OCT評價動物活體腎臟缺血再灌注損傷的意義及應用

李俊霞，譚建明，黃正，方玉宏，李偉軍

（1.聯勤保障部隊第九〇〇醫院腎臟病科，福建 福州 350025；2.聯勤保障部隊第九〇〇醫院泌尿外科，福建 福州 350025；3.醫學光電科學與技術教育部重點實驗室，福建師范大學福建省光技術重點實驗室，福建 福州 350007）

臨床上現有的常用疾病診斷方法有超聲波、X 射線透視、CT掃描、核磁共振等，均屬于非侵入式的醫學診斷技術，但存在精度低、速度不高、輻射等缺點。光學相干斷層成像（optical coherence tomography，OCT）是一種新型的光學成像技術，對生物組織及其他散射介質的內部微觀結構進行高分辨率的橫斷面層析成像[1]，能提供微米量級分辨率及毫米量級探測深度的實時一維、二維橫截面和三維體圖像。OCT在成像技術方面類似于超聲成像，除高分辨率特性，還具有非接觸、無創傷、實時、原位等特點，使OCT技術可用于對生物組織、微生物和工業材料等樣品進行成像。隨著OCT 成像技術的不斷完善，應用范圍也越來越廣泛，在醫學領域，逐漸被應用于眼科、內窺鏡、心血管介入、腫瘤等學科，但截至目前，國內尚無關于OCT 應用于腎臟區分腎臟組織結構及判斷腎臟缺血損傷的相關研究。本研究在建立Beagle 犬腎臟缺血再灌注損傷的基礎上，應用OCT 技術觀測并采集腎蒂血管阻斷前、阻斷時及再通等情況下的OCT圖像，通過比較OCT 技術與腎臟組織學活檢技術，探討OCT 技術用于判斷腎臟正常組織結構及缺血再灌注損傷的臨床價值，以期為腎臟疾病診斷提供依據，現報道如下。

1 材料與方法

1.1 研究對象 普通級成年Beag1e 犬10 條，雌雄兼用，體質量約15～20 kg，由第九〇〇醫院動物實驗中心所提供。

1.2 儀器設備 本研究采用SS-OCT（OCS1310V1，ThorLabs公司，美國）和SD-OCT（TEL1300V2，ThorLabs公司）兩種OCT系統，其中SS-OCT系統是傅里葉域OCT系統，工作中心波長為1 300 nm，工作帶寬為100 nm，靈敏度為100 dB，在空氣中的軸向分辨率和橫向分辨率分別為12 μm和25 μm。波長掃描頻率為100 kHz，可實現實時二維和三維成像，最大掃描視場（FOV）為10 mm×10 mm。SD-OCT使用了中心波長1 300 nm 的SLD光源，在空氣中的軸向和橫向分辨率分別為5.5 μm和13 μm。

1.3 方法

1.3.1 建立缺血再灌注損傷動物模型 常規消毒麻醉后，沿腹部正中切開，切口長約6 cm，切開皮膚，鈍性分離皮下組織，縱行剪開腹直肌前鞘，鈍性分離肌肉，切開腹膜，進入腹腔。暴露并分離雙側腎臟腎蒂，使用無創血管夾阻斷雙側腎蒂。腎蒂成功阻斷后可見腎臟的顏色由鮮紅色逐漸變為紫黑色，提示腎臟血管阻斷成功。用無創血管夾夾閉45 min后，去除無創血管夾，腎臟顏色可見有紫黑色逐漸恢復為紅色，關閉腹腔，并逐層縫合。

1.3.2 術中腎臟暴露于OCT探頭下進行OCT掃描 活體腎臟分別在2D 模式（長8.9 mm×高3.5 mm，共300 次連續掃描）、2D模式（長2.5 mm×高2.3 mm）和3D模式（長3.5 mm×寬2.5 mm×高3.5 mm）下用SS-OCT 和SD-OCT 成像。夾閉和再灌注腎動脈造成缺血，夾閉前后進行OCT掃描。

2 結果

2.1 正常腎臟二維OCT成像 全麻下活體腎臟OCT掃描，暴露健康動物腎臟置于OCT 探針下進行OCT 掃描。OCT圖像數據通過實驗儀器裝置收集，實時可視化。計算結構尺寸，然后加入重建圖像，以揭示腎臟的解剖結構的定量信息。關注的腎組織結構，如腎小管、腎小球、血管，可根據不同的形態鑒定。通過OCT 成像，可得到深度達幾百微米的腎實質橫斷面成像（見圖1a）。

圖1 腎臟組織OCT成像和對應的病理圖像Figure 1 OCT imaging of renal tissue and corresponding pathological images

2.2 正常腎臟二維OCT成像與腎臟組織病理的比較 OCT圖像和相應的組織學圖像比較表明，反應感興趣區域（ROI）特征兩者基本一致。此外，OCT圖像的分辨率與傳統組織病理學相當。OCT圖像中腎的解剖學結構包括包膜（C）和腎小管（T）清晰可見。

2.3 腎臟缺血灌注模型的OCT 成像改變 腎臟雙側腎蒂血流阻斷時，OCT 圖像少見明顯開放小管管腔。腎臟缺血45 min再灌注5 min后的OCT圖像可見開放的小管管腔（見圖2A），但較未缺血前顯著減少；再灌注4 h后的OCT圖像可見開放小管管腔，較阻斷前變化不明顯（見圖2B）；再灌注24 h后的OCT圖像與I/R 4 h比較可見開放的小管管腔有明顯減少（見圖2C）；再灌注72 h 后的OCT 圖像較 I/R 24 h 的OCT圖像開放小管管腔的情況明顯好轉（見圖2D）。

圖2 腎臟缺血再灌注損傷模型的OCT成像變化Figure 2 Changes of OCT imaging in renal ischemia-reperfusion injury model

3 討論

OCT 在泌尿外科領域的應用原理類似于B 超，OCT 成像技術是基于干涉儀的光學成像系統，與超聲相比，OCT是利用近紅外光而不是超聲波，無需直接接觸組織或傳感介質。組織的后向散射光參考信號光干涉產生高分辨率的二維組織微觀結構圖[2]。空間分辨率1～15 μm的圖像，遠高于常規超聲[3-4]。

鑒于OCT 能對組織進行實時活體成像，OCT 技術可稱為一種“光學活檢”技術，可原位提供組織的病理學信息，而常規活檢需切除標本才能獲得組織的病理學檢查結果[5-6]。另外，OCT可與現有的手術器械相結合，如腹腔鏡、內窺鏡、導尿管、手持探針等[7]。因此，OCT 有助于指導手術介入操作或在常規活檢存在困難或風險性時，提供組織原位的微觀結構成像。自1997年OCT技術首次用于泌尿生殖系統的診斷以來，受到臨床廣泛關注。早期的體外研究指出，OCT能提供詳細的泌尿系樣本組織學信息，易區分增生、不典型增生和腫瘤，因此，可作為組織學的替代方法[8]。

OCT除腫瘤領域外也被用于其他腎臟疾病。有國外研究發現，OCT能顯示腎臟缺血或腎損傷的組織病理改變[9-11]，當腎缺血時，可觀測到腎小管管腔急劇收縮，腎單位血流濾過率減少和近端腎小管微絨毛刷狀緣的破壞。但移植手術時應用OCT 成像供體腎結構，評估遭受缺血損害和急性腎損傷后器官活性的可行性及I/R的生物標志物，目前國內未見相關研究。

本研究結果顯示，OCT能實時、直觀的觀測腎臟的超微結構，尤其是腎小管的結構和分布尤為清晰，通過與常用的組織病理學資料比較，OCT 采集的圖像同樣能反映類似的組織微觀結構，此外，OCT圖像的分辨率（1～10μm）可揭示形態學的具體情況。OCS1310V1 的Swept Source OCT System 系統采用最新的MEME VCSEL 掃頻源，最短腔長達幾個微米，使MEMS VCSEL可產生1個較長的相干長度，在光源以幾百千赫茲工作時，較長的相干長度支持OCT 可測量較大的范圍。該系統可提供高清晰圖像，包括2D 的橫截面信息及內部的結構，且也可通過計算產生3D重構的圖形，內部結構可通過計算機清晰的呈現出來。與國外Chen等[10]研究采用的OCT系統比較，具有成像速度快、成像范圍廣的優點，但分辨率較低。本研究還發現，OCT成像缺血再灌注模型，缺血前后及再灌注不同時間點，同樣采集點的圖像區域腎小管的數目有明顯差異。證實在腎小管缺血損傷時，腎臟OCT 數據圖形有顯著變化，OCT 也可清晰的顯示腎小管二維圖像，提供有價值的腎小管形態學特征。腎小管的組織病理學改變可預測供腎移植前后的狀態，OCT 對評價移植腎活性具有一定意義[11-12]。也有研究提示，通過阿霉素注射建立慢性腎臟病（CKD）模型，阿霉素誘導后第4～8 周，用OCT監測小鼠腎臟，發現腎小管密度和管徑發生明顯變化，表明OCT 可以提供CKD 類似組織病理學的信息[13]。2016年，Andrews團隊利用OCT研究老年大鼠的腎臟并與組織病理學變化比較，有研究結果表明，OCT可用于與老齡化相關的腎病的監測以及評價老齡化供體腎臟的狀態[14]。

綜上所述，OCT 可實時、快速、無創的評估供腎移植前后影像學病變形態，且可預測ATN 發生和移植后的腎功能情況，評估移植腎的腎臟活性，并逐漸向功能和結構綜合成像的OCT發展，為CKD的臨床評估提供依據。