[论文解读] Label-free metabolic imaging of non-alcoholic-fatty-liver-disease (NAFLD) liver by volumetric dynamic optical coherence tomography

Pradipta Mukherjee, Shin‐ichi Fukuda+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Liver Disease Diagnosis and Treatment参考文献 72被引用 23

一句话总结

本研究利用动态光学相干断层扫描（OCT）结合对数强度方差（LIV）分析，实现了对小鼠非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）模型的无标记、三维体积代谢成像。通过在标准速度OCT系统（50,000 A-lines/s）下对蛋氨酸-胆碱缺乏（MCD）饮食诱导的NAFLD模型进行成像，该方法无需外源性标记即可在活体中可视化与脂滴蓄积及炎症相关的代谢活性，揭示了正常、1周及2周MCD饮食小鼠肝脏中独特的三维代谢结构。

ABSTRACT

Label-free metabolic imaging of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) mouse liver is demonstrated ex vivo by dynamic optical coherence tomography (OCT). The NAFLD mouse is a methionine choline-deficient (MCD)-diet model, and two mice fed MCD diet for 1 and 2 weeks are involved in addition to a normal-diet mouse. The dynamic OCT is based on repeating raster scan and logarithmic intensity variance (LIV) analysis which enables volumetric metabolic imaging with a standard-speed (50,000 A-lines/s) OCT system. Metabolic domains associated with lipid droplet accumulation and inflammation are clearly visualized three-dimensionally. Particularly, the normal-diet liver exhibits highly metabolic vessel-like structures of peri-vascular hepatic zones. The 1-week MCD-diet liver shows ring-shaped highly metabolic structures formed with lipid droplets. The 2-week MCD-diet liver exhibits fragmented vessel-like structures associated with inflammation. These results imply that volumetric LIV imaging is useful for visualizing and assessing NAFLD abnormalities.

研究动机与目标

• 实现无需侵入性操作、无外源性对比剂的肝脏组织非侵入性、无标记三维代谢成像，以研究NAFLD的发病机制。
• 通过动态OCT实现深层组织代谢评估，克服传统成像方式在分辨率低、代谢敏感性差或需侵入性操作等方面的局限。
• 利用标准速度OCT系统可视化并区分与早期NAFLD中脂滴蓄积和炎症相关的代谢活性。
• 研究小鼠肝脏在MCD饮食处理1周和2周后的结构与代谢变化，以模拟脂肪变性和脂肪性肝炎。
• 验证基于LIV的动态OCT能够检测肝脏组织中的代谢异质性，特别是在血管周围区域和炎症区域，具备高空间与时间分辨率。

提出的方法

• 采用标准速度扫频源琼斯矩阵OCT系统（50,000 A-lines/s），在1.3 µm波长下对离体小鼠肝脏样本进行体积成像。
• 对时间序列OCT B型扫描应用对数强度方差（LIV）分析，以提取基于强度波动的动态对比，该对比对亚细胞运动和代谢活性敏感。
• 每个位置采集16帧以实现三维体积LIV映射，实现仅需数秒的快速组织动力学评估，无需高速系统。
• 使用面状和体积渲染的LIV投影以增强三维代谢结构的可视化，相比横断面图像可减少投影伪影。
• 对比OCT强度与LIV结果，排除基于强度的伪影，确认高LIV信号反映真实的动态活动。
• 通过组织病理学相关性分析和三组对照实验设计（正常饮食对照组、1周MCD饮食组、2周MCD饮食组）验证研究结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于LIV的动态OCT能否在无外源性标记的情况下检测NAFLD小鼠肝脏中的代谢异质性？
• RQ2 在1周和2周MCD饮食诱导的NAFLD模型中，正常饮食组与MCD饮食组小鼠肝脏中的代谢结构有何差异？
• RQ3 高LIV区域与脂滴蓄积或炎症细胞浸润之间在形态学与空间分布上存在何种关系？
• RQ4 标准速度OCT系统通过LIV分析在多大程度上可实现三维代谢成像？与高速系统相比表现如何？
• RQ5 横断面LIV图像中的垂直高LIV信号是否为伪影，还是真实反映了与脂滴或血流相关的动态结构？

主要发现

• 正常饮食小鼠肝脏在血管周围区域表现出高度动态的、类似血管的结构，提示门静脉周围和中央静脉周围区域具有高代谢活性。
• 1周MCD饮食小鼠肝脏显示环形高LIV结构，被解释为围绕中央静脉呈同心圆排列的代谢活跃脂滴。
• 2周MCD饮食小鼠肝脏表现出碎片化、高度动态的类似血管的结构，提示炎症细胞浸润和微循环功能障碍。
• 横断面LIV图像中的垂直高LIV信号与OCT强度无相关性，且在强度图像中缺失，表明其可能为表层组织动力学引起的投影伪影。
• 面状和体积渲染的LIV图像揭示了1周模型中宏观的环形代谢流，以及2周模型中碎片化的代谢模式，其可解释性优于横断面图像。
• LIV成像成功在无外源性对比剂的情况下区分了三组小鼠的代谢表型——正常、早期脂肪变性（1周）和脂肪性肝炎（2周）。