Nicht-invasive Bildgebung pathologischer Narben mittels eines tragbaren handgehaltenen Zwei-Photonen-Mikroskops
Pathologische Narben, darunter Keloiden, hypertrophe und atrophe Narben, stellen ein bedeutendes medizinisches Problem dar, da sie kosmetische Beeinträchtigungen, psychische Belastungen und funktionelle Komplikationen wie Kontrakturen, Schmerzen und Juckreiz verursachen. Diese Narben sind durch abnorme Färbung, erhöhte Dicke, unebene Oberflächen und verminderte Dehnbarkeit gekennzeichnet, was die Lebensqualität der Patienten erheblich beeinträchtigt. Trotz Fortschritten in der Behandlung fehlen effektive, nicht-invasive Werkzeuge zur Beurteilung der Pathophysiologie von Narben und der Wirksamkeit von Therapien. Diese Studie untersucht den Einsatz eines tragbaren handgehaltenen Zwei-Photonen-Mikroskops (TPM) zur nicht-invasiven, Echtzeit-Bildgebung pathologischer Narben in vivo, wodurch eine potenzielle Lösung für diese klinische Herausforderung geboten wird.
Hintergrund und Bedeutung
Pathologische Narben entstehen durch abnormale Wundheilungsprozesse, die zu einer übermäßigen Kollagenproduktion und einer desorganisierten Remodellierung der extrazellulären Matrix (ECM) führen. Herkömmliche Beurteilungsmethoden wie Tristimulus-Reflektanzspektralphotometrie, Ultraschall und mechanische Geräte sind oft invasiv, komplex oder liefern keine detaillierten Einblicke in die zugrunde liegende Pathophysiologie. Die Zwei-Photonen-Mikroskopie (TPM) hat sich als leistungsstarke Bildgebungstechnik etabliert, die Gewebemikrostrukturen ohne Fixierung, Schnittpräparation oder exogene Farbstoffe darstellen kann. TPM nutzt Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenz (TPEF) und Second-Harmonic-Generation (SHG)-Signale zur Abbildung von Elastin bzw. Kollagen, was es besonders für die Untersuchung von Narbengewebe geeignet macht.
Frühere Studien haben den Nutzen von TPM bei der Darstellung kollagenassoziierter Erkrankungen, Entzündungen, Hautkrebs und Alterungsprozessen gezeigt. Die meisten dieser Studien wurden jedoch ex vivo durchgeführt, was ihre klinische Anwendbarkeit einschränkt. Diese Studie zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem ein tragbares handgehaltenes TPM zur in-vivo-Bildgebung pathologischer Narben eingesetzt wird, um eine Echtzeitbeurteilung von Narbenmerkmalen und Therapieergebnissen zu ermöglichen.
Studiendesign und Methoden
Die Studie wurde von April bis September 2022 am China-Japan-Freundschaftskrankenhaus in Peking, China, durchgeführt. Fünfzehn Patienten mit pathologischen Narben und drei gesunde Probanden wurden rekrutiert. Die Einschlusskriterien erforderten klinisch diagnostizierte pathologische Narben (Keloiden, hypertrophe oder atrophe Narben) mit Läsionen, die größer als das Sichtfeld (FOV) des TPM waren. Patienten mit Ulzerationen, Erosionen oder anderen die Bildgebung beeinträchtigenden Zuständen wurden ausgeschlossen. Gesunde Haut von der gegenüberliegenden Körperseite oder etwa 5 cm um die Läsion diente als Kontrolle.
Das verwendete TPM war mit einem 80-MHz-Er-dotierten Femtosekunden-Faserlaser (1560 nm) ausgestattet, der auf 780 nm frequenzverdoppelt wurde. Das System umfasste ein Dual-Kanal-Detektionsmodul mit Photomultipliern für TPEF- und SHG-Signale. Das FOV betrug 150 × 150 µm, und die Abbildungstiefe reichte bis 180 µm, wobei jede Schicht in 2-µm-Abständen gescannt wurde.
Bildaufnahme und Analyse
Die Bildaufnahme umfasste die Reinigung der Haut mit 75 % Alkohol oder Kochsalzlösung, die Positionierung der TPM-Sonde an definierten Punkten der Läsion und das Scannen von 90 aufeinanderfolgenden Schichten. Pro Beobachtung wurden 3.600 Bilder erfasst. Die Analyse konzentrierte sich auf fünf Schlüsselindizes: Kollagentiefe, Konturverhältnis der dermo-epidermalen Junktion (DEJ), Kollagendicke, Kollagenbesatz und Kollagenausrichtung. Diese Indizes wurden mittels Python-Skripten und Bildverarbeitungstechniken wie 2D-FFT (Fast Fourier Transform) und Schwellwertanpassung berechnet.
Das DEJ-Konturverhältnis wurde durch eine Tiefenkarte des Kollagens und die Berechnung der DEJ-Oberfläche mittels triangulärer Netzwerke ermittelt. Die Kollagendicke wurde aus der räumlichen Frequenzverteilung der Kollagenfasern unter Verwendung von 2D-FFT abgeleitet. Der Besatzindex repräsentierte den Anteil der Kollagenfasern im FOV, während der Orientierungsindex die Ausrichtung der Fasern anhand einer Ellipsenanpassung der FFT-Karte beschrieb.
Ergebnisse
Die Studie unterschied erfolgreich pathologische Narben von gesunder Haut anhand epidermaler Morphologie und kollagener Spektraleigenschaften. Zu den zentralen Ergebnissen gehörten:
- Kollagentiefe: Kollagenfasern traten in gesunder Haut bei durchschnittlich 67,2 µm Tiefe auf, bei Narbengewebe jedoch bei 101,5 µm, was auf eine verdickte Epidermis in Narben hinweist.
- DEJ-Konturverhältnis: Narbengewebe wies ein höheres DEJ-Konturverhältnis (1,881 vs. 1,501) auf, was stärker gefaltete DEJ-Strukturen reflektiert.
- Kollagendicke: Der mittlere Dickeindex betrug 0,067 in gesunder Haut und 0,103 in Narben, was auf dichtere und dickere Kollagenfasern hindeutet.
- Kollagenbesatz: Der Besatzindex lag in gesunder Haut bei 74,1 % und in Narben bei 81,4 %, was einen höheren Kollagenanteil im FOV bestätigt.
- Kollagenausrichtung: Der Orientierungsindex war in Narben (0,721) höher als in gesunder Haut (0,705), was eine geordnetere Faserausrichtung anzeigt.
Statistisch signifikante Unterschiede (p < 0,05) zwischen gesunder Haut und Narbengewebe validieren die klinische Nutzbarkeit dieser Indizes.
Behandlungseffizienz
Vier Patienten erhielten intraläsionale Kortikosteroid-Injektionen kombiniert mit oberflächlicher Röntgentherapie; ein Patient wurde mit intraläsionalen Glukokortikoiden behandelt. Die TPM-Bildgebung zeigte posttherapeutische Verbesserungen, darunter reduzierte Kollagentiefe, erhöhte Elastinfaseranteile und klarere Kollagenstrukturen. Beispielsweise sank bei einem Patienten die Kollagentiefe von 126,5 µm auf 111,5 µm. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von TPM zur nicht-invasiven Therapieüberwachung.
Diskussion
Die Studie demonstriert die Eignung des handgehaltenen TPM zur in-vivo-Charakterisierung pathologischer Narben. Die fünf entwickelten Indizes bieten ein umfassendes Framework zur Differenzierung von Narbentypen (z. B. Keloiden vs. hypertrophen Narben) und Therapieevaluation. Einschränkungen wie die kleine Stichprobe und fehlende histopathologische Korrelation erfordern weitere Validierung. Zukünftige Studien sollten die optische Leistung des TPM optimieren und multizentrische klinische Tests durchführen.
Fazit
Die Arbeit belegt die Machbarkeit des portablen TPM für die nicht-invasive Echtzeitbildgebung pathologischer Narben. Die Technologie hat das Potenzial, das Management von Narbenerkrankungen durch objektive Beurteilungskriterien zu revolutionieren und damit die Lebensqualität von Patienten signifikant zu verbessern.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000002715