Phát Hiện Suy Thận Nhờ Sử Dụng Quang Phổ Raman

GIỚI THIỆU

Trong số các bệnh không lây nhiễm, bệnh thận mãn tính nổi bật là một tình trạng phổ biến. Theo Tổ chức Y tế Thế giới, khoảng 10% dân số toàn cầu mắc bệnh này, dẫn đến hàng triệu ca tử vong hàng năm do các bệnh lý liên quan đến thận. Sự suy giảm chức năng thận góp phần gây ra sự rối loạn trong cân bằng nước, điện giải và nitơ của cơ thể cũng như các rối loạn chuyển hóa khác. Những đặc điểm sinh lý và bệnh lý này của các cơ quan nội tạng có tác động trực tiếp đến tình trạng của da và thành phần cấu trúc của nó. Nhiều phương pháp phân tích hóa sinh và miễn dịch hóa học được áp dụng để nghiên cứu thành phần cấu trúc da. Tuy nhiên, các phương pháp này xâm lấn và cần các thuốc thử bổ sung. Hiện nay, quang phổ Raman đã được sử dụng trong các nghiên cứu lâm sàng và thực nghiệm để xác định thành phần da. Trong phân tích da, quang phổ Raman được sử dụng để định lượng hàm lượng của một thành phần cụ thể trong da, xác định sự thâm nhập của thuốc qua da, xác định các liên kết sinh học giữa các đặc tính dao động và các thay đổi thành phần và hóa học cụ thể liên quan đến lão hóa, tầm soát ung thư da, v.v.

PHƯƠNG PHÁP

Quang phổ Raman dựa trên sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng bởi các phân tử có tính phân cực, cho thấy các mức năng lượng dao động của các liên kết hóa học của các phân tử. Các mô da để phân tích trên cơ thể sống được chọn bằng phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng.

Hình 1 Quang phổ thô của da người

Bộ dữ liệu thực nghiệm thu được của da người đã được phân tích bằng các thuật toán thông minh. Khi xây dựng mô hình hồi quy, các dải phổ thông tin được xác định bằng cách phân tích tầm quan trọng của biến trong phân bố chiếu (VIP). VIP cho phép đánh giá tác động của các biến số riêng lẻ trong ma trận mảng dự báo lên mô hình. Các dải phổ Raman thông tin nhất là 1315–1330 cm−1 (amide III δ(CH2) trong collagen α-helicx), 1450–1460 cm−1 (δ(CH) trong protein và lipid) và 1700–1800 cm−1 (ν(CO), ν(COO) trong lipid và phospholipid). Thay đổi trong cấu trúc collagen, hàm lượng lipid hoặc nồng độ chất chuyển hóa là các dấu hiệu sinh học cụ thể và đặc trưng để xác định suy thận.

Hình 2 Điểm VIP của phổ Raman mô hình PLS-DA

Kết quả trong Hình 2 là kết quả của một khảo sát thực hiện trên ba nhóm đối tượng: một nhóm mục tiêu gồm 85 bệnh nhân chạy thận nhân tạo bị suy thận (90 phổ), nhóm đối chứng người lớn gồm 40 tình nguyện viên khỏe mạnh (80 phổ) không có bệnh toàn thân, và nhóm đối chứng trẻ gồm 84 tình nguyện viên khỏe mạnh (168 phổ). Tất cả các đối tượng được kiểm tra đều là người da trắng với các loại da I và II. Độ đặc hiệu, độ nhạy và độ chính xác của mô hình trong việc phát hiện bệnh nhân bị suy thận thông qua phân tích các đặc tính phổ da thô lần lượt là 0.99, 1 và 0.99. Hệ số tương quan giữa các giá trị VIP của mô hình "suy thận VS nhóm khỏe mạnh tổng thể" và các giá trị VIP của mô hình "nhóm khỏe mạnh trẻ VS nhóm khỏe mạnh người lớn" cho thấy không có sự tương quan đáng kể, chỉ lên tới 0.033. Do đó, phân tích đa biến các thành phần Raman của phổ da đặc biệt phù hợp để phát hiện các đặc điểm phổ liên quan đến các thay đổi trong chuyển hóa da trong suy thận. Yếu tố tuổi không ảnh hưởng đáng kể đến phân tích.

PHƯƠNG PHÁP

Để đo lường, chúng tôi đã sử dụng hệ thống Raman mô-đun bao gồm máy quang phổ QE Pro, laser 785nm để kích thích Raman và lấy mẫu quang học. Sự kích thích ở bước sóng 785 nm tạo ra phổ Raman tuyệt vời cho hầu hết các hóa chất, hạn chế sự can thiệp từ huỳnh quang. Các hệ thống này cũng cung cấp độ phân giải quang phổ rất tốt, khiến chúng trở thành lựa chọn bước sóng ưa thích cho quang phổ Raman của hóa chất và vật liệu hữu cơ.

QE Pro là máy quang phổ linh hoạt, có độ nhạy cao, lý tưởng cho các ứng dụng đa năng và mức ánh sáng yếu như phân tích huỳnh quang và Raman. Máy quang phổ có đầu dò CCD mỏng phía sau với hiệu suất lượng tử cao và bộ đệm quang phổ tích hợp để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu ở tốc độ thu thập cao. Một màn trập bên trong tùy chọn có sẵn để quản lý hiệu quả các phép đo tối và thiết kế khe thay thế cho phép người dùng chuyển đổi giữa các phép đo một cách dễ dàng. QE Pro có thiết bị điện tử có độ nhiễu thấp và mang lại độ nhạy cao cho mọi loại ứng dụng. Các thiết lập có sẵn bằng cách sử dụng laser kích thích Raman có bước sóng từ 532 nm đến 1064 nm.

Hình 3 Máy quang phổ QE Pro

Laser Raman 785 nm của Ocean Insight với công suất đầu ra cao, độ rộng vạch quang phổ hẹp (chỉ 0.2 nm) và các tính năng tiên tiến như Bộ làm mát điện tử nhiệt (TEC), tiêu thụ điện năng thấp và các cơ chế an toàn mạnh mẽ phù hợp cho nhiều ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, giám sát công nghiệp và phân tích pháp y. Giao diện thân thiện với người dùng và các cài đặt công suất điều chỉnh càng tăng thêm tính linh hoạt của chúng, làm cho chúng trở thành lựa chọn đáng tin cậy và hiệu quả cho các ứng dụng quang phổ Raman đòi hỏi.

Hình 4 Laser Raman Ocean Insight 785 nm

TỔNG KẾT

Việc ứng dụng quang phổ Raman để phát hiện suy thận thông qua phân tích da người mang lại một phương pháp chẩn đoán không xâm lấn đầy hứa hẹn. Việc sử dụng máy quang phổ QE Pro từ Ocean Insight giúp cải thiện đáng kể phương pháp này nhờ độ nhạy cao, độ nhiễu thấp và dải phổ rộng. Bằng cách tận dụng dải động cao và khả năng tích hợp nhanh của QE Pro, các nhà nghiên cứu có thể thu được phổ Raman chi tiết và chính xác, giúp xác định và định lượng các dấu hiệu sinh học cụ thể liên quan đến sức khỏe thận.