光透明剂控制生物组织光学特性的研究

郭 晓（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广州 510000）

光透明剂控制生物组织光学特性的研究

郭 晓
（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广州 510000）

光透明剂是一种高折射率的生物相容性的化学试剂，光透明剂控制生物组织光学特性是最近发展起来的技术，通过施加甘油、葡萄糖、甘露醇、丙二醇、甘油等光透明剂来改善生物组织对光的散射，可以有效地提高光在组织中的穿透深度，增加组织的成像深度和对比度。本论文综述了目前光透明剂的种类和光透明特性以及光透明剂控制生物组织光学特性的原理和测量方法，并简述了光透明技术的应用前景。

光透明技术；组织光学特性控制；光透明剂;生物组织

1 引言

近年来，随着激光生命科学技术的发展，光学方法在医学诊断及应用上也越来越广泛，测定光在生物组织传播的光学特性也变得越来越重要，研究光子与生物组织相互作用后的光学特性能够极大推动激光在生物医学上的应用和发展，对探索生物组织的新陈代谢、肿瘤病变状态等也具有重要的研究意义[1]。然而，由于生物组织在生物医学上被看作为是浑浊介质，其对可见光和近红外波长具有很强的散射效应，这种强的散射特性限制光在组织的穿透深度和成像的对比度，这样使得光子技术只能用于活体浅表组织，从而降低了光在医学领域中的检测、成像的运用以及治疗效果。

为了解决这一问题，Tuchin等[2]在1997年首次提出了用光透明技术来减少生物组织中光的散射。即采用高渗透试剂——具有高渗透压的溶液，例如葡萄糖、甘露醇、丙二醇、甘油等对组织进行光学渗透，提高组织内部的折射率匹配，从而有效地减少组织的光散射，增加光穿透深度，提高成像质量。这种技术即为组织透明（tissue clearing）[3]，在组织透明过程中所使用的高折射率的生物相容性的化学试剂被称为光透明剂（optical clearing agent）。组织光透明适用于很多不同的生物样品，如人的脑膜、角膜、皮肤、血液、大脑皮层和胃等[3]。本文综述了当今光透明剂控制生物组织光学特性的最新研究概况及其应用前景。

2 生物组织光透明的应用研究

2.1 光谱法

通过对离体组织的漫反射光谱检测结果发现位于波长为500和630 nm附近的吸收峰在组织癌变前后存在着明显的差别，这是由于癌变组织中含有比正常组织更多的血液量，且癌变组织一般都要消耗更多的氧，所以去氧血红蛋白的含量大大增多，这为我们利用可见光的漫反射光谱分析组织的特性提供了依据，可见，通过漫反射光谱可简便、快速地鉴别组织的癌变。朱等用光谱法研究了不同浓度甘油作用于小鼠皮肤后其光谱的变化。

目前国内外也已有相当多的研究小组用光谱法来研究光透明剂对组织透明性的改变。Alexey等用光谱法研究了葡萄糖溶液对在体皮肤光透明性的影响，其实验装置如图1，其实验结果如图2。

其研究采用反射光谱法探测，用40%的葡萄糖溶液采用皮内注射的方法注射入皮肤，结果表明，皮肤更加透明，从而增加了光渗透入组织的能力。

图2 人的在体皮肤经作用后葡萄糖不同时刻光谱图

图3 针表面标准化的背向散射光强度

2.2 OCT法

由于光谱法不能测量不同深度处的光学参数，光学相干层析成像（OCT）技术却可以实现不同深度的实时测量，能够获得组织微观结构的高分辨横截面成像，但是成像深度仅为10-20微米，所以，近年来越来越多的采用OCT研究光透明剂控制组织光学特性的报道。徐等采用超声诱导的方式使光透明剂更有效的进入组织，同时采用OCT法来检测光透明剂作用于组织前后组织的光学特性的改变，研究表明，离体的皮肤组织和在体的皮肤组织分别用60%的甘油和60%甘油与超声共同作用后用OCT对组织进行成像，实验的结果如图3，图4所示。

图1 光谱法检测葡萄糖对组织通透效果的实验装置图

研究表明，在没有甘油作用时，OCT的成像深度大约为1.3 mm，在甘油和超声共同作用后，采用OCT法不仅能测出渗透率和光透明度，而且可以区分上皮组织的不同层结构。结果表明，光透明剂和光学相干层析成像技术结合可以很好地应用于眼科的诊断和治疗。

图4 甘油和甘油与超声共同作用后的皮肤组织标准化光学厚度

2.3 二次谐波成像法

光透明剂对生物组织背向二次谐波成像影响的研究现正在起步当中，SHG成像法能够降低OCT成像中的一些限制因素，所以SHG不管是在研究还是临床应用方面都有很大优势。

由于组织的厚度和激光光斑直径在μm量级，样品的透射光强可根据修正的比尔-朗伯定律描述光强的衰减， z为扫描深度，I0为样品表面的信号强度，I（z）为深度z处样品的信号强度，处的二次谐波信号强度计算I0，二次谐波信号强度可通过系统自带工具Histo获得。以上公式变换[5]为:

所以，相对于在磷酸缓冲液（PBS）中，浸泡在甘油中的动脉血管组织的全衰减系数大约减少了51%。

2.4 共焦显微镜法

从上世纪80年代起，激光显微光谱分析技术逐步应用于生物医学中，来对生物组织进行成像，其是在荧光成像的基础上加装了激光扫描装置，用光源出射的光准确地入射到位于共轭点处的被测物，可以获得更高的对比度和不同组织深度的信息，共聚焦显微成像技术把光学成像的分辨率提高了百分之三十到百分之四十。将光谱分析技术结合在共聚焦扫描显微成像技术和光谱技术的显微光谱分析法中可以更加准确地检测早期癌变。这种成像技术也面临扫描深度的问题，所以也常将其和光透明技术相结合来进行癌症检测研究。Meglinski等在2003年提出一个理论模型来模拟皮肤被光透明剂作用时，其共聚焦显微成像能达到的最大深度，此理论模型是基于Monte Carlo模型的，检测了在使用甘油0min、10min和20min时共聚焦探测器在300，600 和900 μm处测得的信号分布图，经分析比较可以看出甘油作用于组织后，其共聚焦的成像深度几乎增加了3倍，可见，共聚焦成像技术能够很好地应用于生物医学诊断和激光治疗。

2.5 双光子显微成像

双光子显微成像技术是结合共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术，其克服了传统激光扫描共聚焦显微镜依赖小孔光阑成像对荧光收集效率的强烈损失、焦平面外的激发区域背景荧光干扰和光生物损伤区域大的确定，采用在辐照光路中标记多个荧光标记物，但只有处在聚焦光焦点处的标记物才能发出荧光，而且其分辨率可以达到亚微米尺度，而且，双光子过程的激发光的波长可设计在生物光学窗口的范围内，避开了生命体系所不能承受的紫外一可见光损伤。所以目前也有相关研究采用双光子显微成像来对光透明剂作用后的组织进行成像。Cicchi等在2005年的研究表明，在人的离体真皮组织中施加甘油，丙二醇和葡萄糖这些光透明剂前后图像总的强度和对比度在增加，双光子显微成像的成像深度和对比度得到明显的改善，并且在成像完成后将各个样品放入磷酸缓冲液后检测发现葡萄糖作用过的组织样品是可逆的。

3 生物组织光透明研究的展望

激光应用于医学临床上的治疗和诊断以及光学成像技术的是当前快速发展的国际前沿领域，然而，由于光在入射到生物组织上时同时存在反射、折射、吸收和散射的效应，来对光束在生物组织中的传播产生干扰，从而限制了光在生物组织中的穿透深度，使得光子技术只能应用于活体组织的浅表部位，因此，深入研究不同光学透明剂在不同生物组织的中的渗透速率是十分必要的。生物组织的光透明机理的研究有助于其在医学诊断实用中针对目标组织选取合适的有效光透明剂，从而达到更好的、更准确的医学诊断结果。可见，生物组织光透明性的研究不仅有助于了解光透明的作用机制，也有利于光子仪器在生物和医学中的应用，可为临床医学诊断提供针对目标组织实现光透明的有效途径，其研究成果有望在不远的将来被广泛应用于临床医学诊断和治疗。

[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）.