紫外线为长期照射致癌物，也是引发皮肤癌的重要危险因素。台湾研究人员Chen
Wenju等使用光学相干断层扫描/光学相干断层扫描血管造影术（OCT/OCTA），体内研究了急性紫外线（UV）照射对皮肤的影响。对三组动物以不同功率密度照射以探究急性反应与UV照射功率密度之间的关系。UV照射期间用OCT重复扫描同一皮肤区域，研究诱发的急性反应的进展，并在照射后观察皮肤恢复情况。对OCT/OCTA结果进行定量分析，获得用于比较的皮肤厚度和血管密度。OCT/OCTA结果可确定UV对形态学和微循环的急性影响：皮肤厚度和血管密度增加，甚至出现严重损伤类型如水泡。定量分析结果表明OCT可以区分UV照射引起的损伤的严重程度，并可监测皮肤的恢复情况。证明OCT可以用于早期检测UV引起的急性皮肤损伤。文章以“In
vivo detection of UV-induced acute skin effects using optical
coherencetomography”为题发表于Biomedical Optics Express。
背景
已知暴露于太阳辐射有很大概率会对皮肤产生不利影响，可能会进一步导致皮肤癌，如基底/鳞状细胞癌（BCC/SCC）和皮肤恶性黑色素瘤。过多的紫外线（UV）照射会使皮肤细胞DNA受损，导致基因突变，而这是引发非黑色素瘤皮肤癌和BCC/SCC的一个关键因素。UV光谱范围从10到400nm，大致可分为三个子带：UVA、UVB和UVC。关于UV辐射的长期影响已有较深入的研究，如长期暴露在UVA射线下会使皮肤细胞老化得更快，并对DNA造成损伤。UVB射线也会造成DNA损伤，长期照射可能会进一步引发皮肤癌。而太阳光中的UVC成分会被大气阻挡，因此UVA和UVB是长期辐射导致皮肤损伤和癌症的主要原因，光谱范围覆盖280-400nm。
光学相干断层扫描（OCT）可接收来自生物组织的反向散射或反射信号，以对其二维/三维微结构成像。由于OCT是基于生物组织的散射特性，因此不需要额外的荧光染料或造影剂。除获得组织结构外，OCT也可进行功能成像，包括确定血流速度、血管造影、双折射和弹性。OCT已广泛应用于皮肤病学应用，如皮肤癌、激光治疗、化妆品和皮肤病。在使用OCT对因阳光和光化性角化病引起的皮肤损伤研究中发现，阳光损伤皮肤的表皮层厚度增加，导致沿组织深度的衰减更强。此外，统计比较正常、日光损伤和光化性角化病皮肤的厚度，发现厚度可能是评估皮肤状况的一个有前景的指标。Gambichler等人使用OCT和组织学研究UVA1/UVB诱发的急性皮肤反应，发现长波紫外线和短波紫外线照射对表皮厚度都有影响。
虽然上述研究使用OCT来研究UV引起的皮肤损伤和晒伤，但有关辐射功率对损伤的依赖性、UV辐射的急性反应和UV辐射后的皮肤恢复还没有很深入的研究。本研究报告了使用OCT和OCTA研究不同功率密度的UV照射对皮肤的急性影响。比较不同时间点（UV照射期间和之后）获得的OCT和OCTA结果，探究UV照射引起的显微结构和微循环变化。后定量分析了不同功率密度UV照射后的皮肤厚度和血管密度。
研究使用扫频OCT（SS-OCT）系统（图1），扫描带宽为100nm的1060nm扫描源（SSOCT-1060，AXSUN
Technologies Inc., MA, USA），空气中纵向分辨率5μm。干涉仪样品臂中插入的扫描透镜（LSM02-BB，Thorlabs
Inc., NJ, USA）可提供约6 μm的横向分辨率。扫描源的扫描速率为100 kHz，提供100 Hz的帧速率。
7-8周龄小鼠（C57野生型）作实验动物。异氟醚麻醉并固定，照射耳朵。为研究不同功率密度下的急性反应，实验动物分为三组（每组n = 5）：第1组暴露于0.14W/cm2的功率密度，第2组0.61 W/cm2，第3组2.18 W/cm2。每组照射时间为9min，相应的能量密度分别为75.6、329.4和1177.2 J/cm2。
图1结合UV照射设备的OCT装置示意图。C:准直器；DC:色散补偿器；M:镜子；G:双轴振镜；SL:扫描镜头。
结果
首先进行功率密度0.14W/cm2的UV照射，在不同时间点用OCT重复扫描同一皮肤区域。图2a-g为皮肤区域的2D OCT图像，分别为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。图2a中可识别出不同的皮肤层，如表皮、和耳软骨。随着照射时间增加，皮肤结构没有明显变化。除研究UV照射期间的急性反应外，还连续扫描了同一皮肤区域以观察恢复过程（图2h-k）。同样在低功率密度UV照射后，皮肤微结构没有明显的急性反应。
图2 小鼠耳部皮肤的体内OCT图像。（a）UV照射前；UV照射（b）1.5min，（c）3min，（d）4.5min，（e）6min，（f）7.5min和（g）9min分钟。在照射后（h）1天，（i）2天，（j）3天和（k）4天重复扫描同一皮肤区域，用于跟踪观察。黄色箭头表示不同的层结构，包括表皮（EP）、（D）和耳软骨（AC）。TS:顶面，RS:背面。
图3为图2相应OCTA结果，按深度进行了颜色编码，图像覆盖物理范围3 × 3 mm2。图3a为UV照射前，而图3b-g分为UV照射1.5、3、4.5、6、7.5和9min后的OCTA结果。图3h和i示为图3a和g中金色框区域的放大图。与图3a相比，血管尺寸和密度在UV照射后增加，图3h和i中也可以确认，红色箭头表示不同直径的同一根血管。血管直径增加是由于UV照射引起皮肤炎症，炎症导致血流量增加，进一步导致血管扩张，呈发红症状。随着照射时间增加，以黄绿色表示的更深的血管显现出来。这也是由于UV照射引起的血流量增加，导致血管扩张。然而UV照射解除后这种血管扩张逐渐消退。图3j-m为图2h-k的相应OCTA结果，图像显示UV照射对微循环的急性影响在24h后消失，说明这种低功率密度照射只对血管造成暂时影响，这种影响在内可以消退。
图3 图2中相应的彩色编码投影视图OCTA结果。（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）为金色方框区域的放大图。在UV照射后（j）1天、（k）2天、（l）3天和（m）4天连续扫描同一皮肤区域进行跟踪观察。
随后将UV照射的功率密度增加到0.61W/cm2，重复相同实验程序。图4a-g分别为照射前和照射1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0min后的OCT图像。图4中的OCT图像结果与图2相似，用肉眼很难识别照射前后的差异。此外用OCT监测了UV照射后的恢复过程，结果表明当照射功率密度增加到0.61
W/cm2时，皮肤微观结构没有显著变化。
图4 小鼠耳部皮肤的体内OCT图像。（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天扫描相同皮肤区域，用于跟踪观察。黄色箭头表示不同层结构。
图5为相应的OCTA结果，按深度进行颜色编码。图5a-g和5j-m分别为图4a-g和4h-k的对应OCTA图像。图5g和5a中金色方框区域血管被放大并比较（图5i和h）。与图3结果类似，黄绿色所示的更深处血管在UV照射后出现，并随时间逐渐消失。表明由于皮肤炎症，一些血管在UV照射后变得可见，意味着较高功率密度的UV照射引发皮肤炎症，增加了血管的大小和密度。此外用OCT对同一皮肤区域重复成像，以研究皮肤恢复情况。图5j中血管密度降低，图5m显示了与图5a相似的微血管模式，说明UV照射后4天，急性反应显著缓解。
图5 图4中相应的彩色编码OCTA结果。（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）为金色正方框区域的放大图。UV照射后（j）1天、（k）2天、（l）3天和（m）4天连续扫描同一皮肤区域进行跟踪观察。
第3组UV照射功率密度增加到2.18W/cm2。图6a-g为照射前和照射1.5、3.0、4.5、6.0、7.5和9.0min的小鼠耳部皮肤2D
OCT图像。如图6f和6g中白色箭头所示，照射6min后小鼠耳朵皮肤的反向散射强度开始变弱。1h后用OCT扫描同一皮肤区域（图6h），与图6a相比，表皮和的厚度显著增加。此外如图6h中白色箭头所示，水泡的出现使较弱的反向散射面积增加，这也导致了较强的衰减。结果表明较高功率密度的UV照射会导致更严重的损伤类型，如水泡和炎症。
图6 小鼠耳部皮肤的体内OCT图像。（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）紫外线照射后1h扫描同一皮肤区域。黄色箭头表示不同的层结构，包括表皮、和耳软骨。（f）–（h）中的白色箭头表示强紫外线照射引起的水泡。
图7为图6的相应OCTA结果。同样，血管分布在1.5min照射后变得更密集，但在7.5min照射后减少。如图6所示，水泡增加了光吸收并限制了光穿透，导致OCTA结果模糊。由于在同一区域获得的连续B-scan之间的散斑方差用于获得OCTA图像，由于水泡引起的衰减导致OCT信号较弱，很难进行血管造影。因此如图7g所示，在7.5min照射后，血管密度降低。然而水泡的出现可以用OCT/OCTA来检测。这里没有显示跟踪结果，因为水泡随着时间的推移而变大，血管造影比较困难。
图7 图6中相应的彩色编码OCTA结果。（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）紫外线照射后1h扫描同一皮肤区域。
图8为图3、5、7在UV照射前（图8a-c），及UV照射停止后1h（图8d-f）的相应白光照片。对于0.14和0.61W/cm2较低功率密度，肉眼观察急性反应不明显。然而当施加2.18W/cm2的高功率能量时，图8f中可以发现红斑。与相应的照片相比，OCT结果（如图3、图5和图7）可显示出微循环和红斑的细节，而在较低功率密度作用下，用肉眼难以识别这些细节。表明OCT可用于早期检测UV引起的急性皮肤反应。
图8 分别为UV照射前和照射停止后1h的白光照片。红色方块表示OCT区域。
为进一步定量研究UV照射引起的急性反应，评估了皮肤厚度和血管密度。根据OCT图像估计小鼠耳朵皮肤的总厚度（图2a）。从每个2D截面OCT图像中手动选择21个不同位置的A-scan，确定各个A-scna位置小鼠皮肤顶表面和底表面之间的厚度。将每个2D OCT图像中这21个横向位置的小鼠皮肤厚度平均，获得皮肤厚度平均值。平均血管密度通过选择各组每个OCTA图像中的三个子区域（图3、5和7中彩色方块）来计算。每个正方形面积约为1mm2。图9和10分别为皮肤厚度和血管密度的估计结果。图9a中，UV照射期间皮肤厚度没有显著变化，但照射后增加。当功率密度增加到0.61W/cm2（图9b），UV照射期间及照射后皮肤厚度均逐渐增加。与前两种情况相比，图9c皮肤厚度在6min照射后略微增加，并在7.5min照射后显著增加。即使照射停止后，厚度也继续增加，即UV照射诱发的急性皮肤反应引起水肿，导致皮肤厚度增加。此外高功率密度UV照射导致水泡出现，皮肤厚度明显变得更厚（图9c）。结果表明UV照射导致皮肤增厚，这种急性影响不能在几天内减轻。此外高功率密度的辐射导致更严重的损伤类型，如水泡，使皮肤肿胀和发炎。
图9 从图2、图4和图6得到的皮肤厚度的估计结果。UV照射的功率密度为（a） 0.14 W/cm2，（b） 0.61 W/cm2，（c） 2.18 W/cm2。
三种功率密度的平均血管密度如图10所示。从图10a可以发现血管密度在UV照射期间逐渐增加（9min内从27.2%增加到32.2%），但在照射后开始降低。4天后，血管密度可恢复到UV照射前的水平。与图10a相比，图10b显示照射期间血管密度显著增加（9min内从26.3%增加到38.1%），这意味着以更高的功率密度照射会导致更严重的皮肤反应。但结果也表明这种急性反应可在4天内消退。对于高功率密度，血管密度也在1.5min照射下增加（从38.2%增加到46.1%），但在6min照射下开始降低，与图9c结果一致，即血管密度下降是由于水泡的出现，导致衰减和OCTA模糊。即使在照射停止1h后，水泡尺寸还在不断增加，使OCT信号衰减更严重。然而结果证明OCT和OCTA能够评估UV对微结构和微循环的影响，并且还可以检测到引发的更严重的损伤类型，如水泡。
图10 图3、图5和图7的血管密度估计结果。UV照射的功率密度为（a）0.14 W/cm2，（b）0.61 W/cm2，（c）2.18 W/cm2。
为进一步研究皮肤厚度和微循环的变化，分析了动物（每组n =
5）实验结果。由于各小鼠的皮肤厚度和血管密度不同，除值外，还估计了皮肤厚度/血管密度的变化百分比（PC），即原始值的百分比变化。图11a和b为三个功率密度组皮肤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照射期间（图11a），PC值略微增加，并在照射停止后继续增加。相反，在用2.18W/cm2功率密度照射6min后，由于出现水泡，PC值迅速增加。此外在照射9min后和照射后1h，由于产生的水泡大小不同，PC的标准偏差变大。单向方差分析（ANOVA）评估三种功率密度水平UV照射后1h，皮肤厚度PC值差异的统计显著性，显示差异是静态显著的（图11a）。对于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值逐渐降低（图11b）。此外血管密度结果的标准偏差明显变大，这可能是由于个体间诱发红斑的严重程度差异。对于图11b中的2.18 W/cm2曲线，PC值在照射6min后开始降低，是由于出现了限制光学穿透的水泡以及模糊的OCTA结果。
图11 不同功率密度（0.14、0.61和2.18 W/cm2）下，（a）皮肤厚度和（b）血管密度的PC值。*表示p<0.05。
结论
本文演示了使用OCT/OCTA研究UV照射引起的急性皮肤反应。用不同功率密度进行照射，并研究其诱发的急性反应。此外还研究了UV照射过程中的皮肤反应进展，以及照射后的皮肤恢复进展情况。发现低功率密度的UV照射可能引发皮肤厚度增加和皮肤炎症，导致血管密度增加。结果还表明低功率密度对微循环的急性影响可在几天内恢复，但皮肤厚度恢复需要更长的时间。相比之下，高功率密度可能会造成更严重的损伤类型，如水泡和皮肤肿胀。这种水泡结构也导致皮肤厚度增加及OCT信号衰减，使OCTA图像模糊。然而OCT和OCTA可以发现水泡。因此OCT/OCTA是一种很有前景的工具，可用于早期检测UV诱发的急性反应，并监测UV损伤后皮肤的恢复情况。
参考文献：
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.