English | 中文版 | 手机版 企业登录 | 个人登录 | 邮件订阅
高级搜索
当前位置 > 首页 > 技术文章 > 利用OCTA检测紫外线诱发的急性皮肤反应
利用OCTA检测紫外线诱发的急性皮肤反应
点击次数:1061 发布日期:2022-6-6  来源:本站 仅供参考,谢绝转载,否则责任自负
紫外线为长期照射致癌物,也是引发皮肤癌的重要危险因素。台湾研究人员Chen Wenju等使用光学相干断层扫描/光学相干断层扫描血管造影术(OCT/OCTA),体内研究了急性紫外线(UV)照射对皮肤的影响。对三组动物以不同功率密度照射以探究急性反应与UV照射功率密度之间的关系。UV照射期间用OCT重复扫描同一皮肤区域,研究诱发的急性反应的进展,并在照射后观察皮肤恢复情况。对OCT/OCTA结果进行定量分析,获得用于比较的皮肤厚度和血管密度。OCT/OCTA结果可确定UV对形态学和微循环的急性影响:皮肤厚度和血管密度增加,甚至出现严重损伤类型如水泡。定量分析结果表明OCT可以区分UV照射引起的损伤的严重程度,并可监测皮肤的恢复情况。证明OCT可以用于早期检测UV引起的急性皮肤损伤。文章以“In vivo detection of UV-induced acute skin effects using optical coherencetomography”为题发表于Biomedical Optics Express

 背景

 已知暴露于太阳辐射有很大概率会对皮肤产生不利影响,可能会进一步导致皮肤癌,如基底/鳞状细胞癌(BCC/SCC)和皮肤恶性黑色素瘤。过多的紫外线(UV)照射会使皮肤细胞DNA受损,导致基因突变,而这是引发非黑色素瘤皮肤癌和BCC/SCC的一个关键因素。UV光谱范围从10到400nm,大致可分为三个子带:UVA、UVB和UVC。关于UV辐射的长期影响已有较深入的研究,如长期暴露在UVA射线下会使皮肤细胞老化得更快,并对DNA造成损伤。UVB射线也会造成DNA损伤,长期照射可能会进一步引发皮肤癌。而太阳光中的UVC成分会被大气阻挡,因此UVA和UVB是长期辐射导致皮肤损伤和癌症的主要原因,光谱范围覆盖280-400nm。

 光学相干断层扫描(OCT)可接收来自生物组织的反向散射或反射信号,以对其二维/三维微结构成像。由于OCT是基于生物组织的散射特性,因此不需要额外的荧光染料或造影剂。除获得组织结构外,OCT也可进行功能成像,包括确定血流速度、血管造影、双折射和弹性。OCT已广泛应用于皮肤病学应用,如皮肤癌、激光治疗、化妆品和皮肤病。在使用OCT对因阳光和光化性角化病引起的皮肤损伤研究中发现,阳光损伤皮肤的表皮层厚度增加,导致沿组织深度的衰减更强。此外,统计比较正常、日光损伤和光化性角化病皮肤的厚度,发现厚度可能是评估皮肤状况的一个有前景的指标。Gambichler等人使用OCT和组织学研究UVA1/UVB诱发的急性皮肤反应,发现长波紫外线和短波紫外线照射对表皮厚度都有影响。

 虽然上述研究使用OCT来研究UV引起的皮肤损伤和晒伤,但有关辐射功率对损伤的依赖性、UV辐射的急性反应和UV辐射后的皮肤恢复还没有很深入的研究。本研究报告了使用OCT和OCTA研究不同功率密度的UV照射对皮肤的急性影响。比较不同时间点(UV照射期间和之后)获得的OCT和OCTA结果,探究UV照射引起的显微结构和微循环变化。最后定量分析了不同功率密度UV照射后的皮肤厚度和血管密度。

 研究使用扫频OCT(SS-OCT)系统(图1),扫描带宽为100nm的1060nm扫描源(SSOCT-1060,AXSUN Technologies Inc., MA, USA),空气中纵向分辨率5μm。干涉仪样品臂中插入的扫描透镜(LSM02-BB,Thorlabs Inc., NJ, USA)可提供约6 μm的横向分辨率。扫描源的扫描速率为100 kHz,提供100 Hz的帧速率。

 7-8周龄小鼠(C57野生型)作实验动物。异氟醚麻醉并固定,照射耳朵。为研究不同功率密度下的急性反应,实验动物分为三组(每组n = 5):第1组暴露于0.14W/cm2的功率密度,第2组0.61 W/cm2,第3组2.18 W/cm2。每组照射时间为9min,相应的能量密度分别为75.6、329.4和1177.2 J/cm2
 
 1结合UV照射设备的OCT装置示意图。C:准直器;DC:色散补偿器;M:镜子;G:双轴振镜;SL:扫描镜头。
 

 结果

 首先进行功率密度0.14W/cm2的UV照射,在不同时间点用OCT重复扫描同一皮肤区域。图2a-g为皮肤区域的2D OCT图像,分别为UV照射前和0.14W/cm2功率密度照射1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0min后。图2a中可识别出不同的皮肤层,如表皮、真皮和耳软骨。随着照射时间增加,皮肤结构没有明显变化。除研究UV照射期间的急性反应外,还连续扫描了同一皮肤区域以观察恢复过程(图2h-k)。同样在低功率密度UV照射后,皮肤微结构没有明显的急性反应。
 
  2小鼠耳部皮肤的体内OCT图像。(a)UV照射前;UV照射(b)1.5min,(c)3min,(d)4.5min,(e)6min,(f)7.5min和(g)9min分钟。在照射后(h)1天,(i)2天,(j)3天和(k)4天重复扫描同一皮肤区域,用于跟踪观察。黄色箭头表示不同的层结构,包括表皮(EP)、真皮(D)和耳软骨(AC)。TS:顶面,RS:背面。

 图3为图2相应OCTA结果,按深度进行了颜色编码,图像覆盖物理范围3 × 3 mm2。图3a为UV照射前,而图3b-g分为UV照射1.5、3、4.5、6、7.5和9min后的OCTA结果。图3h和i示为图3a和g中金色框区域的放大图。与图3a相比,血管尺寸和密度在UV照射后增加,图3h和i中也可以确认,红色箭头表示不同直径的同一根血管。血管直径增加是由于UV照射引起皮肤炎症,炎症导致血流量增加,进一步导致血管扩张,呈发红症状。随着照射时间增加,以黄绿色表示的更深的血管显现出来。这也是由于UV照射引起的血流量增加,导致血管扩张。然而UV照射解除后这种血管扩张逐渐消退。图3j-m为图2h-k的相应OCTA结果,图像显示UV照射对微循环的急性影响在24h后消失,说明这种低功率密度照射只对血管造成暂时影响,这种影响在一天内可以消退。
 
 3图2中相应的彩色编码投影视图OCTA结果。(a)UV照射前;UV照射(b)1.5min,(c)3min,(d)4.5 min,(e)6 min,(f)7.5 min和(g)9 min。(h)和(i)为金色方框区域的放大图。在UV照射后(j)1天、(k)2天、(l)3天和(m)4天连续扫描同一皮肤区域进行跟踪观察。

 随后将UV照射的功率密度增加到0.61W/cm2,重复相同实验程序。图4a-g分别为照射前和照射1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0min后的OCT图像。图4中的OCT图像结果与图2相似,用肉眼很难识别照射前后的差异。此外用OCT监测了UV照射后的恢复过程,结果表明当照射功率密度增加到0.61 W/cm2时,皮肤微观结构没有显著变化。
 
 4小鼠耳部皮肤的体内OCT图像。(a)UV照射前;以0.61 W/cm2功率密度照射(b)1.5min,(c)3min,(d)4.5min,(e)6min,(f)7.5min和(g)9min。在UV照射后(h)1天、(i)2天、(j)3天和(k)4天扫描相同皮肤区域,用于跟踪观察。黄色箭头表示不同层结构。

 图5为相应的OCTA结果,按深度进行颜色编码。图5a-g和5j-m分别为图4a-g和4h-k的对应OCTA图像。图5g和5a中金色方框区域血管被放大并比较(图5i和h)。与图3结果类似,黄绿色所示的更深处血管在UV照射后出现,并随时间逐渐消失。表明由于皮肤炎症,一些血管在UV照射后变得可见,意味着较高功率密度的UV照射引发皮肤炎症,增加了血管的大小和密度。此外用OCT对同一皮肤区域重复成像,以研究皮肤恢复情况。图5j中血管密度降低,图5m显示了与图5a相似的微血管模式,说明UV照射后4天,急性反应显著缓解。
 
  5图4中相应的彩色编码OCTA结果。(a)UV照射前;0.61 W/cm2功率密度UV照射(b)1.5min,(c)3 min,(d)4.5 min,(e)6 min,(f)7.5 min和(g)9 min。(h)和(i)为金色正方框区域的放大图。UV照射后(j)1天、(k)2天、(l)3天和(m)4天连续扫描同一皮肤区域进行跟踪观察。

 第3组UV照射功率密度增加到2.18W/cm2。图6a-g为照射前和照射1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0min的小鼠耳部皮肤2D OCT图像。如图6f和6g中白色箭头所示,照射6min后小鼠耳朵皮肤的反向散射强度开始变弱。1h后用OCT扫描同一皮肤区域(图6h),与图6a相比,表皮和真皮的厚度显著增加。此外如图6h中白色箭头所示,水泡的出现使较弱的反向散射面积增加,这也导致了较强的衰减。结果表明较高功率密度的UV照射会导致更严重的损伤类型,如水泡和炎症。
 

 图6 小鼠耳部皮肤的体内OCT图像。(a)UV照射前;以2.18W/cm2功率密度的UV照射(b) 1.5min,(c) 3 min,(d) 4.5 min,(e) 6 min,(f) 7.5 min和(g) 9 min。(h)紫外线照射后1h扫描同一皮肤区域。黄色箭头表示不同的层结构,包括表皮、真皮和耳软骨。(f)–(h)中的白色箭头表示强紫外线照射引起的水泡。


 图7为图6的相应OCTA结果。同样,血管分布在1.5min照射后变得更密集,但在7.5min照射后减少。如图6所示,水泡增加了光吸收并限制了光穿透,导致OCTA结果模糊。由于在同一区域获得的连续B-scan之间的散斑方差用于获得OCTA图像,由于水泡引起的衰减导致OCT信号较弱,很难进行血管造影。因此如图7g所示,在7.5min照射后,血管密度降低。然而水泡的出现可以用OCT/OCTA来检测。这里没有显示跟踪结果,因为水泡随着时间的推移而变大,血管造影比较困难。
  7图6中相应的彩色编码OCTA结果。(a)UV照射前;2.18 W/cm2功率密度的UV照射(b)1.5min,(c)3 min,(d)4.5 min,(e)6 min,(f)7.5 min和(g)9 min。(h)紫外线照射后1h扫描同一皮肤区域。

 图8为图3、5、7在UV照射前(图8a-c),及UV照射停止后1h(图8d-f)的相应白光照片。对于0.14和0.61W/cm2较低功率密度,肉眼观察急性反应不明显。然而当施加2.18W/cm2的高功率能量时,图8f中可以发现红斑。与相应的照片相比,OCT结果(如图3、图5和图7)可显示出微循环和红斑的细节,而在较低功率密度作用下,用肉眼难以识别这些细节。表明OCT可用于早期检测UV引起的急性皮肤反应。
 
 图8 分别为UV照射前和照射停止后1h的白光照片。红色方块表示OCT区域。
  为进一步定量研究UV照射引起的急性反应,评估了皮肤厚度和血管密度。根据OCT图像估计小鼠耳朵皮肤的总厚度(图2a)。从每个2D截面OCT图像中手动选择21个不同位置的A-scan,确定各个A-scna位置小鼠皮肤顶表面和底表面之间的厚度。将每个2D OCT图像中这21个横向位置的小鼠皮肤厚度平均,获得皮肤厚度平均值。平均血管密度通过选择各组每个OCTA图像中的三个子区域(图3、5和7中彩色方块)来计算。每个正方形面积约为1mm2。图9和10分别为皮肤厚度和血管密度的估计结果。图9a中,UV照射期间皮肤厚度没有显著变化,但照射后增加。当功率密度增加到0.61W/cm2(图9b),UV照射期间及照射后皮肤厚度均逐渐增加。与前两种情况相比,图9c皮肤厚度在6min照射后略微增加,并在7.5min照射后显著增加。即使照射停止后,厚度也继续增加,即UV照射诱发的急性皮肤反应引起水肿,导致皮肤厚度增加。此外高功率密度UV照射导致水泡出现,皮肤厚度明显变得更厚(图9c)。结果表明UV照射导致皮肤增厚,这种急性影响不能在几天内减轻。此外高功率密度的辐射导致更严重的损伤类型,如水泡,使皮肤肿胀和发炎。
 
 从图2、图4和图6得到的皮肤厚度的估计结果。UV照射的功率密度为(a) 0.14 W/cm2,(b) 0.61 W/cm2,(c) 2.18 W/cm2

 三种功率密度的平均血管密度如图10所示。从图10a可以发现血管密度在UV照射期间逐渐增加(9min内从27.2%增加到32.2%),但在照射后开始降低。4天后,血管密度可恢复到UV照射前的水平。与图10a相比,图10b显示照射期间血管密度显著增加(9min内从26.3%增加到38.1%),这意味着以更高的功率密度照射会导致更严重的皮肤反应。但结果也表明这种急性反应可在4天内消退。对于最高功率密度,血管密度也在1.5min照射下增加(从38.2%增加到46.1%),但在6min照射下开始降低,与图9c结果一致,即血管密度下降是由于水泡的出现,导致衰减和OCTA模糊。即使在照射停止1h后,水泡尺寸还在不断增加,使OCT信号衰减更严重。然而结果证明OCT和OCTA能够评估UV对微结构和微循环的影响,并且还可以检测到引发的更严重的损伤类型,如水泡。
  10图3、图5和图7的血管密度估计结果。UV照射的功率密度为(a)0.14 W/cm2,(b)0.61 W/cm2,(c)2.18 W/cm2

 为进一步研究皮肤厚度和微循环的变化,分析了动物(每组n = 5)实验结果。由于各小鼠的皮肤厚度和血管密度不同,除绝对值外,还估计了皮肤厚度/血管密度的变化百分比(PC),即原始值的百分比变化。图11a和b为三个功率密度组皮肤厚度和血管密度的平均PC值。在低功率密度,如0.14或0.61 W/cm2照射期间(图11a),PC值略微增加,并在照射停止后继续增加。相反,在用2.18W/cm2功率密度照射6min后,由于出现水泡,PC值迅速增加。此外在照射9min后和照射后1h,由于产生的水泡大小不同,PC的标准偏差变大。单向方差分析(ANOVA)评估三种功率密度水平UV照射后1h,皮肤厚度PC值差异的统计显著性,显示差异是静态显著的(图11a)。对于0.14 W/cm2和0.61 W/cm2功率密度,UV照射停止后(即9min),血管密度PC值逐渐降低(图11b)。此外血管密度结果的标准偏差明显变大,这可能是由于个体间诱发红斑的严重程度差异。对于图11b中的2.18 W/cm2曲线,PC值在照射6min后开始降低,是由于出现了限制光学穿透的水泡以及模糊的OCTA结果。
 
 11不同功率密度(0.14、0.61和2.18 W/cm2)下,(a)皮肤厚度和(b)血管密度的PC值。*表示p<0.05。

 结论

 本文演示了使用OCT/OCTA研究UV照射引起的急性皮肤反应。用不同功率密度进行照射,并研究其诱发的急性反应。此外还研究了UV照射过程中的皮肤反应进展,以及照射后的皮肤恢复进展情况。发现低功率密度的UV照射可能引发皮肤厚度增加和皮肤炎症,导致血管密度增加。结果还表明低功率密度对微循环的急性影响可在几天内恢复,但皮肤厚度恢复需要更长的时间。相比之下,高功率密度可能会造成更严重的损伤类型,如水泡和皮肤肿胀。这种水泡结构也导致皮肤厚度增加及OCT信号衰减,使OCTA图像模糊。然而OCT和OCTA可以发现水泡。因此OCT/OCTA是一种很有前景的工具,可用于早期检测UV诱发的急性反应,并监测UV损伤后皮肤的恢复情况。
 

 

参考文献:Wen-Ju, et al. "In vivo detection of UV-induced acute skin effects using optical coherence tomography." Biomedical Optics Express 9.9(2018):4235-4245.

来源:北京心联光电科技有限公司
联系电话:4006828786
E-mail:info@iopto.cn

标签: OCTA
用户名: 密码: 匿名 快速注册 忘记密码
评论只代表网友观点,不代表本站观点。 请输入验证码: 8795
Copyright(C) 1998-2022 中国生物器材网 电话:021-64166852;13621656896 E-mail:info@bio-equip.com