基于光鑷?yán)庾V的單細(xì)胞分析方法研究.pdf

1、拉曼光譜是一種簡(jiǎn)便靈敏的光譜分析新技術(shù),近年來(lái)在細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能及細(xì)胞凋亡等方面取得了迅速發(fā)展。目前，拉曼光譜已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、化學(xué)，生命科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了明顯的成效。而對(duì)于不少受布朗運(yùn)動(dòng)影響或會(huì)游動(dòng)的細(xì)胞或生物大分子而言，使用普通拉曼光譜儀檢測(cè)其拉曼光譜將十分困難。因此本文引入了激光鑷子拉曼光譜技術(shù)，它是研究生物體組織分子結(jié)構(gòu)的新工具。 單細(xì)胞光鑷?yán)庾V技術(shù)是將光學(xué)囚禁（optical trapping）與拉

2、曼光譜分析（Ramanspectroscopy）結(jié)合并應(yīng)用于懸浮細(xì)胞研究的一項(xiàng)新的生物光子技術(shù)。其原理是利用高度會(huì)聚的激光束，囚禁溶液中的活細(xì)胞，使之固定在激光微束中，再通過(guò)瞬時(shí)增加的激光強(qiáng)度來(lái)激發(fā)細(xì)胞內(nèi)分子的非彈性拉曼散射，從而可以收集到該細(xì)胞的拉曼光譜。將單細(xì)胞光鑷?yán)庾V技術(shù)應(yīng)用于從單細(xì)胞水平分析和診斷地中海貧血、癌癥的研究，是一項(xiàng)很有意義的工作。 地中海貧血（地貧）是一組由于珠蛋白基因的缺失或缺陷導(dǎo)致珠蛋白鏈合成障礙所引

3、起的遺傳性溶血性疾病。其中，α和β地貧最為常見(jiàn)。長(zhǎng)期以來(lái)，地中海貧血困擾著中國(guó)南方、東南亞地區(qū)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的廣大人口。廣西是地貧的高發(fā)區(qū)，部分地區(qū)α地貧發(fā)生率高達(dá)15％，為全國(guó)之首，而β地貧發(fā)生率為5％。目前地貧的檢測(cè)和分子生物學(xué)研究（包括血常規(guī)檢測(cè)，血紅蛋白(Hb)電泳分析，Hb A2及Hb F測(cè)定，DNA分析等）均是基于血樣中大量細(xì)胞宏觀平均的結(jié)果。同時(shí)上述的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法相對(duì)昂貴，或操作繁瑣，工作量大等，不適合大面積人群的篩查。將單

4、細(xì)胞光鑷?yán)庾V技術(shù)應(yīng)用于地中海貧血的研究，有可能提供一種新的研究方法和研究角度，它可以從單細(xì)胞的層次揭示地貧引起的血紅蛋白異常。同時(shí)拉曼光譜作為一種快速、簡(jiǎn)便、有效的篩查和診斷地中海貧血的方法，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和臨床應(yīng)用前景。通過(guò)使用光鑷?yán)梢园l(fā)現(xiàn)在單個(gè)紅細(xì)胞水平上Hb分子的異常結(jié)構(gòu)，而這些異常是被宏觀平均所掩蓋的。同時(shí)本文研究表明，借助于拉曼光譜的主成分分析（PCA），α-地貧（HbH）和β-地貧（major）可以從單細(xì)胞拉曼

5、光譜得到快速簡(jiǎn)便的診斷。由于癌癥早期癥狀不明顯，并且癥狀的多樣性與一些常見(jiàn)的疾病非常相似，很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。目前癌癥的診斷主要是以腫瘤切片的細(xì)胞學(xué)鑒定為依據(jù)，然而非量化的病理診斷操作過(guò)程繁瑣，且常帶有很大的主觀性。因此尋找方便、快捷、準(zhǔn)確、無(wú)創(chuàng)傷的癌癥早期診斷方法意義重大。拉曼光譜技術(shù)由于能從分子水平上反映正常組織與病變組織在化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)上的差異，可能成為一條早期診斷腫瘤的途徑。本文的研究發(fā)現(xiàn)，肝癌細(xì)胞的拉曼光譜強(qiáng)度明顯弱于正常肝臟

6、細(xì)胞，且存在較為明顯的差異。 基于使用帶光鑷子的拉曼光譜儀（LTRS）測(cè)得的一些數(shù)據(jù)，分別使用模式識(shí)別、數(shù)據(jù)對(duì)比的方法，對(duì)地中海貧血和肝癌的拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以求找到合適的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同病種細(xì)胞的拉曼光譜數(shù)據(jù)的有效分類(lèi)。在獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的光譜測(cè)試方法存在著一些不足之處，嘗試提出了一套檢測(cè)拉曼光譜的新方法，以求能夠加快某類(lèi)樣本數(shù)據(jù)的采集速度，有效地提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并已取得初步成果，為實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的全自動(dòng)測(cè)量提供了新

7、思路。 研究工作分為了三個(gè)部分進(jìn)行介紹。 模式識(shí)別算法應(yīng)用于地中海貧血的診斷。首先介紹采用785nm 激光束構(gòu)建的帶有光鑷子的激光拉曼光譜儀作為檢測(cè)手段鑒別兩類(lèi)不同的地中海貧血疾病。在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，使用PCA（主成分分析）算法對(duì)其進(jìn)行特征提取，并采用訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行病種分類(lèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的方法對(duì)地中海貧血的快速診斷是很有意義的。 光鑷?yán)鼞?yīng)用于肝癌的診斷。介紹了帶有光鑷子的激光拉曼光譜