基于光鑷拉曼光譜的單細胞分析方法研究.pdf

1、拉曼光譜是一種簡便靈敏的光譜分析新技術,近年來在細胞的結構、功能及細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，生命科學等領域得到了廣泛的應用，取得了明顯的成效。而對于不少受布朗運動影響或會游動的細胞或生物大分子而言，使用普通拉曼光譜儀檢測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，它是研究生物體組織分子結構的新工具。 單細胞光鑷拉曼光譜技術是將光學囚禁（optical trapping）與拉

2、曼光譜分析（Ramanspectroscopy）結合并應用于懸浮細胞研究的一項新的生物光子技術。其原理是利用高度會聚的激光束，囚禁溶液中的活細胞，使之固定在激光微束中，再通過瞬時增加的激光強度來激發(fā)細胞內(nèi)分子的非彈性拉曼散射，從而可以收集到該細胞的拉曼光譜。將單細胞光鑷拉曼光譜技術應用于從單細胞水平分析和診斷地中海貧血、癌癥的研究，是一項很有意義的工作。 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。長期以來，地中海貧血困擾著中國南方、東南亞地區(qū)數(shù)以百萬計的廣大人口。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15％，為全國之首，而β地貧發(fā)生率為5％。目前地貧的檢測和分子生物學研究（包括血常規(guī)檢測，血紅蛋白(Hb)電泳分析，Hb A2及Hb F測定，DNA分析等）均是基于血樣中大量細胞宏觀平均的結果。同時上述的實驗室檢測方法相對昂貴，或操作繁瑣，工作量大等，不適合大面積人群的篩查。將單

4、細胞光鑷拉曼光譜技術應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，它可以從單細胞的層次揭示地貧引起的血紅蛋白異常。同時拉曼光譜作為一種快速、簡便、有效的篩查和診斷地中海貧血的方法，具有較高的學術價值和臨床應用前景。通過使用光鑷拉曼，可以發(fā)現(xiàn)在單個紅細胞水平上Hb分子的異常結構，而這些異常是被宏觀平均所掩蓋的。同時本文研究表明，借助于拉曼光譜的主成分分析（PCA），α-地貧（HbH）和β-地貧（major）可以從單細胞拉曼

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

6、細胞，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）測得的一些數(shù)據(jù)，分別使用模式識別、數(shù)據(jù)對比的方法，對地中海貧血和肝癌的拉曼光譜數(shù)據(jù)進行分析，以求找到合適的方法實現(xiàn)對不同病種細胞的拉曼光譜數(shù)據(jù)的有效分類。在獲取數(shù)據(jù)的過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的光譜測試方法存在著一些不足之處，嘗試提出了一套檢測拉曼光譜的新方法，以求能夠加快某類樣本數(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，為實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的全自動測量提供了新

7、思路。 研究工作分為了三個部分進行介紹。 模式識別算法應用于地中海貧血的診斷。首先介紹采用785nm 激光束構建的帶有光鑷子的激光拉曼光譜儀作為檢測手段鑒別兩類不同的地中海貧血疾病。在對原始數(shù)據(jù)進行預處理之后，使用PCA（主成分分析）算法對其進行特征提取，并采用訓練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行病種分類。實驗結果表明本文提出的方法對地中海貧血的快速診斷是很有意義的。 光鑷拉曼應用于肝癌的診斷。介紹了帶有光鑷子的激光拉曼光譜