通过ATR-FTIR结合化学计量学和机器学习方法，区分中度创伤性脑损伤（TBI）中的损伤类型并估算损伤后的恢复时间间隔

《Vibrational Spectroscopy》：Discriminating injury and estimating post-injury intervals in moderate TBI by ATR-FTIR combined with chemometrics and machine learning

Jiantao Li|Shuo Wu|Jianliang Luo|Yudong Qin|Gengwang Hu|Haobin La|Haoxin Wang|Zhen Wei|Lulu Sha|Taiming Fan|Jiayu Xie|Jian Yang|Qinru Sun

中国陕西省西安市西安交通大学法医学学院法医病理学系，邮编710061

摘要

创伤性脑损伤（TBI）是法医学中常见的病例类型。准确区分受伤组织与未受伤组织以及估算受伤后的时间间隔是法医实践中的关键方面。本研究旨在探讨使用衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱技术区分受伤组织和未受伤组织的可行性，以及区分中度TBI后的不同时间间隔。通过Feeney坠重法建立了中度TBI的小鼠模型，并根据改良的神经严重程度评分（mNSS）严格筛选出中度受伤的小鼠。首先，采用主成分分析（PCA）对光谱数据进行降维和可视化处理。其次，构建了包括偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和支持向量机（SVM）在内的分类模型，以区分不同时间点的受伤组织和未受伤组织，这两种模型均表现出优异的分类性能。随后，基于光谱数据开发了回归模型，包括偏最小二乘回归（PLS-R）、约束线性回归（CLR）、主成分回归（PCR）、多元线性回归（MLR）、支持向量回归（SVR）和人工神经网络（ANN），用于预测TBI后的生存时间。其中，SVR模型的预测性能最佳，R2值为0.936，RMSE为1.485天。这项初步研究表明，FTIR光谱结合化学计量学能够快速准确地识别创伤发生和估算受伤后时间间隔，从而为案件调查和司法程序提供科学依据。

引言

创伤性脑损伤（TBI）是一个全球性的健康挑战，其年发病率持续较高。TBI常常导致严重的长期后遗症，包括中风、精神障碍和神经退行性病变[1]、[2]。它是所有年龄段死亡和残疾的重要原因，因此成为全球健康关注的焦点。

中度TBI通常是法医学研究的主要对象。虽然通常不会立即致命，但它与显著的神经功能缺陷相关[1]。与轻度TBI相比，中度TBI的神经损伤和症状通常更为明显和持久。因此，在法医实践中准确确定中度TBI后的时间间隔不仅可以明确受伤时间，还能为医疗纠纷和司法公正提供关键证据[3]。

尽管格拉斯哥昏迷量表（Glasgow Coma Scale）仍是评估脑损伤严重程度的关键工具，但其主观性要求探索客观生物标志物。先前的研究利用血浆中磷脂（PL）、S100b、神经元特异性烯醇化酶（NSE）、胶质纤维酸性蛋白（GFAP）和炎症细胞因子（IL-6、IL-10）等生物分子的时间变化来反映损伤进展[4]、[5]。TBI后视觉皮层的电生理变化也被记录下来用于时间估计[6]。然而，这些方法容易受到其他因素的干扰，降低了结果的特异性。高昂的成本和复杂的程序进一步限制了它们的实际应用。

在临床和法医学领域，计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）是评估TBI的主要结构成像技术，可以快速显示颅内出血、脑挫伤和水肿等宏观病变，为急性临床干预和法医病理鉴定提供重要依据。然而，这些成像方法仅能反映脑组织的结构变化，无法捕捉TBI进展背后的动态分子和生化变化，也无法实现受伤后时间间隔的定量估计——这是法医实践的核心需求。振动光谱学，特别是傅里叶变换红外（FTIR）光谱学，由于其快速、无需试剂的操作方式以及检测分子成分的能力，提供了一种有前景的替代方案，使其成为生物医学研究中的宝贵工具[7]。

振动光谱学在TBI研究中的应用已有充分文献记载。例如，Rakib等人使用FTIR光谱学检测了TBI后3小时的生物分子变化[8]。Theakstone等人证明了该方法在识别人类样本中的TBI方面的强大分类性能[9]。然而，尽管这些研究是在脑组织和人类样本上进行的，但并非主要针对受伤后时间间隔的估计。

值得注意的是，Cai等人在进行TBI后对小鼠实施安乐死，以区分不同的死后时间间隔，重点关注脑组织的分解模式[10]。Wang等人在模拟TBI的小鼠模型中区分不同的生存时间点时，使用了血肿模型而非撞击模型[11]。此外，上述研究往往缺乏对动物模型损伤程度的明确界定，也没有全面覆盖受伤后的时间点。

因此，本研究旨在利用ATR-FTIR光谱结合化学计量学建立中度TBI后的时间间隔估计模型，并区分受伤区域和未受伤区域。这种方法探索了FTIR光谱在TBI时间估计方面的潜力，为法医从业者确定TBI后的生存时间提供了理论基础。

章节片段

动物模型和样本制备

从北京维塔尔河实验室动物技术有限公司购买了100只C57BL/6J雄性小鼠（7-8周龄，22-25克，SPF等级）。所有小鼠均饲养在西安交通大学的动物中心，处于12小时光照/黑暗周期环境中，可自由摄取食物和水。所有实验程序均符合当地法规和机构指南，并获得了西安交通大学伦理委员会的批准。

小鼠被随机分配到TBI组

不同受伤时间间隔下的脑组织宏观表现

原发性损伤可引起生物体的代谢、细胞和分子层面的变化[8]。继发性损伤，包括炎症反应、线粒体功能障碍和氧化应激，可能在数小时或数天内逐渐发展，随后是局部化、组织和修复的缓慢过程[12]。本研究记录了TBI时间进展过程中的宏观形态差异（图1），观察到受伤组织之间存在相对显著的差异

结论

本研究建立了中度TBI的小鼠模型，其损伤严重程度由改良的神经严重程度评分（mNSS）严格定义。我们首次在基于振动光谱的TBI研究中引入了一个结合机器学习框架，该框架同时执行损伤鉴别（通过PLS-DA和SVM分类）和受伤后时间间隔估计（通过多元回归模型）。ATR-FTIR光谱成功捕获了内在的振动光谱特征

CRediT作者贡献声明

Qinru Sun：撰写 – 审稿与编辑、可视化、资源获取、概念构思。Shuo Wu：方法学、研究。Jianliang Luo：方法学、研究、正式分析。Jiayu Xie：可视化、研究。Jian Yang：可视化、研究。Jiantao Li：软件、方法学、研究、概念构思。Yudong Qin：研究、正式分析。Gengwang Hu：研究、正式分析。Haobin La：可视化、研究。Lulu Sha：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。