OCT光譜儀在皮膚病學(xué)中的高清應(yīng)用

皮膚是人體最大的器官，具有驚人的自愈能力，即使在受到嚴(yán)重?fù)p傷后也能自愈。皮膚作為我們抵御微生物和外界環(huán)境的主要屏障，了解皮膚的修復(fù)過程以及如何加速皮膚修復(fù)過程是至關(guān)重要的。OCT光譜儀提供了一種新穎、無損的方法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，它可以"窺視"皮膚下1-2mm的深度，并且分辨率優(yōu)于10 μm。為了驗(yàn)證這一潛在的應(yīng)用，邁阿密大學(xué)Irena Pastar領(lǐng)導(dǎo)的研究小組決定評估在傷口愈合研究中使用OCT作為組織切片的替代方法。結(jié)果如何？OCT光譜儀能夠捕捉到詳細(xì)的傷口圖像，可與顯微鏡收集的圖像相媲美，并能更客觀地評估干細(xì)胞新療法對傷口愈合的益處。

傷口愈合過程包括出血、炎癥、增殖和重塑（上皮化）等相互重疊的階段

? 揭示愈合過程

在傷口愈合過程中，皮膚會(huì)經(jīng)歷炎癥、增殖（或遷移）和重塑的重疊階段。盡管出于倫理原因，急性傷口愈合的過程沒有在人體內(nèi)進(jìn)行研究，但它可以在活體外進(jìn)行近似模擬。用作 “活體外"傷口愈合的模型來自減容手術(shù)者捐贈(zèng)的皮膚，需要在受控條件下維持足夠長的時(shí)間，以研究其所涉及的分子機(jī)制，并評估旨在加速愈合的治療方法。

該模型的主要缺點(diǎn)是，傳統(tǒng)上需要破壞傷口，通過組織學(xué)檢查（HE）來評估愈合過程。為了研究一種傷口類型或治療方法，必須制作多個(gè)相同的傷口，并且在不同的時(shí)間點(diǎn)仔細(xì)地切片和染色，然后依次在顯微鏡下進(jìn)行檢查，以觀察舌上皮從傷口邊緣生長到覆蓋暴露的真皮層的距離。相比之下，OCT可以從開始到結(jié)束對同一傷口進(jìn)行無損監(jiān)測，從而消除了組織樣本和單個(gè)傷口之間的差異。由于傷口往往愈合不均勻，比如某些邊緣的閉合速度比其他邊緣更快，這一點(diǎn)尤其重要。

OCT可用于快速收集橫截面的縱向圖像，以揭示真皮的亞結(jié)構(gòu)，從中可以生成整個(gè)傷口的 3D體積或面內(nèi)圖像。這有助于更客觀地了解傷口愈合過程，而不是局限于特定的橫截面和樣品制備質(zhì)量。

? 評估OCT光譜儀的活體外應(yīng)用

在這項(xiàng)研究中評估了1300 nm的掃描源成像（SS-OCT）和850 nm的光譜域成像（SD-OCT） 是否能用于評估皮膚傷口的愈合。雖然兩個(gè)系統(tǒng)的成像深度相似（分別為2 mm和1.9 mm），但Wasatch Photonics的SD-OCT系統(tǒng)提供了比臨床SS-OCT系統(tǒng)更高的軸向分辨率（<3 μm）和橫向分辨率（<6 μm）。850 nm光譜域（SD-OCT）成像系統(tǒng)因其較短的工作波長可提供更高分辨率的OCT圖像，從而能更好地區(qū)分真皮結(jié)構(gòu)內(nèi)的不同組織類型。

Wasatch Photonics-OCT光譜儀系列

為了將OCT成像與組織學(xué)檢查（HE）進(jìn)行比較，我們制備了一系列相同的傷口樣本，其中一部分用rhEGF（重組表皮生長因子）處理。所有樣品均在37°C下培養(yǎng)，并在第0、4和 7 天收集一式三份樣本，使用每種技術(shù)進(jìn)行評估。通過組織學(xué)檢查（HE）評估的傷口在福爾馬林溶液中固定，包埋在石蠟中，然后從傷口邊緣到直徑最寬點(diǎn)切成8 µm的切片，用于染色和顯微鏡檢查。通過比較從傷口邊緣遷移的舌上皮的總數(shù)與傷口總直徑的百分比來計(jì)算愈合進(jìn)度。

1300 nm SS-OCT平面成像與愈合傷口上兩點(diǎn)的橫斷面組織分析的比較

在進(jìn)行OCT分析時(shí)，只需不到1分鐘的時(shí)間就能從傷口邊緣到另一個(gè)傷口邊緣的橫截面測量，并通過縱向掃描來構(gòu)建組織表面的正面傷口圖像。在這些“自上而下"的傷口視圖中，由于舌上皮會(huì)延伸到覆蓋在傷口中心暴露的真皮層，所以可以很容易區(qū)分完整的表皮和遷移的舌上皮。這樣就可以使用更客觀的面積計(jì)算來量化愈合情況，即傷口愈合傷口面積與原始傷口面積的百分比。

通過（a）組織學(xué)評估和（b）使用 Wasatch Photonics 800 nm OCT系統(tǒng)（c）對活體外人體傷口中的組織進(jìn)行觀察。圖中c=角質(zhì)化表皮；e=非角化舌上皮；p=乳頭狀真皮；r=網(wǎng)狀真皮。

與組織學(xué)檢查（HE）分析相比，OCT始終顯示出更高程度的再上皮化（愈合），這并不奇怪，因?yàn)?/span>OCT能夠呈現(xiàn)完整的傷口圖像，而不是僅從橫截面進(jìn)行推斷。盡管如此，數(shù)據(jù)顯示OCT和HE分析之間存在強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，并且在新傷口和已愈合的傷口數(shù)據(jù)幾乎一致，這驗(yàn)證了OCT是一種可行的分析技術(shù)。

使用Wasatch Photonics的800 nm SD-OCT系統(tǒng)獲得的橫截面圖像提供了足夠的分辨率和對比度，可以清楚地識別表皮、乳頭狀真皮和網(wǎng)狀真皮以及傷口床中遷移的上皮細(xì)胞。這種區(qū)分不同組織類型的能力，使得OCT在皮膚病學(xué)中的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對傷口愈合或新療法的評估范圍，還擴(kuò)展到了干細(xì)胞作用機(jī)制和再上皮化過程中表皮遷移的機(jī)制研究。OCT能夠以非侵入性方式提供快速、可重復(fù)的掃描，這為臨床前測試以及通過確定切片的最佳位置來指導(dǎo)深入的免疫組化分析帶來了巨大前景。

? 一種新型干細(xì)胞療法

經(jīng)過驗(yàn)證，OCT光譜儀是一種替代組織學(xué)分析的可行的 "光學(xué)活檢 "方法，Pastar的研究小組將這種新的成像模式用于分析異體人類脂肪衍生干細(xì)胞（ASC）在人類活體外傷口中的治療潛力。干細(xì)胞療法已顯示出治療疑難傷口的前景，但其使用可能存在爭議。然而，來自成人脂肪組織的干細(xì)胞不受這種限制，并且已被證明可以在從分化到血管生成的各個(gè)方面促進(jìn)傷口的愈合。

與之前描述的驗(yàn)證研究同步進(jìn)行的是，通過向新鮮傷口中心注射ASC，對一系列活體外傷口進(jìn)行處理。這些傷口也用OCT進(jìn)行了為期4天的監(jiān)測——這是活體外傷口愈合的指數(shù)階段。OCT成像發(fā)現(xiàn)所有接受ASC治療的傷口都會(huì)再上皮化，而介質(zhì)處理的對照傷口則顯示只有50%的傷口閉合。發(fā)現(xiàn)ASC治療傷口與rhEGF治療傷口在愈合上的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上意義，并通過識別表皮單層和分化層的橫截面OCT圖像證實(shí)了傷口閉合性的增強(qiáng)，這些結(jié)果表明了ASC促進(jìn)了再上皮化的能力。對于延伸到真皮層直徑為3 mm的傷口，單次ASC治療可顯著促進(jìn)愈合，OCT對此進(jìn)行了記錄。考慮到活體外傷口模型用于評估新療法的跟蹤記錄以及OCT在臨床前研究中的應(yīng)用能力，顯示使用OCT評估ASC療法在體內(nèi)傷口治療中具有巨大的潛力。

? 結(jié)論

通過對深度達(dá)2 mm、分辨率優(yōu)于10 μm活體外傷口進(jìn)行非破壞性成像，證明了OCT在人體傷口愈合無創(chuàng)監(jiān)測方面的可行性和*性。與組織學(xué)檢查相比，它不僅速度更快、可變性更小，而且還能在整個(gè)傷口愈合過程中進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并擁有足夠的分辨率來評估解剖學(xué)和病理學(xué)。這使OCT成為用于傷口愈合以及實(shí)驗(yàn)室和臨床環(huán)境里評估新型療法的一項(xiàng)很有潛力的技術(shù)。在研究用ASC治療傷口時(shí)，OCT發(fā)現(xiàn)僅4天后再上皮化就顯著增加，進(jìn)一步證明了OCT對傷口愈合領(lǐng)域具有重大貢獻(xiàn)的潛力。

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? 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.