本文介绍的是华中科技大学武汉光电国家研究中心朱䒟教授课题组关于光学血管造影术用于研究糖尿病诱导多器官血管结构及功能病变的系统性综述，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2022年第1期。

Optical angiography for diabetes-induced pathologicalchanges in microvascular structure and function:An overview

光学血管造影术用于研究糖尿病诱导的微血管结构和功能病改

Jingtan Zhu, Dongyu Li, Tingting Yu and Dan Zhu*

研究背景

糖尿病是一种由于体内胰岛素绝对或相对不足而引起的代谢紊乱性疾病。长期血糖代谢紊乱会引起人体全身多组织器官血管网结构与功能的病变，进而引发多种血管相关并发症，这是导致糖尿病病人高致死率和致残率的主要原因。因此，准确描述糖尿病诱导组织器官血管网结构及功能的病变，可以为临床研究中理解糖尿病诱导相关血管并发症的潜在机制和设计治疗方案提供重要数据支撑。近年来迅速发展的光学成像技术不仅可以让研究人员在体动态观测皮肤和脑皮层微血管功能变化，包括血流、血氧饱和度和血管通透性改变；还能高分辨地获取各种组织器官内血管网的三维结构信息。到目前为止，已有多种光学成像技术被成功用于研究糖尿病诱导的不同器官/组织内血管网结构与功能病改。

内容简介

长期的高糖环境会引进血管功能紊乱、进而引起多种并发症。本文简要介绍了目前可用于血管结构与功能成像的主流光学成像技术，包括：光学相干层析成像技术、光学相干血流造影技术、激光散斑衬比成像技术、光声成像技术、单光子/多光子显微成像、光片照明显微成像技术等，以及研究者们是如何利用这些光学成像技术来研究糖尿病诱导的多种血管并发症在进展过程中血管结构和功能的改变，包括皮肤微血管病变、视网膜血管病变、脑微血管病变以及糖尿病肾小球结构病变。这些光学血管造影术为研究糖尿病诱导多种并发症中的血管结构功能病变提供了强有力的工具，对糖尿病相关临床研究与治疗具有重要意义。

图文导读

1.多种光学成像技术用于动态监测糖尿病诱导皮肤微血管病变

图1：光学成像技术监测糖尿病诱导皮肤微血管病变。(a)光声成像观察链脲霉素诱导糖尿病小鼠6周后皮肤微血管结构和功能变化。 (b)激光散斑衬比成像、高光谱成像结合皮肤光透明窗动态监测去甲肾上腺素诱导不同阶段糖尿病小鼠模型的皮肤血管血流和血氧反应。(c)高光谱成像结合皮肤光透明窗观测糖尿病诱导皮肤微血管通透性改变。

传统研究表明，糖尿病可引起皮肤血管内的周上皮细胞结构异常改变和内皮细胞凋亡，从而诱导皮肤血管结构及功能病变。近年来，随着先进光学成像技术的发展，光学成像技术被广泛用于研究糖尿病诱导皮肤微血管结构及功能变化。图1（a）给出了光声成像技术用于观察链脲霉素诱导糖尿病小鼠6周后皮肤微血管结构及功能变化；激光散斑衬比成像、高光谱成像结合皮肤光透明窗可以动态监测去甲肾上腺素诱导不同阶段糖尿病小鼠模型的皮肤血管血流和血氧反应，如图1（b）所示；此外，高光谱成像结合皮肤光透明窗则可以观测糖尿病诱导皮肤微血管通透性的改变，如图1（c）所示。

2.双光子成像观测糖尿病诱导大脑皮层微血管结构病变

图2：双光子成像观测糖尿病诱导脑微血管结构的病理改变。正常、糖尿病小鼠以及糖尿病小鼠经治疗后脑血管结构变化，包括分支密度增加、管腔直径增加、迂曲度增加等。

糖尿病诱导的长期血糖代谢紊乱也会引起脑血管结构与功能病变。通过双光子荧光显微镜对糖尿病模型小鼠的大脑皮层微血管进行成像发现，糖尿病会诱导大脑皮层和纹状体的血管密度、体积和表面积不同比例的增加。此外，糖尿病后立即使用二甲双胍控制血糖可减轻这种脑微血管的结构变化，如图2所示。

3.光学成像结合颅骨光透明窗动态观测糖尿病诱导脑皮层微血管功能变化

图3：正常和糖尿病小鼠血流和血氧饱和度动态响应的测量。(a)通过光透明颅窗对注射硝普化钠前后小鼠脑血管血流和血氧饱和度的变化进行动态监测。(b)糖尿病不同病程小鼠注射硝普化钠后脑血管血流及相应血氧饱和度在动脉(红色)、静脉(蓝色)动态变化的定量分析。

由于糖尿病是一种具有漫长病程的慢性代谢性疾病，糖尿病对脑微血管功能的损害在糖尿病发展过程中也是不同的。因此，监测不同病程糖尿病诱导脑血管功能障碍的动态变化具有重要意义。近年来，光学成像技术结合颅骨光透明窗可以有效实现对脑微血管结构与功能变化的无创动态监测，图3（a）展示了基于激光散斑衬比成像、高光谱成像结合颅骨光透明窗对注射硝普化钠前后小鼠脑血管血流和血氧饱和度的变化进行动态监测的成像结果。定量统计结果表明，糖尿病小鼠在不同病程阶段注射硝普化钠后，其血管响应与非糖尿病小鼠有很大不同，尤其在3周和4周的糖尿病小鼠中，硝普化钠引起的血流变化并不明显，如图3（b）所示。

4.光片照明成像结合组织光透明技术实现糖尿病诱导肾脏微血管结构病变的三维可视化

图4：电镜拍摄的链脲佐菌素诱导糖尿病大鼠模型的肾脏病理图。

糖尿病引起的持续高血糖会损伤肾脏中肾小球和相应微血管结构。目前，糖尿病肾脏微血管结构改变已通过电子显微镜对临床病理组织切片或糖尿病动物模型组织切片实施高分辨观测，如图4所示。

图5：光片照明成像结合组织光透明技术实现正常和糖尿病肾脏整体血管网三维可视化。(a) PEGASOS透明方法实现正常肾脏血管网三维成像。(b) CUBIC透明方法获取完整肾脏三维肾小球分布信息。 (c) MACS透明方法实现对正常和糖尿病肾脏肾小球及血管的三维重建并及量分析。

然而，虽然上述组织病理学检查是糖尿病诱导肾血管病变的金标准，但二维图像提供的结构信息过于碎片化，缺乏空间结构信息，无法整体观察肾脏血管网的结构变化。近年来兴起的组织光透明技术结合荧光标记及光学成像技术为组织器官的三维整体成像提供了有力工具。目前，已有多种透明方法实现了对完整肾脏血管网（图5（a））和肾小球（图5（b））的三维成像。近期发展的MACS透明方法通过DiI灌注标记小鼠肾脏血管网结构，实现了对正常和糖尿病小鼠肾脏血管及肾小球结构的三维可视化及定量分析。结果表明，长期糖尿病会导致肾脏血管网结构受损和肾小球丢失，如图5（c）所示。

总的来说，近年来发展起来的光学成像技术已被证明为深入研究糖尿病诱导不同组织/器官内血管结构及功能的病理变化提供了必要的工具，这将极大地促进临床研究中对糖尿病诱导各种血管并发症发病机制的理解。

通讯作者简介

朱䒟,华中科技大学教授，博士生导师。国际光学工程学会会士（SPIE Fellow），武汉光电国家研究中心副主任。长期从事组织光学成像的新原理、新技术与新方法研究，率先在国际上开展活体组织光透明方法研究，发展针对活体皮肤/颅骨及离体组织器官的光透明方法，为活体深组织/离体全器官成像提供新途径。在Science Advances, Light: Science and Applications，Advanced Science, Theranostics等国际高水平期刊发表论文150余篇，应邀在Photonics West-Bios Hot Topics等境外重要国际会议做邀请报告50 余次，并担任多家国际期刊编委或客座编辑。主持包括科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金重点国际合作研究项目在内的多个国家级项目。授权中国发明专利7项，其中专化3项已转化。