皮肤光透明的物理机制与生理机制研究.pdf

分类号分类号 学号学号 d200777351 学校代码学校代码 1 0 4 8 7 密级密级 博士学位论文博士学位论文 皮肤光透明的物理机制与 生理机制研究 皮肤光透明的物理机制与 生理机制研究 学位申请人：闻 翔 学 科 专 业：生物医学工程 指 导 教 师：朱 教授 答 辩 日 期：2012 年 5 月 a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy in engineering physical and physiological mechanisms of skin optical clearing ph. d. candidate : xiang wen major : biomedical engineering supervisor : prof. dan zhu huazhong university of science and technology wuhan, hubei 430074, p. r. china may, 2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 组织光透明技术是通过向生物组织中引入高渗透、高折射、生物相容的化学试 剂，以此来暂时降低光在组织中的散射、提高光在组织中的穿透深度。这为光学分 子成像在活体的应用、及光子医学诊疗技术在临床中的应用带来了新契机。其中， 针对皮肤光透明的研究更成为热点，但有关皮肤光透明的机制并不清楚，涉及定量 研究很少，在体皮肤光透明机制的研究更是未见报道，这直接影响了皮肤光透明技 术的发展与应用。 本文的工作正是围绕皮肤光透明的物理机制与生理机制，从组织模型、离体皮 肤以及在体皮肤等不同层次展开，主要的研究内容如下： 1) 将组织模型用于研究皮肤光透明的物理机制：结合电镜所得到脂肪乳溶液中散 射微粒的粒径分布，根据米氏散射理论建立组织模型散射性质的预测方法。将 脂肪乳溶液分别与六种光透明剂混合，均能获得不同程度的光透明效果。其中， peg200、peg400 作用会使脂肪乳溶液微粒出现聚集、变得不再均匀；其余四 种光透明剂加入后能保持组织模型的均匀性，理论预测与实验测量证实高折射 率光透明剂加入会降低混合液的散射、使其变得更透明。因此，皮肤光透明的 物理机制可归结于背景折射率的提高或者散射微粒尺度的变化。 2) 建立基于偏最小二乘法的脱水模型，使其能根据近红外反射谱定量提取皮肤含 水量，为皮肤光透明的脱水机制研究提供新方法。研究了六种光透明剂分别作 用于离体皮肤后所致含水量的动态变化，并与积分球测量结合 iad 算法所得皮 肤约化散射系数进行比较。发现光透明剂作用均能使皮肤含水量和约化散射系 数降低，两者相关性极高；但甘油与山梨醇等多元醇所引起的皮肤约化散射系 数变化明显于高于含水量的变化。这说明脱水在离体皮肤光透明作用中起主导 作用，但并非皮肤光透明的唯一机制。 3) he 染色、电子显微镜成像及二次谐波成像，观测皮肤微结构、超微结构及胶原 本课题受到国家自然科学基金（30770552, 30911120074, 81171376）和高等学校博士学科点专项科研基金 （20110142110073）的资助。 ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 变化。发现皮肤结构并没有明显改变，但真皮层变薄；胶原纤维直径变细、排 列更加紧密；真皮层胶原纤维未出现离体实验中的解离。这说明在体皮肤光透 明机制与离体存在差异，离体的研究并不完全适合于在体情形。 4) 建立基于反射谱提取皮肤生理与光学特性的分析方法：利用蒙特卡罗模拟建立 反射谱与光学参数查找表格，并结合皮肤组分与结构特点优化查找表格；建立 皮肤的光学近似模型，采用最小二乘法拟合从皮肤漫反射光谱中获得皮肤生理 与光学特性参数，包括皮肤黑色素体积分数 m、血液体积分数 b、血氧饱和度 s、500 nm 波长约化散射系数和瑞利散射比例 f 等。并通过人体实验评价了基 于反射光谱测量提取皮肤生理参数与光学特性参数的准确性与有效性。这为定 量研究在体皮肤光透明机制提供重要监测手段。 5) 动态监测在体皮肤光透明过程， 建立皮肤光透明过程中生理与光学特性的关联， 揭示在体皮肤光透明机制：利用反射光谱测量对在体皮肤光透明过程进行动态 监测，定量获取皮肤约化散射系数、血液浓度和血氧饱和度在光透明过程中的 变化；并利用 oct 成像观测光透明作用下大鼠皮肤光学成像深度的改善。结果 表明，在体大鼠皮肤局部涂抹 peg400 与噻酮混合液、并结合物理按摩，能使 得皮肤表面反射光谱及约化散射系数显著下降，皮肤血液体积分数显著上升， 皮肤血氧饱和度基本不变； 约化散射系数的降低使得大鼠皮肤浅层 oct 反射信 号减弱、深层反射信号增强，oct 成像深度增加。 以上从组织模型、离体皮肤与在体皮肤等多层次开展研究，有助于揭示皮肤光 透明的物理机制与生理机制：光透明剂的高折射可提高细胞间液的折射率、使皮肤 各成分的折射率匹配；其高渗透性可导致皮肤脱水、散射微粒尺度改变；部分试剂 可能与皮肤发生某种可逆反应、而改变散射微粒的尺寸。这为发展高效、安全的皮 肤光透明方法提供重要理论基础。 关键词：关键词：组织光透明技术 光透明剂 皮肤 组织模型 反射光谱 生理参数 光学特性参数 iii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 abstract optical clearing technique can enhance light penetration in tissues and give advance to optical imaging and therapy by applying high refractive index, hyperosmolarity and biocompatible chemical agents on tissues. and optical clearing for skin is a hot topic in this field. but the mechanism of skin optical clearing is still not clarified, few quantitative results were reported and there is still no research of in vivo mechanism, which limited the development and applications of skin optical clearing technique. in this work, physical and physiological mechanisms of skin optical clearing were investigated with tissue phantom, in vitro skin and in vivo skin: 1) research for physical mechanism of skin optical clearing on tissue phantom. by measuring particle size distribution with electron microscope, the scattering property of intralipid was predicted by mie theory. after mixing intralipid with six ocas separately, mixture are all more transparent. peg 200 and peg 400 induced particles aggregation, while others keep the solution uniform. reduced scattering coefficients of solutions decreased with agents refractive indices increasing, which matches well with theory prediction. the results indicate that physical mechanisms of skin optical clearing are increasing of background refractive index and changing of particle sizes. 2) a partial least square model was established to measure water content from reflectance spectrum. porcine skin samples were immersed in six common ocas separately and their optical properties were measured by an integration sphere with iad algorithm. the results show a correlation between reductions of water contents and reduced scattering coefficients. but for some ocas, reduction of scattering coefficient is higher than that of water content. this implies a major mechanism of dehydration during optical clearing process. but some other mechanisms may also influence the process of optical clearing. 3) the microstructure and ultrastructure were investigated with he stained slices, second harmonic generation imaging and electron microscopy after dermal injection of glycerol. the dermal structure of skin did not change much but the thickness decreased; diameter of collagen fibers decreased and got more regular packing. the iv 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 collagen fibers were not dissociated as in vitro immersion in glycerol. the results indicate in vivo mechanism of optical clearing can be different from in vitro study. 4) exact physiological and optical properties from reflectance spectrum. monte carlo simulation was used to get a lookup table between reflectance spectrum and optical properties, and the table was optimized for skin. an approximate model was proposed and combined with least square root fitting, that can obtain melanin volume fraction, blood volume fraction, blood saturation, reduced scattering coefficients and rayleigh scattering fraction from skin reflectance spectrum. the extracted parameters were further tested by multilayer monte carlo simulation, commercial melanin probe and blood occlusion experiment. the results show a good accuracy for the method and provide a new in vivo research method for the mechanism of skin optical clearing. 5) monitoring the in vivo optical clearing process, the connection between physiological and optical properties was established and in vivo mechanism was explored. topical application of ocas on rat skin was investigated with reflectance spectrum analysis. reduced scattering coefficients, blood volume fraction and blood saturation was extracted. oct was used to calculate the image depth improvement. the results show that after 15 min application of peg400 with thiazone combined with physical massage, reduced scattering coefficients decreased, blood volume fraction increased and blood saturation hardly changed. the reduction of reduced scattering coefficients increased deep signal and increased imaging depth in oct image. in conclusion, this work investigated the physical and physiological mechanisms with tissue phantom, in vitro skin and in vivo skin. the results show high refractive index of ocas increased the background refractive index, and improved refractive index matching in skin; the hyperosmolarity induced dehydration of skin and might change the scattering particles; some ocas might induce reversible change to the particle sizes. this work will contribute to development of high efficacy, biocompatible optical clearing technique for basic researches and clinical applications. key words: tissue optical clearing technique, optical clearing agents, tissue phantom, skin, reflectance spectrum, physiological parameters, optical properties v 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 目目 录录 摘摘 要要 . i abstract . iii 1 绪论绪论 1.1 皮肤的生理特性与光学特性 . (2) 1.2 皮肤光透明技术 . (5) 1.3 皮肤光透明机制研究现状 . (6) 1.4 问题的提出 . (8) 1.5 本文的主要内容 . (10) 2 物理机制：基于组织模型的光透明物理机制研究物理机制：基于组织模型的光透明物理机制研究 2.1 米氏散射理论预测组织模型的散射性质 . (12) 2.2 脂肪乳溶液中的光透明实验研究 . (21) 2.3 分析与讨论 . (26) 2.4 小结 . (28) 3 脱水机制：光透明剂致离体皮肤脱水的定量评估脱水机制：光透明剂致离体皮肤脱水的定量评估 3.1 偏最小二乘法结合近红外反射光谱分析皮肤含水量 . (31) 3.2 皮肤光透明过程中脱水程度的定量评价 . (35) 3.3 讨论：皮肤光透明的脱水机制 . (41) 3.4 小结 . (43) 4 准在体机制：光透明作用对皮肤微结构及超微结构的影响准在体机制：光透明作用对皮肤微结构及超微结构的影响 4.1 材料与方法 . (44) 4.2 结果与分析 . (48) vi 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 4.3 讨论 . (53) 4.4 小结 . (54) 5 在体测量方法：基于反射光谱测量提取皮肤生理参数与光学特性参数在体测量方法：基于反射光谱测量提取皮肤生理参数与光学特性参数 5.1 皮肤反射谱与其生理与光学性质概述 . (56) 5.2 材料与方法 . (58) 5.3 结果与分析 . (65) 5.4 讨论 . (71) 5.5 小结 . (74) 6 在体机制：在体皮肤光透明过程的监测在体机制：在体皮肤光透明过程的监测 6.1 材料与方法 . (76) 6.2 结果与分析 . (80) 6.3 讨论 . (86) 6.4 小结 . (89) 7 结论结论 7.1 主要的研究内容及结论 . (90) 7.2 本文的主要创新 . (92) 7.3 展望 . (93) 致致 谢谢 . (95) 参考文献参考文献 . (97) 附录附录 1 攻读博士学位期间主要研究成果攻读博士学位期间主要研究成果 . (110) 附录附录 2 本文主要使用的英文缩写本文主要使用的英文缩写 . (113) 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 随着生物医学光子学学科的发展，基于光学方法的成像、诊断与治疗技术及其 应用吸引了生命科学、临床医学及相关领域专家、学者的高度关注1-8。然而，生物 组织对可见及近红外光具有高散射特性，使得光在组织中的穿透深度受到极大的限 制，从而制约了光学成像方法在生物组织中的成像深度以及光学治疗方法在临床医 学应用中的治疗深度9-14。 valery v. tuchin 教授创导的组织光透明技术，利用高渗透、高折射率、生物相 容的化学试剂浸润生物组织，可暂时提高组织中的折射率匹配程度，降低组织中的 散射，从而提高光在组织中的穿透深度10, 13。组织光透明技术自提出以后被用于不 同组织的光学成像研究15, 16，如将光透明剂浸泡离体样本，已经获得了果蝇嗅觉图 谱17，鼠脑深层荧光图像18以及小鼠脊髓的整体成像19。位于体表的皮肤组织是人 体的最大器官，因此，针对皮肤光透明的研究更成为研究热点20-28。 皮肤组织的光学性质对于基础研究，皮肤疾病的诊断与透过皮肤的光学治疗具 有重要意义14, 29。一方面，皮肤作为身体的天然屏障，保护体内各种组织和器官免 受物理性、机械性、化学性和病原性微生物的侵袭30；另一方面，皮肤组织高散射 性质使得光学成像、诊断与治疗技术局限于浅表皮肤31-33。而由于皮肤的多层结构 具有不同的光学性质，同时皮肤表面角质层的存在阻挡了光透明剂向皮肤内部的扩 散，使得皮肤光透明方法的研究成为光透明研究的重点与难点22。其主要原因在于， 皮肤光透明的物理与生理机制并不清楚。本文的工作正是围绕这一问题而展开的。 作为博士论文的第一章，将首先介绍皮肤的结构特点与皮肤中散射性质的成因， 从而引入皮肤光透明的概念、简述其研究现状；接下来，重点阐述皮肤光透明机制 的研究进展；进而针对皮肤光透明机制研究中存在的问题，提出本文的主要研究内 容，最后给出全文的构架和各章节之间的关系。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 1.1 皮肤的生理特性与光学特性皮肤的生理特性与光学特性 1.1.1 皮肤的结构特点皮肤的结构特点 皮肤是人体中最薄的器官，也是身体最重要的器官之一，眼睑周围的皮肤为 0.5 mm 厚，而手掌与脚底的皮肤最厚，常常能达到约 4 mm34。尽管皮肤的厚度随着不 同人和不同所在部位有较大差异，但其基本结构均分为三层,即表皮层，真皮层与皮 下组织，图 1.1 所示为人体皮肤结构的示意图35。 表皮层位于皮肤的最外层，由复层扁平上皮组成 34。由外向内可以分为五层， 依次为角质层、透明层、颗粒层、棘细胞层和基底层35。位于角质层以内的四层统 称为活性表皮，具有亲水性，因此亲水性化学物质相对较容易通过。位于皮肤最外 面的角质层，由多层角化的上皮细胞组成。角化细胞排列紧密相互嵌合，细胞之间 以桥粒连接，其间由板层颗粒释放的脂类物质填充。由于角质层的致密结构能阻止 有害异物的侵入和阻挡体内液体的丢失，从而起到屏障作用30。 真皮层位于表皮深层，向内与皮下组织相连。真皮层由致密结缔组织组成，其 内分布大量胶原纤维、弹性纤维和各种结缔组织细胞，使得皮肤既具有弹性又具有 图 1.1 人体皮肤结构示意图35 figure 1.1 the human skin schematically35 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 韧性。真皮层厚度因所在位置不同而异，手掌、足底的真皮层较厚约 3 mm 以上，一 般厚度在 1-2 mm 之间34。真皮分乳头层和网状层35，靠近表皮下部的称乳头层，其 下为网状层，两层互相移行，无截然界限。胶原纤维是真皮结缔组织中的主要成分。 在乳头层，纤维较细，排列疏松，方向不定，网状层的纤维束较粗，互相交织成网。 在真皮中部和下部，胶原束的方向几乎与皮面平行，并互相交织在一起，在一个水 平面上向各种方向延伸。由于真皮层厚度为表皮层的数十倍，是光子进入皮肤深层 的主要屏障，因此真皮组织是皮肤光透明作用和研究的重点。 皮下组织位于皮肤最深层，又称浅筋膜，由大量疏松结缔组织和脂肪小叶组成， 其中分布有汗腺、毛根、血管、淋巴管和神经等35。此层是皮肤与皮下肌肉组织， 骨组织之间的连接层，是贮存脂肪的主要场所，对维持体温具有重要作用。 皮肤本身结构复杂，尤其是表皮角质层是人体最好的天然屏障，限制了外部其 它物质向皮肤深层的扩散30, 35；另外，皮肤还是典型的混浊介质，真皮层不均匀的 结构限制了光在皮肤中的穿透深度14, 29。 1.1.2 皮肤的光学特性皮肤的光学特性 辐射传输理论将传输介质的光学特性分为吸收与散射性质36, 37。吸收性质描述 光在该介质中传输时，光被介质吸收而转化为其他形式的能量，使得被传输光的强 度在传输距离内逐渐衰减。吸收系数（ a ，absorption coefficient）被用来定量表示 介质吸收能力，其定义为光子在单位无限小距离内被吸收的概率。散射性质描述光 在该介质中传输时，由于介质中折射率的不均匀分布使得光的传输方向发生改变。 而散射系数（ s ，scattering coefficient） ，被定义为光子在单位无限小距离内发生散 射事件的概率，同时采用各向异性因子（g，anisotropic factor）来定义发生散射时， 平均散射角度的大小。在用于生物组织的光学特性参数描述时，散射系数与各向异 性因子通常合并为约化散射系数 （ s ， reduced scattering coefficient） ，g ss 1， 表示生物组织改变光子传输方向整体能力的大小。 皮肤对可见及近红外波长光的吸收主要来自于黑色素，血液和水分36。黑色素 存在于人体表皮层中，是决定皮肤在紫外与可见波长吸收性质的主要成分。黑色素 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 在紫外、可见及近红外波段有较宽的吸收光谱，对较短波长的光的吸收更强38。血 液对光的吸收主要来自于血红蛋白，由于血红蛋白在 400 至 600 nm 有较强吸收39， 其中含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白具有不同的吸收光谱，这使得血红蛋白的吸收成 为光学方法的内源标记物，使利用光学方法检测组织氧代谢能力成为可能。相比较 黑色素和血液，水在可见波长的吸收非常地低，几乎可以忽略不计，但随着波长的 增大，尤其在 1300 nm 以上水成为皮肤中最主要的吸收介质40。由于水的吸收峰分 布在近红外波长区域，对于皮肤组织水分含量的检测常常需要采用近红外光光谱分 析。根据生物组织中各吸收成分在不同波长下的吸收性质，光学方法通常采用 600-1300 nm 波长范围对生物组织进行诊断与治疗， 因此这一范围被称为生物组织的 光学诊断窗口。 在光学诊断窗口内，生物组织的吸收较低，散射成为限制光在组织中穿透深度 的主要因素10。生物组织由各种细胞和细胞间质组成，组织中不同成分的折射率变 化使得组织具有较强的散射性质。为了描述生物组织折射率的变化，常常将生物组 织中各成分进行统计上的划分41。 如图 1.2， 为生物组织中不同成分的折射率变化42。 组织中折射率较高的成分是连接纤维（包括胶原纤维，弹性纤维，网状纤维） ，细胞 膜，细胞器和细胞核。连接纤维的折射率 f n约为 1.4713，在哺乳动物细胞中，细胞 核 o n和细胞器 n n基本上包含相同含量的核酸和蛋白质（如线粒体、核糖体），所 图 1.2，生物组织中折射率变化示意图42。 figure 1.2 illustration of refactive indices in biological tissues42 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 以它们的折射率基本上稳定在一个很小的范围内，大约(1.38-1.41) 43, 44。通常将这些 折射率较高的组织成分定义为散射介质，其平均折射率 s n范围约为 1.39-1.47。折射 率较低的成分为细胞质35. 1 c n与细胞间液37. 1 w n 41, 44-46。通常将折射率较低 的这些成分定义为背景介质， 因此组织背景介质的折射率 bkg n约为 1.36。 通过这样的 方法就可以简单地将组织建模为折射率二元变化的结构。 生物组织中散射体与背景介质的折射率之比 bkgs nnm/决定了组织的散射性质。 例如，对于简单的单分散性组织模型，假设具有相同大小的直径为a2的绝缘小球的 分散体系，则其约化散射系数为47： 09. 2 37. 0 2 1 2 28. 31 m a ag sss (1.1) 这里， sscas 为散射系数， sca 为散射截面， s 为球体的体积密度，g为各向 异性因子，为光在散射介质中的波长。这个等式在无相互作用的米氏散射中适用， 即9 . 0g；50 2 5 a ；1 . 11 m。 从（1.1）式中可以看出，约化散射系数与散射体折射率与背景折射率之比即折 射率匹配程度 bkgs nnm/直接相关， 由于皮肤组织中真皮层含有丰富的以胶原纤维为 代表的连接纤维，而连接纤维在散射体中具有相对较高的折射率，与背景介质的折 射率差别较大，从而引起皮肤组织的高散射性质。 1.2 皮肤光透明技术皮肤光透明技术 生物组织的光透明技术，最早是由tuchin13, 42教授提出的。从式1.1中可见 21m s , 则可以得到，当散射体折射率47. 1 s n时，背景折射率5%的增加 42. 135. 1 bkg n，会引起 s 将近7倍的变化。当极限情况，粒子折射率和背景折 射率相同时，1m ，0 s 。高渗透性，高折射率，生物相容的化学试剂作用于 生物组织，暂时性提高组织中有型介质与无形介质之间的折射率匹配程度，从而降 低组织散射性质，提高光在组织中的穿透深度，使生物组织变得“透明” ，即称为组 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 织光透明技术。所采用的高渗透性、高折射率、生物相容的化学试剂，称为光透明 剂。光透明技术的关键就是选择合适的光透明剂。目前常用的光透明剂主要有：甘 油及其水溶液（glycerol, glycerol-water solutions） ，葡萄糖溶液（glucose） ，丙二醇 （propanediol） ，聚乙二醇（polyethylene glycol） ，聚丙二醇（polypropylene glycol） ， 油酸（oleic acid） ，二甲基亚砜（dmso）等。这些光透明剂的分子量、分子极性均 不同，将其用于不同的生物组织，其渗透性也不尽相同，光透明效果也不完全一样。 由于光学成像往往需要穿过皮肤组织，有些真皮性的疾病在实施激光治疗时也 需要光有着足够的穿透深度，因此，针对皮肤的光透明研究吸引了越来越多的研究 者的关注与参与22, 23, 26, 27，现阶段针对皮肤光透明剂的筛选，主要考虑光透明剂的 高折射率与高渗透性的两方面性质。这是由于现阶段对组织光透明原理主要有两种 观点：高折射率光透明剂进入组织替换组织间液提高组织背景折射率13, 42，以及高 渗透光透明剂引起组织脱水48, 49。但在离体皮肤光透明的研究中发现，光透明剂作 用于皮肤所产生的光透明效果与光透明剂的折射率，同渗容摩，分子量大小等物理 参数都无直接的相关性50, 51。也有研究者发现，光透明剂离体浸泡胶原组织，会出 现胶原纤维解离的现象52, 53。这说明光透明剂作用于富含胶原纤维的皮肤组织，可 能存在更复杂的生理机制。 通过对皮肤光透明物理与生理机制的深入研究，即分析光透明剂如何进入皮肤 组织中，如何与组织发生相互作用，如何达到降低组织散射的过程，将有效促进皮 肤光透明技术的发展。一方面，通过对光透明剂作用方式的理解，对高效光透明方 法的筛选提供理论指导，使得筛选工作更有目的性与方向性；另一方面，理解光透 明剂与皮肤的相互作用将有助于光透明剂生物安全性的评价，使得发展安全无损的 在体光透明方法成为可能。因此，皮肤光透明机制研究已成为皮肤光透明研究的基 础。 1.3 皮肤光透明机制研究现状皮肤光透明机制研究现状 出于光透明基础理论研究和高效光透明剂筛选的需要，已有一部分组织光透明 领域的研究者对光透明机制提出了一些理论，但组织类型并不统一，各自的研究内 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 容相互独立。由于生物组织散射形成机制具有相似性，因此针对其他组织的研究对 皮肤光透明机制的研究也具有借鉴意义。在现有的研究中，导致组织光透明的理论 主要有：组织折射率的匹配，脱水和胶原纤维解离，本节将分别从这几个方面介绍 已有对组织光透明机制的研究现状。 1.3.1 折射率匹配折射率匹配 米氏理论可以用于球形微粒散射性质的计算，通过给出微粒尺寸、微粒折射率、 背景折射率等信息，即可计算出对应波长下微粒单次散射的性质。tuchin计算了球 形微粒体系散射性质随其物理性质变化的情况42。结果表明当散射体的尺寸与波长 的大小相近时，体系的散射系数达到最大。当粒子尺寸不变时，体系的约化散射系 数随散射体折射率与背景折射率的比例 bkgs nnm/的增加而显著增加。 同时， 当这个 比例接近于1即折射率达到匹配的时候，g达到最大值。当背景折射率与散射体折射 率相等时，体系的约化散射系数为零，此时光在传输过程中的衰减完全取决于体系 中的吸收系数。当向组织中引入高渗透，高折射率，生物相容的光透明剂后，组织 中背景折射率升高，接近散射体折射率。散射体折射率与背景折射率的比例 bkgs nnm/降低而使得组织中的散射显著降低。 折射率匹配已经被公认为组织光透明 的基本思想。 1.3.2 脱水脱水 光透明中的脱水机制最早由tuchin提出13，他基于对角膜组织光透明过程中准 直透射光强度随时间变化的测量结果，认为角膜组织光透明过程按照其透明程度分 为三个阶段，第一和第三阶段由折射率匹配引起，而第二阶段的光透明过程是由组 织脱水引起的。由于皮肤组织的自然风干也具有一定的光透明效果，rylander等认 为组织脱水在光透明剂作用于皮肤组织时具有重要的作用49。认为脱水能增加散射 粒子的体积分数；而且，背景介质中蛋白多糖的浓度增加使得背景折射率升高降低 组织中折射率不匹配程度。以上两个方面作用使得皮肤中散射降低。xu等48利用双 80%甘油或80%丙二醇作用肌肉组织30分钟后，发现肌肉组织的衰减系数和脱水程 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 度随时间变化过程具有相似性，甘油较丙二醇具有更强脱水能力的同时也具有更好 的光透明效果。根据已有的研究结果表明，光透明剂作用于生物组织均伴有不同程 度的脱水，而不使用光透明剂的自然风干脱水也能产生一定程度的光透明效果，因 此光透明剂作用于皮肤中导致组织脱水被认为是组织光透明过程中重要机制。 1.3.3 胶原纤维解离胶原纤维解离 皮肤组织真皮层中含量丰富的胶原纤维是皮肤中散射性质的重要来源14, 54。胶 原纤维在生物组织中广泛存在，尤其在皮肤组织的真皮层与眼角膜中最为丰富55。 yeh等52在利用二次谐波成像对大鼠皮肤胶原纤维进行观察时发现，在光透明剂甘 油作用后，真皮层的胶原纤维出现解离。在光透明剂作用前，大