在体皮肤光透明机制的定量研究

皮肤的混浊特性限制了光学分子成像的活体应用及多种光诊疗技术的临床应用，光透明技术有望克服这一瓶颈。但理论研究与检测技术的缺乏，光透明剂与皮肤之间相互作用机制并不清楚。胶原是皮肤的主要散射体，本项目拟采用分子动力学模拟光透明剂分子与胶原分子间相互作用，用模型实验加以验证，确定高效光透明剂的分子组成及构象。发展一种能同时获得皮肤生理与光学参数的高光谱成像方法，结合皮肤水分含量、胶原含量及微结构等检测技术，开展离体皮肤与动物实验，定量研究光透明剂作用对皮肤光学特性及生理特性的影响，阐明离体皮肤光透明机制；结合功能检测，研究光透明剂在体内的转运与代谢，描述光透明剂与表皮、真皮的相互作用、及光透明剂在皮内的转运与代谢规律，揭示在体皮肤光透明机制。为在体皮肤光透明剂筛选与设计提供科学依据。本项目的研究成果将促进组织光透明技术本身的发展，并将对基于光学成像的基础研究及光诊疗技术临床应用产生重大影响。

皮肤的高散射成为活体光学成像、诊断及治疗所需突破的第一道屏障，近年发展起来的组织光透明技术为克服这一屏障提供了新的契机。但皮肤光透明机制并不清楚，严重制约了皮肤光透明方法的发展与应用。.实事上，皮肤的高散射主要来源于真皮中的胶原，光透明剂作用于胶原可导致胶原分子解离，从而降低皮肤散射。在本项目的研究中，我们利用分子动力学模拟研究光透明剂分子与真皮中胶原分子间的相互作用，从理论上预测光透明剂对胶原的解离能力，即光透明潜能，发现糖、特别是多糖比之前常用的醇类试剂具有更好的光透明效果，离体实验结果与理论预测完全一致，从而在分子与离体水平阐明了皮肤光透明机制。然而，当所获得的高效光透明剂直接应用于活体皮肤表面时，光透明效果却不尽人意，这是因为理论模拟只关注光透明剂与真皮中胶原之间的相互作用、离体实验光透明剂也是直接作用于真皮。但活体的情况却有所不同。当光透明剂局部涂抹皮肤表面时，皮肤角质层及致密表皮阻挡了光透明剂分子向真皮肤的渗透，因此活体皮肤光透明效果不仅取决于光透明剂的类型，还与它进入到真皮的量有关。为此，我们引入了多种物化方法加快光透明剂向真皮的渗透，并特别对光照促渗机制进行了研究。为在体监测活体皮肤光透明过程，我们搭建一套高光谱成像系统、建立反射谱分析方法，能同时获取皮肤光学特性与生理特性参数；并结合多种成像技术，诸如超声成像、光声成像、光学相干层析成像等对在体皮肤光透明过程进行了监测，建立光透明剂所致皮肤生理参数与光学参数的变化，阐明光透明剂与皮肤之间相互作用、及光透明剂在皮内的转运与代谢规律，从而揭示在体皮肤光透明机制。在此基础上，我们结合皮肤给药安全性评价方法，证明了皮肤光透明方法在活体应用的安全性，从而发展一种可开合的皮肤光透明窗，能显著改善各种光学成像质量，包括：能提升在体流式细胞仪在深层血管细胞的探测能力，能提高OCT成像质量及成像深度，显著增加荧光信号及成像深度，结合激光散斑成像能高分辨获取皮下微血管血流分布信息、并实现了动静脉血管的准确分割。本项目的研究成果不仅促进组织光透明技术的发展，并为基于光学的诊疗技术具有重要的指导意义。.在项目执行期间，发表论文12篇及1章英文书稿，获国家发明专利2项，指导王静同学的博士论文获湖北省优秀博士学位论文。