本方案描述了一种标准化、非侵入性的方法,利用激光斑点对比成像结合药理离子传送和生理刺激,评估人体皮肤微循环中的全身微血管功能,以评估临床研究环境中的微血管反应性。
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本方案描述了一种标准化、非侵入性的方法,利用激光斑点对比成像结合药理离子传送和生理刺激,评估人体皮肤微循环中的全身微血管功能,以评估临床研究环境中的微血管反应性。
激光斑点对比成像(LSCI)是一种高分辨率、非侵入性的光学技术,能够实现微血管灌注的实时全场可视化。本方案提出了一种标准化的方法,用于利用LSCI评估人体皮肤微循环中的全身微血管功能。由于该技术所得的测量对环境和生理混杂因素高度敏感,该方案强调严格的标准化程序,以提高重复性和实验可靠性。该协议详细说明了关键的环境控制,包括室温稳定在23°C±1°C、参与者定位、适应过程以及在图像采集过程中尽量减少外部干扰。该方法结合LSCI与两种互补的诱发性操作,以评估皮肤微血管反应性。闭塞后反应性充血用于评估整合性微血管反应性,而离子置换驱动的药理学挑战则用于评估内皮功能。具体来说,乙酰胆碱用于评估内皮依赖性血管扩张,硝基苷钠用于评估内皮非依赖性血管扩张。该逐步可视化方案旨在促进临床和转化研究环境中采用标准化LSCI方法论。该方法已成功应用于多种临床疾病的微血管损伤,包括难治性高血压、糖尿病和冠心病。通过实现对微血管反应性的可重复且无创评估,该方法为研究全身血管健康、监测疾病进展以及评估针对微血管干预措施的有效性提供了宝贵工具。
该方案的主要目标是提供一种标准化、可重复的方法,用于利用激光斑点对比成像(LSCI)结合生理和药理学诱导操作,评估全身微血管功能和反应性。微循环由直径约100微米的小于100微米的末端血管——小于动脉、毛细血管和静脉——组成,是代谢交换的主要部位,也是决定外周血管阻力的关键因素2。这些小血管内皮功能障碍通常先于宏观血管改变,并作为心血管疾病(包括高血压、糖尿病和冠状动脉疾病)的早期生物标志物3。重要的是,虽然微血管损伤对终末器官损伤有显著贡献,但它与大血管动脉粥样硬化和系统性慢性炎症共同作用,形成多因素疾病过程。因此,对微血管反应性的非侵入性评估对于早期诊断和转化研究中治疗疗效监测至关重要。
使用皮肤微循环作为系统血管健康的替代方法的理由在于其可及性以及作为全球内皮功能代表窗口的作用 5,6。传统上,激光多普勒流量测量(LDF)被认为是非侵入性皮肤评估的金标准7。然而,LDF因空间分辨率较差而受限,因为它提供的点测量对皮肤灌注的固有异质性极为敏感。相比之下,LSCI通过提供组织灌注的全场实时可视化,具有高时间和空间分辨率9,具有显著优势。通过分析激光光散射产生的干涉图样,LSCI能够同时评估多个血管区域,无需物理接触或外源染料10,11。
在更广泛的文献中,LSCI与离子导引的药理诱导(如乙酰胆碱(ACh)和硝基苯钠(SNP)的结合已被验证为评估内皮依赖性和内皮非依赖性血管扩张通路的有力方法(12,13)。此外,闭塞后反应性充血(PORH)综合评估了涉及内皮介质、神经源性感觉神经和血管平滑肌功能的微血管反应性。尽管具有优势,LSCI对环境和生理变异的高度敏感性要求严格的标准化程序。该方案通过详细说明关键环境控制措施,包括室温稳定在23°C±1°C及标准化参与者位置,以提升受试者内外的重复性10。该方法适用于寻求方法学基础、非侵入性方法,以研究不同患者群体微血管病理生理的临床和转化研究者。
所有涉及人类参与者的操作均遵循巴西卫生部国家心脏病学研究所的伦理标准,符合国家法规(国家伦理研究委员会(INAEP)根据2024年5月第14874号法律)及赫尔辛基宣言(2024年修订)。
1. 参与者准备与环境控制
2. LSCI系统设置与软件配置


图1。利用激光斑点对比成像(LSCI)结合离子传导评估皮肤微血管灌注的实验装置。(A)用于皮肤微血管评估的代表性实验装置,利用激光斑点对比成像和血管扩张剂离子流出。(B)在经皮电离子输送中,代表性地产生了叠加剂量乙酰胆碱(ACh)的微血管灌注反应。(C)AC离子游离的代表性图像。(D) 载具控制电极的代表性图像。标签显示以下组件:(1)成像头;(2)离子推送药物递送电极;以及(3)色散电极。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 离子传导与药理诱导

图2。离子推测期间皮肤微血管灌注的代表性记录及闭塞后反应性充血(PORH)。(A) 利用LSCI在离子输送过程中获得的2% ACh皮肤微血管血通量的代表性记录,阳极电流为30、60、90、120、150和180 μA,间隔10秒,间隔1分钟。(B) PORH评估期间获得的代表性记录。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 闭塞后反应性充血(PORH)
5. 数据提取与统计分析
成功应用该方案可获得稳定基线,随后对每个血管刺激产生清晰且可区分的微血管反应。在一项技术上成功的实验中,基线记录显示灌注信号稳定且波动最小,定义为平均信号的标准差<10%。在AC和SNP的离子穿透过程中,预期APU会逐步增加,反映剂量依赖性血管扩张。成功的PORH反应表现为动脉阻塞期间灌注迅速降至稳定的生物零值,随后在解开袖带后立即出现急剧充血峰值,健康受试者通常达到基线数倍的数倍。 图1A 展示了利用LSCI和离子传送进行皮肤显微血管评估的实验装置。 图1B–1D 展示了具有代表性的离子流响应和电极位置。 图2A 在AC离子顶穿期间呈现了具有代表性的剂量依赖性微血管反应,而 图2B 则展示了具有代表性的PORH反应。
次优或技术不成功的录音通常表现为信号不稳定或运动相关伪影。高频尖峰或基线骤变通常表明参与者运动或真空垫支撑系统稳定性不足。在离子传送过程中,健康参与者血管扩张反应减弱或缺失,通常表明电极与皮肤接触不良或电极腔内气泡被困,导致电流传递受损。 图3 展示了一个代表性地显示的不可接受记录,其特征是与运动相关的信号不稳定。

图3。电离置换过程中不可接受的微血管灌注记录的代表性例子。 在AC离子游离作用期间,使用LSCI获得的皮肤微血管血通量代表性记录,显示信号不稳定性和运动相关伪影不适合定量分析。 请点击此处查看该图的放大版本。
在PORH闭塞期未能达到稳定的生物零点,表示动脉阻塞不完全,通常由袖带位置错误或袖带充气压力不足引起。在这种情况下,随之而来的充血反应会减弱,无法可靠解读。
成功执行的方案会产生可重复的灌注和CVC曲线。SNP离子游离过程中观察到的最大CVC平台反映了总血管扩张能力和血管结构完整性,而ACh介导的反应主要反映内皮依赖性的微血管功能。对这些血管反应的标准化比较,有助于区分与微血管功能保留和受损的模式。 表1展示了来自健康年轻受试者和耐药性动脉高压患者中获得的代表性定量微血管参数。
| 微血管参数 | 单位 | 健康青年对照组 (n = 25) | 抵抗性动脉高压患者 (n = 50) | p值 |
| 基线心血管系 | APU/mmHg | 0.37 ± 0.13 | 0.29 ± 0.12 | 0.01 |
| ACh诱导的峰值CVC | APU/mmHg | 0.67 ± 0.23 | 0.51 ± 0.19 | 0.004 |
| SNP诱导的峰值CVC | APU/mmHg | 0.60 ± 0.21 | 0.41 ± 0.17 | 0.0003 |
| PORH峰值CVC | APU/mmHg | 0.87 ± 0.18 | 0.60 ± 0.16 | < 0.0001 |
表1:健康年轻受试者及耐药性动脉高压患者的代表性微血管反应性参数。 数值以平均±标准差(SD)表示。p值通过独立的T检验计算,用于组间比较。缩写:ACh,乙酰胆碱;SNP,硝基钠;PORH,闭塞后反应性充血;皮肤血管传导度(CVC);APU,任意灌注装置。数据代表作者实验室未发表的结果。
LSCI提供一种标准化且非侵入性的方法,用于评估系统性微血管功能,具有高空间和时间分辨率。与仅限于单点测量且对皮肤灌注空间异质性高度敏感的LDF相比,LSCI实现了全场成像和多重投资回报率的同时评估。这一特性显著提高了测量的可重复性,并降低了临床微血管研究中的变异系数。此外,LSCI的无接触特性最大限度地减少了探针技术常见的局部压力伪影,提升了其在转化和临床研究环境中反复评估的适用性。
该协议的一个关键组成部分是将灌注数据归一化为MAP以计算CVC。由于皮肤血灌注受全身灌注压力强烈影响,仅解释原始APU可能导致显著混杂,尤其是在血流动动力学特征改变的人群中,如高血压或血脂异常。因此,该方案建议同时报告原始PU和归一化后的CVC值,以改善对不同生理和病理条件下微血管功能的解读。协议的另一个关键方面是严格的环境和参与者稳定,包括室温控制、减少运动伪影以及标准化的参与者位置,这些都是实现可重复录音的关键。
还必须考虑LSCI的若干局限性。该技术主要评估约0.5–1毫米深度的浅层皮肤微循环,因此可能无法完全反映更深的血管床。此外,皮肤色素沉着和环境光干扰会影响信噪比,进一步强调了本方案中环境控制的重要性。另一个限制是整个过程中,CVC计算仅使用单一基线MAP测量。尽管在约40分钟的记录期间全身性血压可能波动,但有意避免反复扩张袖带,因为反复测量血压可能引发交感神经激活和运动伪影,干扰激光斑点信号。未来结合连续无创血流动动力学监测的研究,有望进一步提升微血管电导测量的生理学解读。
关键的操作步骤包括环境稳定、运动控制、电极定位以及PORH期间的完全动脉阻塞。基线记录不稳定通常由参与者运动或休息时间不足引起,通过重新稳定真空垫系统并延长适应期可以最大限度减少。电离分离反应钝化通常表明电极与皮肤接触不良或送达腔内气泡被困;仔细填充腔体和电极重新定位通常能解决这些问题。在PORH闭塞期未能达到生物学零点,通常反映动脉不完全闭塞,原因是袖带充气不足或袖带位置不正确。在这种情况下,产生的充血反应会变得减弱,不适合可靠解读。
生理和药理刺激的整合是该方案的一大优势,因为这些方法评估了微血管调控的互补方面。PORH提供了对由短暂性脑缺血和剪切应激触发的内皮、神经源和血管平滑肌反应性的微血管反应性综合生理评估16。相比之下,离子传送使得选择性评估内皮依赖性和内皮非依赖性血管扩张通路15。ACh评估依赖内皮的一氧化氮介导血管扩张,而SNP作为直接一氧化氮供体,则独立于内皮信号传导评估血管平滑肌的响应性15。对这些反应的比较解释有助于区分功能内皮损伤与结构微血管重塑。这一区分在衰老、难治性高血压、糖尿病和慢性代谢疾病中尤为重要,因为内皮信号受损和微血管稀疏可能共存14,17。
总之,该标准化LSCI方案为人类微血管健康的非侵入性评估提供了可重复且转化相关的方法。药理学离子导与生理缺血-再灌注检测相结合,能够详细表征内皮和结构血管功能,同时通过严格的环境和血流动动力学标准化,最大限度地减少实验变异性。鉴于其在多种心血管和代谢疾病中早期检测微血管功能障碍的敏感性,该方法成为临床研究、纵向监测和转化血管医学治疗评估的宝贵工具。
作者声明无相关财务或非财务利益冲突。
该工作得到了国家心脏病学研究所(INC/MS)、里约热内卢州卡洛斯·查加斯·菲略研究支持基金会(FAPERJ)以及巴西国家科学技术发展委员会(CNPq)的支持。作者感谢护士Marcio Marinho Gonzalez和技术员Maira Duque在微循环评估期间给予的卓越技术支持。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| <强壮>装备 | |||
| 自动示波血压监测仪 | 欧姆龙医疗 | HEM-7120 | 用于基线平均动脉压(MAP)评估(3次测量) |
| 数字校准温度计 | 三角洲OHM | HD2301.0 | 准确性与优点;0.1°C代表室温监测 |
| 色散(参考)电极 | 佩里梅德空军基地 | PF 384 | 大表面积中性电极 |
| 药物传递电极 | 佩里梅德空军基地 | PF 383 / LI 611 | 非侵入性离子置入腔(约80毫米及高2;) |
| 离子传导功率控制器 | 佩里梅德空军基地 | 周围微血管诊断系统 | 双通道电流控制器(最高可达200和微电流;A) |
| 激光斑点对比成像(LSCI)系统 | 佩里梅德空军基地 | PeriCam PSI NR | 高分辨率血液灌注成像仪 |
| 医用级真空垫 | AB 杰尔玛 | 无 | 用于心脏水平的前臂稳定位置 |
| 单手驱动真空泵 | AB 杰尔玛 | 无 | 用于真空垫的排空 |
| 快速手铐充气器 | D.E. 霍坎森公司 | E20 快速袖口充气器 | 用于标准化3分钟动脉闭塞 |
| <强>试剂和消耗品<强力> | |||
| 乙酰胆碱氯化物(ACh) | 西格玛-奥尔德里奇 | A6625 | 内皮依赖性血管扩张剂,制备剂量为2% |
| 酒精准备垫 | 贝克顿·迪金森 | 326895 | 70%异丙醇护肤垫用于皮肤准备 |
| 去离子水 | 西格玛-奥尔德里奇 | 38796 | 用于电极的最终冲洗 |
| 氯化钠(0.9%生理盐水) | 本地供应商 | 无 | 用于药物制备和皮肤清洁的溶剂 |
| 硝基苯丙钠(SNP) | 西格玛-奥尔德里奇 | S0501 | 内皮非依赖性血管扩张剂,制备量为2% |
| 无菌纱布 | 本地供应商 | 无 | 用于清洁后皮肤表面干燥 |
| <强>软件 | |||
| 灌注分析软件 | 佩里梅德空军基地 | PIMSoft | 用于LSCI数据采集和投资回报率分析的软件 |
| 统计分析软件 | GraphPad 软件 | 棱镜10 | 用于剂量响应曲线拟合和曲线下面积(AUC)计算 |
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