利用OCTA檢測(cè)紫外線誘發(fā)的急性皮膚反應(yīng)

紫外線為長(zhǎng)期照射致癌物，也是引發(fā)皮膚癌的重要危險(xiǎn)因素。臺(tái)灣研究人員Chen Wenju等使用光學(xué)相干斷層掃描/光學(xué)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(duì)皮膚的影響。對(duì)三組動(dòng)物以不同功率密度照射以探究急性反應(yīng)與UV照射功率密度之間的關(guān)系。UV照射期間用OCT重復(fù)掃描同一皮膚區(qū)域，研究誘發(fā)的急性反應(yīng)的進(jìn)展，并在照射后觀察皮膚恢復(fù)情況。對(duì)OCT/OCTA結(jié)果進(jìn)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(duì)形態(tài)學(xué)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(yán)重?fù)p傷類(lèi)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(yán)重程度，并可監(jiān)測(cè)皮膚的恢復(fù)情況。證明OCT可以用于早期檢測(cè)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(yáng)輻射有很大概率會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生不利影響，可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致皮膚癌，如基底/鱗狀細(xì)胞癌（BCC/SCC）和皮膚惡性黑色素瘤。過(guò)多的紫外線（UV）照射會(huì)使皮膚細(xì)胞DNA受損，導(dǎo)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(gè)關(guān)鍵因素。UV光譜范圍從10到400nm，大致可分為三個(gè)子帶：UVA、UVB和UVC。關(guān)于UV輻射的長(zhǎng)期影響已有較深入的研究，如長(zhǎng)期暴露在UVA射線下會(huì)使皮膚細(xì)胞老化得更快，并對(duì)DNA造成損傷。UVB射線也會(huì)造成DNA損傷，長(zhǎng)期照射可能會(huì)進(jìn)一步引發(fā)皮膚癌。而太陽(yáng)光中的UVC成分會(huì)被大氣阻擋，因此UVA和UVB是長(zhǎng)期輻射導(dǎo)致皮膚損傷和癌癥的主要原因，光譜范圍覆蓋280-400nm。

 光學(xué)相干斷層掃描（OCT）可接收來(lái)自生物組織的反向散射或反射信號(hào)，以對(duì)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(jìn)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(yīng)用于皮膚病學(xué)應(yīng)用，如皮膚癌、激光治療、化妝品和皮膚病。在使用OCT對(duì)因陽(yáng)光和光化性角化病引起的皮膚損傷研究中發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)光損傷皮膚的表皮層厚度增加，導(dǎo)致沿組織深度的衰減更強(qiáng)。此外，統(tǒng)計(jì)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(píng)估皮膚狀況的一個(gè)有前景的指標(biāo)。Gambichler等人使用OCT和組織學(xué)研究UVA1/UVB誘發(fā)的急性皮膚反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)波紫外線和短波紫外線照射對(duì)表皮厚度都有影響。

 雖然上述研究使用OCT來(lái)研究UV引起的皮膚損傷和曬傷，但有關(guān)輻射功率對(duì)損傷的依賴(lài)性、UV輻射的急性反應(yīng)和UV輻射后的皮膚恢復(fù)還沒(méi)有很深入的研究。本研究報(bào)告了使用OCT和OCTA研究不同功率密度的UV照射對(duì)皮膚的急性影響。比較不同時(shí)間點(diǎn)（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(shí)驗(yàn)動(dòng)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(yīng)，實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(shí)間為9min，相應(yīng)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(zhǔn)直器；DC:色散補(bǔ)償器；M:鏡子；G:雙軸振鏡；SL:掃描鏡頭。
 

 結(jié)果

 首先進(jìn)行功率密度0.14W/cm²的UV照射，在不同時(shí)間點(diǎn)用OCT重復(fù)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(shí)別出不同的皮膚層，如表皮、真皮和耳軟骨。隨著照射時(shí)間增加，皮膚結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化。除研究UV照射期間的急性反應(yīng)外，還連續(xù)掃描了同一皮膚區(qū)域以觀察恢復(fù)過(guò)程（圖2h-k）。同樣在低功率密度UV照射后，皮膚微結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的急性反應(yīng)。
    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(fù)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(yīng)OCTA結(jié)果，按深度進(jìn)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(rèn)，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(dǎo)致血流量增加，進(jìn)一步導(dǎo)致血管擴(kuò)張，呈發(fā)紅癥狀。隨著照射時(shí)間增加，以黃綠色表示的更深的血管顯現(xiàn)出來(lái)。這也是由于UV照射引起的血流量增加，導(dǎo)致血管擴(kuò)張。然而UV照射解除后這種血管擴(kuò)張逐漸消退。圖3j-m為圖2h-k的相應(yīng)OCTA結(jié)果，圖像顯示UV照射對(duì)微循環(huán)的急性影響在24h后消失，說(shuō)明這種低功率密度照射只對(duì)血管造成暫時(shí)影響，這種影響在一天內(nèi)可以消退。  圖3圖2中相應(yīng)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(jìn)行跟蹤觀察。

 隨后將UV照射的功率密度增加到0.61W/cm²，重復(fù)相同實(shí)驗(yàn)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(shí)別照射前后的差異。此外用OCT監(jiān)測(cè)了UV照射后的恢復(fù)過(guò)程，結(jié)果表明當(dāng)照射功率密度增加到0.61 W/cm²時(shí)，皮膚微觀結(jié)構(gòu)沒(méi)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(yīng)的OCTA結(jié)果，按深度進(jìn)行顏色編碼。圖5a-g和5j-m分別為圖4a-g和4h-k的對(duì)應(yīng)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(lèi)似，黃綠色所示的更深處血管在UV照射后出現(xiàn)，并隨時(shí)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(jiàn)，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(duì)同一皮膚區(qū)域重復(fù)成像，以研究皮膚恢復(fù)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(shuō)明UV照射后4天，急性反應(yīng)顯著緩解。
    圖5圖4中相應(yīng)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(jìn)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(qiáng)度開(kāi)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(dǎo)致了較強(qiáng)的衰減。結(jié)果表明較高功率密度的UV照射會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的損傷類(lèi)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(qiáng)紫外線照射引起的水泡。


 圖7為圖6的相應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)致OCT信號(hào)較弱，很難進(jìn)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(lái)檢測(cè)。這里沒(méi)有顯示跟蹤結(jié)果，因?yàn)樗�泡隨著時(shí)間的推移而變大，血管造影比較困難。   圖7圖6中相應(yīng)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(yīng)白光照片。對(duì)于0.14和0.61W/cm²較低功率密度，肉眼觀察急性反應(yīng)不明顯。然而當(dāng)施加2.18W/cm²的高功率能量時(shí)，圖8f中可以發(fā)現(xiàn)紅斑。與相應(yīng)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(xì)節(jié)，而在較低功率密度作用下，用肉眼難以識(shí)別這些細(xì)節(jié)。表明OCT可用于早期檢測(cè)UV引起的急性皮膚反應(yīng)。  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(jìn)一步定量研究UV照射引起的急性反應(yīng)，評(píng)估了皮膚厚度和血管密度。根據(jù)OCT圖像估計(jì)小鼠耳朵皮膚的總厚度（圖2a）。從每個(gè)2D截面OCT圖像中手動(dòng)選擇21個(gè)不同位置的A-scan，確定各個(gè)A-scna位置小鼠皮膚頂表面和底表面之間的厚度。將每個(gè)2D OCT圖像中這21個(gè)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(guò)選擇各組每個(gè)OCTA圖像中的三個(gè)子區(qū)域（圖3、5和7中彩色方塊）來(lái)計(jì)算。每個(gè)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(jì)結(jié)果。圖9a中，UV照射期間皮膚厚度沒(méi)有顯著變化，但照射后增加。當(dāng)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(yīng)引起水腫，導(dǎo)致皮膚厚度增加。此外高功率密度UV照射導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致更嚴(yán)重的損傷類(lèi)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(jì)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(kāi)始降低。4天后，血管密度可恢復(fù)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(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的皮膚反應(yīng)。但結(jié)果也表明這種急性反應(yīng)可在4天內(nèi)消退。對(duì)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(kāi)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(dǎo)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(hào)衰減更嚴(yán)重。然而結(jié)果證明OCT和OCTA能夠評(píng)估UV對(duì)微結(jié)構(gòu)和微循環(huán)的影響，并且還可以檢測(cè)到引發(fā)的更嚴(yán)重的損傷類(lèi)型，如水泡。   圖10圖3、圖5和圖7的血管密度估計(jì)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(jìn)一步研究皮膚厚度和微循環(huán)的變化，分析了動(dòng)物（每組n = 5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于各小鼠的皮膚厚度和血管密度不同，除絕對(duì)值外，還估計(jì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)偏差變大。單向方差分析（ANOVA）評(píng)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(jì)顯著性，顯示差異是靜態(tài)顯著的（圖11a）。對(duì)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(biāo)準(zhǔn)偏差明顯變大，這可能是由于個(gè)體間誘發(fā)紅斑的嚴(yán)重程度差異。對(duì)于圖11b中的2.18 W/cm²曲線，PC值在照射6min后開(kāi)始降低，是由于出現(xiàn)了限制光學(xué)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(yīng)。用不同功率密度進(jìn)行照射，并研究其誘發(fā)的急性反應(yīng)。此外還研究了UV照射過(guò)程中的皮膚反應(yīng)進(jìn)展，以及照射后的皮膚恢復(fù)進(jìn)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(dǎo)致血管密度增加。結(jié)果還表明低功率密度對(duì)微循環(huán)的急性影響可在幾天內(nèi)恢復(fù)，但皮膚厚度恢復(fù)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。相比之下，高功率密度可能會(huì)造成更嚴(yán)重的損傷類(lèi)型，如水泡和皮膚腫脹。這種水泡結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致皮膚厚度增加及OCT信號(hào)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(cè)UV誘發(fā)的急性反應(yīng)，并監(jiān)測(cè)UV損傷后皮膚的恢復(fù)情況。
 

 

參考文獻(xiàn)：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.