How old are you? An attempt of estimating age at death through FTIR-ATR analysis of human bones and teeth

Abstract

Em contextos forenses, a estimativa do perfil biológico em restos humanos esqueletizados é de extrema importância numa perspetiva ética, legal e criminal. A previsão da idade cronológica à morte em adultos é considerada uma das maiores lacunas em Antropologia Forense, tendo em conta que os métodos antropológicos macroscópicos costumam apresentar grandes intervalos nas suas estimativas. Os esqueletos humanos de indivíduos distintos apresentam idiossincrasias a nível atómico-molecular, induzidas por fatores intrínsecos e extrínsecos, tais como a composição e organização dos tecidos, a taxa de remodelação, a degradação do colagénio e processos diagenéticos. Estes fatores promovem diferentes características e, consequentemente, afetam o esqueleto de maneira diferente. Recorrendo à espetroscopia de Infravermelho em Refletância Total Atenuada foram analisadas amostras humanas de fémur, úmero, metatarso, costela, parietal e dentes. Foi levada a cabo uma exploração quimiométrica para avaliar o seu potencial como indicador da idade cronológica em adultos. Tal foi realizado através da caracterização estrutural dos esqueletos e pela procura de padrões, com o objetivo de determinar as regiões mais representativas do espetro e as potenciais diferenças estatísticas entre índices para tipos de osso, sexo, classes etárias e idade. Deste modo, uma análise estatística exploratória e inferencial foi implementada. Os índices quimiométricos investigados neste estudo foram os seguintes: CI, C/P, API, BPI, C/P, v4PO4/Amida I e v1PO4/Amida I. A combinação destas análises exploratória e inferencial permitiu obter informações espetrais distintas. Através da análise estatística exploratória, realizada através da análise de componentes principais, foram observadas diferenças entre tipos de osso relativamente a variações espetrais – nomeadamente na intensidade das bandas v3(CO3)B, amida I e amida II. Apenas para as amostras de dentes foram encontradas discriminações entre faixas etárias, através da banda v1,v3(PO43-). A análise estatística inferencial, por seu lado,para além da diferenciação por tipos de osso foram detetadas diferenças estatisticamente significativas para as classes etárias e idade cronológica, tanto para ossos como para dentes, de acordo com os índices espetrais IC e C/C. Os valores dos erros médios absolutos foram elevados tanto para as faixas etárias (0.25-1.84 para os ossos longos; 0.26-1.85 para as costelas; e 0.93-10.6 para os dentes) como para a idade cronológica (4.45-25.86 para ossos longos e 23.57-24.45 para os dentes).

In forensic contexts, the estimation of the biological profile of skeletal humanremains is of extreme importance from the ethical, legal and criminal perspective. The prediction of chronological age at death in adults is considered one of the biggest struggles of Forensic Anthropology, since anthropological macroscopic methods usually have large estimation intervals. The human skeleton from distinct individuals presents idiosyncrasies at the atomic and molecular level, induced by intrinsic and extrinsic factors, such as the tissue composition and organization, remodelling rate, collagen degradation and diagenetic pathways, which promote different features affecting the skeleton differently. Femur, humerus, metatarsal, ribs, parietal and teeth samples were analyzed through Fourier Transform Infrared spectroscopy in Attenuated Total Reflectance mode. Anexploration of chemometrics as a potential indicator of chronological age in adults wascarried out. This was performed by skeletal structural characterization and searching for patterns in order to determine the most representative regions of the spectra and the potential statistical differences among indices per bone types, sex, age cohorts and age.To achieve this, an exploratory and inferential statistical analysis was implemented. The chemometric indices investigated in this study were the CI, C/P, API, BPI, C/P, v4PO4/AmideI and v1PO4/Amide I. The combination of this exploratory and inferential analysis enabled to obtain distinct spectral information. Through the exploratory statistical analysis, achieved through principal components analysis, differences among bone types were observed relative to spectral variations – namely in the intensity of the v3(CO3)B, amide I and amide II bands. Only for teeth discrimination among age cohorts was revealed, through the v1,v3(PO43-) domain.Whereas via inferential statistical analysis, poor ability was found for age determination. Reasonable results regarding the prediction of age cohorts or chronological age from both bones and teeth were only obtained by using the CI and C/C spectral indices. High mean absolute errors were obtained for age cohorts (0.25-1.84 for long bones; 0.26-1.85 for ribs; and 0.93-1.06 for teeth) and for chronological age (4.45-25.86 for long bones and 23.57-24.45 for teeth).