In vivo liver function reserve assessments in alcoholic liver disease by scalable photoacoustic imaging
通过可扩展光声成像对酒精性肝病中的体内肝功能储备评估
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1. Introduction 1. 引言
酒精性肝病(ALD)是全球普遍存在的严重健康问题,源于过量饮酒。它对个人构成重大风险,导致严重并发症,从脂肪肝到脂肪性肝炎、纤维化、肝硬化和肝细胞癌。早期发现和准确评估 ALD 对于有效管理和改善患者预后至关重要。
近年来,医学成像技术的进步为非侵入性评估肝脏疾病开辟了新的途径。光声成像(PAI)作为一种有前景的模式,结合了高分辨率成像、深层组织穿透和功能信息的优点。PAI 利用激光诱导的光声信号,通过检测组织色素对脉冲激光光的吸收所产生的声波来生成详细的图像。 PAI 已展示出多种生物应用,例如检测血红蛋白氧饱和度(sO₂)、测量血流速度、实现小动物的全身成像,以及促进临床前癌症诊断。
PAI 在 ALD 评估中具有很大潜力,特别是在评估肝脏血管结构和氧代谢方面,这与肝功能储备(LFR)密切相关。血管网络对肝脏健康至关重要,提供必要的营养和氧气。血管结构和氧代谢的破坏表明肝脏损伤和 LFR 受损。LFR 代表肝脏的代谢能力,是评估疾病严重性和预测患者结果的关键参数。传统的静态肝功能测试和影像学方法在全面和实时 LFR 评估方面存在局限性。 虽然血液学测试和临床分级系统在一定程度上可以识别肝脏病变,但它们在全面评估 LFR 方面仍然不足。
影像技术如计算机断层扫描和磁共振成像缺乏对 LFR 变化的定量评估和实时监测。
吲哚氰绿(ICG)浓度的下降可靠地指示肝功能,并常用于 LFR 评估[10],[31]。ICG 清除率是通过在静脉注射 ICG 后 15 分钟内收集 2-4 次血样并测量其体外吸光度来计算的[28]。然而,这一过程具有侵入性、不便,并且缺乏实时 LFR 结果。目前的 ALD 诊断方法,如肝活检和影像学技术,存在侵入性[32]、取样误差、低特异性[33]和分辨率限制[34]等缺点。因此,迫切需要一种全面而精确的技术来评估代谢功能和血管结构,突显了 LFR 评估的重要性。
我们旨在通过利用 PAI 的优势来增强评估 ALD 患者 LFR 的能力。为了验证 PAI 在评估 LFR 方面的准确性和敏感性,我们在不同阶段建立了 ALD 小鼠模型。PAI 的高分辨率优势使得能够可视化肝脏在不同健康水平下的血管结构差异并定位病变。采用双波长光谱解混技术评估肝脏血红蛋白氧饱和度(sO2),并通过经验数学模型推导出与 LFR 相关的参数,包括最大峰值时间(tmax)和半衰期(t1/2)。对这些参数的统计分析有助于全面比较正常肝脏与 ALD 肝脏之间的病理特征,进一步使得能够评估不同肝脏亚区域的代谢能力。
此外,减少型谷胱甘肽(GSH)是一种强效抗氧化剂,以其在修复肝功能和减轻酒精引起的氧化损伤方面的重要作用而闻名。将 GSH 作为 ALD 的治疗干预预计将改善 LFR 并减轻疾病进展。PAI 可能通过非侵入性评估肝脏血管结构和氧代谢的变化来帮助监测基于 GSH 的疗法的疗效。
我们提供了一种创新的方法,将可扩展的 PAI 应用于 ALD 中 LFR 的评估,预计将揭示血管异常、氧代谢和 LFR 之间的复杂关系,从而增强对 ALD 发病机制的理解(图 1)。进一步研究和临床应用 PAI 在 ALD 治疗中的潜力有望彻底改变肝病的诊断和治疗,最终改善患者的预后和生活质量。
2. Material and methods 2. 材料和方法
2.1. Preparation of animals
2.1. 动物的准备
所有动物均来自广东省实验动物中心。实验方案经过广东省人民医院伦理委员会批准,并遵循所有相关伦理规定。6-8 周龄的雄性 BALB/c 裸鼠在 12 小时光/12 小时暗的周期中饲养,提供食物和水。共 49 只雄性小鼠随机分为四组:急性 ALD 组(n=14)、慢性 ALD 组(n=7)、GSH 干预组(n=7)和对照组(n=21)。急性 ALD 组在成像前接受酒精(3 mg/kg 体重,56% (v/v)),而慢性 ALD 组每天接受 56% (v/v)酒精(1 mg/kg 体重)为期四周。GSH 组接受 56% (v/v)酒精(1 mg/kg 体重)胃内给药,然后在 12 小时后接受还原型 GSH 的静脉注射(5 mg/kg 体重),每天一次,持续四周。对照组接受常规饮食。
2.2. PAM experiment 2.2. PAM 实验
在急性 ALD 小鼠肝脏结构成像实验中,小鼠被麻醉于 2%异氟烷。进行了 5 毫米的腹部切口以暴露肝叶。通过 532 nm 和 559 nm 的双波长(高血红蛋白吸收)测量肝小叶的功能信息,监测 sO₂在 30 分钟内的变化。扫描参数设置如下:成像范围 2 mm × 2 mm,扫描步长 5 µm,激光频率 1 kHz。对于慢性 ALD 和 GSH 组,肝叶如上所述进行外科暴露。选择 532 nm 波长以获取肝小叶的结构信息。
2.3. PACT experiment 2.3. PACT 实验
每只小鼠在实验过程中保持在 2%以下的异氟烷麻醉状态,身体固定在水槽的中心直立。在急性 ALD 组中,在酒精给药后捕获 1064 nm 和 780 nm 波长的图像以计算 sO2。在慢性 ALD 和 GSH 组中,在成像之前将一个留置针插入小鼠的尾静脉。注射泵(D107886,KD Scientific Inc.,美国)以 0.2 mL/s 的速度输送 0.1 mL(3 mmol/kg 体重)的ICG溶液。激光波长设置为 780 nm,并对小鼠肝脏的横截面进行扫描和成像。光声信号连续收集 10 分钟。对照组注射相同体积的生理盐水。
2.4. Photoacoustic imaging system
2.4. 光声成像系统
PAM (G2, InnoLaser) 提供高达 5 微米的光学分辨率转换,支持在 532 纳米、559 纳米和 750–840 纳米的多波长激光扫描。激光照射组织产生的声信号由 50 兆赫的超声传感器接收。激光脉冲重复频率设置为 10 千赫,X 轴 B 扫描速率为 25 赫。
PACT(SIP-PACT,联合光声技术)可用于器官横截面成像。它配备了一个重复频率为 20 Hz 的激光,能够在 680–950 nm、1064 nm 和 1190–2600 nm 的波长下进行成像。使用一个中心频率为 5.5 MHz 的 512 元环阵列超声换能器来收集超声信号。成像分辨率为 125 µm,成像深度约为 5 cm。
2.5. Signal and image processing
2.5. 信号与图像处理
MATLAB 9.8 软件(R2020a,MathWorks)用于图像处理。原始数据通过双声学反投影算法重建,以生成 PA 图像。血管特征通过 Hessian 滤波增强算法从 PA 图像中提取,提供了更详细的信息。通过从注射后的基线图像中减去基线图像获得差异图像。信号值大于平均像素的图像部分被选择为增强部分并分配颜色像素。然后将其叠加在 1064 nm 背景图像上。
为了成像小鼠肝脏,使用了两种不同波长的激光脉冲(1064 nm 和 780 nm)。1064 nm 波长提供了深层穿透,使肝脏结构的图像更加清晰。在 600–800 nm 范围内,氧合血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)具有不同的吸收系数。780 nm 的波长可以实现高对比度,以区分氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的信号。使用 1064 nm 和 780 nm 的光声图像进行光谱解混,以计算 sO2[35]。
二进制转换被应用于将光声图像转换为由单比特像素(0 或 1)表示的二进制图像。采用基于强度的阈值(0.3)来识别和提取感兴趣区域。使用基于血管直径特征的聚类算法识别异常血管。[36]
2.6. Empirical mathematical model
2.6. 实证数学模型
Origin 2016 用于所有数据处理。监测肝脏 ICG 代谢的基值通过在 ICG 注射前平均 300 个图像信号值获得。图像信号值在 ICG 注射后 10 分钟内量化,经过滤波和平滑后绘制代谢曲线。ICG 信号的相对强度(R)使用以下公式计算: (1) ,其中 PA(t)表示注射后时间变化的光声信号值,PA(0)是注射前的基值。代谢曲线可以根据以下公式拟合: (2) ,其中 A 是 R 的最大幅度,t 是时间变量(秒),α是药物摄取速率(s−1),β是药物代谢速率(s−1),q 是与早期摄取斜率相关的参数。 最大峰值时间 (tmax) 和代谢的半衰期 (t1/2) 是从拟合曲线中得出的。
2.7. Statistical analysis
2.7. 统计分析
使用 SPSS27 软件(IBM,美国)进行统计分析。在检查 sO2数据的正态性后,采用单因素方差分析比较组间结果。双尾 P 值小于 0.05 表示存在显著差异。肝脏代谢参数的定量数据以均值±标准差的形式显示。
2.8. Histopathology of liver
2.8. 肝脏的组织病理学
在石蜡包埋后,肝组织用 10%的多聚甲醛溶液固定并切片。组织切片用苏木精和伊红染色。冷冻肝切片被干燥并在 100%的异丙醇中孵育,然后用油红 O 染色。肝脏的组织病理变化在显微镜下进行检查。
3. Results 3. 结果
3.1. Blood oxygen levels in mice with acute ALD
3.1. 急性 ALD 小鼠的血氧水平
PAM 和 PACT 监测了急性酒精给药后小鼠肝脏中的 sO2 变化。PAM 图像 (图 2a) 显示了肝小叶的微观结构和功能,肝小叶是肝脏的主要单位。酒精灌胃对肝小叶的微观结构没有显著影响,但 sO2 稳定下降(之前:84.3 ± 2.1%,30 分钟:71.5 ± 5.0%,p < 0.05)。在对照组中,sO2 最初下降然后上升(之前:84.79 ± 2.86%,30 分钟:83.0 ± 2.4%,p < 0.05)。图 2b 描绘了 PACT 的整个肝脏横截面。在急性 ALD 组中,sO2 在酒精灌胃后 30 分钟内逐渐减少(之前:91.8 ± 5.0%,30 分钟:52.1 ± 3.4%,p < 0.01)。在对照组中,sO2 在生理盐水注射后 5 分钟略有下降,然后恢复正常(之前:84.9 ± 0.2%,30 分钟:83.8 ± 1.4%,p < 0.01),与 PAM 结果一致。
3.2. Evaluating the LFR in chronic ALD mice by PACT
3.2. 通过 PACT 评估慢性 ALD 小鼠中的 LFR
PACT 实现了宏观肝脏成像,能够可视化血管网络和肝脏横截面组织。动态记录捕捉了门静脉、下腔静脉和腹主动脉的振动。ICG 是一种 FDA 批准的对比剂,作为临床肝功能测试的光学指示剂。图 3(a)–(c)展示了在 ICG 注射后 600 秒内记录的肝脏切片的光声信号。颜色信号表明肝脏中 ICG 的时间依赖性摄取。三组肝脏的 LFR 曲线显示在图 3(d)–(f)中。长期饮酒对肝脏血管产生负面影响,进一步损害肝功能。图 3(g)显示慢性 ALD 组中 ICG 的 tmax延长,与对照组相比,而在 GSH 给药后则较短(对照组:91.9 ± 3。0 s,慢性 ALD:139.8 ± 12.4 s,GSH:120.8 ± 13.4 s,p < 0.05)。慢性 ALD 组的 ICG 清除率大约是对照组的两倍。与对照组相比,GSH 组的 t1/2稍长(对照组:241.0 ± 8.0 s,慢性 ALD:568.2 ± 23.2 s,GSH:356.1 ± 10.8 s,p < 0.01)。这些发现表明,酒精损害了肝脏 LFR。GSH 通过减少酒精诱导的氧化损伤有效修复了 LFR(t1/2),改善约 43%。有趣的是,早期干预减轻了酒精对肝功能的负面影响。
3.3. Changes in LFR based on different liver sub-areas
3.3. 基于不同肝脏亚区的 LFR 变化
药物代谢是肝脏消除药物、酒精和毒素等外来物质的重要功能。研究发现,ICG 在整个肝脏的不同区域代谢方式不同。结果显示,控制组中央区域(黄色虚线框,图 4(b))的 t1/2为 208.5 ± 9.0 s,而终末区域(红色虚线框,图 4(c))为 220.3 ± 8.9 s。在慢性 ALD 组中,中央区域(黄色虚线框,图 4(e))的 t1/2为 500.6 ± 21.4 s,而终末区域(红色虚线框,图 4(f))为 619.3 ± 18.3 s。分析显示,与控制组相比,慢性 ALD 组终末区域的 t1/2延长了约 400 s,中央区域延长了约 300 s。长期饮酒对终末区域的肝脏代谢影响比中央区域更为严重。 据推测,慢性酒精性肝病导致肝细胞坏死,造成肝脏血管结构的连续性中断。此外,门静脉(提供营养)和肝动脉(提供氧气)的功能受到损害。图 4(a)和(d)显示了终末肝区的组织与中央区域相比,营养和氧气不足。因此,损伤更为严重,导致肝脏功能显著下降。
3.4. Microscopic imaging of liver structures in chronic ALD mice
3.4. 慢性酒精性肝病小鼠肝脏结构的显微成像
为了检查慢性 ALD 小鼠肝脏的微观结构异常,进行了 PAM 扫描。图 5(a)显示健康小鼠的肝小叶结构清晰,血管组织良好。在慢性 ALD 组中,血管显得模糊,并伴有大量血管结节。此外,肝叶呈现部分水肿和脂肪病变。GSH 组显示轻微的血管肿胀和少量血管结节,主要是由于酒精滥用引起的局部炎症。图 5(b)对显微图像进行了二值化,以突出血管的连续性。慢性 ALD 组显示出广泛的血管信号丧失,表明血管周围的脂肪变性发生率更高。相比之下,GSH 组的损伤较少。图 5(c)利用血管特征算法识别异常血管区域,并用红色标出。慢性 ALD 组显示出最大的异常血管区域。
3.5. Pathophysiological examination
3.5. 病理生理检查
慢性 ALD 的致病结构在图 6(a)中显示,与对照组相比,突出了明显的病理异常。这些异常包括肝索紊乱、肝板不规则排列、中性粒细胞浸润、肝细胞空泡化、马洛里小体的存在,以及脂肪变性(在第二行的Ⅰ和Ⅱ中显示)。同样,图 6(b)显示了慢性 ALD 组中更严重的脂肪肝。
血清中丙氨酸转氨酶(ALT)、天冬氨酸转氨酶(AST)、甘油三酯(TG)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)的变化可以反映乙醇诱导的肝损伤程度,如图 6(c)所示。慢性 ALD 组的 ALT、AST 和 TG 水平分别比对照组高 110%、163%和 73%,而 GSH-PX 则低 20%。在 GSH 干预后,慢性 ALD 小鼠的血清 ALT 和 AST 水平在一定程度上下降。乙醛脱氢酶(ADH)和酒精脱氢酶(ALDH)是乙醇代谢中的关键酶。与对照组相比,慢性 ALD 组的 ADH 活性明显降低,尽管在 GSH 干预后有所增加,如图 6(c)所示。慢性 ALD 组和 GSH 组的肝 ALDH 活性分别增加了 43%和 118%。 这些结果表明,长期饮酒的小鼠的肝脏在谷胱甘肽的帮助下能够更好地代谢酒精。
4. Discussion 4. 讨论
在这项研究中,动态 PAI 被用来展示 ALD 早期阶段的微观和宏观特征。传统的 ALD 诊断方法,如肝活检和各种成像技术,存在侵入性、取样误差、特异性低和分辨率有限等问题。因此,我们结合了 PAM 和 PACT,为 ALD 研究提供了更全面的视角。酒精消费改变了肝脏血管结构和功能参数,包括通过 PAM 和 PACT 展示的氧代谢。对不同波长下 HbO2和 Hb 的光吸收强度的定量分析可以准确评估 sO2水平。过量饮酒迅速降低肝脏中的 sO2水平,导致急性缺氧和潜在的肝功能衰竭。研究表明,酒精阻碍了血红蛋白对氧的吸收,导致红细胞聚集和器官氧气输送受损。[39]
ICG 浓度下降被广泛用于反映肝功能。然而,ICG 清除率测试是侵入性的,并且不是实时的。我们提出了一种基于快速动态光声成像(PACT)的非侵入性方法,用于准确评估肝脏功能。理解肝脏代谢对优化药物治疗至关重要。ICG 是监测肝脏功能和血流动力学的关键染料。将 ICG 与光声技术结合,使我们能够通过测量染料代谢和清除率来评估肝病的严重程度。我们通过测量光声信号强度变化量化了 ICG 的时间过程曲线。结果显示健康肝脏与病肝之间存在显著的代谢差异,观察到酒精损伤后 ICG 的 tmax和 t1/2延长。GSH 干预部分恢复了肝脏的代谢能力,并减少了血管脂肪变性严重程度。这种具有快速、多波长、宽视野和高分辨率能力的非侵入性方法,为临床肝脏功能评估提供了一种新策略。
酒精主要损害肝脏末端区域,影响 ALD 期间的营养和氧气运输。肝脏血管的完整性和功能也受到损害。此外,由于末端区域远离中心,这些因素导致末端区域营养供应(门静脉)和氧气供应(肝动脉)不足。PAI 可以通过准确评估不同子区域的代谢能力来划分 LFR。
肝脏将酒精转化为水和二氧化碳。长期饮酒会改变酶活性。根据研究,乙醇暴露会产生自由基和氧化剂,增加谷胱甘肽的利用以进行解毒。谷胱甘肽在减轻酒精引起的氧化损伤中至关重要。
本研究利用两种成像技术:光声显微镜在高分辨率成像方面表现出色,揭示微血管形态并提供重要的组织功能信息,包括氧饱和度。此外,其精确的定位能力增强了检测异常血管的准确性和视觉效果。另一方面,光声计算机断层扫描展示了肝脏的实时动态可视化,非侵入性地提供了强大的工具用于诊断和监测肝脏疾病,具有广泛的临床应用。通过利用这两种成像系统的协同作用,本研究最大限度地发挥了光声技术在肝脏研究和医疗应用中的独特优势。
总之,最近在光声成像(PAI)方面的进展为评估酒精性肝病(ALD)提供了希望,通过可视化和量化肝脏血管结构、氧饱和度和肝脏血流量(LFR)。这种非侵入性技术在酒精性肝病的诊断和管理中具有重要的临床应用。光声成像技术的持续研究有可能彻底改变酒精性肝病的评估,从而改善患者的治疗结果。
5. Conclusion 5. 结论
我们引入了一种创新的多尺度 PAI 技术,用于精确测量 LFR。与传统的临床成像相比,PAI 提供了非侵入性和高对比度的可视化,可能增强对肝脏疾病的综合评估。然而,由于激光频率和 B 扫描速率的限制,成像速度面临挑战。PAM 主要针对表面微血管,但深层血管病变对于肝脏疾病的诊断至关重要。我们下一步的改进涉及在保持系统稳定性的同时,通过更高的激光频率和优化的扫描算法来提高成像速度和深度。
总之,我们的研究为肝脏疾病的诊断和监测提供了机会。我们预期在研究领域中会引起广泛的兴趣,推动医学影像和疾病诊断研究的发展。
Funding 资金
本研究得到了中国国家自然科学基金(82372010 和 82302253)以及 GDPH 人才计划支持基金(KJ01200638)的资助。
Declaration of Competing Interest
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
Acknowledgments 致谢
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- These authors contributed equally to this work.