Ear skin optical clearing for improving blood flow imaging/Optisches Clearing der Ohrhaut zur verbesserten Bildgebung des Blutflusses

Abstract Background and objective: Various optical imaging techniques have shown a great potential for monitoring angiogenesis, development of blood vessels, and even tumor transfer, but they suffer from the limited imaging depth in tissue. Although the mouse ear provides an available window, the residual scattering of ear skin still influences the imaging quality. The proposed tissue optical clearing technique presents a new opportunity to decrease the scattering of skin, and enhance the imaging contrast or imaging depth of optical methods. The purpose of this study is to develop an innovative ear skin optical clearing agent (ESOCA) for improving the transparency of the mouse ear. Materials and methods: The ESOCA was topically applied on the ear skin of BALB/c mice in vivo for 5 and 10 min, respectively. Then the transmittance spectra of mice ear were measured with an optical fiber spectrometer system, and the cutaneous blood vessels and blood flow was monitored by the laser speckle contrast imaging (LSCI) technique. As a control, the measurements were also performed before application of the ESOCA. In addition, the contrast-to-noise ratio (CNR) values of speckle contrast images were calculated to evaluate the resolving ability to blood flow. Results: The transmittance of mice ear was enhanced by 111.0±8.2% at 633 nm after application of ESOCA. The cutaneous blood vessels and blood flow could be distinguished more clearly with LSCI technique. In addition, the calculated CNR values of speckle contrast images showed a great enhancement compared with the initial (control) values. Conclusion: In summary, topical application of an innovative ESOCA permits the vessel structure and flow distribution information of cutaneous blood vessels to be imaged by LSCI with higher contrast, which will be significant for tumor studies in the future. Zusammenfassung Hintergrund und Ziel: Verschiedene optische bildgebende Verfahren haben ein großes Potenzial für die Überwachung der Angiogenese, der Entwicklung von Blutgefäßen und sogar der Tumorausbreitung gezeigt, leiden aber unter der eingeschränkten Bildtiefe im Gewebe. Das Mausohr bietet modellhaft betrachtet ein optisches Fenster, jedoch wird die Bildqualität durch die restliche Streuung der Ohrhaut beeinflusst. Die vorgeschlagene gewebeoptische Clearing-Technik stellt eine neue Möglichkeit dar, die Streuung der Haut zu verringern und Bildkontrast und Bildtiefe optischer Verfahren zu verbessern. Das Ziel dieser Studie ist es, ein innovatives Hautclearing-Agent (ear skin optical clearing agent, ESOCA) zur Verbesserung der Transparenz des Mausohrs zu entwickeln. Materialien und Methoden: Das ESOCA wurde in vivo für jeweils 5 und 10 min topisch auf die Ohrhaut von BALB/c-Mäusen aufgetragen. Dann wurden am Mausohr die Transmissionsspektren mit einem optischen Faserspektrometer gemessen und die kutanen Blutgefäße und der Blutfluss mittels Laser-Speckle-Kontrastdarstellung (laser speckle contrast imaging, LSCI) überwacht. Als Kontrolle wurden die Messungen auch vor dem Aufbringen des ESOCA durchgeführt. Zusätzlich wurde das Kontrast-Rausch-Verhältnis (contrast-to-noise ratio, CNR) der Speckle-Kontrastbilder berechnet, um das Auflösungsvermögen in der Darstellung des Blutflusses zu evaluieren. Ergebnisse: Die Durchlässigkeit der Ohrhaut von Mäusen wurde nach Anwendung des ESOCA und bei einer Wellenlänge von λ=633 nm um 111,0±8,2% erhöht. Die kutanen Blutgefäße und der Blutfluss konnten mit der LSCI-Technik deutlich unterschieden werden. Darüber hinaus zeigten die berechneten CNR-Werte eine große Verbesserung im Vergleich zu den eingangs durchgeführten Kontrollmessungen (ohne ESOCA). Fazit: Die topische Anwendung des innovativen ESOCA erlaubt eine kontrastreichere Darstellung der Gefäßstruktur und der Strömungsverteilung von kutanen Blutgefäßen mittels LSCI-Technik. Dies könnte zukünftig von entscheidender Bedeutung für Tumorstudien sein.