFA）和假手術組（SHAM）。通過靜脈注射給藥方式對大鼠進行進一步處理，阿魏酸鈉低、中、高，治療組阿魏酸鈉的含量分別為25、50和100 mg/kg，CK組和SHAM組給予0.9%生理鹽水的靜脈注射。
利用拉曼光譜的非侵入性檢測特性，測定了不同處理組中大鼠神經元與膠質細胞的生物拉曼光譜，建立了5組神經元與膠質細胞的生物大分子關鍵信息數據庫，識別出了典型生物拉曼光譜特征峰（圖2）。針對直接比較不同組別的生物拉曼光譜差異性的技術挑戰，開發了一種具有高特異性和準確度隨機森林算法，可以快速評估神經元活性和阿魏酸鈉神經保護作用機制（圖3）。當隨機森林模型設定ntree=500，mtry=6時（圖3A），模型具有較好的準確性（0.9846）、敏感性（0.9679-0.9932）和特異性（0.9945-0.9989）（圖3B）。MeanDecreaseGini和MeanDecreaseAccuracy分析表明，1000 cm-1、998 cm-1、842 cm-1、1004 cm-1、1416 cm-1和1692 cm-1（圖3C）可作為神經元活性和阿魏酸鈉神經保護作用的關鍵變量。模型可視化結果表明，同組樣本的光譜有較好的聚集性，<20個斑點則分別散布，證明了該隨機森林模型的可靠性和準確性（圖3D）。
基于隨機森林模型結果，將1002 cm-1附近作為神經元活性和阿魏酸鈉神經保護作用分類的關鍵指紋峰，使用苯丙氨酸與色氨酸光譜峰強比值（苯丙氨酸-色氨酸比率）作為表征神經元損傷的生物指標，用于阿魏酸鈉神經保護性能評估的可視化。圖4結果表明，神經元的生物拉曼光譜圖與顯微圖像高度吻合，所有神經元都表現出相同的形狀。CK組中大多數神經元細胞表現出較高的苯丙氨酸-色氨酸比率（紅色標記），SHAM組中神經元細胞均表現出極低的苯丙氨酸-色氨酸比率（綠色標記），證實該方法可以評估神經元損傷。在LFA、MFA和HFA組中，隨著阿魏酸鈉劑量的提高，神經元紅色區域逐漸降低，證明阿魏酸鈉對神經元保護性能與劑量成正比。相關數據表明，生物拉曼光譜不僅可以可視化的診斷神經元的損傷程度和評估阿魏酸鈉神經保護作用的效果，還可以甄別神經元細胞的損傷部位。
三、結論
P300共聚焦拉曼光譜儀
