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OCT光谱仪在皮肤病学中的应用

发布时间:2024-06-25阅读次数:13次

皮肤是人体最大的器官,具有惊人的自愈能力,即使在受到严重损伤后也能自愈。皮肤作为我们抵御微生物和外界环境的主要屏障,了解皮肤的修复过程以及如何加速皮肤修复过程是至关重要的。OCT光谱仪提供了一种新颖、无损的方法来实现这一目标,它可以”窥视”皮肤下1-2mm的深度,并且分辨率优于10 μm。为了验证这一潜在的应用,迈阿密大学Irena Pastar领导的研究小组决定评估在伤口愈合研究中使用OCT作为组织切片的替代方法。结果如何?OCT光谱仪能够捕捉到详细的伤口图像,可与显微镜收集的图像相媲美,并能更客观地评估干细胞新疗法对伤口愈合的益处。

伤口愈合过程包括出血、炎症、增殖和重塑(上皮化)等相互重叠的阶段

 

揭示愈合过程

在伤口愈合过程中,皮肤会经历炎症、增殖(或迁移)和重塑的重叠阶段。尽管出于伦理原因,急性伤口愈合的过程没有在人体内进行研究,但它可以在活体外进行近似模拟。用作“活体外”伤口愈合的模型来自减容手术者捐赠的皮肤,需要在受控条件下维持足够长的时间,以研究其所涉及的分子机制,并评估旨在加速愈合的治疗方法。

该模型的主要缺点是,传统上需要破坏伤口,通过组织学检查(HE)来评估愈合过程。为了研究一种伤口类型或治疗方法,必须制作多个相同的伤口,并且在不同的时间点仔细地切片和染色,然后依次在显微镜下进行检查,以观察舌上皮从伤口边缘生长到覆盖暴露的真皮层的距离。相比之下,OCT可以从开始到结束对同一伤口进行无损监测,从而消除了组织样本和单个伤口之间的差异。由于伤口往往愈合不均匀,比如某些边缘的闭合速度比其他边缘更快,这一点尤其重要。

OCT可用于快速收集横截面的纵向图像,以揭示真皮的亚结构,从中可以生成整个伤口的3D体积或面内图像。这有助于更客观地了解伤口愈合过程,而不是局限于特定的横截面和样品制备质量。

 

评估OCT光谱仪的活体外应用

在这项研究中评估了1300 nm的扫描源成像(SS-OCT)和850 nm的光谱域成像(SD-OCT) 是否能用于评估皮肤伤口的愈合。虽然两个系统的成像深度相似(分别为2 mm和1.9 mm),但Wasatch Photonics的SD-OCT系统提供了比临床SS-OCT系统更高的轴向分辨率(<3 μm)和横向分辨率(<6 μm)。850 nm光谱域(SD-OCT)成像系统因其较短的工作波长可提供更高分辨率的OCT图像,从而能更好地区分真皮结构内的不同组织类型。

Wasatch Photonics-OCT光谱仪系列

 

为了将OCT成像与组织学检查(HE)进行比较,我们制备了一系列相同的伤口样本,其中一部分用rhEGF(重组表皮生长因子)处理。所有样品均在37°C下培养,并在第0、4和7天收集一式三份样本,使用每种技术进行评估。通过组织学检查(HE)评估的伤口在福尔马林溶液中固定,包埋在石蜡中,然后从伤口边缘到直径最宽点切成8 µm的切片,用于染色和显微镜检查。通过比较从伤口边缘迁移的舌上皮的总数与伤口总直径的百分比来计算愈合进度。

1300 nm SS-OCT平面成像与愈合伤口上两点的横断面组织分析的比较

 

在进行OCT分析时,只需不到1分钟的时间就能从伤口边缘到另一个伤口边缘的横截面测量,并通过纵向扫描来构建组织表面的正面伤口图像。在这些“自上而下”的伤口视图中,由于舌上皮会延伸到覆盖在伤口中心暴露的真皮层,所以可以很容易区分完整的表皮和迁移的舌上皮。这样就可以使用更客观的面积计算来量化愈合情况,即伤口愈合伤口面积与原始伤口面积的百分比。

通过(a)组织学评估和(b)使用Wasatch Photonics 800 nm OCT系统(c)对活体外人体伤口中的组织进行观察。图中c=角质化表皮;e=非角化舌上皮;p=乳头状真皮;r=网状真皮。

 

与组织学检查(HE)分析相比,OCT始终显示出更高程度的再上皮化(愈合),这并不奇怪,因为OCT能够呈现完整的伤口图像,而不是仅从横截面进行推断。尽管如此,数据显示OCT和HE分析之间存在强烈的正相关关系,并且在新伤口和完全愈合的伤口数据几乎完全一致,这验证了OCT是一种可行的分析技术。

使用Wasatch Photonics的800 nm SD-OCT系统获得的横截面图像提供了足够的分辨率和对比度,可以清楚地识别表皮、乳头状真皮和网状真皮以及伤口床中迁移的上皮细胞。这种区分不同组织类型的能力,使得OCT在皮肤病学中的应用远远超出了对伤口愈合或新疗法的评估范围,还扩展到了干细胞作用机制和再上皮化过程中表皮迁移的机制研究。OCT能够以非侵入性方式提供快速、可重复的扫描,这为临床前测试以及通过确定切片的最佳位置来指导深入的免疫组化分析带来了巨大前景。

 

一种新型干细胞疗法

经过验证,OCT光谱仪是一种替代组织学分析的可行的"光学活检"方法,Pastar的研究小组将这种新的成像模式用于分析异体人类脂肪衍生干细胞(ASC)在人类活体外伤口中的治疗潜力。干细胞疗法已显示出治疗疑难伤口的前景,但其使用可能存在争议。然而,来自成人脂肪组织的干细胞不受这种限制,并且已被证明可以在从分化到血管生成的各个方面促进伤口的愈合。

与之前描述的验证研究同步进行的是,通过向新鲜伤口中心注射ASC,对一系列活体外伤口进行处理。这些伤口也用OCT进行了为期4天的监测——这是活体外伤口愈合的指数阶段。OCT成像发现所有接受ASC治疗的伤口都完全再上皮化,而介质处理的对照伤口则显示只有50%的伤口闭合。发现ASC治疗伤口与rhEGF治疗伤口在愈合上的差异具有统计学上意义,并通过识别表皮单层和分化层的横截面OCT图像证实了伤口闭合性的增强,这些结果表明了ASC促进了再上皮化的能力。对于延伸到真皮层直径为3 mm的伤口,单次ASC治疗可显著促进愈合,OCT对此进行了记录。考虑到活体外伤口模型用于评估新疗法的跟踪记录以及OCT在临床前研究中的应用能力,显示使用OCT评估ASC疗法在体内伤口治疗中具有巨大的潜力。

 

结论

通过对深度达2 mm、分辨率优于10 μm活体外伤口进行非破坏性成像,证明了OCT在人体伤口愈合无创监测方面的可行性和优越性。与组织学检查相比,它不仅速度更快、可变性更小,而且还能在整个伤口愈合过程中进行连续监测,并拥有足够的分辨率来评估解剖学和病理学。这使OCT成为用于伤口愈合以及实验室和临床环境里评估新型疗法的一项很有潜力的技术。在研究用ASC治疗伤口时,OCT发现仅4天后再上皮化就显著增加,进一步证明了OCT对伤口愈合领域具有重大贡献的潜力。

 

想了解更多关于将OCT光谱仪用于皮肤病学或其他组织应用的信息吗?请随时系我们

 

引用

Glinos, George D., et al. “Optical coherence tomography for assessment of epithelialization in a human ex vivo wound model.” Wound Repair and Regeneration 25.6 (2017): 1017-1026.

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