БИОФИЗИКА, 2010, том 55, вып.2, c.356-360
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
УДК 612.014.43
И ССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ КОЖИ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ МИКР ОСКОПИИ
© 2010 г. А.В. Зевеке, Д.В. Шабанов*
Нижегородская государственная медицинская академия, 603005, Нижний Новгород, пл. Минина, 10/1;
E-mail: zeveke@bio.inn.ru * Институт прикладной физики РАН, 603005, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 26 Поступила в p едакцию 12.07.06 г. После доработки 08.03.09 г.
C использованием метода оптической когерентной микроскопии изучена деформация кожи крыс в ответ на о хлаждение и раздражение нер вных волокон, котор ые иннервируют мышцы -пилоэректоры и вазоконстрикторы. Установлено, что при охлаждении кожа деформируется за счет сокращения пучков коллагеновых волокон, а не за счет гладкой мускулатур ы со судов и пилоэректоров.
Ключевые слова: кожа, деформация, коллаген, оптический когерентный микроскоп.
В экспериментах c охлаждением и нагреванием кожи различных животных и человека было зарегистрировано ее сокращение и расслабление за счет коллагеновых волокон [1]. Эти данные были использованы для доказательства раздражения механорецепторов при охлаждении кожи, что привело к пониманию отсутствия в коже специфических холодовых рецептор ов [2,3].
Для определения сокр ащения кожи при о х-лаждении пр именялся тензометрический метод. Кожу in situ или изолированный лоскут растягивали на несколько миллиметров по линии Лангерса, затем измеряли силу ее сокращения в условиях изометрии. Такие же эксперименты были проведены и с отдельными сухожилиями, основу которых составляют пучки толстых, плотно упакованных параллельных коллагеновых волокон. Для определения величины сокращения коллагеновых пучков при охлаждении применяли изотонический метод. Было установлено, что пучок коллагена длиной в 1 мм сокращается на 0,1 мкм при охлаждении его на 1°C.
Растяжение кожи в этих экспериментах было необходимым условием для регистр ации ее сокращения, так как пучки коллагена в ней не ориентированы. Поэтому в вязкой среде дермы они могут скользить, демпфируя истинное сокращение кожи по длине. Тензометрическим методом не было обнаружено влияния охлаждения на сокращение нерастянутой кожи. Для того, что-
Сокращение: ОКМ - оптическая когерентная микроскопия.
бы зарегистрировать деформацию нерастянутой кожи, мы применили метод оптической когерентной микроскопии (ОКМ), который в настоящее время используется для неинвазивного мониторинга процессов, происходящих внутри растительных [4] и животных [5] тканей, в частности, в диагностике заболеваний кожи [6].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Эксперименты проводили на крысах массой 250-300 г под уретановым нар козом из расчета 1,0 г на 1,0 кг. Крысу располагали на подогреваемом столике. Волосяной покров от грудных позвонков до хвоста со спины и боков тщательно выстригали. В области поясничного отдела, отступив на 3-5 мм от средней линии влево, делали кожный разрез и отпрепаровы-вали кожную ветвь подреберного нер ва (ramus Hanaus lateralis n. su^ostaHs). У самого выхода его из-под продольной поясничной мышцы перевязывали и накладывали платиновые раздражающие электроды, соединенные со стимулятором ЭСУ-1. Нер в раздражали 20 с, напряжение 20 В, длительность прямоугольного импульса 3 мс. Под кожу, иннервир ованную этим нер вом, подводили полую пластину, через которую подавали воду от термостатов с температурой 36-33°С или 9°С. Между кожей и пластиной помещали слой мар ли, смоченной р ас-твор ом Рингера.
Над кожей, находящейся на пластине, на расстоянии около 0,5 мм, располагали датчик когерентного микроскопа. Промежуток между
датчиком и поверхно стью кожи заполняли гли-цер ином.
Метод оптической когерентной микроскопии позволяет получать информацию о внутренней структуре живой биологической ткани путем создания изобр ажений внутр енних оптических неодно р одностей с и спользованием широкополосного излучения в диапазоне 0,9-1 мкм. Получение изобр ажения микр о структур ы биоткани о сновано на выделении очень небольшой части фотонов, которые не рассеялись и дошли до объекта, а после отр ажения от него вер нулись к пр иемнику. Ткань зондируется световым импульсом длительно стью по рядка 10-13 с. Источником излучения служит суперлюминесцентный диод. С вет, р ассеянный в обр атном направлении, измеряется и с помощью компьютер а фо р мируется картина интенсивности обр атного ра ссеянного излучения. Измер ение сигнала производится с помощью оптической интер фер ометр ии. С канир ование по глубине ткани о существляется по ср ед ством изменения разно сти длин плеч интер фер ометр а, сканир ование по поверхно сти объекта - механическим пер е-мещением зондирующего луча. Таким обр азом получается двумер ное изобр ажение оптических неоднор одностей структур ы ткани. Метод объединяет пр еимущества конфокальной микр о ско-пии и оптической когер ентной томогр афии. Реализация новейших технологий, а именно применение фемтокоррелированных источников и волоконной оптики, позволило повысить пр о стр анственное разр ешение локации до единиц микр он [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Двумер ное изобр ажение п р ижизненного «среза» кожи крысы естественно не должно быть идентично классическому гистологическому изображению окрашенного in vitro препарата кожи. На рисунках хо р ошо виден эпидер маль-ный слой кожи и элементы дер мы р азличной оптической плотности. Мы не можем идентифицировать эти элементы с конкретными морфологическими образованиями, выявленными с помощью световой микр о скопии. Однако ценность метода оптической когер ентной томогр а-фии заключается в возможно сти получения изобр ажения всех структурных элементов кожи в физиологически активном со стоянии, изменения которого должны отражаться на томограмме.
На рис. 1 представлены две томограммы кожи кр ы сы п р и 33 и 9°С. X о р ошо видно, что пр и о хлаждении кожа становится бугристой, изменяется общая кар тина оптической плотности в дерме. Белые точки над эпидер мисом -
814 мкм-►
P ис. 1. Томогр аммы левой поясничной области кожи кр ы сы in situ пр и 33°С (а) и пр и 9°С (б).
о статки ср езанных воло с - пр и о хлаждении вышли из оптического ср еза и появились новые. Эти изменения указывают на дефор мацию кожи.
При согревании кожи до первоначальной темпер атуры бугр истость исчезает. Но топогр а-фия плотностей дер мы не во сстанавливается до кар тины, соответствующей исходному со стоянию кожи, что говорит о неполном восстановлении кожи после деформации или срез томограммы прошел не на первоначальном месте (рис. 2).
Известно, что кожа человека и животных находится в несколько р астянутом со стоянии в напр авлении линии Лангерса. П р и удалении участка кожи последний укорачивается почти на одну тр еть в о сновном за счет сокр ащения эластичных волокон. Томогр аммы такого изолированного участка кожи крысы представлены на рис. 3. Отчетливо видно, что при 34°С поверхность кожи бугр иста за счет ее укор о -чения, а пр и о хлаждении кожа дополнительно деформируется, что можно наблюдать по изменению плотностей отдельных фрагментов в дер ме и смене о статков воло с над кожей.
На р ис. 4 пр едставлены томогр аммы изо-лир ованного участка кожи кр ы сы в пер евер нутом положении. Сверху находится жировой слой. Пр и о хлаждении кожи до 9°С верхний жир овой слой не изменяется, чего нельзя сказать о нижних слоях, приобретающих более выр аженный слоистый вид.
Судя по результатам работ [1,3], кожа в ответ на о хлаждение дефор мируется за счет
358
ЗЕВЕКЕ, ШАБАНОВ
814 мкм
Р ис. 2. То же, что и на рис. 1, но пр и восстановлении температуры кожи до первоначальной (в).
сокр ащения коллагеновых волокон. Но в коже также имеются и гладкие мышцы, поднимаю-
814 мкм-►
Pис. 3. Томограммы изолированного участка поясничной области кожи кр ысы пр и 34°C (а) и пр и 9°C (б).
814 мкм
P ис. 4. Томогр аммы изолир ованного участка поясничной области кожи кр ысы, сканир ованные со стор оны нижнего (жир ового) слоя, пр и 34°C (а) и при 9°C (б).
щие воло сы и мышцы, сужающие со суды. Для того, чтобы обнаружить деформацию кожи вследствие и х сокр ащения, мы р аздр ажали нер в, содержащий немиелинизированные эфферент-ные нервные волокна симпатической нервной системы, котор ые и иннер вир уют эти мышцы. На рис. 5 представлены томограммы, полученные пр и о хлаждении кожи, а также пр и одновр емен -ном о хлаждении кожи и раздр ажении нер ва. X о -р ошо видно, что пр и совместном о хлаждении и р аздр ажении нер ва дефо р мация кожи усиливается. Некоторые исследователи [8,9] считают, что при о хлаждении кожи сокр ащается ее гладкая мускулатур а. Однако эксперимент, пр едставлен-ный на рис. 5, убедительно свидетельствует о том, что при охлаждении гладкая мускулатура кожи находится в р асслабленном со стоянии. В пр отивном случае р аздр ажение нер ва не могло бы вызвать деформацию кожи, так как гладкие мышцы были бы уже сокращены в результате холодового воздействия.
Ни на одной томогр амме мы не могли получить кар тину дефо р мации кожи in situ точно по направлению линии сканирования, и это неудивительно, так как кожа не была растянута, а находилась в естественном состоянии. Напр авления сокр ащений пучков коллагена и гладкой мускулатуры могли не совпадать в данном месте сканир ования кожи. Кр оме того, известно, что мышцы, поднимающие волосы у
814 мкм
Рис. 5. Томограммы левой поясничной области кожи крысы in situ при 36°С (а), при 15°С (б) и при 15°С во время раздражения нерва (в).
кр ы с, р а сполагаются группами, а не равномерно по всей коже, и сокр ащаются по напр авле-нию не вдоль, а косо снизу вверх к поверхности кожи [10]. Плотность распределения коллаге-новых пучков в коже тоже нер авномер на из-за различных морфологических включений. Поэтому каждая томогр амма пр едставляет собой индивидуальный «пор тр ет» данной точки кожи с данными функциональными «способностями». Из полученны х р езультатов можно сделать вы-
вод, что метод оптической когерентной микро скопии применим для неинвазивного монитор инга дефор мции биотканей.
Для того, чтобы определить направление дефо р мации кожи пр и о хлаждении и пр и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.