光透明劑控制生物組織光學特性的研究

郭 曉（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心,廣州 510000）

光透明劑控制生物組織光學特性的研究

郭 曉
（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心,廣州 510000）

光透明劑是一種高折射率的生物相容性的化學試劑，光透明劑控制生物組織光學特性是最近發展起來的技術，通過施加甘油、葡萄糖、甘露醇、丙二醇、甘油等光透明劑來改善生物組織對光的散射，可以有效地提高光在組織中的穿透深度，增加組織的成像深度和對比度。本論文綜述了目前光透明劑的種類和光透明特性以及光透明劑控制生物組織光學特性的原理和測量方法，并簡述了光透明技術的應用前景。

光透明技術；組織光學特性控制；光透明劑;生物組織

1 引言

近年來，隨著激光生命科學技術的發展，光學方法在醫學診斷及應用上也越來越廣泛，測定光在生物組織傳播的光學特性也變得越來越重要，研究光子與生物組織相互作用后的光學特性能夠極大推動激光在生物醫學上的應用和發展，對探索生物組織的新陳代謝、腫瘤病變狀態等也具有重要的研究意義[1]。然而，由于生物組織在生物醫學上被看作為是渾濁介質，其對可見光和近紅外波長具有很強的散射效應，這種強的散射特性限制光在組織的穿透深度和成像的對比度，這樣使得光子技術只能用于活體淺表組織，從而降低了光在醫學領域中的檢測、成像的運用以及治療效果。

為了解決這一問題，Tuchin等[2]在1997年首次提出了用光透明技術來減少生物組織中光的散射。即采用高滲透試劑——具有高滲透壓的溶液，例如葡萄糖、甘露醇、丙二醇、甘油等對組織進行光學滲透，提高組織內部的折射率匹配，從而有效地減少組織的光散射，增加光穿透深度，提高成像質量。這種技術即為組織透明（tissue clearing）[3]，在組織透明過程中所使用的高折射率的生物相容性的化學試劑被稱為光透明劑（optical clearing agent）。組織光透明適用于很多不同的生物樣品，如人的腦膜、角膜、皮膚、血液、大腦皮層和胃等[3]。本文綜述了當今光透明劑控制生物組織光學特性的最新研究概況及其應用前景。

2 生物組織光透明的應用研究

2.1 光譜法

通過對離體組織的漫反射光譜檢測結果發現位于波長為500和630 nm附近的吸收峰在組織癌變前后存在著明顯的差別，這是由于癌變組織中含有比正常組織更多的血液量，且癌變組織一般都要消耗更多的氧，所以去氧血紅蛋白的含量大大增多，這為我們利用可見光的漫反射光譜分析組織的特性提供了依據，可見，通過漫反射光譜可簡便、快速地鑒別組織的癌變。朱等用光譜法研究了不同濃度甘油作用于小鼠皮膚后其光譜的變化。

目前國內外也已有相當多的研究小組用光譜法來研究光透明劑對組織透明性的改變。Alexey等用光譜法研究了葡萄糖溶液對在體皮膚光透明性的影響，其實驗裝置如圖1，其實驗結果如圖2。

其研究采用反射光譜法探測，用40%的葡萄糖溶液采用皮內注射的方法注射入皮膚，結果表明，皮膚更加透明，從而增加了光滲透入組織的能力。

圖2 人的在體皮膚經作用后葡萄糖不同時刻光譜圖

圖3 針表面標準化的背向散射光強度

2.2 OCT法

由于光譜法不能測量不同深度處的光學參數，光學相干層析成像（OCT）技術卻可以實現不同深度的實時測量，能夠獲得組織微觀結構的高分辨橫截面成像，但是成像深度僅為10-20微米，所以，近年來越來越多的采用OCT研究光透明劑控制組織光學特性的報道。徐等采用超聲誘導的方式使光透明劑更有效的進入組織，同時采用OCT法來檢測光透明劑作用于組織前后組織的光學特性的改變，研究表明，離體的皮膚組織和在體的皮膚組織分別用60%的甘油和60%甘油與超聲共同作用后用OCT對組織進行成像，實驗的結果如圖3，圖4所示。

圖1 光譜法檢測葡萄糖對組織通透效果的實驗裝置圖

研究表明，在沒有甘油作用時，OCT的成像深度大約為1.3 mm，在甘油和超聲共同作用后，采用OCT法不僅能測出滲透率和光透明度，而且可以區分上皮組織的不同層結構。結果表明，光透明劑和光學相干層析成像技術結合可以很好地應用于眼科的診斷和治療。

圖4 甘油和甘油與超聲共同作用后的皮膚組織標準化光學厚度

2.3 二次諧波成像法

光透明劑對生物組織背向二次諧波成像影響的研究現正在起步當中，SHG成像法能夠降低OCT成像中的一些限制因素，所以SHG不管是在研究還是臨床應用方面都有很大優勢。

由于組織的厚度和激光光斑直徑在μm量級，樣品的透射光強可根據修正的比爾-朗伯定律描述光強的衰減， z為掃描深度，I0為樣品表面的信號強度，I（z）為深度z處樣品的信號強度，處的二次諧波信號強度計算I0，二次諧波信號強度可通過系統自帶工具Histo獲得。以上公式變換[5]為:

所以，相對于在磷酸緩沖液（PBS）中，浸泡在甘油中的動脈血管組織的全衰減系數大約減少了51%。

2.4 共焦顯微鏡法

從上世紀80年代起，激光顯微光譜分析技術逐步應用于生物醫學中，來對生物組織進行成像，其是在熒光成像的基礎上加裝了激光掃描裝置，用光源出射的光準確地入射到位于共軛點處的被測物，可以獲得更高的對比度和不同組織深度的信息，共聚焦顯微成像技術把光學成像的分辨率提高了百分之三十到百分之四十。將光譜分析技術結合在共聚焦掃描顯微成像技術和光譜技術的顯微光譜分析法中可以更加準確地檢測早期癌變。這種成像技術也面臨掃描深度的問題，所以也常將其和光透明技術相結合來進行癌癥檢測研究。Meglinski等在2003年提出一個理論模型來模擬皮膚被光透明劑作用時，其共聚焦顯微成像能達到的最大深度，此理論模型是基于Monte Carlo模型的，檢測了在使用甘油0min、10min和20min時共聚焦探測器在300，600 和900 μm處測得的信號分布圖，經分析比較可以看出甘油作用于組織后，其共聚焦的成像深度幾乎增加了3倍，可見，共聚焦成像技術能夠很好地應用于生物醫學診斷和激光治療。

2.5 雙光子顯微成像

雙光子顯微成像技術是結合共聚焦顯微鏡和雙光子激發技術的一種新技術，其克服了傳統激光掃描共聚焦顯微鏡依賴小孔光闌成像對熒光收集效率的強烈損失、焦平面外的激發區域背景熒光干擾和光生物損傷區域大的確定，采用在輻照光路中標記多個熒光標記物，但只有處在聚焦光焦點處的標記物才能發出熒光，而且其分辨率可以達到亞微米尺度，而且，雙光子過程的激發光的波長可設計在生物光學窗口的范圍內，避開了生命體系所不能承受的紫外一可見光損傷。所以目前也有相關研究采用雙光子顯微成像來對光透明劑作用后的組織進行成像。Cicchi等在2005年的研究表明，在人的離體真皮組織中施加甘油，丙二醇和葡萄糖這些光透明劑前后圖像總的強度和對比度在增加，雙光子顯微成像的成像深度和對比度得到明顯的改善，并且在成像完成后將各個樣品放入磷酸緩沖液后檢測發現葡萄糖作用過的組織樣品是可逆的。

3 生物組織光透明研究的展望

激光應用于醫學臨床上的治療和診斷以及光學成像技術的是當前快速發展的國際前沿領域，然而，由于光在入射到生物組織上時同時存在反射、折射、吸收和散射的效應，來對光束在生物組織中的傳播產生干擾，從而限制了光在生物組織中的穿透深度，使得光子技術只能應用于活體組織的淺表部位，因此，深入研究不同光學透明劑在不同生物組織的中的滲透速率是十分必要的。生物組織的光透明機理的研究有助于其在醫學診斷實用中針對目標組織選取合適的有效光透明劑，從而達到更好的、更準確的醫學診斷結果。可見，生物組織光透明性的研究不僅有助于了解光透明的作用機制，也有利于光子儀器在生物和醫學中的應用，可為臨床醫學診斷提供針對目標組織實現光透明的有效途徑，其研究成果有望在不遠的將來被廣泛應用于臨床醫學診斷和治療。

[1]WEI Huajiang,XING Da,LU Jianjun el at.Total attenuation coefficients of human bladder at different lasers measured by using the direct and indirect methods in vitro[J].LASER TECHNOLOGY,2005,29（4）:420-422（in chinese）.

[2] Valery V.Tuchin,Irina L.Maksimova,Dmitry A.Zimnyakov et al.Light Propagation In Tissues With Controlled Optical Properties[J].JOURNAL OF BIOMEDICAL OPTICS,1997,2（4）:401-407.

[3] SUN Hui-xia,LI Peng,HE Yong-hong el at.A Study of the Optical Clearing by OCT[J]. ACTA LASER BIOLOGY SINICA,2007,16（5）:521-526（in chinese）.