Aplicação de ATR-FTIR em lágrimas humanas para discriminação em retinopatia diabética

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ono Júnior, Tadashi
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/42059
http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.5056
Resumo: Introduction: Diabetes is currently one of the biggest public health challenges worldwide. Prolonged diabetes leads to various diabetic microvascular complications, such as retinopathy, nephropathy and neuropathy. It is likely that multiple factors are involved in predisposing diabetic individuals to these complications. Early detection or diagnosis is essential for developing strategies to reduce the risk factors and costs generated by diabetic complications. Objective: In this study, we applied ATR-FTIR spectroscopy combined with machine learning analysis to tear samples from individuals with diabetic retinopathy in order to differentiate them from diabetics without retinopathy and people without diabetes. The aim of this study is to test tears using a simple, fast, inexpensive and non-invasive method, which can be applied in a remote care setting, that is able to identify people with diabetic retinopathy. Materials and methods: We evaluated a total of 59 individuals, 24 in the non-diabetic group (ND), 17 in the diabetic group (D) and 18 in the diabetic retinopathy group (DR). Tears were collected using the microcapillary tube technique and stored in laboratory tubes under -80°C freezing. After thawing, 2 microliters were applied to an FTIR apparatus coupled with ATR and dried for 8 minutes. Spectral analysis of each sample was then carried out. Pre-processing and machine learning tools were applied in the study on the tear spectra generated by the ND, D and DR ATR-FTIR. Results: The best algorithm for discriminating between the ND and DR groups was AdaBoost, with an accuracy of 0.73, a sensitivity of 0.70 and a specificity of 0.76. Using SHAP (Shapley Additive Explanations), we identified that the wavenumbers 1151 cm- 1, 1425 cm-1, 993 cm-1, 1755 cm-1, 1287 cm-1, 1725 cm-1, 2970 cm-1, 2989 cm-1, 1129 cm- 1 and 1088 cm-1 were the most important in differentiating between the two groups mentioned above. The main corresponding biomolecular components are carbohydrates and lipids. With regard to group D compared to group DR, the best test was Artificial Neural Networks, which showed an accuracy of 0.73, a sensitivity of 0.77 and a specificity of 0.70. The most important wavenumbers in this method were 1256 cm-1, 1647 cm-1, 2899 cm-1, 1414 cm-1, 2879 cm-1, 1075 cm-1, 1179 cm-1, 929 cm-1, 916 cm-1 and 903 cm-1. The three most important biomolecular components are nucleic acids, proteins and lipids. Conclusion: The results obtained through prediction models, using ATR-FTIR spectroscopy applied to human tears associated with machine learning algorithms, point to the possible discrimination of subjects with diabetic retinopathy from those with diabetes and non-diabetics.
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Objective: In this study, we applied ATR-FTIR spectroscopy combined with machine learning analysis to tear samples from individuals with diabetic retinopathy in order to differentiate them from diabetics without retinopathy and people without diabetes. The aim of this study is to test tears using a simple, fast, inexpensive and non-invasive method, which can be applied in a remote care setting, that is able to identify people with diabetic retinopathy. Materials and methods: We evaluated a total of 59 individuals, 24 in the non-diabetic group (ND), 17 in the diabetic group (D) and 18 in the diabetic retinopathy group (DR). Tears were collected using the microcapillary tube technique and stored in laboratory tubes under -80°C freezing. After thawing, 2 microliters were applied to an FTIR apparatus coupled with ATR and dried for 8 minutes. Spectral analysis of each sample was then carried out. Pre-processing and machine learning tools were applied in the study on the tear spectra generated by the ND, D and DR ATR-FTIR. Results: The best algorithm for discriminating between the ND and DR groups was AdaBoost, with an accuracy of 0.73, a sensitivity of 0.70 and a specificity of 0.76. Using SHAP (Shapley Additive Explanations), we identified that the wavenumbers 1151 cm- 1, 1425 cm-1, 993 cm-1, 1755 cm-1, 1287 cm-1, 1725 cm-1, 2970 cm-1, 2989 cm-1, 1129 cm- 1 and 1088 cm-1 were the most important in differentiating between the two groups mentioned above. The main corresponding biomolecular components are carbohydrates and lipids. With regard to group D compared to group DR, the best test was Artificial Neural Networks, which showed an accuracy of 0.73, a sensitivity of 0.77 and a specificity of 0.70. The most important wavenumbers in this method were 1256 cm-1, 1647 cm-1, 2899 cm-1, 1414 cm-1, 2879 cm-1, 1075 cm-1, 1179 cm-1, 929 cm-1, 916 cm-1 and 903 cm-1. The three most important biomolecular components are nucleic acids, proteins and lipids. Conclusion: The results obtained through prediction models, using ATR-FTIR spectroscopy applied to human tears associated with machine learning algorithms, point to the possible discrimination of subjects with diabetic retinopathy from those with diabetes and non-diabetics.Pesquisa sem auxílio de agências de fomentoDissertação (Mestrado)Introdução: O diabetes é atualmente um dos maiores desafios de saúde pública a nível mundial. Se prolongado, conduz a várias complicações microvasculares diabéticas, como a retinopatia, a nefropatia e a neuropatia. É provável que múltiplos fatores estejam envolvidos na predisposição dos indivíduos diabéticos para estas complicações. A detecção ou diagnóstico precoce é essencial para o desenvolvimento de estratégias que reduzam os fatores de risco e as consequências geradas pelas complicações diabéticas. Objetivo: Neste estudo, aplicamos a espetroscopia ATR-FTIR combinada com a análise de aprendizagem de máquina em amostras de lágrimas de indivíduos com retinopatia diabética, a fim de os diferenciar dos diabéticos sem retinopatia e das pessoas sem diabetes. O objetivo deste estudo é testar lágrimas através de um método simples, rápido, econômico e não invasivo, que possa ser aplicado em locais remotos de prestação de cuidados em saúde, que seja capaz de identificar as pessoas com retinopatia diabética. Materiais e métodos: Nós avaliamos um total de 59 indivíduos, sendo 24 no grupo não diabéticos (ND), 17 no grupo diabéticos (D) e 18 no grupo retinopatia diabética (DR). As lágrimas foram coletadas utilizando técnica com tubo microcapilar e armazenadas em tubos laboratoriais sob congelamento de -80°C. Após descongelamento, 2 microlitros foram depositados em aparelho de FTIR acoplado com ATR e secas por 8 minutos. Então a análise espectral de cada amostra foi executada. Foram aplicadas no estudo ferramentas de pré- processamento e de aprendizagem de máquina nos espectros lacrimais gerados pelo ATR-FTIR de ND, D e DR. Resultados: O melhor algoritmo para discriminar entre os grupos ND e DR foi o AdaBoost, com uma acurácia de 0.73, uma sensibilidade de 0.70 e uma especificidade de 0.76. Utilizando SHAP (Shapley Additive Explanations), identificamos que os números de onda 1151 cm-1, 1425 cm-1, 993 cm-1, 1755 cm-1, 1287 cm-1, 1725 cm-1, 2970 cm-1, 2989 cm-1, 1129 cm-1 e 1088 cm-1 foram os mais importantes na diferenciação entre os dois grupos acima referidos. Os principais componentes biomoleculares correspondentes são os carboidratos e os lipídios. No que se refere ao grupo D em comparação com o grupo DR, o melhor teste foi o das Redes Neuronais Artificiais, que apresentou uma acurácia de 0.73, uma sensibilidade de 0.77 e uma especificidade de 0.70. Os números de onda mais importantes neste método foram 1256 cm-1, 1647 cm-1, 2899 cm-1, 1414 cm-1, 2879 cm-1, 1075 cm-1, 1179 cm-1, 929 cm-1, 916 cm-1 e 903 cm-1. Os três componentes biomoleculares mais importantes são os ácidos nucleicos, as proteínas e os lipídeos. Conclusão: Os resultados obtidos através dos modelos de predição, utilizando espetroscopia ATR-FTIR aplicada em lágrimas humanas associada a algoritmos de aprendizagem de máquina, apontam para possível a discriminação de sujeitos com retinopatia diabética daqueles diabéticos e dos não diabéticos.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Ciências da SaúdeEspindola, Foued Salmenhttp://lattes.cnpq.br/0692083522907038Borges, Karina Braga Gomeshttp://lattes.cnpq.br/0798429800100457Rieger, Alexandrehttp://lattes.cnpq.br/1901964645757514Ono Júnior, Tadashi2024-08-05T19:44:11Z2024-08-05T19:44:11Z2024-02-27info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfONO JÚNIOR, Tadashi. Aplicação de ATR-FTIR em lágrimas humanas para discriminação em retinopatia diabética. 2024. Dissertação (Mestrado em Ciências da Saúde) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.5056.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/42059http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.5056porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2024-08-06T06:27:29Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/42059Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2024-08-06T06:27:29Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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