OCT评价动物活体肾脏缺血再灌注损伤的意义及应用

李俊霞，谭建明，黄正，方玉宏，李伟军

（1.联勤保障部队第九〇〇医院肾脏病科，福建 福州 350025；2.联勤保障部队第九〇〇医院泌尿外科，福建 福州 350025；3.医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建师范大学福建省光技术重点实验室，福建 福州 350007）

临床上现有的常用疾病诊断方法有超声波、X 射线透视、CT扫描、核磁共振等，均属于非侵入式的医学诊断技术，但存在精度低、速度不高、辐射等缺点。光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）是一种新型的光学成像技术，对生物组织及其他散射介质的内部微观结构进行高分辨率的横断面层析成像[1]，能提供微米量级分辨率及毫米量级探测深度的实时一维、二维横截面和三维体图像。OCT在成像技术方面类似于超声成像，除高分辨率特性，还具有非接触、无创伤、实时、原位等特点，使OCT技术可用于对生物组织、微生物和工业材料等样品进行成像。随着OCT 成像技术的不断完善，应用范围也越来越广泛，在医学领域，逐渐被应用于眼科、内窥镜、心血管介入、肿瘤等学科，但截至目前，国内尚无关于OCT 应用于肾脏区分肾脏组织结构及判断肾脏缺血损伤的相关研究。本研究在建立Beagle 犬肾脏缺血再灌注损伤的基础上，应用OCT 技术观测并采集肾蒂血管阻断前、阻断时及再通等情况下的OCT图像，通过比较OCT 技术与肾脏组织学活检技术，探讨OCT 技术用于判断肾脏正常组织结构及缺血再灌注损伤的临床价值，以期为肾脏疾病诊断提供依据，现报道如下。

1 材料与方法

1.1 研究对象 普通级成年Beag1e 犬10 条，雌雄兼用，体质量约15～20 kg，由第九〇〇医院动物实验中心所提供。

1.2 仪器设备 本研究采用SS-OCT（OCS1310V1，ThorLabs公司，美国）和SD-OCT（TEL1300V2，ThorLabs公司）两种OCT系统，其中SS-OCT系统是傅里叶域OCT系统，工作中心波长为1 300 nm，工作带宽为100 nm，灵敏度为100 dB，在空气中的轴向分辨率和横向分辨率分别为12 μm和25 μm。波长扫描频率为100 kHz，可实现实时二维和三维成像，最大扫描视场（FOV）为10 mm×10 mm。SD-OCT使用了中心波长1 300 nm 的SLD光源，在空气中的轴向和横向分辨率分别为5.5 μm和13 μm。

1.3 方法

1.3.1 建立缺血再灌注损伤动物模型 常规消毒麻醉后，沿腹部正中切开，切口长约6 cm，切开皮肤，钝性分离皮下组织，纵行剪开腹直肌前鞘，钝性分离肌肉，切开腹膜，进入腹腔。暴露并分离双侧肾脏肾蒂，使用无创血管夹阻断双侧肾蒂。肾蒂成功阻断后可见肾脏的颜色由鲜红色逐渐变为紫黑色，提示肾脏血管阻断成功。用无创血管夹夹闭45 min后，去除无创血管夹，肾脏颜色可见有紫黑色逐渐恢复为红色，关闭腹腔，并逐层缝合。

1.3.2 术中肾脏暴露于OCT探头下进行OCT扫描 活体肾脏分别在2D 模式（长8.9 mm×高3.5 mm，共300 次连续扫描）、2D模式（长2.5 mm×高2.3 mm）和3D模式（长3.5 mm×宽2.5 mm×高3.5 mm）下用SS-OCT 和SD-OCT 成像。夹闭和再灌注肾动脉造成缺血，夹闭前后进行OCT扫描。

2 结果

2.1 正常肾脏二维OCT成像 全麻下活体肾脏OCT扫描，暴露健康动物肾脏置于OCT 探针下进行OCT 扫描。OCT图像数据通过实验仪器装置收集，实时可视化。计算结构尺寸，然后加入重建图像，以揭示肾脏的解剖结构的定量信息。关注的肾组织结构，如肾小管、肾小球、血管，可根据不同的形态鉴定。通过OCT 成像，可得到深度达几百微米的肾实质横断面成像（见图1a）。

图1 肾脏组织OCT成像和对应的病理图像Figure 1 OCT imaging of renal tissue and corresponding pathological images

2.2 正常肾脏二维OCT成像与肾脏组织病理的比较 OCT图像和相应的组织学图像比较表明，反应感兴趣区域（ROI）特征两者基本一致。此外，OCT图像的分辨率与传统组织病理学相当。OCT图像中肾的解剖学结构包括包膜（C）和肾小管（T）清晰可见。

2.3 肾脏缺血灌注模型的OCT 成像改变 肾脏双侧肾蒂血流阻断时，OCT 图像少见明显开放小管管腔。肾脏缺血45 min再灌注5 min后的OCT图像可见开放的小管管腔（见图2A），但较未缺血前显著减少；再灌注4 h后的OCT图像可见开放小管管腔，较阻断前变化不明显（见图2B）；再灌注24 h后的OCT图像与I/R 4 h比较可见开放的小管管腔有明显减少（见图2C）；再灌注72 h 后的OCT 图像较 I/R 24 h 的OCT图像开放小管管腔的情况明显好转（见图2D）。

图2 肾脏缺血再灌注损伤模型的OCT成像变化Figure 2 Changes of OCT imaging in renal ischemia-reperfusion injury model

3 讨论

OCT 在泌尿外科领域的应用原理类似于B 超，OCT 成像技术是基于干涉仪的光学成像系统，与超声相比，OCT是利用近红外光而不是超声波，无需直接接触组织或传感介质。组织的后向散射光参考信号光干涉产生高分辨率的二维组织微观结构图[2]。空间分辨率1～15 μm的图像，远高于常规超声[3-4]。

鉴于OCT 能对组织进行实时活体成像，OCT 技术可称为一种“光学活检”技术，可原位提供组织的病理学信息，而常规活检需切除标本才能获得组织的病理学检查结果[5-6]。另外，OCT可与现有的手术器械相结合，如腹腔镜、内窥镜、导尿管、手持探针等[7]。因此，OCT 有助于指导手术介入操作或在常规活检存在困难或风险性时，提供组织原位的微观结构成像。自1997年OCT技术首次用于泌尿生殖系统的诊断以来，受到临床广泛关注。早期的体外研究指出，OCT能提供详细的泌尿系样本组织学信息，易区分增生、不典型增生和肿瘤，因此，可作为组织学的替代方法[8]。

OCT除肿瘤领域外也被用于其他肾脏疾病。有国外研究发现，OCT能显示肾脏缺血或肾损伤的组织病理改变[9-11]，当肾缺血时，可观测到肾小管管腔急剧收缩，肾单位血流滤过率减少和近端肾小管微绒毛刷状缘的破坏。但移植手术时应用OCT 成像供体肾结构，评估遭受缺血损害和急性肾损伤后器官活性的可行性及I/R的生物标志物，目前国内未见相关研究。

本研究结果显示，OCT能实时、直观的观测肾脏的超微结构，尤其是肾小管的结构和分布尤为清晰，通过与常用的组织病理学资料比较，OCT 采集的图像同样能反映类似的组织微观结构，此外，OCT图像的分辨率（1～10µm）可揭示形态学的具体情况。OCS1310V1 的Swept Source OCT System 系统采用最新的MEME VCSEL 扫频源，最短腔长达几个微米，使MEMS VCSEL可产生1个较长的相干长度，在光源以几百千赫兹工作时，较长的相干长度支持OCT 可测量较大的范围。该系统可提供高清晰图像，包括2D 的横截面信息及内部的结构，且也可通过计算产生3D重构的图形，内部结构可通过计算机清晰的呈现出来。与国外Chen等[10]研究采用的OCT系统比较，具有成像速度快、成像范围广的优点，但分辨率较低。本研究还发现，OCT成像缺血再灌注模型，缺血前后及再灌注不同时间点，同样采集点的图像区域肾小管的数目有明显差异。证实在肾小管缺血损伤时，肾脏OCT 数据图形有显著变化，OCT 也可清晰的显示肾小管二维图像，提供有价值的肾小管形态学特征。肾小管的组织病理学改变可预测供肾移植前后的状态，OCT 对评价移植肾活性具有一定意义[11-12]。也有研究提示，通过阿霉素注射建立慢性肾脏病（CKD）模型，阿霉素诱导后第4～8 周，用OCT监测小鼠肾脏，发现肾小管密度和管径发生明显变化，表明OCT 可以提供CKD 类似组织病理学的信息[13]。2016年，Andrews团队利用OCT研究老年大鼠的肾脏并与组织病理学变化比较，有研究结果表明，OCT可用于与老龄化相关的肾病的监测以及评价老龄化供体肾脏的状态[14]。

综上所述，OCT 可实时、快速、无创的评估供肾移植前后影像学病变形态，且可预测ATN 发生和移植后的肾功能情况，评估移植肾的肾脏活性，并逐渐向功能和结构综合成像的OCT发展，为CKD的临床评估提供依据。