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 приводит 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», – рассказал 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 распределении молекулярных компонент в коже и других биотканях ex vivo и in vivo для поиска патологий, классификации и интерпретации наблюдаемых спектров комбинационного рассеяния.