一种用于狼疮性肾炎尿液 FTIR 分类及亚型鉴别的轻量级双表征交叉注意力框架

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A lightweight dual-representation cross-attention framework for urinary FTIR classification of lupus nephritis and subtype discrimination

　　

摘要
背景
狼疮性肾炎（LN）亚型分层对于治疗和预后具有重要意义，但依赖侵入性肾活检，限制了反复评估。尿液傅里叶变换红外（FTIR）光谱提供了一种无标记、可重复的替代方案，但在临床上重要亚型的可解释性判别方面仍显不足，尤其是单纯增生型LN（PLN）和混合型LN。因此，我们开发了一种紧凑、数据高效且具有可解释性的尿液FTIR模型，用于LN筛查以及PLN与混合型LN的分层。
结果
收集了晨尿光谱（500–4000 cm?1），并将其表示为同步的原始信号和预处理信号。开发了一种轻量级的光谱交互注意力Transformer（SIA-Former），用于编码分块光谱信息，并通过双向交叉注意力融合两种表示。在重复分层评估下，该模型在LN与健康对照的判别中达到ROC-AUC 0.988 ± 0.013（129例LN，113例对照），在PLN与混合型LN的判别中准确率为86.0 ± 5.1%，AUC为0.875 ± 0.079（61例vs 48例）。在所采用的相同协议下，该方法优于传统化学计量学模型和若干深度学习基线方法。互补的可解释性分析，包括Welch t检验（FDR校正）、DeepSHAP和光谱频段掩蔽，一致表明1500–1700 cm?1和3300–3500 cm?1区域是亚型判别的主要贡献区域。
意义
结果表明，尿液FTIR光谱的双表示融合可以改善小队列LN分析中的分类和可解释性。所提出的框架为尿液光谱测量和模式分析提供了一种紧凑策略，在非侵入性LN筛查和亚型相关评估中具有潜在价值。

引言
系统性红斑狼疮（SLE）是一种多系统自身免疫性疾病，其中最常见且严重的器官表现之一是狼疮性肾炎（LN），它是长期肾脏预后和生活质量的主要决定因素[1], [2]。LN在高达50%的成年SLE患者中发生，且多达30%的患者可能在20年内进展为终末期肾病[3], [4]。肾脏受累的负担在亚太地区尤为突出，在某些队列中其患病率可能高达约65%，强调了快速诊断和早期风险分层的必要性[5], [6]。

在临床研究和治疗分层中，伴有增生性病变的狼疮性肾炎（LN）通常定义为III/IV期疾病，可伴有膜性成分，包括单纯增生型LN（PLN；III/IV期）和混合型增生-膜性LN（混合型LN；III/IV + V期）[7]。根据既往综述中总结的病理证据，增生型LN代表主要的组织学模式，其中III期约占活检确诊病例的20%–35%，IV期占30%–60%。此外，V期膜性病变可与III/IV期病变共存，从而构成混合型增生-膜性LN[8]。尽管PLN和混合型LN在某些临床病理特征上可能重叠，但两者在临床表现、治疗反应和长期肾脏预后方面可能存在差异[9], [10], [11], [12], [13]。PLN主要以内皮下免疫复合物沉积和增生性毛细血管壁损伤为特征，而混合型LN还涉及上皮下沉积和足细胞损伤，与并发炎症和膜性机制一致[9]。临床上，混合型LN和PLN可能表现出相似的eGFR和蛋白尿水平，但混合型LN更常表现出膜性相关特征，如低血清白蛋白。相比之下，PLN往往表现出更强的免疫炎症活动（如抗dsDNA升高、C3降低、系统活动度升高）以及更高的活动性病变或活动指数负担[10]。这些差异支持亚型感知的评估，其目标不仅是确认LN，还要识别直接影响治疗强度和监测重点的增生成分。

然而，关于混合型LN与PLN在比较治疗反应和长期预后方面的证据仍存在异质性。虽然一些研究表明两者反应和总体预后大致相似，但另一些研究则指出慢性化相关指标和长期预后可能在两者之间存在差异[11], [12]。当前诱导治疗通常基于糖皮质激素联合霉酚酸酯；然而，鉴于膜性成分的存在，混合型LN在常规实践中可能需要更强的抗蛋白尿管理和更密切的个体化监测[13]。综合而言，这些观察结果论证了需要针对病理亚型敏感的风险分层和纵向评估，而不是将LN视为单一严重程度连续谱。因此，区分这两种亚型具有明确的临床意义，也是本研究采用分类框架的关键依据之一。区分单纯增生型LN（PLN）与混合型LN具有临床意义，因为这两种实体反映了不同的主要损伤模式。

实施此类策略的一个主要挑战在于LN病理的动态性。随着疾病进展或复发，组织学分期可能发生变化，活动性和慢性病变之间的平衡也可能随时间改变[14]。已有研究表明，重复肾活检可在相当比例的患者中改变治疗决策，凸显了动态疾病监测的临床价值。然而，重复活检具有侵入性，且受出血风险以及肾功能损害或凝血异常等患者相关因素的限制[15], [16]。因此，频繁重新评估在常规临床护理中往往不切实际，病理演变可能仅在临床上明显延迟后才被识别，从而延误治疗调整并 adversely 影响长期预后[17]。在此背景下，迫切需要非侵入性辅助工具来支持LN评估和纵向监测，为筛查、风险分层和动态随访提供具有临床价值的信息。

傅里叶变换红外（FTIR）振动光谱是无标记、非破坏性的，样本采集便捷且具有良好的重复性，能够提供分子组成的全维度读数[18], [19]。在尿液中，FTIR捕获来自蛋白质、脂质、核酸和碳水化合物的复合分子指纹，从而为LN随访期间的非侵入性分层和病理演变早期提示提供了一条可行途径[20], [21]。既往研究支持了振动光谱在LN相关评估中的可行性，包括区分健康对照、无肾炎的SLE和活动性LN的尿液SERS平台[22]，以及基于分类器的模型（如SVM）利用尿液光谱（SERS/FTIR），通过特征融合/选择提升性能[23]。结合光谱和代谢信息的多模态或多组学框架已被探索用于SLE/LN的判别和活动度预测[24], [25], [26]；基于化学计量学的血清ATR-FTIR被提议用于动态监测，利用与血清肌酐（Scr）和尿蛋白-肌酐比（UPCR）相关的光谱指数[27]；初步的尿液核磁共振研究表明病理亚型之间存在代谢差异，同时强调活检不适用于实时监测[28]。

同时，尿液ATR-FTIR光谱在信息表示方式上存在固有的权衡。原始光谱保留了绝对强度和广泛的组成结构，可能承载生物学相关的信号，但它同时受到样本基质、基线/斜率变化、样本异质性和散射相关伪影的影响。预处理可以抑制这些干扰效应并提高重复性、再现性和下游分类的稳定性，然而没有一种方案对生物流体ATR-FTIR具有普遍最优性，且某些处理可能在提高其他数据质量方面的同时牺牲有用的光谱细节[29], [30]。对于尿液光谱而言，由于亚型相关的变化可能较为微妙，同一次测量的这两种视角可能保留了不同但互补的潜在信号特征。这种互补性为在一个框架内同时使用原始和预处理光谱提供了依据。

尽管取得了这些进展，临床转化仍然有限。许多研究侧重于粗略判别（对照 vs SLE/LN）或与活动度的关联，而决策中关键的亚型层次问题——特别是识别增生成分和区分PLN与混合型LN——则较少得到一致关注。此外，某些整合策略增加了数据规模、采集成本和计算复杂度的需求，而所学习光谱特征机理层面的可解释性往往有限。这些差距促使我们开发一种轻量级、数据高效且具有可解释性的方法，能够利用尿液FTIR光谱中嵌入的互补信息，同时实现筛查和细粒度亚型判别。

据此，本研究旨在：(i) 开发一种双表示学习框架，通过双向交叉注意力整合原始和预处理尿液FTIR光谱，以提高小队列中的鲁棒性；(ii) 在具有临床相关的筛查-亚型判别设置中（LN vs 健康对照，以及PLN vs 混合型LN）评估其效用，采用统一评估协议；(iii) 通过互补的可解释性分析，将模型识别的区域与生物化学合理性相联系，提供可检验的光谱证据。

研究片段
研究对象与样本采集
共从北京大学第一医院经活检确诊的狼疮性肾炎（LN）患者收集129份晨尿中段尿样本，采集时间为肾活检当天。所有患者均符合1997年修订的美国风湿病学会（ACR）系统性红斑狼疮（SLE）分类标准并签署书面知情同意书[31]。尿液样本在2000 rpm（4°C，20分钟）离心；上清液随后分装并于?80°C储存直至分析。

方法
我们提出SIA-Former，一种轻量级的双向交叉注意力架构（约0.03 M可训练参数），用于尿液FTIR光谱的双表示学习。该模型以预处理光谱????????及其对应的原始光谱????????作为两个同步输入（图2），联合利用预处理中的标准化模式和原始测量中保留的微妙强度变化。SIA-Former由四个组件组成：输入嵌入、光谱

结果
我们在分层设置下评估了SIA-Former：(i) 筛查狼疮性肾炎（LN）与健康对照（HC），以及(ii) 在活检确诊的LN队列中区分单纯增生型LN（PLN）与混合型增生-膜性LN（混合型LN）。

讨论与结论
本研究结果支持尿液ATR-FTIR作为临床上相关的两步工作流的有前景的非侵入性工具，包括LN筛查和亚型判别。SIA-Former在两项任务中均表现出强劲的性能，尤其在LN与健康对照的判别方面，同时在更具挑战性的PLN与混合型LN判别中也保持了有竞争力的准确率。由于亚型分类涉及更微妙的光谱差异和更大的病理重叠，结果提示作者

作者贡献
Ran Bingqian：形式分析、调查研究、方法学、原创草稿撰写、可视化。
Sun Xiaojing：数据整理、资源、调查研究、方法学、原创草稿撰写。
Mei Ting：形式分析、项目管理、审稿与编辑。
Wu Guohua：资金获取、验证、监督、审稿与编辑。
Tan Ying：资源、监督、审稿与编辑。

资助
本研究由国家自然科学基金（NSFC；批准号62475020）和北京大学第一医院院级教学项目（批准号2025YJ28）资助。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢北京大学第一医院为本研究提供尿液样本。我们还感谢北京邮电大学允许使用实验室设施和设备以促进数据测量和分析。

Ran Bingqian | Sun Xiaojing | Mei Ting | Wu Guohua | Tan Ying
北京邮电大学数学科学学院，北京 100876，中国