Résoudre l'eau, les protéines et les lipides d'In Vivo Confocal Raman Spectra de Stratum Corneum par une approche chimiométrique

Dans les études cliniques, la spectroscopie in vivo confocale de Raman a montré sa capacité unique pour déterminer l’épaisseur et la teneur en eau de corneum de strate^1,2,3,4, et le suivi de la pénétration de matériaux actifs appliqués topiquement sur la peau^5,6. Comme approche non invasive, la spectroscopie raman confocale détecte les signaux moléculaires basés sur les modes vibratoires. Ainsi, l’étiquetage n’est pas nécessaire⁷. La spectroscopie in vivo confocale de Raman fournit des informations chimiques avec une résolution de profondeur basée sur la nature confocale de la technique. Cette information de profondeur-dépendante est très utile en étudiant les effets des produits de soin de peau^4,8, vieillissement^9,10, changements saisonniers³, ainsi que les maladies de fonction de barrière de peau, comme la dermatite atopique^11,12. Il y a beaucoup d’informations dans la région à haute fréquence de la spectroscopie raman confocale (2 500 à 4 000 cm^-1), où l’eau produit des pics distincts dans la région entre 3 250 et 3 550 cm^-1. Cependant, les pics Raman de protéines et de lipides, qui sont centrés entre environ 2 800 et 3 000 cm^-1, se chevauchent parce que les signaux sont principalement produits à partir de méthylène (-CH₂-) et de méthyle (-CH₃) groupes¹³ . Cette information qui se chevauche présente un défi technique lors de l’obtention de quantités relatives d’espèces moléculaires individuelles. Le pic^14,15 et la position de pointe sélective^12,16 approches ont été utilisées pour résoudre ce défi. Cependant, il est difficile pour ces méthodes basées sur le pic unique d’extraire des informations sur les composants purs parce que plusieurs pics Raman à partir du même composant changent simultanément¹⁷. Dans notre publication récente¹⁸, une approche MCR a été proposée pour élucider l’information sur les composants purs. Grâce à cette approche, trois composants (eau, protéines et lipides) ont été extraits d’un grand ensemble de données spectroscopiques confocales de Raman in vivo.

L’exécution de grandes études cliniques peut être exigeante sur les individus recueillant des données spectroscopiques in vivo. Dans certains cas, l’acquisition spectrale peut nécessiter de l’équipement d’exploitation pendant de nombreuses heures dans une journée et l’étude peut s’étendre jusqu’à des semaines ou des mois. Dans ces conditions, les données spectroscopiques peuvent être générées par des opérateurs d’équipement qui n’ont pas l’expertise technique nécessaire pour identifier, exclure et corriger toutes les sources d’artefacts spectroscopiques. L’ensemble de données qui en résulte peut contenir une petite fraction des valeurs aberrantes spectroscopiques qui doivent être identifiées et exclues des données avant l’analyse. Cet article illustre en détail un processus d’analyse chimiométrique pour « nettoyer » un jeu de données clinique de Raman avant d’analyser les données avec MCR. Pour réussir à supprimer les valeurs aberrantes, les types de valeurs aberrantes et la cause potentielle de la génération des spectres aberrants doivent être identifiés. Ensuite, une approche spécifique peut être développée pour supprimer les valeurs aberrantes ciblées. Cela nécessite une connaissance préalable de l’ensemble de données, y compris une compréhension détaillée du processus de génération de données et de la conception de l’étude. Dans cet ensemble de données, la majorité des valeurs aberrantes sont des spectres de faible signal au bruit et proviennent principalement de 1) spectres recueillis au-dessus de la surface de la peau (6 208 sur 30 862), et 2) une forte contribution au spectre de la lumière fluorescente de la pièce (67 sur 30 862). Les spectres recueillis au-dessus de la surface de la peau produisent une faible réponse Raman, car le point focal laser s’approche de la surface de la peau et se trouve principalement dans la fenêtre de l’instrument sous la peau. Spectra avec une forte contribution de la lumière de pièce fluorescente sont générés en raison de l’erreur de l’opérateur d’instrument ou le mouvement du sujet, ce qui produit une condition où la fenêtre de collecte raman confocale n’est pas entièrement couverte par le site du corps du sujet. Bien que ces types d’artefacts spectraux aient pu être identifiés et assainis lors de l’acquisition spectrale par un expert spectroscopique au moment de l’acquisition de données, les opérateurs d’instruments formés utilisés dans cette étude ont reçu l’instruction de recueillir toutes les données à moins qu’un une défaillance catastrophique a été observée. La tâche d’identifier et d’exclure les valeurs aberrantes est intégrée au protocole d’analyse des données. Le protocole présenté est élaboré pour résoudre ce défi. Pour s’attaquer aux spectres de faible signal au bruit au-dessus de la surface de la peau, l’emplacement de la surface de la peau doit d’abord être déterminé pour permettre l’élimination des spectres recueillis au-dessus de la surface de la peau. L’emplacement de la surface de la peau est défini comme la profondeur où le point focal laser Raman est la moitié dans la peau et la moitié de la peau comme illustré dans la figure supplémentaire 1. Après avoir supprimé les spectres signal-bruit bas, une analyse principale des composants (PCA) est mise en œuvre pour extraire le facteur dominé par les pics fluorescents de lumière ambiante. Ces valeurs aberrantes sont supprimées en fonction de la valeur de score du facteur correspondant.

Ce protocole fournit des renseignements détaillés sur la façon dont six composantes principales sont déterminées dans le processus de RMC. Cela se fait au moyen d’une analyse PCA suivie d’une comparaison spectrale des formes entre les charges des modèles générés avec un nombre différent de composants principaux. Le processus expérimental de collecte de données de matériaux de référence ainsi que les sujets humains est également expliqué en détail.