无创活体组织成像

OCT是一种新兴的非侵入性评估工具，克服了其他等效模式固有的许多缺点，并且没有副作用(Tomlinset al .,2005;Welzel, 2001)。这是一种利用低强度红外光聚焦在活体组织内的实时层析成像技术。反射光的干涉检测使高分辨率，2或3维，组织形态横断面可视化类似于组织学。

功能性OCT已成功应用于眼科、皮肤科和心脏病学等多种临床应用(Faneaet al .,2012;汤姆林2005;Welzel 2001)，在医药和化学开发以及作为基础研究的工具方面具有巨大的潜力。该系统可以提供高分辨率的结构成像，以及刚度变化和微血管结构变化等参数的功能信息。它还允许区分机械特性的小变化，例如良性和早期恶性肿瘤(Li等, 2015)。它在发育生物学、组织工程和新型生物相容性材料的开发等领域的系列小动物成像具有广泛的应用。

这种新开发的系统结合了组织的结构成像和特征，使其成为监测组织发育和存活的重要工具，与其他系统相比有以下几个优点:

• 测量组织结构可获得高达~6 μ m和~12 μ m的轴向和横向分辨率，成像深度可达3 mm。基于此，功能性OCT有可能在微观水平上评估活组织的结构变化(Tomlinset al .,2005;Welzel 2001;李等, 2015)。
• 功能性OCT被设计用于可视化毛细血管网络，检测血流方向/速度变化，以及确定血管和周围组织的重塑和生长(Wanget al。, 2010;一个et al .,2010;一个et al .,2008;秦et al .,2011;肯尼迪et al .,2014)。功能性OCT血管测绘是一种无标签技术;它利用血管内流动血细胞的固有光散射产生成像对比度。这种新系统具有超高的灵敏度，可降低至4 μ m/s(王et al。, 2010;一个et al .,2010)。
• 功能性OCT能够定量表征机械性能，例如弹性图，具有超高的灵敏度。

参考文献

• 安磊，秦军，王荣坤(2010)。超高灵敏光学微血管造影术在活的有机体内人体皮肤组织床内微循环的成像。选择表达18日(8):8220 - 8228。doi: 10.1364 / OE.18.008220。
• 安磊，王荣康(2008)。在活的有机体内光学显微血管造影术对人视网膜和脉络膜内血管灌注的容积成像。选择表达16(15): 11438 - 11452。doi: 10.1364 / OE.16.011438。
• 范妮亚·L，费根·AJ(2012)。眼科磁共振成像技术。分子的愿景18: 2538 - 2560。
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• 李超，关刚，凌燕，等．(2015)。使用定量光学相干弹性成像(OCE)对疑似前列腺癌男性活检组织的检测和表征。癌症的信357(1): 121 - 128。doi: 10.1016 / j.canlet.2014.11.021。
• 秦J,蒋军，安磊，et al。(2011)。在活的有机体内在银屑病条件下使用光学微血管造影术的人体皮肤微循环的体积成像。激光在外科和医学中的应用43(2): 122 - 129。doi: 10.1002 / lsm.20977。
• 王瑞坤(2005)。光学相干层析成像的理论、发展与应用。物理学杂志D:应用物理学。38(15): 2519 - 2535。0022 - 3727/38/15/002 doi: 10.1088 /。
• 王瑞康，安磊，方志强，et al。(2010)。利用超高灵敏光学微血管造影术对视网膜和脉络膜毛细血管网络的深度分辨成像。光学信35(9): 1467 - 1469。doi: 10.1364 / OL.35.001467。
• Welzel J(2001)。光学相干层析成像在皮肤学中的研究进展。皮肤Res抛光工艺7(1): 1 - 9。doi: 10.1034 / j.1600-0846.2001.007001001.x。

功能性OCT是通过邓迪大学和华盛顿大学医学光子学小组的合作设计和开发的。研究人员专注于最先进的，非侵入性和高分辨率光学成像系统在活的有机体内以及组织的实时特征。

寻求有兴趣将该系统应用于其研究的合作伙伴，以评估该技术在各种各样的应用中的效用。理想情况下，合作伙伴可以访问在活的有机体内正在发生结构和功能变化的发育或病变组织的动物数据和/或临床模型，例如在组织工程、糖尿病或伤口愈合项目中。这样的合作者可以是大公司、生物技术、学者或医疗保健提供者。

也欢迎来自潜在商业伙伴的投入和指导，根据他们的需要使系统在各种环境中更加便携。

关于知识产权的信息

大学对任何前台知识产权的保护和利用都有灵活的方法。它将寻求从知识产权中获得利益，但如果合作伙伴公司最适合开发商业路线，那么将商定技术的所有权或独家许可。

功能性OCT可以提供高分辨率的组织图像在活的有机体内实现了“光学活检”，而无需取真正的组织。功能性OCT图像的质量可以和显微镜图像一样高，组织评估可以在局部水平上持续跟踪和研究。可以更早作出具体的诊断，从而减少动物的痛苦和缩短实验时间。该系统还避免了更多侵入性测试的需要，如血管通路和机械负载刚度测量。

10月功能使在活的有机体内在相同的组织部位进行研究，因此可以减少未来研究所需的动物数量。如果需要处理的样品较少，这也将减少完成分析所需的时间。此外，通过对同一种动物进行连续采样，研究人员可以随着时间的推移跟踪单个动物，从而实现更完整的数据收集。生成这些数据的传统方法需要在多个时间点献祭成群的动物。由于缺乏动物间的变异，因此所需的动物数量进一步减少，这意味着用这种非侵入性方法发现的标准偏差小于与当前方法相关的标准偏差。

概述|影响|出版物

概述

通过CRACK IT Solutions，黄教授和她的团队正在与西娅制药公司和基尔大学合作，探索OCT在监测角膜伤口愈合方面的潜在用途。目前用于角膜伤口愈合的多种动物模型包括啮齿动物、兔子和狗。由于眼内神经密度高，这可能会非常痛苦，并可能导致感染。西娅制药公司最近开发了一种促进角膜溃疡愈合的新药。OCT将被用于监测这种药物在人类角膜组织模型(由基尔大学的合作者开发)中对组织修复和再生的影响，提供了一个替代使用动物模型来评估药物对人类组织类似物的影响的例子。

影响

一个1毫米厚的组织工程人类角膜模型是与他们在基尔大学的合作者使用人类初级角化细胞(来自Innoprot的P10872)创建的。在角膜模型中诱导病变(使用活检穿孔)，以评估Cacicol的效果^®这是一种由西娅制药公司提供的促进角膜溃疡愈合的药物。制作了具有良好透光性的玻璃顶盖，允许盖子在OCT期间保持打开，以保持培养皿内的无菌环境(用于培养和成像)。这可以持续监测给药前后的组织再生情况^®．

采用空气中轴向分辨率8.9 μm、横向分辨率18 μm的OCT，连续2周每2 / 3天测量一次模型厚度和病变深度，获得高分辨率深度分辨率图像。研究表明，4% Cacicol治疗的病变^®与未治疗组相比，第6天再生组织体积最大，恢复速度最快(图1e)。这表明4% Cacicol^®可能有助于伤口愈合过程早期的组织再生。

图1。角膜模型的横断面OCT图像，在第6天有1.5 mm穿孔病变，用a)仅培养液(对照)，(b) 0.5%， (c) 1%， (d) 2%， (e) 4%和(f) 6% Cacicol处理^®在相同体积的培养基中。比例尺为300 μ m．

众所周知，除了角膜结构的变化，角膜的机械性能也会受到疤痕组织形成的影响，并可能导致永久性失明。将OCT系统改进为基于软组织力学对比的无创弹性成像技术，称为光学相干弹性成像(OCE)。为了使OCT系统适应弹性成像，添加了一个磁激振器，以在样品内产生轴向振动(图2)。OCT通过在同一横向位置随时间进行多次重复扫描来获取振动信号，从而构建横截面图像。生成的弹性图以颜色编码，红色表示高刚度，蓝色表示软力学性能(图3d)。

图2。用于监测角膜创面愈合过程的振动OCE (OCT弹性成像)系统设置示意图。SLD(超发光二极管)，CCD(带电耦合器件)行扫描相机。

图3。用4% Cacicol培养一周后，1.5 mm穿孔病变角膜模型的力学评价^®．(a)随时间的正弦振动信号，由(c)中的红点识别的典型点;(b)振动信号的傅里叶变换在调制频率处产生峰值幅值，该峰值幅值与位移有关，可用于计算应变值;(c)角膜模型的横截面图像(OCT生成)，包括组织再生;(d)角膜伤口的弹性图，由应变值的倒数生成。

每2 / 3天用OCE测量模型厚度和病变深度，持续2周。第6天，图1的结构图中的再生组织在图4的弹性图中并没有全部被观察到。这表明一些再生组织可能过于松散，无法形成任何胶原纤维排列，以提供局部的机械强度，因此组织在一周后还没有完全恢复。

图4。有1.5 mm病变的角膜模型在第6天的弹性图(a)仅培养液(对照)，(b) 0.5%， (c) 1%， (d) 2%， (e) 4%和(f) 6% Cacicol处理^®在相同体积的培养基中。比例尺为300 μ m。

进行了时间过程研究，以调查新组织的再生在体外损伤角膜模型。图5和图6说明了4%和2% Cacicol的效果^®关于伤口愈合的过程。虽然病灶用4% Cacicol治疗^®在第6天，服用2% Cacicol的小鼠恢复最快^®第10、13天恢复较好。在研究结束时，对样本进行共聚焦显微镜观察(固定和组织学后)，证实了OCT获得的结构结果。

图5。用4% Cacicol处理1.5 mm穿孔病变的角膜模型的OCT横断面图像(a-c)和弹性图(d-f)^®(a)第6天(b)第10天(c)第13天。比例尺为300 μ m。

图6。用2% Cacicol处理1.5 mm穿孔病变的角膜模型的OCT横断面图像(a-c)和弹性图(d-f)^®(a)第6天(b)第10天(c)第13天。比例尺为300 μ m。

这些结果表明OCT/ OCE系统在检测人组织工程角膜模型再生过程中溃疡组织的结构/力学变化方面足够敏感。成功的建立了这个在体外人角膜溃疡模型可替代部分动物模型的使用。

由于动物和人类之间的代谢差异，用动物模型来评估新药的治疗效果是不可靠的，导致缺乏对人类眼部药物生物利用度的可预测性。人类组织工程平台提供了一个更相关的模型，以更好地预测人类的结果，同时也取代了目前使用的动物模型。例如，该项目包括五次重复对照和每剂量(0.5%，1%，2%，4%，6%)Cacicol^®每个病变大小(从350 μm到2 mm的5个大小)，相当于150个组织工程模型，否则需要75个兔子或小鼠模型。组织工程角膜还可以防止动物因眼部化学或激光损伤而遭受的严重痛苦。

无创OCT/ OCE系统能够在保持角膜模型无菌环境的同时进行结构和力学测量，允许在溃疡愈合的整个过程中监测相同的样本，由于样本之间缺乏变化，因此获得更可靠的结果。这可能会导致数量的减少在体外所需的型号和相关成本。例如，这项研究所需的费用减少了七分之一在体外模型测量了八个时间点，与研究相比只有一个在体外模型对于每个时间点都是必需的。能够连续监测一个样本，并提供角膜组织的区域分辨率测量，可以增加在体外组织工程角膜模型，取代目前使用的动物模型。

邓迪研究小组还与组织修复技术公司(Tissue Repair Technologies)合作，后者经常用老鼠来研究皮肤溃疡。随着人体组织工程皮肤模型的建立，结合OCT/ OCE技术，Dundee团队可以取代目前用于评估皮肤溃疡药物的小鼠模型，展示了该技术提供的更广泛的适用性和3Rs好处。

出版物和海报

凌燕，李超，王燕，et al。(2017)。角膜创面愈合过程的表征体外三维角膜模型与光学相干弹性成像海报。