脂肪肝病 (SLD)，以前稱(chēng)為非酒精性脂肪肝病，包括由于脂質(zhì)代謝異常而導(dǎo)致肝臟脂肪堆積引起的一系列疾病，影響著全球約 25% 的人口，使其成為全球最常見(jiàn)的疾病之一。最常見(jiàn)的肝臟疾病。SLD 通常被稱(chēng)為“無(wú)癥狀肝病”，其進(jìn)展時(shí)沒(méi)有明顯癥狀，并可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的疾病，如肝硬化(肝臟疤痕)和肝癌。

肝活檢是一種侵入性手術(shù)，涉及從體內(nèi)提取肝組織樣本，是檢測(cè) SLD 的傳統(tǒng)方法。為了簡(jiǎn)化檢測(cè)，東京理科大學(xué)(TUS)的 Kohei Soga 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組此前引入了近紅外高光譜成像(NIR-HSI)作為一種非侵入性方法來(lái)可視化肝臟中的總脂質(zhì)含量。近紅外光的波長(zhǎng)(800-2500 nm)比紫外線和可見(jiàn)光更長(zhǎng)，可顯示各種有機(jī)物質(zhì)(包括組織中的生物分子)的吸收，從而能夠識(shí)別肝臟中的脂肪分布。

現(xiàn)在，在 2023 年 11 月 23 日發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上的一項(xiàng)新研究中 ，包括啟蒙大學(xué) Kohei Soga 教授、Masakazu Umezawa 副教授、Masao Kamimura 副教授以及大阪都立大學(xué) Naoko Ohtani 教授在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)讓機(jī)器學(xué)習(xí)模型在逐像素水平上區(qū)分肝臟中存在的脂質(zhì)類(lèi)型，對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)。該框架根據(jù)脂肪酸的碳?xì)滏滈L(zhǎng)度 (HCL) 和飽和度 (DS) 來(lái)區(qū)分脂質(zhì)，幫助評(píng)估 SLD 進(jìn)展、脂肪性肝炎 (NASH) 和 SLD/NASH 相關(guān)肝癌的風(fēng)險(xiǎn)。

“除了總脂質(zhì)含量等定性信息之外，我們現(xiàn)在還可以可視化定性信息，例如脂質(zhì)(主要是甘油三酯)中所含脂肪酸的分布特征，”梅澤博士說(shuō)。

值得注意的是，由于各種生物分子的吸收光譜重疊，使用 NIR-HSI 根據(jù)分子組成識(shí)別脂質(zhì)面臨著挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員使用了支持向量回歸機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該模型經(jīng)過(guò)訓(xùn)練可以識(shí)別 16 種脂肪酸的組成。該訓(xùn)練數(shù)據(jù)是通過(guò)對(duì)喂食不同脂肪含量飲食的小鼠肝臟樣本進(jìn)行氣相色譜分析獲得的。通過(guò)將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于 NIR-HSI 數(shù)據(jù)，可以根據(jù)肝臟內(nèi)脂肪(DS 和 HCL)的分布來(lái)解釋光譜信息。

DS 表示脂肪酸的雙鍵或飽和度，由CH 和CH 2數(shù)之和計(jì)算為CH 2分?jǐn)?shù)。HCL代表脂肪酸鏈長(zhǎng)，由CH 3 + CH 2 + CH + 1(COOH)基團(tuán)與CH 3基團(tuán)數(shù)目的比率確定。利用這種方法，研究人員成功測(cè)定了小鼠肝臟中的脂肪酸組成，揭示了其飲食中脂肪含量的相關(guān)性。例如，食用富含棕櫚酸和肉豆蔻酸等飽和脂肪的小鼠的肝臟表現(xiàn)出明顯高的DS，而食用α-亞油酸等不飽和脂肪的小鼠則表現(xiàn)出較低的DS。

DS、HCL 和總脂質(zhì)含量被描繪為彩色圖，提供肝臟中脂肪分布的獨(dú)特視覺(jué)表示，從而簡(jiǎn)化脂肪肝疾病的診斷。“以高維信息可視化脂質(zhì)分布，而不是簡(jiǎn)單地使用總脂質(zhì)含量作為單一參數(shù)，為揭示肝臟疾病和代謝的病理生理狀況提供了一種新工具，”梅澤博士評(píng)論道。

事實(shí)上，通過(guò)提供一種快速且無(wú)標(biāo)記的技術(shù)來(lái)識(shí)別影響大量人群的脂肪肝，該方法可能成為侵入性肝活檢程序的潛在替代方案，從而改變肝臟護(hù)理。

這種新穎的框架還可以在藥理學(xué)研究中找到潛在的應(yīng)用，例如藥物代謝、毒性和功效;通過(guò)代謝成像研究代謝紊亂;并在臨床試驗(yàn)中識(shí)別有反應(yīng)者和無(wú)反應(yīng)者。研究人員還期望該框架能夠通過(guò)生物標(biāo)志物識(shí)別和治療反應(yīng)預(yù)測(cè)來(lái)確定個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)策略，即定制計(jì)劃和優(yōu)化干預(yù)措施以改善營(yíng)養(yǎng)。總之，研究人員開(kāi)發(fā)的新穎框架可以徹底改變醫(yī)療保健和相關(guān)研究。