Chemometrics of biological tissues using infrared spectroscopy
| Autor: | Pedro Arthur Augusto de Castro |
|---|---|
| Přispěvatelé: | Denise Maria Zezell, Carolina Benetti, Thiago Martini Pereira, Maria Fernanda Setúbal Destro Rodrigues |
| Rok vydání: | 2022 |
| Zdroj: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP Universidade de São Paulo (USP) instacron:USP |
| DOI: | 10.11606/t.85.2022.tde-12092022-112422 |
| Popis: | Vibrational spectroscopy techniques have been considered for the diagnosis of diseases. In particular, Fourier transforms infrared spectroscopy (FTIR) is an optical method widely adopted in biomedical research. This is because FTIR images allow the collection of various molecular information enabling a correlation between spectral characteristics and structural changes. Incorporating qualitative and quantitative aspects is essential to implementing a chemometric procedure that transcribes spectral variance into meaningful information. In the case of burns, the degree of tissue damage will strongly depend on several factors, such as severity, depth, and size, which influence the healing process. Laser scar treatment has been used for decades for post-healing remodeling. However, conventional laser techniques may not wholly normalize mature scar tissue, and a preventive approach to laser exposure during wound healing has emerged. Early intervention has already been investigated in several clinical studies, but there is no consensus. Therefore, the objectives of this study were; to investigate FTIR in biological tissue analysis to provide better chemometric strategies; to study the feasibility of FTIR to establish a profile of the skin and bone tissue, and to evaluate the effect of laser on wound healing and the development of a new chemometric methodology for automatic digital dewaxing. To this end, thermal injuries were performed on the back of Wistar rats by applying water vapor at 90ºC for 12s. Subsequently, on day three post-burn, laser irradiation was performed. In the laser procedure, 3 protocols were adopted: 1) Er:glass (SellasEvo®) with 3025FPA, 100mJ, 3s; 2) LLT with red laser with = 660nm, power 40mW; 3) Combination of the two lasers with the previous parameters. Then, a histological and chemometric analysis was performed. For the chemometric evaluation of the data, an analysis protocol was developed based on a pre-processing using OCTAVVS followed by implementing a baseline, threshold, and application of PCA. From that point, the images are classified, they can be normalized and go through the Fuzzy C-means (FCM) technique to determine the spectral differences. All-laser groups demonstrate a shrinkage of the wound region in the histopathological findings. Er:Glass, showed a smaller retraction area and less epithelium recovery. The PBM group has a dense crust. Both treatments demonstrate intense shrinkage and more consistent recovery of the epidermis. In the FCM, three trends occur 1) in the range of 900-950 cm-1 it has a significantly reduced amplitude in the control group; 2) in the range of 1200-1250 cm-1 the control group has a similar amplitude demonstrating bands of sensitive markers; and 3) the amide regions provide various spectral markers. The control group, as expected, remains with minimal changes in this FTIR region. On the other hand, in the PBM group, there is a shift from 1660 to 1679 cm-1, which may correspond to changes in the molecular structure of a protein in the context of type I collagen. FTIR is a valuable alternative for tissue research on a biochemical level through fingerprints that can be translated into morphological features. As técnicas de espectroscopia vibracional têm sido consideradas para o diagnóstico de doenças. A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), em particular, é um método óptico amplamente adotado na pesquisa biomédica. Isso se deve ao fato de que as imagens de FTIR permitem a coleta de várias informações moleculares permitindo uma correlação entre características espectrais e mudanças estruturais. Essa incorporação de aspectos qualitativos e quantitativos são essenciais para implementar um procedimento quimiométrico que transcreva a variância espectral em informações significativas. No caso de queimaduras, o grau de dano tecidual dependerá fortemente de vários fatores, como a gravidade, profundidade e tamanho, o que, influencia no processo de cicatrização. O tratamento a laser de cicatrizes tem sido usado há décadas, para o remodelamento pós cicatrização. Porém, técnicas convencionais de laser podem não normalizar completamente tecido cicatricial maduro, surgiu uma abordagem preventiva da exposição ao laser durante a cicatrização de feridas. A intervenção precoce já foi investigada em vários estudos clínicos, mas não existe consenso. Sendo assim, os objetivos deste estudo foram; investigar o FTIR em análises de tecidos biológicos para oferecer melhores estratégias quimiométricas; estudar a viabilidade do FTIR para estabelecer um perfil da pele e do tecido ósseo; e avaliar o efeito do laser na cicatrização de feridas e no desenvolvimento de uma nova metodologia quimiométrica para desparafinação digital automática. Para tal, foram realizadas lesões térmicas no dorso de ratos Wistar pela aplicação de vapor d\'água a 90ºC por 12s. Posteriormente, no dia 3 pós-queimadura, foi realizada a irradiação do Laser. No procedimento a laser foram adotados 3 protocolos: 1) Er:glass (SellasEvo®) com 3025FPA, 100mJ, 3s; 2) LLT com laser vermelho com = 660nm, potência de 40mW; 3) Combinação dos dois lasers com os parâmetros anteriores. Então, foi realizada uma análise histológica e quimiometrica. Para a avaliação quimiométrica dos dados, foi desenvolvido um protocolo de análise baseado em um pré-processamento usando OCTAVVS seguido de implementação se uma baseline, threshold e aplicação de PCA. A partir desse ponto, as imagens forma classificadas, podem assim, serem normalizadas e passar pela técnica de Fuzzy C-means (FCM) para determinar as diferenças espectrais. Nos achados histopatológicos, todos os grupos de laser demonstram um encolhimento da região da ferida. O Er:Glass, apresentou uma área de retração menor e menor recuperação do epitélio. O grupo PBM apresenta uma crosta densa. Ambos os tratamentos demonstram um encolhimento intenso e uma recuperação mais consistente da epiderme. No FCM, três tendências ocorrem: 1) na faixa de 900-950 cm-1 tem uma amplitude muito reduzida no grupo controle; 2) na faixa de 1200-1250 cm-1 no grupo controle tem uma amplitude similar demonstrando bandas de marcadores sensíveis; e 3) as regiões amida fornecem vários marcadores espectrais. O grupo controle, como esperado, permanece com alterações mínimas nesta região do FTIR. Por outro lado, no grupo PBM, há um deslocamento de 1660 para 1679 cm-1, o que pode corresponder a alterações na estrutura molecular de uma proteína no contexto do colágeno tipo I. Ao demonstrar essa avaliação quimiometrica profunda das queimaduras, pode-se entender o FTIR como uma alternativa valiosa para a pesquisa de tecidos em um nível bioquímico através de impressões digitais que podem ser traduzidas em características morfológicas. |
| Databáze: | OpenAIRE |
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