基于光鑷?yán)庾V的單細(xì)胞分析方法研究.pdf

1、拉曼光譜是一種簡便靈敏的光譜分析新技術(shù),近年來在細(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，再通過瞬時(shí)增加的激光強(qiáng)度來激發(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。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(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(xué)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(xì)胞宏觀平均的結(jié)果。同時(shí)上述的實(shí)驗(yàn)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(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。通過使用光鑷?yán)?，可以發(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(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(jìn)行分析，以求找到合適的方法實(shí)現(xiàn)對不同病種細(xì)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(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的全自動(dòng)測量提供了新

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(jìn)行預(yù)處理之后，使用PCA（主成分分析）算法對其進(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。實(shí)驗(yàn)結(jié)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?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