非侵入性尿液傅里叶变换红外光谱技术在糖尿病肾病的早期诊断和监测中的应用

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Non-invasive urinary FTIR spectroscopy for early diagnosis and monitoring of diabetic nephropathy

　　

Jinfeng Ding|Zhengyi Fang|Lin Feng|Xinjie Li|Jiawen Shi|Xuxiang Zhou|Ping Huang|Hancheng Lin

江苏医学院公共卫生与管理学院，中国盐城224005

摘要

糖尿病肾病（DN）是糖尿病（DM）的一种进行性且危及生命的并发症。然而，开发敏感且特异的非侵入性诊断方法仍然是一个重要的临床挑战。在这项研究中，我们使用衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱技术，在7周、12周和21周的2型糖尿病db/db小鼠模型中分析了肾脏和尿液中的生物化学和代谢变化。光谱分析显示，肾脏和尿液样本中与蛋白质、脂质和碳水化合物成分相关的振动带出现了明显的时间依赖性紊乱。主成分分析（PCA）有效地区分了糖尿病小鼠和对照组，捕捉到了与DN进展相关的光谱变化。基于这些区分特征，我们建立了两个独立的机器学习框架，用于肾脏和尿液数据的时间分组，并评估尿液光谱特征是否能够无创地反映肾脏病理。在所有评估的分类器中，偏最小二乘判别分析（PLS-DA）在各个时间点的分类准确性最高，肾脏光谱的准确率为97.50%，尿液光谱的准确率为92.50%。为了定量评估肾脏损伤，我们使用肾脏光谱开发了一个偏最小二乘回归（PLSR）模型来预测苏木精和伊红（H&E）评分。此外，尿液FTIR光谱也被用来预测肾脏H&E评分，观察到了预测值和参考值之间的强线性相关性（R²_CV = 0.846），表明尿液光谱特征与这种模型中的肾脏病理变化有显著关联。总体而言，这些发现支持尿液FTIR谱分析作为一种快速、经济且非侵入性的方法，可以补充传统的基于组织的DN评估方法，从而实现疾病的早期检测和纵向监测。未来的研究应评估该技术在独立队列中的临床有效性和转化应用潜力。

引言

糖尿病（DM）是一种全身性代谢紊乱，其特征是由于胰岛素功能异常或分泌减少导致的持续高血糖。世界卫生组织估计，到2025年，全球约有3亿人将受到DM的影响[1]，[2]。糖尿病肾病（DN）是DM的主要且危及生命的并发症，主要影响肾脏[3]。大约40%的DM患者由于慢性高血糖引起的血管和肾小球损伤而发展为DN[4]。DN是慢性肾病的主要原因，也是终末期肾衰竭和死亡的主要因素[5]。然而，早期肾脏损伤往往发生得悄无声息，使得DN的早期诊断特别具有挑战性[6]，[7]。目前，DN的确诊依赖于侵入性的肾脏活检和常规生化检测，这些方法不适合常规筛查或早期疾病检测。

傅里叶变换红外（FTIR）光谱是一种强大的分析技术，能够无标记、无损地高通量地表征生物组织和体液中的功能基团、键合类型和分子构象[8]。最近的研究证明了FTIR光谱在检测疾病相关生物化学变化方面的高灵敏度和特异性[8]，[9]。尽管取得了这些进展，但对尿液FTIR光谱的全面评估，以区分与DM相关的特征性光谱指纹并实现高度准确的诊断仍然有限。

在这项研究中，我们系统地整合了不同时间点（7周、12周和21周）2型糖尿病小鼠模型的肾脏匀浆液和尿液的FTIR光谱分析。鉴于光谱数据集的复杂性，我们采用了监督机器学习来区分健康状态和糖尿病状态，并根据肾脏和尿液的光谱特征区分不同时间组[9]，[10]。分类模型用于分类组别的区分，而偏最小二乘回归（PLSR）用于从FTIR光谱特征预测H&E评分的肾脏损伤程度。这种分析区分方法使得时间分类和肾脏病理损伤的定量评估可以分别进行。此外，我们还研究了尿液FTIR光谱特征是否能够预测H&E评分的肾脏损伤程度，旨在实现肾脏病理的无创评估。总体而言，我们的综合策略表明，结合机器学习和PLSR分析的肾脏和尿液FTIR谱分析可能提供一种快速、非侵入性的方法来评估DN中的肾脏损伤，显示出其在未来转化应用中的潜力。

章节摘录

实验动物

本研究中的所有动物实验均按照复旦大学上海医学院动物护理和使用委员会审查并批准的方案进行（批准编号FE24152R）。实验所用小鼠为C57BLKS/JGpt-Leprem2Cd479/Gpt（db/db）雄性小鼠，这是一种广泛认可的2型糖尿病研究模型，同时使用了来自GemPharmatech有限公司（南京，中国）的年龄匹配的野生型（WT）小鼠作为对照。

在整个实验过程中，动物被饲养在

糖尿病小鼠和对照小鼠的系统和肾脏特征

首先评估了糖尿病小鼠和健康小鼠的系统和肾脏特征。如图S1A和B所示，与对照组相比，糖尿病小鼠的体重显著增加，血糖水平也升高。此外，糖尿病小鼠在7周和12周时的体重增加，且随着年龄的增长，血糖水平持续升高。组织病理学检查在临床实践中广泛用于评估与DN相关的肾脏损伤。

结论

本研究表明，尿液FTIR光谱结合PLS回归建模提供了一种简单、快速且非侵入性的方法，用于评估和监测糖尿病进展过程中db/db小鼠的肾脏损伤。FTIR光谱分析显示，随着糖尿病的发展，肾脏组织和尿液中的蛋白质、脂质和碳水化合物的生物化学特征发生了显著变化。肾脏和尿液光谱数据的PCA揭示了组间趋势，但

作者贡献

Jinfeng Ding构思并设计了这项研究，开发了方法论，进行了数据分析，并起草了手稿；Ping Huang和Hancheng Lin作为通讯作者提供了总体监督并对手稿进行了严格修订；Zhengyi Fang和Lin Feng参与了实验执行，并提供了技术支持和材料支持；Xinjie Li对研究设计提出了建设性的讨论和宝贵反馈；Jiawen Shi和Xuxiang Zhou也做出了贡献

致谢和资助

本工作得到了国家自然科学基金的资助[资助编号：82430060, 82202076]。

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。