ОПТИЧЕСКОЕ ПРОСВЕТЛЕНИЕ ЧЕРЕПНОЙ КОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫМИ ИММЕРСИОННЫМИ РАСТВОРАМИ И ВИЗУЛИЗАЦИЯ ЦЕРЕБРАЛЬНОГО ВЕНОЗНОГО КРОВОТОКА

Аннотация

Большой практический интерес вызывает оптическое просветление костных тканей, что открывает возможность развития минимально инвазивных методов лазерной диагностики и терапии мозга. Целью данной работы является исследование оптическо- го просветления черепной кости при использовании многокомпонентных оптических просветляющих агентов и возможности измерения церебрального кровотока. В работе исследовано оптическое просветление кости черепа крысы ex vivo и in vivo с помощью двух растворов, различающихся составом и показателями преломления и включающих этанол или тиазон в качестве усилителей проницаемости биоткани. Измерена кинетика коллимированного пропускания образцов кости в спектральном диа- пазоне 600–900 нм под действием данных растворов и проведена допплеровская оптическая когерентная томография (ДОКТ) сосудов головного мозга крысы. В течение 4 часов получено относительное увеличение коэффициента коллимированного пропускания под действием иммерсионных растворов с включением этанола и тиазона соответственно на 15% и 80%. Эф- фективность оптического просветления костной ткани составила соответственно 4.5±0.4 и 13.2±3.4%. Использование растворов способствовало значительному улучшению визуализации крупной церебральной вены с помощью ДОКТ без повреждения че- репной кости и позволило определить скорость кровотока в вене в нормальном состоянии (7 мм/с) и при воздействии адреналина (5.5 мм/с). Таким образом, показано, что применение данных рас- творов способствует увеличению глубины зондирования ДОКТ и улучшению визуализации сосудов мозга и может быть исполь- зовано при диагностике различных патологических изменений, в том числе нарушений кровоснабжения.

DOI: 
10.18500/1817-3020-2017-17-2-98-110
Литература

1. Myllylä T., Toronov V., Claassen J., Kiviniemi V., Tuchin V. Near-infrared spectroscopy in multimodal brain research. Chapter 10 // Handbook of Optical Biomedical Diagnostics / ed. V. V. Tuchin. 2nd ed. : in 2 vol. Vol. 1: Light – Tissue Interaction. Bellingham : SPIE Press, 2016. P. 687–735.

2. Alderliesten T., De Vis J. B., Lemmers P. M. A., van Bel F., Benders M. J. N. L., Hendrikse J., Petersen E. T. Simultaneous quantitative assessment of cerebral physiology using respiratory-calibrated MRI and near-infrared spectroscopy in healthy adults // NeuroImage. 2014. Vol. 85, pt. 1. P. 255–263.

3. Tong Y., Bergethon P. R., Frederick B. D. An improved method for mapping cerebrovascular reserve using concurrent fMRI and near-infrared spectroscopy with Regressor Interpolation at Progressive Time Delays (RIPTiDe) // NeuroImage. 2011. Vol. 56, № 4. P. 2047–2057.

4. Hoge R. D., Franceschini M. A., Covolan R. J. M., Huppert T., Mandeville J. B., Boas D. A. Simultaneous recording of task-induced changes in blood oxygenation, volume, and fl ow using diffuse optical imaging and arterial spin-labeling MRI // NeuroImage. 2005. Vol. 25, № 3. P. 701–707.

5. Zhu D., Larin K., Luo Q., Tuchin V. V. Recent progress in tissue optical clearing // Laser & Photonics Reviews. 2013. Vol. 7, № 5. P. 732–757.

6. Genina E. A., Bashkatov A. N., Sinichkin Yu. P., Yanina I. Yu., Tuchin V. V. Optical clearing of biological tissues: prospects of application in medical diagnostics and phototherapy // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. 2015. Vol. 1, № 1. P. 22–58.

7. Wang J., Zhang Y., Xu Th., Luo Qm., Zhu D. An innovative transparent cranial window based on skull optical clearing // Laser Phys. Lett. 2012. Vol. 9. P. 469–473.

8. Bykov A., Hautala T., Kinnunen M., Popov A., Karhula S., Saarakkala S., Nieminen M.T., Tuchin V., Meglinski I. Imaging of subchondral bone by optical coherence tomography upon optical clearing of articular cartilage // J. Biophotonics. 2016. Vol. 9, № 3. P. 270–275.

9. Neu C. P., Novak T., Gilliland K. F., Marshall P., Calve S. Optical clearing in collagen- and proteoglycanrich osteochondral tissues // Osteoarthr. Cartil. 2015. Vol. 23. P. 405–413.

10. Calve S., Ready A., Huppenbauer C., Main R , Neu C. P. Optical clearing in dense connective tissues to visualize cellular connectivity in situ // PLoS ONE. 2015. Vol. 10. e0116662.

11. Berke I. M., Miola J. P., David M. A., Smith M. K., Price C. Seeing through musculoskeletal tissues : improving in situ imaging of bone and the lacunar canalicular system through optical clearing // PLoS ONE. 2016. Vol. 11, № 3. e0150268.

12. Genina E. A., Bashkatov A. N., Tuchin V. V. Optical clearing of cranial bone // Advanced Optical Technologies. 2008. Vol. 2008. 267867.

13. Karma S., Homan J., Stoianovic C., Choi B. Enhanced fluorescence imaging with DMSO-mediated optical clearing // Journal of Innovative Optical Health Sciences. 2010. Vol. 3, № 3. P. 153–158.

14. Zhu D., Wang J., Zhi Z., Wen X., Luo Q. Imaging dermal blood fl ow through the intact rat skin with an optical clearing method // J. Biomed. Opt. 2010. Vol.

15. 026008. 15. Zhi Z., Han Z., Luo Q., Zhu D. Improve optical clearing of skin in vitro with propylene glycol as a penetration enhancer // Journal of Innovative Optical Health Sciences. 2009. Vol. 2, № 3. P. 269–278.

16. Sznitowska M. The infl uence of ethanol on permeation behavior of the porous pathway in the stratum corneum // Intern. J. Pharmacol. 1996. Vol. 137. P. 137–140.

17. Xu X., Zhu Q. Evaluation of skin optical clearing enhancement with Azone as a penetration enhancer // Optics Communications. 2007. Vol. 279. P. 223–228.

18. Jiang J., Wang R. K. How different molarities of oleic acid as enhancer exert its effect on optical clearing of skin tissue in vitro // Journal of X-Ray Science and Technology. 2005. Vol. 13. P. 149–159.

19. Chen K., Liang Y., Zhang Y. Study on refl ection of human skin with liquid paraffi n as the penetration enhancer by spectroscopy // J. Biomed. Opt. 2013. Vol. 18, № 10. 105001.

20. Zhong H., Guo Z., Wei H., Guo L., Wang C., He Y., Xiong H., Liu S. Synergistic effect of ultrasound and Thiazone - PEG 400 on human skin optical clearing in vivo // Photochemistry and Photobiology. 2010. Vol. 86. P. 732–737.

21. Wen X., Jacques S. L., Tuchin V. V., Zhu D. Enhanced optical clearing of skin in vivo and optical coherence tomography in-depth imaging // J. Biomed. Opt. 2012. Vol. 17, № 6. 066022.

22. Liu Y., Yang X., Zhu D., Luo Q. Optical clearing agents improve photoacoustic imaging in the optical diffusive regime // Optics Letters. 2013. Vol. 38, № 20. P. 4236–4239.

23. Jin X., Deng Z., Wang J., Ye Q., Mei J., Zhou W., Zhang C., Tian J. Study of the inhibition effect of thiazone on muscle optical clearing // J. Biomed. Opt. 2016. Vol. 21, № 10. 105004.

24. Kurihara-Bergstrom T., Knutson K., de Noble L. J., Goates C. Y. Percutaneous absorption enhancement of an ionic molecule by ethanol–water system in human skin // Pharm. Res. 1990. Vol. 7. P. 762–766.

25. Genina E. A., Bashkatov A. N., Tuchin V. V. Effect of ethanol on the transport of methylene blue through stratum corneum // Medical Laser Application. 2008. Vol. 23, № 1. P. 31–38.

26. Генина Э. А., Башкатов А. Н., Тучин В. В. Иссле- дование влияния этанола на трансэпидермальный транспорт индоцианинового зелёного с помощью спектроскопии обратного рассеяния // Изв. Сарат. ун-та, Нов. сер. Сер. Физика. 2016. Т. 16, вып. 2. С. 91–96.

27. Гистология. Костная ткань. URL: http://histologybook. ru/kostnaja_tkan.html (дата обращения: 27.01.2017).

28. Boskey A., Mendelsohn R. Infrared analysis of bone in health and disease // J. Biomed. Opt. 2005. Vol. 10, № 3. 031102.

29. Ager III J. W., Nalla R. K., Breeden K. L., Ritchie R. O. Deep-ultraviolet Raman spectroscopy study of the effect of aging on human cortical bone // J. Biomed. Opt. 2005. Vol. 10, № 3. 034012.

30. Берёзов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М. : Медицина, 1990. 543 с.

31. Pifferi A., Torricelli A., Taroni P., Bassi A., Chikoidze E., Giambattistelli E., Cubeddu R. Optical biopsy of bone tissue: a step toward the diagnosis of bone pathologies // J. Biomed. Opt. 2004. Vol. 9, № 3. P. 474–480.

32. Clarke B. Normal bone anatomy and physiology // Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 2008. Vol. 3. P. S131–S139.

33. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии : в 3 т. М. : Мир, 1981. Т. 1, 539 с. ; Т. 2, 619 с. ; Т. 3, 731 с.

34. Fernández-Seara M. A., Wehrli S. L., Wehrli F. W. Diffusion of exchangeable water in cortical bone studied by nuclear magnetic resonance // Biophysical Journal. 2002. Vol. 82, № 1. P. 522–529.

35. Wilson E. E., Awonusi A., Morris M. D., Kohn D. H., Tecklenburg M. M. J., Beck L. W. Three structural roles for water in bone observed by solid-state NMR // Biophysical Journal. 2006. Vol. 90, № 10. P. 3722–3731.

36. Neuman W. F., Neuman M. W. The chemical dynamics of bone mineral. Chicago : University of Chicago Press, 1958. 209 p.

37. Wehrli F. W., Fernández-Seara M. A. Nuclear magnetic resonance studies of bone water // Annals of Biomedical Engineering. 2005. Vol. 33, № 1. P. 79–86.

38. Ascenzi A., Fabry C. Technique for dissection and measurement of refractive index of osteones // Journal of Biophysical and Biochemical Cytology. 1959. Vol. 6. P. 139–143.

39. Bourne G. H. The biochemistry and physiology of bone. N.Y. : Academic Press, 1956. 888 p.

40. Kou L., Labrie D., Chylek P. Refractive indices of water and ice in the 0.65-2.5μm spectral range // Appl. Opt. 1993. Vol. 32. P. 3531–3540.

41. Martin K. A. Direct measurement of moisture in skin by NIR spectroscopy // J. Soc. Cosmet. Chem. 1993. Vol. 44. P. 249–261.

42. Ugryumova N., Matcher S. J., Attenburrow D. P. Measurement of bone mineral density via light scattering // Phys. Med. Biol. 2004. Vol. 49. P. 469–483.

43. Firbank M., Hiraoka M., Essenpreis M., Delpy D. T. Measurement of the optical properties of the skull in the wavelength range 650-950 nm // Phys. Med. Biol. 1993. Vol. 38. P. 503–510.

44. Bashkatov A. N., Genina E. A., Tuchin V. V. Tissue Optical Properties. Chapter 5 // Handbook of Biomedical Optics / eds. D. A. Boas, C. Pitris, N. Ramanujam. Boca Raton : Taylor & Francis Group ; L. : LLC ; N.Y. : CRC Press Inc., 2011. P. 67–100.

45. Semyachkina-Glushkovskaya O. V., Lychagov V. V., Bibikova O. A., Semyachkin-Glushkovskiy I. A., Sindeev S. S., Zinchenko E. M., Kassim M. M., Ali A.-F.F., Leith A. H., Ulanova M. V., Tuchin V. V. The experimental study of stress-related pathological changes in cerebral venous blood fl ow in newborn rats assessed by DOCT // Journal of Innovative Optical Health Sciences. 2013. Vol. 6, № 3. 1350023.

46. Genina E. A., Bashkatov A. N., Tuchin V. V. Tissue optical immersion clearing // Expert Review of Medical Devices. 2010. Vol. 7, № 6. P. 825–842.

47. Genina E. A., Bashkatov A. N., Larin K. V., Tuchin V. V. Light-tissue interaction at optical clearing. Chapter 7 // Laser Imaging and Manipulation in Cell Biology / ed. F. S. Pavone. Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2010. P. 115–164.

48. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М. : Мир, 1986, 664 c.

49. Genina E. A., Bashkatov A. N., Korobko A. A., Zubkova E. A., Tuchin V. V., Yaroslavsky I. V., Altshuler G. B. Optical clearing of human skin: comparative study of permeability and dehydration of intact and photothermally perforated skin // J. Biomed. Opt. 2008. Vol. 13, № 2. 021102.

50. Котык А., Яначек К. Мембранный транспорт. М. : Мир, 1980. 341 с.

51. Синдеев С. С., Лычагов В. В., Бибикова О. А., Ула- нова М. В., Гекалюк А. С., Разубаева В. И., Аграно- вич И. М., Аль Хассани Л., Аль-Фатле Ф., Тучин В. В., Семячкина-Глушковская О. В. Характеристика па- тологических изменений мозгового кровотока при развитии инсульта у гипертензивных крыс с помощью оптической когерентной томографии // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2014. Т. 14, вып. 3. С. 76–80.

52. Srinivasan V. J., Jiang J. Y., Yaseen M. ., Radhakrishnan H., Wu W., Barry S., Cable A. E., Boas D. A. Rapid volumetric angiography of cortical microvasculature with optical coherence tomography // Opt. Lett. 2010. Vol. 35, № 1. P. 43–45.

Краткое содержание (на английском языке): 
Полный текст в формате PDF (на русском языке):