OCT光譜儀在皮膚病學中的高清應用

皮膚是人體最大的器官，具有驚人的自愈能力，即使在受到嚴重損傷后也能自愈。皮膚作為我們抵御微生物和外界環境的主要屏障，了解皮膚的修復過程以及如何加速皮膚修復過程是至關重要的。OCT光譜儀提供了一種新穎、無損的方法來實現這一目標，它可以"窺視"皮膚下1-2mm的深度，并且分辨率優于10 μm。為了驗證這一潛在的應用，邁阿密大學Irena Pastar領導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。結果如何？OCT光譜儀能夠捕捉到詳細的傷口圖像，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，皮膚會經歷炎癥、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進行研究，但它可以在活體外進行近似模擬。用作 “活體外"傷口愈合的模型來自減容手術者捐贈的皮膚，需要在受控條件下維持足夠長的時間，以研究其所涉及的分子機制，并評估旨在加速愈合的治療方法。

該模型的主要缺點是，傳統上需要破壞傷口，通過組織學檢查（HE）來評估愈合過程。為了研究一種傷口類型或治療方法，必須制作多個相同的傷口，并且在不同的時間點仔細地切片和染色，然后依次在顯微鏡下進行檢查，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可以從開始到結束對同一傷口進行無損監測，從而消除了組織樣本和單個傷口之間的差異。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，以揭示真皮的亞結構，從中可以生成整個傷口的 3D體積或面內圖像。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量。

? 評估OCT光譜儀的活體外應用

在這項研究中評估了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。雖然兩個系統的成像深度相似（分別為2 mm和1.9 mm），但Wasatch Photonics的SD-OCT系統提供了比臨床SS-OCT系統更高的軸向分辨率（<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，從而能更好地區分真皮結構內的不同組織類型。

Wasatch Photonics-OCT光譜儀系列

為了將OCT成像與組織學檢查（HE）進行比較，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，并在第0、4和 7 天收集一式三份樣本，使用每種技術進行評估。通過組織學檢查（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與傷口總直徑的百分比來計算愈合進度。

1300 nm SS-OCT平面成像與愈合傷口上兩點的橫斷面組織分析的比較

在進行OCT分析時，只需不到1分鐘的時間就能從傷口邊緣到另一個傷口邊緣的橫截面測量，并通過縱向掃描來構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，由于舌上皮會延伸到覆蓋在傷口中心暴露的真皮層，所以可以很容易區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）組織學評估和（b）使用 Wasatch Photonics 800 nm OCT系統（c）對活體外人體傷口中的組織進行觀察。圖中c=角質化表皮；e=非角化舌上皮；p=乳頭狀真皮；r=網狀真皮。

與組織學檢查（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，因為OCT能夠呈現完整的傷口圖像，而不是僅從橫截面進行推斷。盡管如此，數據顯示OCT和HE分析之間存在強烈的正相關關系，并且在新傷口和已愈合的傷口數據幾乎一致，這驗證了OCT是一種可行的分析技術。

使用Wasatch Photonics的800 nm SD-OCT系統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、乳頭狀真皮和網狀真皮以及傷口床中遷移的上皮細胞。這種區分不同組織類型的能力，使得OCT在皮膚病學中的應用遠遠超出了對傷口愈合或新療法的評估范圍，還擴展到了干細胞作用機制和再上皮化過程中表皮遷移的機制研究。OCT能夠以非侵入性方式提供快速、可重復的掃描，這為臨床前測試以及通過確定切片的最佳位置來指導深入的免疫組化分析帶來了巨大前景。

? 一種新型干細胞療法

經過驗證，OCT光譜儀是一種替代組織學分析的可行的 "光學活檢 "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胞（ASC）在人類活體外傷口中的治療潛力。干細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方面促進傷口的愈合。

與之前描述的驗證研究同步進行的是，通過向新鮮傷口中心注射ASC，對一系列活體外傷口進行處理。這些傷口也用OCT進行了為期4天的監測——這是活體外傷口愈合的指數階段。OCT成像發現所有接受ASC治療的傷口都會再上皮化，而介質處理的對照傷口則顯示只有50%的傷口閉合。發現ASC治療傷口與rhEGF治療傷口在愈合上的差異具有統計學上意義，并通過識別表皮單層和分化層的橫截面OCT圖像證實了傷口閉合性的增強，這些結果表明了ASC促進了再上皮化的能力。對于延伸到真皮層直徑為3 mm的傷口，單次ASC治療可顯著促進愈合，OCT對此進行了記錄。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用能力，顯示使用OCT評估ASC療法在體內傷口治療中具有巨大的潛力。

? 結論

通過對深度達2 mm、分辨率優于10 μm活體外傷口進行非破壞性成像，證明了OCT在人體傷口愈合無創監測方面的可行性和*性。與組織學檢查相比，它不僅速度更快、可變性更小，而且還能在整個傷口愈合過程中進行連續監測，并擁有足夠的分辨率來評估解剖學和病理學。這使OCT成為用于傷口愈合以及實驗室和臨床環境里評估新型療法的一項很有潛力的技術。在研究用ASC治療傷口時，OCT發現僅4天后再上皮化就顯著增加，進一步證明了OCT對傷口愈合領域具有重大貢獻的潛力。

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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.