Исследователи научной школы (НОШ) МГУ “Фотоника и квантовые технологии. Цифровая медицина” совместно с коллегами из клиники Шарите (Берлин, Германия) предложили новый способ анализа спектров комбинационного рассеяния верхних слоёв кожи in vivo, основанный на методах машинного обучения без учителя. Исследование будет полезно для дерматологического анализа или определения проникновения лекарственных веществ, доставка которых осуществляется через кожу.

Статья опубликована в журнале Analyst.

Определение молекулярного состава кожи актуально для большого числа задач медицины, фармакологии, дерматологии и косметологии. Конфокальная микроспектроскопия комбинационного рассеяния (КР) – чувствительный метод, позволяющий с высокой специфичностью проанализировать распределение основных молекулярных компонент в различных подслоях кожи с микронным разрешением. Однако количественный анализ сигнала КР биотканей часто затруднён из-за схожести КР-спектров отдельных компонент, например, различных белков или липидов, а выбор неверного числа или вида базовых компонент, на которые “раскладывается” спектр, может привести к неверному результату анализа экспериментальных спектров рамановского рассеяния.

В данной работе предложен альтернативный подход, не требующий априорных знаний о виде и распределении по глубине отдельных компонент, дающих вклад в сигнал комбинационного рассеяния, основанный на разложении спектров с помощью неотрицательного матричного разложения (Non-negative matrix factorization). С помощью смоделированных и экспериментально полученных глубинно-разрешенных спектров комбинационного рассеяния верхних слоёв эпидермиса in vivo, учёные показали, как с помощью неотрицательной матричной факторизации спектров КР возможно точно восстановить глубинные профили и спектры молекулярных компонент, как исходно присутствующих в тканях (кератина в различной конформации, липидов, меланина, каротиноидов и других), так и внешних агентов, например, медицинских масел.

Применение спектроскопии комбинационного рассеяния для анализа биотканей является перспективным для многих задач биомедицинской диагностики, например, для классификации здоровых и патологических тканей, определения границы опухоли. Однако в задачах, когда требуется не только классифицировать тип биоткани, но и понять, изменения каких молекулярных составляющих приводят к наблюдаемым изменениям сигнала комбинационного рассеяния, требуются особые подходы к анализу данных, результаты которых, с одной стороны, должны быть хорошо интерпретируемы, а с другой стороны, не имеют жестких ограничений в модели.

«В данной работе мы показали, что метод неотрицательной матричной факторизации отлично справляется с анализом данных комбинационного рассеяния реальных биотканей на примере кожи. Основываясь только на экспериментальных полученных спектрах комбинационного рассеяния, без каких-либо дополнительных предположений о том, какие вещества содержатся в коже, метод неотрицательной матричной факторизации позволил легко разделить отдельные молекулярные компоненты. Эта информация может быть значима, например, для дерматологического анализа или определения проникновения лекарственных веществ, доставка которых осуществляется через кожу», — рассказывает сотрудник НОШ МГУ «Фотоника», младший научный сотрудник кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ Борис Якимов.

Предложенный метод анализа в дальнейшем может быть использован для анализа состава и распределения молекулярных компонент в коже и других биотканях ex vivo и in vivo для поиска патологий, классификации и интерпретации наблюдаемых спектров комбинационного рассеяния.