利用OMAG技术对人面部皮肤痤疮病变发展和瘢痕形成进行高分辨率成像

痤疮是一种常见的皮肤病且常会产生疤痕。痤疮炎症引起的胶原蛋白和其他组织损伤会导致皮肤纹理和微血管发生永久性变化。来自美国和土耳其的研究人员证明使用基于光学相干断层扫描的微血管造影技术（OMAG），检测了痤疮病变开始和瘢痕形成发展期间，面部皮肤的三维结构和微血管特征，实现了毛细血管水平的血管及病变周围的重塑血管可视化。同时发现血管密度变化可作为评估痤疮病变程度的依据，为痤疮诊断、治疗及临床研究提供了新的见解。该研究成果以“High resolution imaging of acne lesion developmentand scarring in human facial skin using OCT-based microangiography”为题发表于Lasers Surg Med.。

 

研究背景

 

痤疮是一种常见的慢性皮肤炎症疾病，11-30岁阶段大多数人都会发生，非常影响生活质量。痤疮主要出现在面部、胸部、上臂和背部等皮脂腺丰富的区域，产生原因可总结为：雄激素活跃致使皮脂分泌增加、毛囊过度角质化以及毛囊内痤疮丙酸杆菌增殖，还有炎症反应，然而确切发病机制尚不明确。同时对于痤疮严重程度的评估，也还没有一个普遍接受的分级系统。

 

现有用于评估皮肤疾病的非侵入性技术有很多，毛细血管镜已被用于直接观察甲襞下毛细血管，但其光穿透性非常有限，尤其是对于皮肤较暗的受试者。共焦显微镜分辨率高，但也受光穿透程度影响。光学偏振敏感成像能够用于评估重症脓毒症患者的舌下微循环，但无法详细研究皮肤微血管变化。激光多普勒成像利用多普勒效应，能够对血管成像，曾用于评估烧伤、皮肤炎症、伤口愈合和皮肤溃疡，但针对毛细血管的成像分辨率有限。高分辨率超声成像工具虽然可以50–100 μm的分辨率穿透更深的组织，可仍然无法分辨通常在30 μm以下的毛细血管。

 

光学相干断层扫描（OCT）能够克服现有技术的弱点，能够以高分辨率（1 μm）和深度（1-3 mm）对体内微结构进行实时成像，在皮肤病学领域获得了越来越多的关注。它能精确细描绘出伤口再上皮化、真皮表皮连接重塑、新形成的表皮增厚、真皮重塑等过程。到目前为止，OCT已经成功用于研究非黑色素瘤基底细胞癌、光化性角化病、炎性疾病、量化皮肤结构变化和监测治疗效果，以及人类皮肤伤口愈合。此外，随着光学微血管造影（OMAG）技术的开发和发展，实现了对体内微循环系统的成像，ultrahigh-sensitive OMAG技术甚至可达毛细血管水平。目前OMAG技术已被广泛用于研究各种生物组织的微血管系统，如银屑病患者的血管异常、啮齿动物的皮肤伤口愈合、小鼠的脑微血管、人手指的毛细血管形态成像，以及微血管对胶带剥离引起的炎症反应的应答。

 

本研究使用OCT系统（SL1310V1-10048, Thorlabs Inc.）和OMAG技术对一名27岁男性受试者的痤疮进行成像并分析，以跟踪人体内痤疮病变发展和瘢痕形成过程中的微血管和结构变化。旨在探索OMAG检测痤疮病变过程中微血管变化的可行性，并试图根据微血管的情况来评估痤疮治疗情况以及严重程度。


 

图1 用于痤疮成像的swept-source COT（SS-OCT）系统。（A）连接在铰接臂上的探针。（B）SS-OCT系统的用户界面。（C）手推车上的便携式SS-OCT系统。

 

结果与讨论
 

01-痤疮病变部位的结构和微血管成像
 

与周围正常组织相比，痤疮区域的血管粗糙且排布较杂乱（图2B）。同时OCT结构图像能够更好地识别并定位痤疮病变边界。OCT能够区分出由胶原引起的皮肤光学特征改变或由炎症引起的其他组织损伤。图2C中，中间较浅的颜色代表受炎症影响的区域。表皮层的紊乱使光射向主要由炎性细胞和水组成的水肿区，如图2G-H中红色虚线所示。由于与周围组织相比，水肿区的光散射更少，因此看上去更浅。
 

因此痤疮会影响炎症阶段的微循环网络，可能是由于表皮层内形成水肿，而水肿又会阻塞或损坏真皮中的微血管。

图2 痤疮病变炎症阶段的图像。（A）用于成像的痤疮病变，蓝色虚线内为成像区域。（B）0-1 mm深度的微血管图像。（C）OCT结构图像。（D）B和C的叠加图。（E）3D渲染的OCT结构图像（橙色）与脉管系统（绿色）的叠加图。（F，G）微血管和结构的横截面图，对应B和C的黄色虚线位置。（H）F和G的叠加图。比例尺0.4 mm。
 

02-监测痤疮病变的发展和瘢痕形成
 

痤疮瘢痕形成涉及微血管变化和最初痤疮病变中的纤维化。为检测这些变化，在图2痤疮发展两周后，对同一痤疮病变再次进行了OCT成像（图3）。可见增生性瘢痕和微血管密集，可能是真皮失衡被破坏导致。此外还可见表皮-真皮连接重建以及新血管发育。

图3 痤疮瘢痕形成阶段的成像图。（A）用于成像的痤疮。（B）0-1 mm深度的微血管图像。（C）OCT结构图像。（D）B和C的叠加图。（E）3D渲染的OCT结构图像（橙色）与脉管系统（绿色）叠加图。（F,G）微血管和结构的截面图，对应B和C虚线位置。（H）F和G的叠加图。比例尺1 mm。

 

为了能够将瘢痕形成过程与健康状态进行比较，对痤疮痊愈的皮肤进行了同样成像（图4）。发现微循环网络不像健康组织中那么致密，结构图像中也观察到纤维化。


 

图4 痤疮痊愈后的健康皮肤。（A）成像区域的照片。（B）0-1 mm深度的微血管图像。（C）OCT结构图像。（D）B和C的叠加图。（E）3D渲染的OCT结构（橙色）与脉管系统（绿色）叠加图。（F,G）分别为微血管和和结构的截面图，对应图B和C虚线位置。（H）F和G的叠加图。比例尺1 mm。
 

为了解从痤疮病变开始到瘢痕形成的转变，研究人员监测并比较了51天内痤疮病变的结构和微血管变化（图5），包括痤疮病变的照片图像（左上）、正面OCT结构AIP（右上）、深度编码的正面微血管MIP（左下）和微血管MIP（右下）。
 

此外，研究人员采用血管分割算法计算了每天的血管密度并绘制在图5中，作为痤疮瘢痕形成的定量生物标记。结果发现在炎症引起的损伤后，痤疮病变区域的血管密度增加，在后期阶段减少，这与伤口愈合过程一致。
 

 图5 微血管和结构随时间变化的图像。图表为血管密度随时间的变化情况。比例尺1 mm。

 

研究小结
 

痤疮是一种令人痛苦的皮肤病，本研究通过OCT和OMAG技术监测了痤疮病变发展和瘢痕形成过程中微循环网络和结构的变化，发现痤疮病变能够影响炎症阶段的微循环网络，表皮层内形成水肿，水肿会阻塞或损害真皮中的微血管，而真皮平衡遭到破坏会引起微血管密集和增生性瘢痕。在痤疮愈合过程结束时，微循环网络变得不像在健康组织中那样致密，且可以观察到纤维化。此外通过对同一痤疮病变的连续监控，研究人员认为血管密度可用作痤疮严重程度分级和治疗效果评估的生物标志物。

OMAG可用于监测痤疮病变发展和瘢痕形成过程，因此我们可以期待其在各种皮肤病治疗和诊断临床试验中可能起到的帮助和促进作用，随着研究和技术的发展，OMAG技术必将帮助我们阐明痤疮的复杂发病机制，改善临床管理、改进治疗方案。

参考文献：Baran, Utku , et al. "High resolution imaging of acne lesion development and scarring in human facial skin using OCT-based microangiography. " Lasers in Surgery & Medicine 47.3(2015):231-238.