利用红外光谱技术重新改造Schirmer试纸用于泪液生物标志物分析

《The Ocular Surface》：Repurposing Schirmer Strips for Tear Biomarker Profiling Using Infrared Spectroscopy

干眼病（DED）亚型鉴别中，基于Schirmer strips的ATR-FTIR光谱分析可高效捕获泪膜蛋白指纹特征，显著区分SS相关与非SS型（AUC=0.963），光谱差异与泪膜稳定性参数强相关，为无标记分子诊断提供新方法。

　　这项研究提出了一种基于近红外反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱技术的创新方法，用于直接分析Schirmer试纸上的泪液生物标志物。这一方法旨在开发一种无需标记的、快速且经济的泪液分子指纹分析平台，从而实现对干眼症（Dry Eye Disease, DED）亚型的准确区分。研究团队通过整合现有Schirmer I试验流程，探索了将ATR-FTIR光谱技术应用于临床诊断的可能性，为实现基于泪液的精准医学提供了新的思路。

泪液作为生物标志物研究的重要来源，因其独特的组织特异性，被认为是一种理想的生物流体。它不仅包含丰富的蛋白质和小分子代谢物，还能够反映眼部表面的微环境变化。近年来，基于蛋白质组学的研究揭示了泪液生物标志物与多种眼病之间的紧密联系，包括感染性疾病、自身免疫性疾病、青光眼和糖尿病视网膜病变等。此外，新兴的证据表明，血液中的某些成分也可以通过泪液检测，从而实现对系统性疾病的无创诊断与监测，如阿尔茨海默病和多种癌症。这些发现凸显了泪液在医学研究和临床实践中的重要价值。

然而，泪液生物标志物的临床应用仍面临诸多挑战。传统的收集方法，如微毛细管采集，虽然能够直接获取泪液，但操作复杂且需要患者的密切配合。相比之下，Schirmer试纸因其简便性和广泛使用性，成为评估泪液分泌的常用工具。它通过被动吸收泪液的方式，在水合的纤维素基质上形成一个可检测的区域。尽管如此，Schirmer试纸本身的存在可能会对光谱分析造成干扰，因为其内部的氢键作用会影响泪液成分的提取与检测。因此，如何在不破坏试纸结构的前提下，准确提取并分析泪液中的生物标志物，成为研究的关键。

ATR-FTIR光谱技术是一种非侵入性、无需标记的分析方法，能够通过红外辐射的吸收特性，捕捉分子的功能团振动信息。这种技术在中红外波段（4000-400 cm?1）内，可以有效检测蛋白质、脂质和碳水化合物等生物分子的特征吸收峰。其优势在于无需复杂的样品前处理，具有高重现性和优异的信噪比，特别适合用于现场和临床环境中的快速分析。在本研究中，研究人员利用ATR-FTIR技术直接对Schirmer试纸上的泪液进行分析，探索其在生物标志物检测中的潜力。

研究采用了三种主要方法：首先，通过Schirmer试纸收集来自接受常规眼科检查的个体和患有干眼症患者的泪液样本，其中包括以泪液缺乏为主的干眼症亚型，以及合并原发性干燥综合征（Primary Sj?gren’s Syndrome, pSS）的患者。其次，使用ATR-FTIR光谱技术对试纸上的湿润区域进行分析，提取其分子指纹信息。第三，通过逐步线性回归模型，将单个蛋白质的光谱贡献与模拟泪液光谱进行关联，从而评估不同蛋白质在泪液成分中的作用。此外，研究还采用欧几里得距离和斯皮尔曼相关系数，对光谱差异与生物标志物浓度及临床参数之间的关系进行量化分析。最后，应用稀疏偏最小二乘判别分析（sparse partial least squares discriminant analysis, sPLS-DA）对不同亚型的干眼症进行分类。

研究结果表明，ATR-FTIR光谱在800-1700 cm?1和约3000 cm?1的区域显示出显著的光谱特征。这些特征主要来源于蛋白质和碳水化合物的结构振动，如C-C和C-O的伸缩振动。通过对单个蛋白质的光谱贡献进行建模，研究人员发现，当使用完整的蛋白质混合模型时，能够获得最佳的模拟泪液光谱拟合效果。这说明不同蛋白质在泪液中的作用是相互关联且具有累积效应的，其光谱特征可以作为泪液成分变化的可靠指标。

进一步的分析显示，欧几里得距离能够有效捕捉生物标志物浓度的变化趋势，例如乳铁蛋白的浓度梯度。同时，光谱特征与泪膜破裂时间、脂质层厚度等临床参数之间的相关性更强，而与湿润长度的相关性较弱。这一发现表明，ATR-FTIR光谱技术不仅能够反映泪液成分的动态变化，还能提供更深入的病理信息，从而增强其在疾病诊断中的应用价值。此外，研究还指出，即使在提取后，光谱特征仍保持稳定，说明该技术在实际应用中具有较高的可靠性。

在分类方面，sPLS-DA模型表现出较高的准确度，其曲线下面积（AUC）达到0.963，表明该方法在区分以泪液缺乏为主的干眼症亚型方面具有显著的诊断优势。模型的主要驱动因素是与蛋白质相关的光谱特征，这进一步验证了蛋白质在泪液生物标志物中的重要性。研究还发现，某些特定的光谱区域对不同亚型的干眼症具有高度区分能力，这可能与特定蛋白质的表达水平或结构变化有关。

这些结果为开发基于泪液的精准医学平台提供了坚实的基础。通过整合现有的Schirmer I试验流程，研究人员能够在不改变临床操作的前提下，实现对泪液分子指纹的快速分析。这种技术不仅能够提高诊断的准确性和效率，还能降低实验成本和复杂性，特别是在需要快速筛查和即时检测的临床场景中。此外，由于ATR-FTIR技术的非侵入性和高灵敏度，它有望成为未来临床诊断和疾病监测的重要工具。

本研究的创新之处在于，它首次将ATR-FTIR光谱技术与Schirmer试纸相结合，探索了这一方法在泪液生物标志物分析中的应用。通过系统性的实验设计和数据分析，研究人员验证了该技术在区分干眼症亚型中的有效性，并揭示了其在临床参数相关性方面的潜力。这一研究不仅拓展了ATR-FTIR光谱技术的应用范围，也为精准医学在眼科领域的推广提供了新的思路。

此外，研究还强调了干眼症作为多因素疾病的特点，特别是以泪液缺乏为主的亚型，其临床表现与原发性干燥综合征相关者高度相似，导致诊断困难。传统的诊断方法往往无法准确区分这两种情况，而基于ATR-FTIR的光谱分析则提供了一种新的视角。通过捕捉泪液中的分子指纹，该方法能够揭示更深层次的病理信息，从而提高诊断的准确性。

研究的另一项重要贡献在于，它展示了如何利用现有的临床检测工具（如Schirmer试纸）进行创新改造，以适应更复杂的生物标志物分析需求。这种“再利用”策略不仅降低了技术门槛，还促进了新技术与传统方法的融合，为未来的临床研究和实践提供了新的方向。同时，研究还强调了在临床应用中，如何通过优化实验流程和数据分析方法，提高光谱技术的实用性和可推广性。

从更广泛的角度来看，这项研究的意义不仅限于眼科领域，还可能对系统性疾病的早期检测和监测产生影响。由于泪液中可以检测到血液中的某些成分，因此基于光谱分析的泪液检测方法可能成为一种非侵入性的疾病诊断工具。这一技术的应用有望提高对系统性疾病的识别能力，尤其是在无法进行侵入性检查的情况下，为患者提供更便捷和安全的诊断手段。

在研究方法上，团队采用了多阶段的实验设计，以确保研究结果的可靠性和有效性。首先，通过控制样本进行方法学验证，确保ATR-FTIR光谱技术在泪液分析中的适用性。其次，利用模拟泪液进行线性光谱分解，以确认不同蛋白质对光谱特征的贡献。这一过程不仅帮助研究人员理解泪液成分的光谱特征，还为后续的临床分析提供了理论依据。此外，通过将光谱数据与临床参数进行关联，研究团队进一步验证了该技术在临床诊断中的实用性。

在数据处理方面，研究人员采用了一系列先进的统计分析方法，以提高光谱数据的解释能力。逐步线性回归模型用于评估不同蛋白质对光谱特征的贡献，而斯皮尔曼相关系数则用于分析光谱差异与生物标志物浓度及临床参数之间的关系。这些方法不仅能够提高数据的准确性，还能帮助研究人员识别出最具诊断价值的光谱特征。sPLS-DA模型的应用则进一步增强了分类的准确性，使得该技术在实际临床中具有更高的应用潜力。

研究还指出，ATR-FTIR光谱技术在临床应用中存在一定的局限性，例如氢键作用对分析结果的影响。尽管如此，研究团队通过优化实验条件和数据分析方法，有效克服了这些挑战。例如，通过采用适当的提取和分析流程，确保泪液成分的完整性，同时通过统计模型的构建，提高光谱特征的解释能力。这些优化措施不仅提高了研究的科学性，也为未来的技术改进和临床应用提供了参考。

总的来说，这项研究为基于泪液的精准医学提供了新的技术路径。通过将ATR-FTIR光谱技术与Schirmer试纸相结合，研究人员开发了一种快速、经济、准确的泪液分析平台，能够在不改变现有临床流程的前提下，实现对干眼症亚型的精准区分。这一成果不仅有助于提高干眼症的诊断效率，还可能为其他眼科疾病和系统性疾病的早期检测和监测提供新的工具。未来的研究可以进一步探索该技术在其他疾病领域的应用潜力，并通过临床试验验证其在实际应用中的有效性。