利用OCTA檢測紫外線誘發(fā)的急性皮膚反應

紫外線為長期照射致癌物，也是引發(fā)皮膚癌的重要危險因素。臺灣研究人員Chen Wenju等使用光學相干斷層掃描/光學相干斷層掃描血管造影術(shù)（OCT/OCTA），體內(nèi)研究了急性紫外線（UV）照射對皮膚的影響。對三組動物以不同功率密度照射以探究急性反應與UV照射功率密度之間的關(guān)系。UV照射期間用OCT重復掃描同一皮膚區(qū)域，研究誘發(fā)的急性反應的進展，并在照射后觀察皮膚恢復情況。對OCT/OCTA結(jié)果進行定量分析，獲得用于比較的皮膚厚度和血管密度。OCT/OCTA結(jié)果可確定UV對形態(tài)學和微循環(huán)的急性影響：皮膚厚度和血管密度增加，甚至出現(xiàn)嚴重損傷類型如水泡。定量分析結(jié)果表明OCT可以區(qū)分UV照射引起的損傷的嚴重程度，并可監(jiān)測皮膚的恢復情況。證明OCT可以用于早期檢測UV引起的急性皮膚損傷。文章以“In vivo detection of UV-induced acute skin effects using optical coherencetomography”為題發(fā)表于Biomedical Optics Express。

 背景

 已知暴露于太陽輻射有很大概率會對皮膚產(chǎn)生不利影響，可能會進一步導致皮膚癌，如基底/鱗狀細胞癌（BCC/SCC）和皮膚惡性黑色素瘤。過多的紫外線（UV）照射會使皮膚細胞DNA受損，導致基因突變，而這是引發(fā)非黑色素瘤皮膚癌和BCC/SCC的一個關(guān)鍵因素。UV光譜范圍從10到400nm，大致可分為三個子帶：UVA、UVB和UVC。關(guān)于UV輻射的長期影響已有較深入的研究，如長期暴露在UVA射線下會使皮膚細胞老化得更快，并對DNA造成損傷。UVB射線也會造成DNA損傷，長期照射可能會進一步引發(fā)皮膚癌。而太陽光中的UVC成分會被大氣阻擋，因此UVA和UVB是長期輻射導致皮膚損傷和癌癥的主要原因，光譜范圍覆蓋280-400nm。

 光學相干斷層掃描（OCT）可接收來自生物組織的反向散射或反射信號，以對其二維/三維微結(jié)構(gòu)成像。由于OCT是基于生物組織的散射特性，因此不需要額外的熒光染料或造影劑。除獲得組織結(jié)構(gòu)外，OCT也可進行功能成像，包括確定血流速度、血管造影、雙折射和彈性。OCT已廣泛應用于皮膚病學應用，如皮膚癌、激光治療、化妝品和皮膚病。在使用OCT對因陽光和光化性角化病引起的皮膚損傷研究中發(fā)現(xiàn)，陽光損傷皮膚的表皮層厚度增加，導致沿組織深度的衰減更強。此外，統(tǒng)計比較正常、日光損傷和光化性角化病皮膚的厚度，發(fā)現(xiàn)厚度可能是評估皮膚狀況的一個有前景的指標。Gambichler等人使用OCT和組織學研究UVA1/UVB誘發(fā)的急性皮膚反應，發(fā)現(xiàn)長波紫外線和短波紫外線照射對表皮厚度都有影響。

 雖然上述研究使用OCT來研究UV引起的皮膚損傷和曬傷，但有關(guān)輻射功率對損傷的依賴性、UV輻射的急性反應和UV輻射后的皮膚恢復還沒有很深入的研究。本研究報告了使用OCT和OCTA研究不同功率密度的UV照射對皮膚的急性影響。比較不同時間點（UV照射期間和之后）獲得的OCT和OCTA結(jié)果，探究UV照射引起的顯微結(jié)構(gòu)和微循環(huán)變化。最后定量分析了不同功率密度UV照射后的皮膚厚度和血管密度。

 研究使用掃頻OCT（SS-OCT）系統(tǒng)（圖1），掃描帶寬為100nm的1060nm掃描源（SSOCT-1060，AXSUN Technologies Inc., MA, USA），空氣中縱向分辨率5μm。干涉儀樣品臂中插入的掃描透鏡（LSM02-BB，Thorlabs Inc., NJ, USA）可提供約6 μm的橫向分辨率。掃描源的掃描速率為100 kHz，提供100 Hz的幀速率。

 7-8周齡小鼠（C57野生型）作實驗動物。異氟醚麻醉并固定，照射耳朵。為研究不同功率密度下的急性反應，實驗動物分為三組（每組n = 5）：第1組暴露于0.14W/cm²的功率密度，第2組0.61 W/cm²，第3組2.18 W/cm²。每組照射時間為9min，相應的能量密度分別為75.6、329.4和1177.2 J/cm²。  圖1結(jié)合UV照射設(shè)備的OCT裝置示意圖。C:準直器；DC:色散補償器；M:鏡子；G:雙軸振鏡；SL:掃描鏡頭。
 

 結(jié)果

 首先進行功率密度0.14W/cm²的UV照射，在不同時間點用OCT重復掃描同一皮膚區(qū)域。圖2a-g為皮膚區(qū)域的2D OCT圖像，分別為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。圖2a中可識別出不同的皮膚層，如表皮、真皮和耳軟骨。隨著照射時間增加，皮膚結(jié)構(gòu)沒有明顯變化。除研究UV照射期間的急性反應外，還連續(xù)掃描了同一皮膚區(qū)域以觀察恢復過程（圖2h-k）。同樣在低功率密度UV照射后，皮膚微結(jié)構(gòu)沒有明顯的急性反應。
    圖2小鼠耳部皮膚的體內(nèi)OCT圖像。（a）UV照射前；UV照射（b）1.5min，（c）3min，（d）4.5min，（e）6min，（f）7.5min和（g）9min分鐘。在照射后（h）1天，（i）2天，（j）3天和（k）4天重復掃描同一皮膚區(qū)域，用于跟蹤觀察。黃色箭頭表示不同的層結(jié)構(gòu)，包括表皮（EP）、真皮（D）和耳軟骨（AC）。TS:頂面，RS:背面。

 圖3為圖2相應OCTA結(jié)果，按深度進行了顏色編碼，圖像覆蓋物理范圍3 × 3 mm²。圖3a為UV照射前，而圖3b-g分為UV照射1.5、3、4.5、6、7.5和9min后的OCTA結(jié)果。圖3h和i示為圖3a和g中金色框區(qū)域的放大圖。與圖3a相比，血管尺寸和密度在UV照射后增加，圖3h和i中也可以確認，紅色箭頭表示不同直徑的同一根血管。血管直徑增加是由于UV照射引起皮膚炎癥，炎癥導致血流量增加，進一步導致血管擴張，呈發(fā)紅癥狀。隨著照射時間增加，以黃綠色表示的更深的血管顯現(xiàn)出來。這也是由于UV照射引起的血流量增加，導致血管擴張。然而UV照射解除后這種血管擴張逐漸消退。圖3j-m為圖2h-k的相應OCTA結(jié)果，圖像顯示UV照射對微循環(huán)的急性影響在24h后消失，說明這種低功率密度照射只對血管造成暫時影響，這種影響在一天內(nèi)可以消退。  圖3圖2中相應的彩色編碼投影視圖OCTA結(jié)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）為金色方框區(qū)域的放大圖。在UV照射后（j）1天、（k）2天、（l）3天和（m）4天連續(xù)掃描同一皮膚區(qū)域進行跟蹤觀察。

 隨后將UV照射的功率密度增加到0.61W/cm²，重復相同實驗程序。圖4a-g分別為照射前和照射1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0min后的OCT圖像。圖4中的OCT圖像結(jié)果與圖2相似，用肉眼很難識別照射前后的差異。此外用OCT監(jiān)測了UV照射后的恢復過程，結(jié)果表明當照射功率密度增加到0.61 W/cm²時，皮膚微觀結(jié)構(gòu)沒有顯著變化。  圖4小鼠耳部皮膚的體內(nèi)OCT圖像。（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天掃描相同皮膚區(qū)域，用于跟蹤觀察。黃色箭頭表示不同層結(jié)構(gòu)。

 圖5為相應的OCTA結(jié)果，按深度進行顏色編碼。圖5a-g和5j-m分別為圖4a-g和4h-k的對應OCTA圖像。圖5g和5a中金色方框區(qū)域血管被放大并比較（圖5i和h）。與圖3結(jié)果類似，黃綠色所示的更深處血管在UV照射后出現(xiàn)，并隨時間逐漸消失。表明由于皮膚炎癥，一些血管在UV照射后變得可見，意味著較高功率密度的UV照射引發(fā)皮膚炎癥，增加了血管的大小和密度。此外用OCT對同一皮膚區(qū)域重復成像，以研究皮膚恢復情況。圖5j中血管密度降低，圖5m顯示了與圖5a相似的微血管模式，說明UV照射后4天，急性反應顯著緩解。
    圖5圖4中相應的彩色編碼OCTA結(jié)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）為金色正方框區(qū)域的放大圖。UV照射后（j）1天、（k）2天、（l）3天和（m）4天連續(xù)掃描同一皮膚區(qū)域進行跟蹤觀察。

 第3組UV照射功率密度增加到2.18W/cm²。圖6a-g為照射前和照射1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0min的小鼠耳部皮膚2D OCT圖像。如圖6f和6g中白色箭頭所示，照射6min后小鼠耳朵皮膚的反向散射強度開始變?nèi)酢?h后用OCT掃描同一皮膚區(qū)域（圖6h），與圖6a相比，表皮和真皮的厚度顯著增加。此外如圖6h中白色箭頭所示，水泡的出現(xiàn)使較弱的反向散射面積增加，這也導致了較強的衰減。結(jié)果表明較高功率密度的UV照射會導致更嚴重的損傷類型，如水泡和炎癥。
 圖6 小鼠耳部皮膚的體內(nèi)OCT圖像。（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）紫外線照射后1h掃描同一皮膚區(qū)域。黃色箭頭表示不同的層結(jié)構(gòu)，包括表皮、真皮和耳軟骨。（f）–（h）中的白色箭頭表示強紫外線照射引起的水泡。


 圖7為圖6的相應OCTA結(jié)果。同樣，血管分布在1.5min照射后變得更密集，但在7.5min照射后減少。如圖6所示，水泡增加了光吸收并限制了光穿透，導致OCTA結(jié)果模糊。由于在同一區(qū)域獲得的連續(xù)B-scan之間的散斑方差用于獲得OCTA圖像，由于水泡引起的衰減導致OCT信號較弱，很難進行血管造影。因此如圖7g所示，在7.5min照射后，血管密度降低。然而水泡的出現(xiàn)可以用OCT/OCTA來檢測。這里沒有顯示跟蹤結(jié)果，因為水泡隨著時間的推移而變大，血管造影比較困難。   圖7圖6中相應的彩色編碼OCTA結(jié)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）紫外線照射后1h掃描同一皮膚區(qū)域。

 圖8為圖3、5、7在UV照射前（圖8a-c），及UV照射停止后1h（圖8d-f）的相應白光照片。對于0.14和0.61W/cm²較低功率密度，肉眼觀察急性反應不明顯。然而當施加2.18W/cm²的高功率能量時，圖8f中可以發(fā)現(xiàn)紅斑。與相應的照片相比，OCT結(jié)果（如圖3、圖5和圖7）可顯示出微循環(huán)和紅斑的細節(jié)，而在較低功率密度作用下，用肉眼難以識別這些細節(jié)。表明OCT可用于早期檢測UV引起的急性皮膚反應。  圖8 分別為UV照射前和照射停止后1h的白光照片。紅色方塊表示OCT區(qū)域。
  為進一步定量研究UV照射引起的急性反應，評估了皮膚厚度和血管密度。根據(jù)OCT圖像估計小鼠耳朵皮膚的總厚度（圖2a）。從每個2D截面OCT圖像中手動選擇21個不同位置的A-scan，確定各個A-scna位置小鼠皮膚頂表面和底表面之間的厚度。將每個2D OCT圖像中這21個橫向位置的小鼠皮膚厚度平均，獲得皮膚厚度平均值。平均血管密度通過選擇各組每個OCTA圖像中的三個子區(qū)域（圖3、5和7中彩色方塊）來計算。每個正方形面積約為1mm²。圖9和10分別為皮膚厚度和血管密度的估計結(jié)果。圖9a中，UV照射期間皮膚厚度沒有顯著變化，但照射后增加。當功率密度增加到0.61W/cm²（圖9b），UV照射期間及照射后皮膚厚度均逐漸增加。與前兩種情況相比，圖9c皮膚厚度在6min照射后略微增加，并在7.5min照射后顯著增加。即使照射停止后，厚度也繼續(xù)增加，即UV照射誘發(fā)的急性皮膚反應引起水腫，導致皮膚厚度增加。此外高功率密度UV照射導致水泡出現(xiàn)，皮膚厚度明顯變得更厚（圖9c）。結(jié)果表明UV照射導致皮膚增厚，這種急性影響不能在幾天內(nèi)減輕。此外高功率密度的輻射導致更嚴重的損傷類型，如水泡，使皮膚腫脹和發(fā)炎。  圖9 從圖2、圖4和圖6得到的皮膚厚度的估計結(jié)果。UV照射的功率密度為（a） 0.14 W/cm²，（b） 0.61 W/cm²，（c） 2.18 W/cm²。

 三種功率密度的平均血管密度如圖10所示。從圖10a可以發(fā)現(xiàn)血管密度在UV照射期間逐漸增加（9min內(nèi)從27.2%增加到32.2%），但在照射后開始降低。4天后，血管密度可恢復到UV照射前的水平。與圖10a相比，圖10b顯示照射期間血管密度顯著增加（9min內(nèi)從26.3%增加到38.1%），這意味著以更高的功率密度照射會導致更嚴重的皮膚反應。但結(jié)果也表明這種急性反應可在4天內(nèi)消退。對于最高功率密度，血管密度也在1.5min照射下增加（從38.2%增加到46.1%），但在6min照射下開始降低，與圖9c結(jié)果一致，即血管密度下降是由于水泡的出現(xiàn)，導致衰減和OCTA模糊。即使在照射停止1h后，水泡尺寸還在不斷增加，使OCT信號衰減更嚴重。然而結(jié)果證明OCT和OCTA能夠評估UV對微結(jié)構(gòu)和微循環(huán)的影響，并且還可以檢測到引發(fā)的更嚴重的損傷類型，如水泡。   圖10圖3、圖5和圖7的血管密度估計結(jié)果。UV照射的功率密度為（a）0.14 W/cm²，（b）0.61 W/cm²，（c）2.18 W/cm²。

 為進一步研究皮膚厚度和微循環(huán)的變化，分析了動物（每組n = 5）實驗結(jié)果。由于各小鼠的皮膚厚度和血管密度不同，除絕對值外，還估計了皮膚厚度/血管密度的變化百分比（PC），即原始值的百分比變化。圖11a和b為三個功率密度組皮膚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照射期間（圖11a），PC值略微增加，并在照射停止后繼續(xù)增加。相反，在用2.18W/cm²功率密度照射6min后，由于出現(xiàn)水泡，PC值迅速增加。此外在照射9min后和照射后1h，由于產(chǎn)生的水泡大小不同，PC的標準偏差變大。單向方差分析（ANOVA）評估三種功率密度水平UV照射后1h，皮膚厚度PC值差異的統(tǒng)計顯著性，顯示差異是靜態(tài)顯著的（圖11a）。對于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值逐漸降低（圖11b）。此外血管密度結(jié)果的標準偏差明顯變大，這可能是由于個體間誘發(fā)紅斑的嚴重程度差異。對于圖11b中的2.18 W/cm²曲線，PC值在照射6min后開始降低，是由于出現(xiàn)了限制光學穿透的水泡以及模糊的OCTA結(jié)果。  圖11不同功率密度（0.14、0.61和2.18 W/cm²）下，（a）皮膚厚度和（b）血管密度的PC值。*表示p<0.05。

 結(jié)論

 本文演示了使用OCT/OCTA研究UV照射引起的急性皮膚反應。用不同功率密度進行照射，并研究其誘發(fā)的急性反應。此外還研究了UV照射過程中的皮膚反應進展，以及照射后的皮膚恢復進展情況。發(fā)現(xiàn)低功率密度的UV照射可能引發(fā)皮膚厚度增加和皮膚炎癥，導致血管密度增加。結(jié)果還表明低功率密度對微循環(huán)的急性影響可在幾天內(nèi)恢復，但皮膚厚度恢復需要更長的時間。相比之下，高功率密度可能會造成更嚴重的損傷類型，如水泡和皮膚腫脹。這種水泡結(jié)構(gòu)也導致皮膚厚度增加及OCT信號衰減，使OCTA圖像模糊。然而OCT和OCTA可以發(fā)現(xiàn)水泡。因此OCT/OCTA是一種很有前景的工具，可用于早期檢測UV誘發(fā)的急性反應，并監(jiān)測UV損傷后皮膚的恢復情況。
 

 

參考文獻：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.