NAGIOS: RODERIC FUNCIONANDO

Challenges in clinical analysis by infrared spectroscopy

Repositori DSpace/Manakin

Valencià Castellano

Inici
Investigació
e-prints
23 - Química
Visualitza element

IMPORTANT: Aquest repositori està en una versió antiga des del 3/12/2023. La nova instal.lació está en https://roderic.uv.es/

Challenges in clinical analysis by infrared spectroscopy

Mostra el registre parcial de l'element

dc.contributor.advisor	Garrigues Mateo, Salvador
dc.contributor.advisor	Guardia Cirugeda, Miguel de la
dc.contributor.author	Perez Guaita, David
dc.contributor.other	Facultat de Química	es_ES
dc.date.accessioned	2014-06-23T10:25:21Z
dc.date.available	2014-06-24T06:10:03Z
dc.date.issued	2014
dc.date.submitted	23-06-2014	es_ES
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/10550/36285
dc.description.abstract	In the last years, the development of IR-based methods in clinical analysis has become a very active field of research, driven by recent improvements in instrumentation and advanced data analysis strategies. In particular, IR spectroscopy has been applied to the clinical field in order to obtain information about the composition of biological fluids and tissues. This Thesis consolidates IR spectroscopy as a powerful technique for developing methodologies for extracting information about a large variety of clinical parameters in a wide range of samples. Although this technique suffers from selectivity and sensitivity, results obtained evidence that modern technologies concerning both, instrumentation and chemometrical treatment can be applied for correcting those drawbacks and improving the and improving the analytical features of the methods without renouncing to the benefits of the IR based methodologies. The main conclusions of the thesis are: i. IR analysis could extract high quality information of solid, liquid or gas samples, including renal stones, tissues, breath, sera or urine. ii. Regarding the analysis of clinical parameters on serum samples, it has been evidenced that the nature of the samples integrated on the calibration set is critical, and it is needed a wide collection of samples with different ranges of concentration of both, analyte and interferences for providing good predictions of samples from different origins. iii. The main bottleneck of the determination is the sensitivity. The errors obtained are related with the concentration of the target analyte. For protein parameters, triglycerides and cholesterol, IR based techniques are ready to compete with the reference analysis; in the case of lipoproteins, glucose, immunoglobulin and urea the technique is limited as a screening complementary tool and for analytes less concentrated than 10 mg dL-1 is impossible to perform any reliable prediction. iv. The endogenous sensitivity problem can be solved by introducing modern sample preprocessings and measurement techniques. A LOD around 1 ppm was measured for the determination of lidocaine in urine using ATR-FTIR measurements of DFs of organic extracts and a LOD of 32 ppb was calculated for the determination of isoprene in breath using a preconcentration column and an iHWG. v. ATR-FTIR measurements of DFs obtained from organic extracts is a straightforward approach for improving the selectivity and sensitivity of the clinical samples. This strategy improves the prediction of lipidic parameters in sera and this approach could be also used for establishing a cost-effective and fast back-up method for choosing the best protein precipitation conditions prior to liquid chromatography-mass spectrometry analysis. vi. Other chemometrical treatments are also useful to improve the quality of the information obtained from IR spectra of sera. Local models performed using LW-PLS could improve those obtained from PLS, and using LDA or PLS-DA could detect most of the samples which are located in the “healthy” range of clinical parameters. vii. Nowadays there is a wide range of chemometrical algorithms, such as PLS, LW-PLS, SBC, CLS or MCR-ALS which can be applied to the determination of analytes in clinical samples. If all sample components of the system are known, CLS provides a sufficiently accurate solution; the selection between PLS and SBC methods depends on whether it is easier to measure a calibration data set or a noise matrix; and MCR-ALS appears to be the most suitable method for detecting interferences within a sample. In addition, the contribution of atmospheric gases can be easily compensated using a straightforward method based on eluent subtraction algorithms for liquid chromatography-IR. viii. The aforementioned powerful algorithms could lead over-optimistic results as a result of the presence of chance correlations, especially when a variable selection process in involved. The use of a permutation test before the variable selection or including the variable selection process on the permutation can be used to provide statistical significance to the model when an external validation set is not available. ix. Transflection and transmission measurements of lymphoma tissues shows comparable IR hyperspectral images. In the fingerprint region there is no evidence of the EFSW, and the main differences are connected with fixation issues. x. There are significant differences between the spectra of chemosensitive and chemoresistant samples. Although results are promising, for obtaining a PLS-DA model for diagnosis purposes or connect the spectral differences with biological explanations a more detailed study with more samples is required.	en_US
dc.description.abstract	En els últims anys, el desenvolupament de metodologies d’anàlisi clínic basades en espectroscòpia infraroja (IR) s’ha convertit en un camp molt actiu d’investigació. Millores en la instrumentació i en el processament de les dades han contribuït a que l’espectroscòpia IR s’utilitze per a obtindré informació de la composició de fluids i teixits biològics. Aquesta tesis consolida aquesta tècnica com una eina versàtil en el desenvolupament de metodologies per a extraure una gran quantitat d’informació en un ampli espectre de mostres mitjançant instrumentació senzilla, ràpida i econòmica. Tot i que la tècnica té problemes de sensibilitat i selectivitat, els resultats obtinguts en aquesta Tesi demostren que les tecnologies modernes poden assolir aquestes limitacions. Nous avanços en la quimiometría, la mesura o en la preparació de mostres han estat utilitzats per a millorar les característiques analítiques dels mètodes sense renunciar als beneficis generals de les metodologies basades en IR. Dels resultats obtinguts en aquesta tesi es pot concloure que: - L’anàlisi IR pot extraure informació de qualitat de les mostres clíniques sòlides, líquides o gasoses, incloent càlculs renals, teixits, l’alè, l'orina o el sèrum. - Quant a l'anàlisi de paràmetres clínics en mostres de sèrum, s'ha evidenciat que la naturalesa de les mostres integrades en el conjunt de calibratge és crítica, i es necessita una àmplia col•lecció de mostres amb diferents gammes de concentració dels anàlits i interferències per a proporcionar bones prediccions de mostres obtingudes de diferents orígens. - El principal coll de botella de les determinacions de paràmetres de rutina en sèrum és la sensibilitat. Els errors disminueixen en augmentar la concentració dels anàlits d'interès. Per als paràmetres proteics, triglicèrids i colesterol, les tècniques basades en IR estan preparades per a competir amb l'anàlisi pels mètodes de referència; en el cas de les lipoproteïnes, la glucosa, la immunoglobulina i la urea, la tècnica està limitada com a eina complementària de cribratge i per als anàlits amb concentració inferior a 10mg/dl és impossible realitzar qualsevol model predictiu amb l’adequada fiabilitat. - El problema endogen de la sensibilitat es por resoldre mitjançant la introducció de noves tècniques de pre-processament de mostres i mesures espectrals. Combinant una eficaç microextracció i la tècnica DF-ATR es va proposar una metodologia per a la determinació de lidocaïna en orina amb un límit de detecció al voltant d'1 ppm, i un límit de detecció de 32 ppb es va obtenir per a la quantificació d’isoprè en l'alè utilitzant una columna de preconcentració i una guia d’ones integrada (iHWG, per les seues sigles en anglès). -La metodologia DF-ATR proposada és una eina simple i eficaç per a millorar la selectivitat i la sensibilitat de les mostres clíniques. Aquesta estratègia millora la predicció dels paràmetres lipídics en sèrum i a més a més pot utilitzar-se per a establir un mètode ràpid per a l'elecció de les millors condicions de precipitació de proteïnes prèvies a l’anàlisi per cromatografia líquida i espectrometria de masses. - Altres tractaments quimiomètrics poden millorar la qualitat de la informació obtinguda a partir dels espectres IR dels sèrums. Els models locals basats en LW-PLS milloren els resultats obtinguts per PLS i els models de classificació bastats en LDA poden detectar la majoria de les mostres que es troben en el rang de normalitat dels paràmetres clínics. - Avui en dia hi ha una àmplia gamma d'algoritmes quimiomètrics (com PLS, LW-PLS, SBC, CLS o MCR-ALS) que es poden aplicar a determinacions multiparamètriques en mostres clíniques. Si es coneixen tots els components de la mostra, CLS proporciona prediccions simples i precises, i l’elecció entre PLS i SBC depèn de què és més fàcil, si mesurar un conjunt d’espectres i dades de referència representatiu o una matriu de soroll. MCR-ALS sembla ser el mètode adequat per a l’obtenció d’informació de les interferències. A més, la contribució dels gasos atmosfèrics a l’espectre es pot compensar fàcilment mitjançant un mètode de substracció directa. - Els potents algoritmes esmentats anteriorment poden conduir a resultats excessivament optimistes, especialment quan hi ha involucrat un procés de selecció de variables. L'ús d'un test de permutació pot ser utilitzat per a avaluar la significació estadística del model quan no es pot emprar un conjunt de validació externa. - Les mesures dels teixits de limfoma per transmissió i transflexió mostren imatges hiperespectrals comparables. A la regió de l'empremta digital no hi ha evidència de EFSW i les principals diferències estan connectades amb problemes de fixació de la mostra al suport . - Per als teixits de limfoma, existeixen diferències significatives entre els espectres de les mostres sensibles a la quimioteràpia i les quimioresistentes. Encara que els resultats són prometedors, es requereix un estudi més detallat i amb més mostres, per a establir models de diagnòstic fiables o connectar les diferències espectrals amb mecanismes biològics. Aquesta Tesi doctoral consolida l’espectroscòpia d'IR com una poderosa tècnica per a l'extracció d'informació d’una gran varietat de paràmetres clínics en una àmplia gamma de mostres. A dia d’avui, la instrumentació IR és assequible i compacta i la quantificació de compostos majoritaris es pot realitzar mitjançant el tractament quimiomètric de mesures directes o gairebé quasi-directes. D'aquesta manera, l’IR proporciona una alternativa econòmica i utilitzable en el PoC per a l’anàlisi clínica tradicional o per al desenvolupament de noves estratègies de diagnòstic com per exemple les basades en l'anàlisi no-invasiva de l’alè. Tot i que la tècnica té problemes de sensibilitat i selectivitat, els resultats obtinguts en aquesta Tesi demostren que les tecnologies modernes poden assolir aquestes limitacions. Nous avanços en la mesura (DF-ATR o iHWG) o en la preparació de mostres (microextracció) han estat utilitzats per a millorar les característiques analítiques dels mètodes sense renunciar als beneficis generals de les metodologies basades en IR. Entre d’altres, els pròxims reptes més importants són, d’una banda, la introducció de l'espectroscòpia IR a nivell comercial en la determinació de paràmetres clínics de rutina en sang i orina, que implicaria l'estalvi de grans quantitats de recursos i permetria realitzar anàlisis ràpides en farmàcies i ambulatoris. D’altra banda, l'ampliació de l’aplicació dels mètodes als estudis clínics. Les característiques d’aquests mètodes, que extrauen informació clínica de qualsevol mostra de forma econòmica i ràpida, els fan ideals per a la realització d’amplis estudis clínics, a un cost raonable i en un gran conjunt d’individus.	es_ES
dc.format.extent	312 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	chemometrics	es_ES
dc.subject	diagnosis	es_ES
dc.subject	clinical analysis	es_ES
dc.subject	infrared	es_ES
dc.subject	vibrational spectroscopy	es_ES
dc.title	Challenges in clinical analysis by infrared spectroscopy	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::MATEMÁTICAS::Estadística::Análisis multivariante	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::QUÍMICA::Química analítica::Espectroscopía de infrarrojos	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::QUÍMICA::Química analítica::Análisis bioquímico	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES