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From Genotype to Phenotype: Raman Spectroscopy and Machine Learning for Label-Free Single-Cell Analysis

拉曼光谱 表型 光谱学 基因型 细胞 材料科学 纳米技术 计算生物学 遗传学 生物 基因 物理 光学 量子力学
作者
Yirui Zhang,Kai Chang,Babatunde Ogunlade,Liam Herndon,Loza F. Tadesse,Amanda Kirane,Jennifer A. Dionne
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (28): 18101-18117
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04282
摘要

Raman spectroscopy has made significant progress in biosensing and clinical research. Here, we describe how surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) assisted with machine learning (ML) can expand its capabilities to enable interpretable insights into the transcriptome, proteome, and metabolome at the single-cell level. We first review how advances in nanophotonics-including plasmonics, metamaterials, and metasurfaces-enhance Raman scattering for rapid, strong label-free spectroscopy. We then discuss ML approaches for precise and interpretable spectral analysis, including neural networks, perturbation and gradient algorithms, and transfer learning. We provide illustrative examples of single-cell Raman phenotyping using nanophotonics and ML, including bacterial antibiotic susceptibility predictions, stem cell expression profiles, cancer diagnostics, and immunotherapy efficacy and toxicity predictions. Lastly, we discuss exciting prospects for the future of single-cell Raman spectroscopy, including Raman instrumentation, self-driving laboratories, Raman data banks, and machine learning for uncovering biological insights.
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