基于808 nm近红外激光建立啮齿类动物光热皮肤损伤初步分级量表的研究

《Clinical, Cosmetic and Investigational Dermatology》：Development of a Near-Infrared Laser Device to Establish a Preliminary Grading Scale for Photothermal Skin Injury in Rodents

　　

目的：采用激光诱导光热皮肤损伤动物模型的研究通常报告标称而非实际输出的激光功率，且主要于照射后短期内评估损伤。目前亦缺乏将可见损伤与修复过程中的组织损伤相关联的分级系统。本研究在三种啮齿类动物中利用经表征的808 nm激光建立模型，并开发用于纵向评估的五级量表。 患者与方法：研究人员对自研808 nm连续波（CW）二极管激光器进行了发射光谱、光束轮廓、2–10 W设置范围内的功率线性度及180 s照射期间输出稳定性表征。对雌性Hartley豚鼠（n = 4）、Sprague-Dawley大鼠（n = 4）及BALB/c小鼠（n = 20）以7 W设置照射180 s。自照射后1小时至第28天对损伤进行拍照记录，并于第2、7、14及28天进行组织学评估。三名观察者独立对每个物种60张图像进行分级。 结果：输出功率随设置呈线性增加（R2 = 0.9997）。在7 W设置下，实际输出功率为4.63 W，运行内不稳定性低于0.4%。大体损伤分别在豚鼠、大鼠和小鼠中于第1–2天、第2–3天和第3–4天达到峰值。三个物种的损伤均于第28天完成再上皮化。照射后1小时，达到2级或3级损伤的部位比例分别为58.3%、75.0%和85.0%。较高分级对应较深的组织学损伤。Kendall’s W为0.81–0.90（所有名义P < 0.001），平均加权κ为0.42–0.49。 结论：本研究利用输出稳定且经实测的808 nm激光在三种啮齿类动物中建立了光热皮肤损伤模型。初步五级量表将大体外观与组织学损伤深度相关联，可支持损伤及修复的纵向评估。

论文解读：基于808 nm近红外激光的啮齿类动物光热皮肤损伤模型建立与初步分级量表开发

一、研究背景与问题

激光在临床实践和实验生物医学研究中应用广泛，其对组织的影响取决于波长、辐照度、照射时间、光束几何形状以及组织的光学和热学特性。在皮肤科领域，光热效应可用于实现受控的组织损伤和瘢痕重塑。然而，现有研究存在若干关键问题：第一，商用激光设备的测量结果揭示标称设置与实际光输出之间存在差异，部分治疗激光器的实际输出功率可达设定值的230%，而许多动物研究仅报告设备显示值而非实测输出功率，且很少说明数值来源；第二，现有激光诱导皮肤损伤的评估多局限于照射后短时间内（如1小时内或24小时），缺乏涵盖损伤进展和修复全过程的纵向评估体系；第三，已有的激光损伤分类系统（如Liu等提出的四级分类）仅涵盖急性期变化，未包含后续伤口修复阶段的评分标准。因此，建立一个将可见损伤与组织损伤深度相关联、并可支持损伤和修复纵向评估的分级系统，对于激光剂量研究、安全性评估和设备性能评价具有重要意义。

二、研究内容与结论

针对上述问题，研究人员自主设计并制造了一台808 nm连续波（CW）二极管激光设备，在三种啮齿类动物（Hartley豚鼠、Sprague-Dawley大鼠和BALB/c小鼠）中建立了光热皮肤损伤模型，并开发了初步五级分级量表。研究得出以下主要结论：该激光设备在2–10 W设置范围内输出功率呈线性增加（R2 = 0.9997），180 s照射期间输出不稳定性低于0.4%；在7 W控制台设置下，实际输出功率为4.63 W，仅为标称功率的三分之二左右，强调了实测输出的必要性；三种动物的宏观损伤分别在第1–2天（豚鼠）、第2–3天（大鼠）和第3–4天（小鼠）达到峰值，所有损伤均在第28天完成再上皮化；五级量表（0–4级）将大体外观与组织学损伤深度相关联，较高分级对应更深的组织损伤；三名观察者的Kendall’s W为0.81–0.90，平均加权κ为0.42–0.49，表明该量表具有可接受的一致性。该模型和量表可支持光热皮肤损伤病理生理学研究、激光剂量测定、安全性测试及伤口修复研究，并可能应用于放射性皮炎模型的筛选研究。

三、主要技术方法

研究采用以下关键技术方法：（1）激光设备表征：利用制造商测试报告获取发射光谱数据，使用光束分析仪（BND-2222）记录光束轮廓并测量1/e2光束直径，采用热传感器（S415C）和接口（PM100USB；Thorlabs）进行功率校准，覆盖2–10 W设置范围，每个设置进行三次独立运行，并使用普通最小二乘回归分析设置功率与实测功率的关系；（2）输出稳定性评估：在7 W设置下进行三次标称180 s记录，计算相对输出不稳定性；（3）动物模型建立：雌性Hartley豚鼠（n = 4）、Sprague-Dawley大鼠（n = 4）和BALB/c小鼠（n = 20）在异氟烷麻醉下接受808 nm CW激光照射180 s，豚鼠和大鼠背部标记2×3网格共6个照射位点，小鼠各接受1个背部照射位点；（4）纵向观察与组织学评估：自照射后1小时至第28天进行大体损伤拍照记录，分别于第2、7、14和28天处死动物采集组织，进行苏木精-伊红（H&E）、Masson三色（MT）和过碘酸-雪夫（PAS）染色；（5）分级量表开发与观察者一致性评估：三名具有临床背景的观察者独立对每个物种60张图像进行分级，计算Kendall’s W和线性加权Cohen’s κ。

四、研究结果

工程表征结果：制造商报告显示峰值波长为807.13 nm，半高全宽为2.04 nm。在约20 mm测量平面上，1/e2光束直径为10.980 ± 0.023 mm。实测功率随控制台设置功率在2–10 W范围内呈线性增加，拟合关系为P_measured = 0.888709 × P_set ? 1.665600（R2 = 0.999727）。三次稳定性记录中，分析窗口内的平均功率为4.633 ± 0.023 W，运行内相对输出不稳定性为0.283%至0.359%。

宏观与代表性组织病理学变化：在808 nm、7 W控制台设置照射180 s后，三个物种的大体损伤均随时间演变。宏观损伤分别在豚鼠第1–2天、大鼠第2–3天、小鼠第3–4天达到峰值。照射后1小时，豚鼠和大鼠以2级损伤最常见，小鼠以3级损伤为主。第2天出现焦痂，第7天焦痂变硬并伴随伤口收缩。第14天，豚鼠和大鼠出现焦痂分离和再上皮化，小鼠以收缩为主。第28天，三个物种的损伤均完全再上皮化，残留瘢痕和毛发改变。组织学方面，第2天豚鼠切片显示表皮溃疡和炎症浸润，大鼠切片显示广泛表皮坏死和表皮下水肿，小鼠切片显示皮内出血和胶原纤维肿胀；第7天出现肉芽组织形成和不同程度的再上皮化；第14天可见表皮重塑和真皮胶原沉积；第28天豚鼠显示富含胶原的瘢痕组织，大鼠显示再生的表皮和可见毛囊，小鼠显示角化过度。

五级量表及初步观察者间一致性：所提出的量表将损伤从0级（完整皮肤）到4级（穿透真皮和肉膜的全层损伤）进行分类。1级以短暂红斑或干燥脱屑为特征，表面完整性保留；2级包括水疱形成、湿润糜烂或薄痂；3级以厚而深色的焦痂和明显收缩为特征；4级包括深溃疡或皮革样坏死。代表性H&E、MT和PAS切片显示随着分级增加，组织损伤逐渐加深：1级仅累及浅表表皮，基底膜完整；2级累及乳头状真皮，伴全层表皮坏死；3级累及网状真皮，伴胶原凝固和皮肤附属器丧失；4级穿透皮下脂肪组织至肉膜。Kendall’s W值分别为豚鼠0.812、大鼠0.823和小鼠0.901（所有名义P < 0.001），平均成对线性加权κ为0.422至0.490。

照射后1小时损伤分级：照射后1小时，58.3%的豚鼠位点、75.0%的大鼠位点和85.0%的小鼠位点达到2级或3级损伤标准。豚鼠和大鼠以2级最常见，小鼠以3级为主。3个小鼠位点（15.0%）出现4级损伤，豚鼠和大鼠位点未出现4级损伤。每只豚鼠和大鼠至少有一个2级损伤位点。

五、讨论总结与结论翻译

讨论总结：研究人员在动物照射相同条件下表征了自研近红外二极管激光器的808 nm CW输出，并利用该配置在三种啮齿类动物中诱导光热真皮损伤。与现有研究相比，本研究的主要贡献在于：第一，实测并报告了照射距离处的实际输出功率、发射光谱和光束轮廓，符合光医学研究建议的报告标准；第二，通过28天纵向观察记录了从急性热反应到瘢痕重塑的完整过程，弥补了现有研究仅评估早期损伤的不足；第三，开发了将各阶段大体特征与组织学深度相关联的五级量表。研究还发现相同照射条件在不同物种间产生不同损伤模式，这与物种间皮肤厚度、附属器密度、光学特性和伤口收缩程度的差异有关。豚鼠和大鼠可能更适合以上皮修复为主要结局的研究，而小鼠可提供基因修饰品系用于机制研究。豚鼠和大鼠的六位点网格设计允许在同一动物内比较多种局部治疗，可减少所需动物数量。量表在激光安全性测试、设备开发和光热治疗中意外皮肤损伤研究中具有应用价值，并可能用于放射性皮炎模型的筛选。讨论部分也指出了研究的局限性，包括仅测试单一波长、功率设置和照射时长，剂量-反应关系尚待明确；辐照度、能量密度等参数的精确估算需进一步评估；组织学样本量有限；仅使用雌性动物；量表在同一队列中开发和测试，需在独立队列中进行验证。

结论翻译：在测试的808 nm连续波条件下，自研近红外激光器在照射距离处表现出稳定的输出以及控制台设置功率与实际输出功率之间的线性关系。该配置在豚鼠、大鼠和小鼠中诱导了光热真皮损伤。系列大体观察和代表性组织病理学发现记录了从急性反应到长达28天重塑的损伤进展过程。这些发现支持一个将各阶段大体特征与组织学深度相关联的初步五级量表。使用该量表的观察者在本队列中独立且一致地对损伤严重程度进行了排序。该模型和量表可支持光热皮肤损伤病理生理学研究，对基础研究和临床实践具有潜在价值。