《Cosmetics》：Optical Coherence Elastography for Real-Time Visualization of Skin Penetration, Associated Dehydration, and Barrier Function: Pilot Ex Vivo Studies and the First In Vivo Demonstration in Humans
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本研究采用一种近期提出的基于相位敏感的光学相干弹性成像（OCE）方法，通过重建渗透压诱导的应变，并评估外用溶液在离体人胫部皮肤、大鼠背部皮肤及猪口周皮肤，以及人类前臂在体皮肤中的渗透情况，首次实现了扩散过程及相关皮肤脱水的可视化。研究考察了不同浓
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本研究采用一种近期提出的基于相位敏感的光学相干弹性成像（OCE）方法，通过重建渗透压诱导的应变，并评估外用溶液在离体人胫部皮肤、大鼠背部皮肤及猪口周皮肤，以及人类前臂在体皮肤中的渗透情况，首次实现了扩散过程及相关皮肤脱水的可视化。研究考察了不同浓度的甘油水溶液、乙醇及酒石黄溶液。通过在最初150秒内监测与渗透相关的渗透压应变，表征了初始渗透动力学。OCE结果显示，在初始渗透阶段，猪皮肤尽管具有更强的机械强度，但其渗透性明显高于人皮肤，而大鼠皮肤的渗透性与人皮肤相当。OCE成像进一步显示，仅数十微米厚的浅表角质层（SC）提供了主要的皮肤屏障，部分去除SC可显著增加渗透性。增强的皮肤稳定化处理通过抑制心脏搏动和呼吸引起的运动伪影，实现了初步的在体测量，其结果与离体发现一致。上述结果表明，对于所测试的亲水性/极性物质，大鼠皮肤比猪皮肤更能代表人体皮肤渗透性模型，凸显了OCE在实时监测皮肤渗透及相关脱水方面的潜力。
论文解读
一、研究背景与意义
皮肤是人体与外界环境之间的主要屏障，其核心生理功能是防止病原体、有害化学物质等外源性物质侵入，同时阻止体内水分过度流失。表皮主要通过角质层（SC）和颗粒层紧密连接发挥屏障作用，其中角质层由嵌入高度有序的细胞外脂质基质中的角质细胞构成，其内在低渗透性与有序脂质组织共同使其成为皮肤的主要渗透屏障。然而，这种保护机制在有效阻挡大多数外源性物质的同时，也构成了经皮和透皮给药的主要挑战，推动了增强皮肤可控渗透策略的开发。
在生理条件下，外用物质的渗透主要依靠被动扩散，且受到完整角质层的强烈限制。屏障完整性的破坏——无论是生理或病理过程（如脱屑、炎症、脂质基质改变），还是实验性手段（如胶带剥离）——均会显著增加皮肤渗透性。因此，准确评估皮肤渗透深度及外用物质的作用效果至关重要。
现有皮肤渗透表征方法包括侵入性、微创和非侵入性技术。传统方法有Franz扩散池、色谱法、分光光度法、放射性示踪剂分析及组织学等；光学方法如反射和荧光共聚焦激光扫描显微镜、双光子和三光子断层成像、荧光寿命成像、二次谐波产生、拉曼显微光谱及光学相干断层成像（OCT）等，因其无标记、无破坏且具有高空间分辨率而被广泛采用。然而，这些方法大多主要量化光学散射特性的变化。相比之下，本研究采用的光学相干弹性成像（OCE）是一种基于OCT的模态，可量化组织位移、形变（应变）和弹性模量，从而提供组织力学特性信息。
二、研究目的与主要技术方法
本研究旨在利用一种近期提出的非常规相位分辨OCE处理方法，实现渗透物质扩散前沿与伴随脱水前沿的同时、独立、实时可视化，从而表征初始阶段渗透动力学。该能力在化妆品保湿应用和生物医学光学清理（通过可控组织脱水增强组织透明度和光学成像）中尤为重要。
研究涉及三个离体皮肤模型：（i）常被视为人皮肤合适模型的离体猪皮肤（取自口周区域）；（ii）离体截肢后人皮肤（取自胫部区域，来自三名男性供体）；（iii）离体大鼠皮肤（取自背部区域）。此外，研究首次在四名志愿者（三男一女）前臂内侧进行了人体在体测量。
关键技术方法包括：基于轴向扫描间位移与OCT信号相位变化关系的相位敏感应变映射技术；采用矢量法估计相位梯度，该方法对测量噪声更稳健且无需相位解缠；自适应矢量法根据局部信号特征自动选择空间处理尺度以改善信噪比；使用中心波长1.3 μm、光谱带宽90 nm的自制谱域OCT系统，A扫描采集率80 kHz，B扫描覆盖4 mm横向视场。对于在体测量，研究开发了专门的无底稳定化杯固定于OCT探头上，以抑制心脏搏动和呼吸引起的运动伪影。
三、研究结果
3.1 离体猪皮肤中扩散渗透及伴随脱水的初始阶段动力学
研究人员使用不同浓度的甘油水溶液考察浓度对应变强度的影响。应用80%甘油溶液后，正应变（组织扩张，对应甘油渗透）与负应变（组织收缩，对应水流出）在约30秒后于深度上清晰分离。值得注意的是，渗透压应变模式显示出显著的横向变异性（约1.5–2倍），尤其是扩散较快的水，其扩散前沿轨迹呈现蛇形通道系统。通过追踪正负应变极值位置，发现其深度平方随时间近似线性变化，符合扩散方程推导的关系式，据此可估算水和甘油的扩散系数。研究还发现，溶液浓度会影响极值位置的估计偏差：高浓度（80%）甘油溶液可最大化脱水相关负应变，有利于水的扩散系数估计；而低浓度（30%）甘油溶液可减少负应变对正应变的掩蔽，更有利于溶质本身扩散系数的准确估计。此外，尽管酒石黄（分子量534 g/mol）远大于甘油（92 g/mol），其扩散系数却约为甘油的7倍，表明分子量并非决定扩散速率的唯一因素。
3.2 离体人皮肤和大鼠皮肤中扩散渗透及脱水的初始阶段动力学
与猪口周皮肤形成鲜明对比，在相同实验条件（相同的1秒帧间间隔、相同色标、高浓度渗透剂）下，人胫部皮肤和大鼠背部皮肤均未检测到明显的渗透压应变。这表明就皮肤屏障特性而言，大鼠背部皮肤比猪口周皮肤更接近人胫部皮肤。然而，当从皮肤内表面（真皮侧）施加70%乙醇或10%甘油时，即使甘油浓度较低，也观察到了明显的渗透压应变，表明人皮肤和大鼠皮肤的主体组织内在渗透性和扩散系数与猪皮肤相当。这一对比明确证实了相对较薄的角质层是哺乳动物皮肤外侧渗透性极低的原因。
为进一步验证，研究人员用手术刀部分去除人皮肤和大鼠皮肤的浅表层。结果显示，在角质层完整的区域，渗透压应变几乎为零；而在剥离区域，则出现典型的正负交替应变模式。通过绘制光学散射系数μs图，可清晰显示剥离区域浅表弱散射层厚度比完整区域薄约3–4倍。同时观察到，乙醇渗透增加存活表皮的μs，而甘油则产生已知的光学清理效应（μs降低）。
3.3 人类皮肤中扩散渗透及脱水初始阶段动力学的首次在体观察
在体测量的主要挑战是皮肤在约1秒帧间间隔内的稳定性不足。研究人员通过在OCT探头上安装专门设计的稳定化杯实现了可接受的相位稳定性。在完整前臂皮肤上，80%甘油应用后10秒的帧间应变几乎为零，与离体人皮肤结果一致。经过八次连续磺化丙烯酸酯涂层粘附板剥离后（估计去除厚度约20–30 μm），同一志愿者皮肤出现了明显的正应变（甘油渗透）和更显著的负应变（脱水），尽管存在明显的横向不均匀性。双尾Mann-Whitney检验显示完整与剥离皮肤之间的差异极为显著（p < 10?15），即使将应变幅度人为降低10–15倍，差异仍然显著（p < 0.01–0.05）。
通过积分帧间应变得到的累积渗透压应变进一步量化了屏障功能差异：完整皮肤中的水流出可忽略不计，比部分剥离样品低两个数量级以上；在90秒时，乙醇在浅表约50 μm层内的渗透量约低5倍，在50–150 μm深度处约低1.5个数量级。
四、讨论与结论
本研究揭示了一个重要且有些反直觉的发现：尽管人皮肤结构看似更精细，但其渗透性显著低于猪口周皮肤，只有去除浅表层后才能达到相当的渗透性。相比之下，大鼠皮肤尽管角质层更薄，其渗透性却与人皮肤相近。因此，就渗透性而言，大鼠皮肤比猪口周皮肤更接近人皮肤。但这一结论不应推广至所有物质，因为本研究仅评估了亲水性/极性物质（乙醇、甘油和水溶性酒石黄），其分配系数log(P) < 2，亲脂性物质的渗透差异需要单独研究。
角质层在人皮肤屏障功能中的主导作用与先前研究一致。在体测量中，部分去除浅表层而未明显到达存活表皮，引起了适度但可靠检测到的渗透性增加；而离体实验中更广泛的去除（涉及角质层和部分存活表皮）则导致皮肤渗透性的急剧增加。
本研究的主要局限性包括：OCE成像深度约1 mm、相位敏感测量对机械稳定性的要求、以及长扩散时间下渗透压应变对比度的逐渐降低。此外，扩散初期正负渗透压应变的部分重叠可能影响扩散前沿的表观位置，但这种效应会迅速减弱，且可通过适当选择施加溶液来最小化。
综上所述，基于OCE的渗透压应变可视化提供了一种快速且信息丰富的方法，用于表征初始阶段物质传输动力学和皮肤屏障功能，并具有扩展到其他生物组织和工程组织的潜力。该方法特别适用于评估旨在增强皮肤渗透性的策略。研究还揭示，尽管猪皮肤具有更强的机械强度，但其渗透性明显高于完整人皮肤；而大鼠皮肤尽管角质层明显更薄，其渗透性与人皮肤更为接近。实验进一步证实了角质层维持皮肤屏障功能的作用，部分去除这一薄层浅表结构即可导致渗透性的显著增加。
