利用拉曼光谱技术监测颈动脉动脉粥样硬化手术治疗的效果

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Monitoring the effect of surgical treatment of carotid atherosclerosis using Raman spectroscopy

　　

扬·雅库布·凯西克（Jan Jakub K?sik）|维斯瓦夫·帕亚（Wies?aw Paja）|克日什托夫·潘切尔兹（Krzysztof Pancerz）|阿德里安娜·克里斯卡（Adrianna Kryska）|皮奥特·特尔莱茨基（Piotr Terlecki）|乔安娜·德普丘赫（Joanna Depciuch）

波兰卢布林医科大学血管外科与血管病学系

摘要

拉曼光谱技术被研究作为监测患有颈动脉粥样硬化患者术后恢复情况的工具。对完整拉曼光谱进行主成分分析（PCA）后发现，区分术前采集的血清样本与术后24小时或48小时采集的样本存在挑战。此外，24小时和48小时术后样本之间也没有明显的分离。第一个主成分（PC1）解释了总方差的67.52%，而第二个主成分（PC2）解释了14.22%。PCA的载荷图显示，PC1在800–1800 cm?1的光谱范围内呈正值，在2800–3000 cm?1范围内呈负值；PC2在800–1600 cm?1和2800–3000 cm?1范围内呈正值，在1600–1800 cm?1范围内呈负值。这些变化突出了蛋白质和脂质的分子振动，但未能根据时间点提供明确的分类。为了区分术后不同时间点的生化变化，确定了几个关键波长范围。对于术前和术后24小时采集的样本，最相关的波长范围是930–945 cm?1、982–1002 cm?1、2930–2954 cm?1和2978–2991 cm?1，这些范围与脂质、蛋白质和碳水化合物相关。同样，对于术前和术后48小时的比较，也确定了略有不同的波长范围，显示出反映恢复和组织重塑的细微差异。对这些范围进行的层次聚类分析（HCA）和PCA进一步证实了这些发现，术前和术后24小时的样本有明显的区别，但24小时和48小时术后样本之间的区别不那么明显，表明生化组成在48小时后趋于稳定。

引言

颈动脉粥样硬化是缺血性中风和短暂性脑缺血发作的主要原因，对全球发病率和死亡率有显著影响。该疾病的特征是动脉壁内逐渐积累富含脂质的斑块、炎症细胞和纤维组织，导致管腔狭窄和斑块不稳定[1]、[2]、[3]。严重的颈动脉粥样硬化可能导致脑栓塞或脑血流严重减少，因此及时诊断和有效治疗至关重要。

治疗严重的颈动脉狭窄的标准方法包括颈动脉内膜切除术或颈动脉支架植入术，这两种方法都旨在恢复足够的脑灌注并降低中风风险[4]、[5]。尽管这些干预措施在临床上有效，但从诊断角度来看，术后早期仍然具有挑战性。手术后立即很难客观评估干预措施在分子和生化层面是否完全成功。传统的成像技术，如双功超声、计算机断层扫描血管造影或磁共振成像，主要提供解剖和血流动力学信息，可能无法反映手术后的细微生化或炎症变化[6]、[7]、[8]。因此，显然需要补充方法来监测与血管愈合、炎症消退或残余疾病活动相关的早期术后变化。

振动光谱技术，特别是拉曼光谱技术，作为一种强大的、无标记且非破坏性的分析技术，能够提供关于生物组织和生物流体的详细分子信息[9]、[10]。拉曼光谱基于单色光的非弹性散射，通过其独特的光谱特征来识别脂质、蛋白质、核酸和碳水化合物等生化成分[11]。重要的是，拉曼光谱可以捕捉到形态变化之前的细微生化改变，使其成为疾病诊断和监测的有希望的工具[12]、[13]。

在动脉粥样硬化的背景下，拉曼光谱已经显示出巨大的潜力。先前的研究（包括我们自己的工作）表明，拉曼光谱谱型可以成功区分健康个体和患有动脉粥样硬化的患者，反映了脂质组成、蛋白质结构和炎症标志物的变化[14]。这些发现证实了拉曼光谱作为检测与动脉粥样硬化相关的生化特征的敏感方法的适用性。

基于这些结果，下一个关键步骤是研究拉曼光谱是否不仅可用于疾病鉴别，还可用于监测治疗过程。因此，本研究的目的是评估将拉曼光谱与先进的化学计量方法和机器学习算法结合使用，作为跟踪与颈动脉粥样硬化手术治疗相关的生化变化的工具。为此，我们在术前以及术后24小时和48小时对患者进行了检查，以便评估颈动脉介入后的早期分子变化。这种方法可能为治疗效果提供新的见解，并为动脉粥样硬化的早期术后监测提供新的途径。

节选内容

材料

本研究遵循卢布林医科大学伦理委员会的指导方针，并获得了伦理批准（编号KE-0254/82/2021）。所有参与者在入组前都签署了书面知情同意书。共分析了189份来自颈动脉粥样硬化（ACS）患者的血清样本，其中包括63份术前样本、63份术后24小时采集的样本和63份术后48小时采集的样本。

结果

在图1a中呈现的拉曼光谱中，849 cm?1处的峰值通常与C-H键的弯曲振动有关，尤其是在蛋白质中[15]。该峰值也可能与脂肪酸中CH?基团的变形振动相关。860 cm?1处的峰值对应于脂质分子中的C-H键弯曲振动[16]。同样，963 cm?1处的峰值通常也与C-H键弯曲振动相关[16]。1007 cm?1处的峰值归因于苯丙氨酸环的振动模式，这是其特征之一。

讨论

在我们的研究中，使用拉曼光谱监测患有颈动脉粥样硬化患者的术后生化变化显示出有希望的结果。我们观察到术前和术后24小时及48小时采集的血清样本的拉曼光谱可以区分开来，尤其是术前和术后样本之间的区别。然而，区分术后24小时和48小时的样本则具有挑战性。

结论

拉曼光谱被证明是监测术后生化变化的宝贵工具。分析表明，术前样本与术后24小时采集的样本之间存在明显区别，术前样本与术后48小时采集的样本之间也有明显区别。然而，区分术后24小时和48小时采集的样本具有挑战性，这表明生化变化在最初的24小时内趋于稳定。主成分分析（PCA）和层次聚类分析进一步证实了这一现象。

CRediT作者贡献声明

扬·雅库布·凯西克（Jan Jakub K?sik）：概念构思、可视化、撰写——初稿。维斯瓦夫·帕亚（Wies?aw Paja）：可视化。乔安娜·德普丘赫（Joanna Depciuch）：概念构思、可视化、撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。