2023年1月14日，吉林大学张大奕教授、浙江中医药大学刘明英副教授团队应用长光辰英核心产品——P300共聚焦拉曼光谱仪在《ACS Chemical Neuroscience》期刊上发表了题为“In-vitro diagnosis and visualization of cerebral ischemia/reperfusion injury in rats and protective effects of ferulic acid by Raman biospectroscopy and machine learning”的论文。该研究创新性采用共聚焦拉曼光谱和机器学习相结合的技术，实现了阿魏酸钠对缺血性中风治疗作用的定量和可视化评价。

一、研究背景

缺血性中风是导致人类死亡的一个主要原因，具有病理生理机制复杂、化学诊断困难等问题。现代药理研究表明，阿魏酸钠具有抗氧化、抑制血小板聚集、抑制血栓形成、抗炎等作用。然而，阿魏酸钠在缺血性中风治疗过程中的分子机制研究较少，主要受限于缺少高精度的原位观测技术。该研究通过模拟人类中风的短暂性大脑中动脉阻塞（MCAO）的动物模型，开发了一种基于拉曼光谱的非侵入性检测方法，可以实现脑缺血/再灌注损伤和阿魏酸神经保护作用的体外诊断和可视化。

二、研究内容

该研究建立了Sprague-Dawley雄性大鼠的大脑中动脉闭塞（MCAO）模型，将SD雄性大鼠随机分为模型组（CK）、阿魏酸钠低剂量组（LFA）、阿魏酸钠中剂量组（MFA）、阿魏酸钠高剂量组（HFA）和假手术组（SHAM）。通过静脉注射给药方式对大鼠进行进一步处理，阿魏酸钠低、中、高，治疗组阿魏酸钠的含量分别为25、50和100 mg/kg，CK组和SHAM组给予0.9%生理盐水的静脉注射。

图1.流程图

利用拉曼光谱的非侵入性检测特性，测定了不同处理组中大鼠神经元与胶质细胞的生物拉曼光谱，建立了5组神经元与胶质细胞的生物大分子关键信息数据库，识别出了典型生物拉曼光谱特征峰（图2）。针对直接比较不同组别的生物拉曼光谱差异性的技术挑战，开发了一种具有高特异性和准确度随机森林算法，可以快速评估神经元活性和阿魏酸钠神经保护作用机制（图3）。当随机森林模型设定ntree=500，mtry=6时（图3A），模型具有较好的准确性（0.9846）、敏感性（0.9679-0.9932）和特异性（0.9945-0.9989）（图3B）。MeanDecreaseGini和MeanDecreaseAccuracy分析表明，1000 cm^-1、998 cm^-1、842 cm^-1、1004 cm^-1、1416 cm^-1和1692 cm^-1（图3C）可作为神经元活性和阿魏酸钠神经保护作用的关键变量。模型可视化结果表明，同组样本的光谱有较好的聚集性，<20个斑点则分别散布，证明了该随机森林模型的可靠性和准确性（图3D）。

图2. 不同组的神经元拉曼光谱。

图3. 随机森林模型分类

基于随机森林模型结果，将1002 cm-1附近作为神经元活性和阿魏酸钠神经保护作用分类的关键指纹峰，使用苯丙氨酸与色氨酸光谱峰强比值（苯丙氨酸-色氨酸比率）作为表征神经元损伤的生物指标，用于阿魏酸钠神经保护性能评估的可视化。图4结果表明，神经元的生物拉曼光谱图与显微图像高度吻合，所有神经元都表现出相同的形状。CK组中大多数神经元细胞表现出较高的苯丙氨酸-色氨酸比率（红色标记），SHAM组中神经元细胞均表现出极低的苯丙氨酸-色氨酸比率（绿色标记），证实该方法可以评估神经元损伤。在LFA、MFA和HFA组中，随着阿魏酸钠剂量的提高，神经元红色区域逐渐降低，证明阿魏酸钠对神经元保护性能与剂量成正比。相关数据表明，生物拉曼光谱不仅可以可视化的诊断神经元的损伤程度和评估阿魏酸钠神经保护作用的效果，还可以甄别神经元细胞的损伤部位。

图4. 拉曼光谱的神经元图谱

三、结论

该研究使用生物拉曼光谱、多变量分析和随机森林模型等技术，评估了阿魏酸钠在脑缺血再灌注中对神经元的损伤和干预效果。随机森林模型在神经元活力和阿魏酸钠神经保护作用的分类方面取得了令人满意的效果，并识别出苯丙氨酸1002 cm^-1是评估神经元活性和阿魏酸钠神经保护作用的关键指纹峰，苯丙氨酸-色氨酸比率（1002 cm^-1/1614 cm^-1）是神经元活力和阿魏酸钠神经保护作用可视化评价的有效指标。该研究结果证明，生物拉曼光谱可以用于缺血性中风治疗效果评估，为早期诊断、药物筛选和干预策略优化等药理学研究中提供了一种精确评估的技术手段。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acschemneuro.2c00612