专利名称：光谱数据分析装置、生物物质检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及光谱数据分析装置、生物物质检测系统和生物物质检测方法，更具体地，涉及光谱数据分析装置，其中，使用拉曼光谱法检测生物体组织中累积的β淀粉状蛋白。
背景技术：
β淀粉状蛋白(amyloidii)是神经炎斑块的主要组成部分，神经炎斑块被视为阿尔茨海默病(Alzheimer' s disease)的病人脑内的特征病变。β淀粉状蛋白是约40个氨基酸的多肽，并且从淀粉状前体蛋白质(APP)中在细胞膜贯通区域的附近切去两种分泌酶。在家族性阿尔茨海默病的患者中，现存有关于APP点突变的家族谱的报告，其指出，β 淀粉状蛋白可能是阿尔茨海默病的诱发物质。β淀粉状蛋白积累在玻璃疣(其是年龄相关性黄斑变性的病人的视网膜的典型病变)中，并且与年龄相关性黄斑变性的病状有关，参见Drusen associated with aging and age-related macular degeneraion contain proteins common to extracellular deposits associated with atherosclerosis, elastosis, amyloidosis, and dense deposit disease, FASEB J. 2000May ； 14(7) :835-46 的报道。年龄相关性黄斑变性是一种通过视网膜的黄斑区的萎缩或新血管化而致盲的疾病。年龄相关性黄斑变性是西方和其他发达国家成年人失明的头号原因。在日本，这种疾病代表了在伴随糖尿病视网膜病的青光眼之后的失明的主要病因。因此，迫切需要确立年龄相关性黄斑变性的早期诊断方法。使用夹式酶链免疫吸附剂化验的化验系统，可用作检测β淀粉状蛋白的化验系 (#JAL Isolation and quantification of soluble Alzheimer' s beta-peptide from
biological fluids, Nature. 1992Sep 24 ；359 (6393) :325-7)。此外，使用拉曼光谱法的检测方法可用作检测β淀粉状蛋白的技术，如Raman signature from brain hippocampus could aid Alzheimer' s disease diagnosis，Appl Opt. 2009Aug 20；48(24) :4743-8中所描述。该公开尝试提供以下方法来诊断阿尔茨海默病，其通过注射β淀粉状蛋白到大脑海马状突起的CAl区域内而产生得了阿尔茨海默病的大鼠，并对从其去除的海马状突起组织的冰冻切片进行拉曼光谱分析。该公开描述从疾病组织获得的拉曼光谱中在酰胺I振动谱带的波数1670CHT1处出现特征峰。它还报道，通过曲线拟合将酰胺I振动谱带的光谱分解为多个波形分量，从而建立正常组织的多个不同的峰波数的波形分量，以及疾病组织的峰波数1670CHT1处的单个主波形分量。从这些发现中， 该公开推断，疾病组织中的β淀粉状蛋白的聚集的检测可能通过检测波数1670CHT1处的拉曼峰而进行。关于本发明，可使用设计为通过拉曼光谱法测量或检测眼内物质的装置。例如 JP-A-10-272100公开了一种装置，其通过从激励光学系统发出可见的近红外单色或单波长激励光束的光线到眼球，并通过使用光学接收系统检测来自眼球的包含散射光和荧光中至少之一的光，而测量眼内物质。
JP-T-2005-514137公开了一种装置，其形成了黄斑类胡萝卜素的拉曼图像(此处使用的术语“JP-T”指所公开的PCT专利申请的日语译文)。该装置产生表示类胡萝卜素的空间分布和浓度的图像，其所使用的部件包括光源，生成特定波长的光，该特定波长产生具有对于类胡萝卜素的波长偏移的拉曼响应；与光源光学连通的光发送和回收方法，其用于将光导向组织、并且回收来自于组织的散射光；波长选择装置，用于从回收的散射光中选择拉曼偏移光；以及检测装置，用于测量类胡萝卜素的特征频率处的拉曼偏移光的强度。
发明内容
β淀粉状蛋白与阿尔茨海默病或年龄相关性黄斑变性的病状有关，因此可以非侵害性地检测积累在生物体组织中的β淀粉状蛋白的技术被认为对这些疾病的早期检测和治疗是有用的。相应地，期望提供一种可以非侵害性地检测生物体组织中的物质的技术。本发明人发现，通过使用拉曼光谱法获得表示光谱数据、对应于生物体组织中存在的物质的光谱，以及之后使用预定方法处理光谱数据，可以准确检测生物体组织中的β 淀粉状蛋白。基于此发现，本发明的一个实施方式提供了一种光谱数据分析装置，其计算对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱的C-H谱带与酰胺I谱带的光谱强度比率，并且基于所计算的比率，自动判定物质中有无β淀粉状蛋白。在根据本发明的实施方式的光谱数据分析装置中，光谱强度比率是拉曼光谱中波数1463CHT1与1658CHT1处的光谱强度的比率。 在根据本发明的实施方式的光谱数据分析装置中，该比率可由通过曲线拟合从拉曼光谱分解成的多个波形分量而计算出。本发明的另一实施方式提供了一种光谱数据分析装置，其通过曲线拟合将对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱的酰胺I谱带分解为多个波形分量，并计算(i)在 1635cm—1到1700cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度与(ii)在1635cm—1到 1655CHT1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度的比率，并且基于所计算的比率，自动判定物质中有无β淀粉状蛋白。本发明的又一实施方式提供了一种生物物质检测系统，包括测量装置，用于获得对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱；以及本发明实施方式的光谱数据分析装置。通过该装置，可以基于所计算的比率、以提高的精度，非侵害性地检测生物体组织中存在的β淀粉状蛋白。本发明的又一实施方式提供了一种生物物质检测方法，包括计算对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱的C-H谱带和酰胺I谱带的光谱强度比率；并且基于所计算的比率，判定物质中有无β淀粉状蛋白。本发明的又一实施方式提供了一种生物物质检测方法，包括通过曲线拟合将对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱的酰胺I谱带分解为多个波形分量，并计算(i) 在1635cm—1到1700cm-1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度与(ii)在1635cm—1 到1655CHT1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度之间的比率，并且基于所计算的比率，自动判定物质中有无β淀粉状蛋白。此处使用的“生物体组织”包括视网膜和大脑组织，以及来自神经、血管、皮肤、胃、 小肠、肾以及体液的各种其他组织。
根据本发明的实施方式，提供了一种可非侵害性地检测生物体组织中的物质的技术。
图IA和图IB是说明从包含β淀粉状蛋白的生物体组织(图1Α)和不包含β淀粉状蛋白的生物体组织(图1Β)获得的拉曼光谱的实例的图形表示。图2是说明从包含β淀粉状蛋白的生物体组织获得的拉曼光谱波形分量的实例的图形表示。图3是说明从不包含β淀粉状蛋白的生物体组织获得的拉曼光谱波形分量的实例的图形表示。图4是表示从测试例1获得的拉曼光谱的光谱图。图5是表示通过分解受试眼睛的拉曼光谱的酰胺I振动谱带所获得的波形分量的光谱图。图6是表示通过分解对照眼睛的拉曼光谱的酰胺I振动谱带所获得的波形分量的光谱图。图7是受试眼睛的拉曼光谱图像。图8是表示受试眼睛的拉曼光谱图像的各区域中的1463(^-71658(^-1比率的矩阵。图9是对照眼睛的拉曼光谱图像。图10是表示对照眼睛的拉曼光谱图像的各区域中的1463(^71658(^-1比率的矩阵。
具体实施例方式下面将描述本发明的实施方式。应注意，下述的实施方式是本发明的典型实施方式的实例，并且不应该被理解为限制本发明的范围。将按以下顺序描述。1.光谱数据分析装置和生物物质检测系统(1)第一实施方式(2)第二实施方式2.生物物质检测方法1.光谱数据分析装置和生物物质检测系统(1)第一实施方式根据本发明相关的第一实施方式的生物物质检测系统被配置为包括测量装置， 获得对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱；以及光谱数据分析装置，通过曲线拟合将所获得的拉曼光谱的酰胺I谱带(振动谱带)分解为多个波形分量，并计算(i)在 1635cm—1到1700cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度与(ii)在1635cm—1到 1655CHT1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度的比率，并基于所计算的比率，自动判定物质中有无β淀粉状蛋白。更具体地，根据本实施方式的光谱数据分析装置计算在1635CHT1到1655CHT1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度相对于在1635CHT1到1700CHT1波数范围内具有峰
5波数的波形分量的光谱强度的比率，并且如果所计算的比率等于或大于预定值，则判定和输出物质包含有β淀粉状蛋白。生物物质检测系统可由以下装置构成配备有以下程序的光谱数据分析装置，该程序使得例如包括用户界面(例如显示器、鼠标和键盘)、中央处理单元(CPU)、内存和存储单元(硬盘)的普通计算机执行以下程序；以及已知的拉曼光谱成像装置(测量装置)。拉曼光谱成像装置被配置为例如包括光源；照射系统，将从光源发出的光引导并照射到生物体组织上；检测系统，从响应于照射光而从生物体组织中的物质生成的散射光中选择并检测拉曼偏移光。照射系统和检测系统例如由会聚透镜、光纤、分色镜、带通滤波器以及PMT (光电倍增管)构成。光谱数据分析装置的CPU、内存和硬盘通过存储在硬盘中的程序而工作，以执行以下步骤。首先，通过曲线拟合算法处理从拉曼光谱成像装置输出的拉曼光谱数据，把拉曼光谱的酰胺I振动谱带(1600cm-1至1700cm-1)分解为多个波形分量。分解的多个波形分量潜在地包括在1635CHT1到1700CHT1波数范围内具有峰波数的多个波形分量，以及在 1635cm—1到1655cm—1波数范围内具有峰波数的两个波形分量。然后，执行计算以得到在1635cm—1到HOOcnT1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度，以及在1635到1655CHT1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度。如在此所使用的，“光谱强度”指的是峰强度或峰面积。更具体地，执行计算以得到在1635CHT1到HOOcnT1波数范围内具有峰波数的多个波形分量的光谱强度的总和，以及在1635cm—1到1655cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度的总和。更具体地，进行计算以获得在1635cm—1到1645cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量(I)、在1645cm—1到1655cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量 (II)、在1655cm—1到1667. 5cm"1波数范围内具有峰波数的波形分量(III)、在1667. 5cm"1到 1677. 5cm-1波数范围内具有峰波数的波形分量(IV)、以及在1677. ScnT1到HOOcnT1波数范围内具有峰波数的波形分量(V)的光谱强度的总和。然后，所计算的光谱强度用于得到在1635cm—1到1655cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度相对于在1635cm—1到1700cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度的比率。更具体地，计算波形分量(I)和(II)的光谱强度的总和相对于波形分量 (I)到(V)的光谱强度的总和的比率((1) + (11)/⑴+ (II) + (III) + (IV) + (V))。最后，如果所计算的比率等于或大于预定值，则判定生物体组织中存在的物质包含有β淀粉状蛋白，并且通过显示器将结果输出并呈现给用户。输出的结果可以表示为， 例如，所计算的比率的实际数值、与数值是否等于或大于或小于预定值相关的信息、或与有无β淀粉状蛋白相关的信息。(2)第二实施方式根据本发明的第二实施方式的生物物质检测系统被配置为包括测量装置，获取对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱；光谱数据分析装置，计算对应于生物体组织中的物质的拉曼光谱中C-H谱带和酰胺I谱带的光谱强度比率；并基于所计算的比率，自动判定物质有无β淀粉状蛋白。更具体地，根据本实施方式的光谱数据分析装置计算拉曼光谱中的波数1463CHT1处的光谱强度相对于波数1658CHT1处的光谱强度的比率，如果所计算的比率低于预定值，则判定和输出物质包含有β淀粉状蛋白。根据本实施方式的生物物质检测系统的测量装置与第一实施方式中所描述的相同。光谱数据分析装置的CPU、内存和硬盘通过存储在硬盘中的程序工作，以执行下述步骤。首先，从拉曼光谱成像装置输出的拉曼光谱数据中提取C-H谱带光谱强度和酰胺 I谱带光谱强度。图IA和图IB表示拉曼光谱数据的实例。图IA表示从包含β淀粉状蛋白的生物体组织中获得的拉曼光谱；图IB表示从不包含β淀粉状蛋白的生物体组织中获得的拉曼光谱。C-H谱带光谱强度和酰胺I谱带光谱强度可通过提取代表值而获得的，具体地说， 代表值分别为，波数1658CHT1处的光谱强度以及波数1463cm—1处的光谱强度。拉曼光谱可通过曲线拟合而分解为多个波形分量，从而提取峰波数在波数1658CHT1和1463CHT1处的波形分量的光谱强度。图2和图3表示通过曲线拟合而分离的波形分量的实例。图2表示从包含β淀粉状蛋白的生物体组织中获得的拉曼光谱的波形分量的实例；图3表示从不包含 β淀粉状蛋白的生物体组织中获得的拉曼光谱的波形分量的实例。然后，所计算的光谱强度用于计算波数1463cm—1处的光谱强度相对于波数 1658cm"1处的光谱强度的比率(1463(^71658(^1)。如果所计算的比率小于预定值，则判定生物体组织中存在的物质包含β淀粉状蛋白，并通过例如显示器将结果输出和呈现给用户。所输出的结果可表示为，例如，所计算的比率的实际数值、与数值是否小于或等于或大于预定值有关的信息、或者与有无β淀粉状蛋白有关的信息。通过根据本发明的生物物质检测系统，基于所计算的比率，可以非侵害性并且准确地检测生物体组织中存在的β淀粉状蛋白。2.生物物质检测方法根据本发明的生物物质检测方法包括相应于由生物物质检测系统执行的步骤的程序。具体地说，生物物质检测方法包括计算对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱中C-H谱带和酰胺I谱带的光谱强度比率，或者通过曲线拟合将拉曼光谱的酰胺I谱带分解为多个波形分量，并计算(i)在1635cm—1到1700cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度与(ii)在1635cm—1到1655cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度的比率，并基于所计算的比率，自动判定物质中有无β淀粉状蛋白。生物物质检测方法可进一步包括获得对应于在生物体组织中非目标区域中存在的物质的拉曼光谱，以作为背景数据。通过从生物体组织的目标区域获得的光谱数据中，减去从非目标区域获得的光谱数据(背景数据)，可以提高比率计算的精度，并且可以更准确地判定有无β淀粉状蛋白。波形分量的光谱强度可以作为各个波形分量中的峰波数处的峰强度、或者作为峰波数谱带的峰面积而计算出。当拉曼光谱成像装置具有高分辨率时，峰波数处的峰强度或者峰波数谱带的峰面积被视为等价。实施例<测试例1 视网膜黄斑区β淀粉状蛋白的检测1>1.拉曼光谱的获得根据下述方法获得对应于眼底存在的物质的拉曼光谱。
(1)装置激光拉曼光谱显微镜(inVia，Renishaw)(2)测量条件激光波长532nm ；激光强度50mW，光谱获得波数范围ΙδΟΟαιΓ1到 1800cm-1(3)测量样本在显微镜下，将超细玻璃移液管插到ICR小鼠(8周，雄性)或 C57B6J小鼠(8周，雄性)的眼球中，并将β淀粉状蛋白溶液注射到视网膜紧接的下方。β 淀粉状蛋白溶液通过在磷酸盐缓冲液(ΡΗ7. 4)中以100 μ M的最终浓度溶解人体1-40 β淀粉状蛋白肽(P印tide Institute, Inc.)或人体1-42 β淀粉状蛋白肽(GL Lab)而制备， 并在37°C下振荡至少3天后使用。β淀粉状蛋白肽作为聚集体分散在β淀粉状蛋白溶液中。小鼠在2小时到1天之后被实施安乐死，并且移除眼球用作测量样本。图4表示所得的拉曼光谱。在图中，垂直和水平轴分别表示光谱强度和拉曼偏移。 符号(A)表示从注射了 β淀粉状蛋白溶液的受试眼睛获得的光谱，而符号(B)表示从没有注射β淀粉状蛋白溶液的对照眼睛获得的光谱。2.曲线拟合通过曲线拟合，将拉曼光谱的酰胺I振动谱带(1600cm-1至1700cm—1)分解为多个波形分量。通过使用可商购的软件执行曲线拟合。图5表示通过分解受试眼睛的拉曼光谱的酰胺I振动谱带所获得的波形分量。图6表示通过分解对照眼睛的拉曼光谱的酰胺I振动谱带所获得的波形分量。与对照眼睛不同，受试眼睛种所分解的波形分量有多个。3.判定有无β淀粉状蛋白根据峰波数的波数范围，分解的波形分量都被分为5个波形分量(I)到(V)，并且提取各个波形分量中的峰波数光谱强度。波数范围(I):1635cm"1 到 1645CHT1，波形分量(I)波数范围(II):1645cm—1 到 1655cm—1，波形分量(II)波数范围(III):1655cm—1 到 1667. 5cm—1，波形分量(III)波数范围(IV):1667. 5cm"1 到 1677. 5cm—1，波形分量(IV)波数范围(V):1677. 5cm—1 到 1700cm—1，波形分量(V)然后，为受试眼睛和对照眼睛，计算波形分量(I)和(II)的光谱强度总和相对于波形分量(I)到(V)的光谱强度总和的比率。受试眼睛和对照眼睛的十个样本的平均值如下表1所表示。表权利要求
1.一种光谱数据分析装置，计算对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱的C-H谱带与酰胺I谱带的光谱强度比率；以及基于所计算的比率，自动判定所述物质中有无β淀粉状蛋白。
2.根据权利要求1所述的光谱数据分析装置，其中，所述光谱强度比率是所述拉曼光谱中波数1463cm—1与1658CHT1处的光谱强度的比率。
3.根据权利要求2所述的光谱数据分析装置，其中，所述比率是通过曲线拟合将所述拉曼光谱分解为多个波形分量而计算出的。
4.一种光谱数据分析装置，通过曲线拟合将对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱的酰胺I谱带分解为多个波形分量，并计算(i)在1635cm—1到1700cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度与(ii)在1635CHT1到1655CHT1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度的比率； 以及基于所计算的比率，自动判定所述物质中有无β淀粉状蛋白。
5.一种生物物质检测系统，包括测量装置，获得对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱；以及根据权利要求4所述的光谱数据分析装置。
6.一种生物物质检测系统，包括测量装置，获得对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱；以及根据权利要求3所述的光谱数据分析装置。
7.一种生物物质检测方法，包括计算对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱中C-H谱带与酰胺I谱带的光谱强度比率；以及基于所计算的比率，自动判定所述物质中有无β淀粉状蛋白。
8.一种生物物质检测方法，包括通过曲线拟合将对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱的酰胺I谱带分解为多个波形分量，并计算(i)在1635cm—1到1700cm—1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度与(ii)在1635CHT1到1655CHT1波数范围内具有峰波数的波形分量的光谱强度的比率； 以及基于所计算的比率，自动判定所述物质中有无β淀粉状蛋白。
全文摘要
本发明提供了光谱数据分析装置、生物物质检测系统和方法。该光谱数据分析装置计算对应于生物体组织中存在的物质的拉曼光谱的C-H谱带与酰胺I谱带的光谱强度比率；以及基于所计算的比率，自动判定物质中有无β淀粉状蛋白。
文档编号G01N21/65GK102313728SQ201110173729
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月24日 优先权日2010年7月2日
发明者安田章夫, 岸本拓哉, 松居惠理子, 玉田作哉 申请人:索尼公司