成像技术的进步将为生殖和不孕症提供新的见解

研究人员开发了一种新的光学相干断层扫描(OCT)方法，可以直接对自然环境中称为运动纤毛的微小毛发状结构的协调进行成像。观察活生物体中纤毛动态的能力为研究人员提供了一个强大的新工具来研究这些结构如何通过女性生殖系统移动细胞和物质，以及整个身体纤毛的其他功能。

“我们的新方法有可能回答关于纤毛在输卵管正常生理学中的作用以及纤毛病的特定功能后果(纤毛的异常形成或功能)的长期存在的问题，这显然与宫外孕有关，例如，”贝勒医学院的研究小组组长IrinaV.Larina说道。“它还有可能进一步开发并适应临床诊断目的。”

在《Optica》中，来自贝勒医学院和史蒂文斯理工学院的研究人员描述了他们的新成像方法，该方法基于OCT图像中像素强度波动的分析。他们使用该技术以微尺度空间分辨率绘制和量化活体小鼠输卵管组织层中的纤毛位置、搏动频率和运动协调。

研究人员利用他们的新技术，以微尺度空间分辨率绘制和量化了活体小鼠输卵管组织层的纤毛位置、搏动频率和运动协调(异时波)。该视频捕捉到了纤毛异时波。图片来源：TianXia和IrinaV.Larina，贝勒医学院

拉里纳说：“尽管活动纤毛在我们身体的许多系统中发挥着关键作用，但它们的体积较小，因此很难对其动态进行成像。”“我们的新方法可以了解这种以前无法实现的生理过程。我们很高兴看到它将揭示女性生殖生理学中纤毛的特定作用以及纤毛病和不孕症之间的特定联系。”

除了衬在输卵管内表面之外，纤毛还​​协调跳动，沿着各种器官(包括肺、大脑和消化道)的表面推动液体、粘液和细胞。

研究自然环境中的纤毛

这项新研究是一个更大项目的一部分，该项目通过光学成像的进步来研究女性生殖生理学。在过去的几年里，研究团队开发了一种活体OCT成像方法(这意味着它可以用于活体小鼠)以及各种功能性OCT方法。这些方法揭示了与生殖界当前观点相矛盾的意想不到的行为，并提出了纤毛和平滑肌收缩的新作用。

为了更深入地研究运动纤毛在输卵管中的具体作用，研究人员希望研究纤毛协调和纤毛异时波(当一组中的每个纤毛以协调模式移动时产生的波状运动)生理环境。然而，纤毛动力学通常使用暴露的纤毛表面的高速视频显微镜进行分析，这通常涉及解剖感兴趣的器官并暴露纤毛表面进行成像。

用新方法捕获的纤毛异时波在空间和时间上的传播。图片来源：TianXia和IrinaV.Larina，贝勒医学院

为了克服这一挑战并使纤毛在活体生物体中成像，研究人员开发了一种新的OCT方法来测量纤毛产生的光强度波动。OCT非常适合此用途，因为它具有显微分辨率和快速成像速度，并且能够从组织等光学散射介质中获取深达2毫米的体积信息。

新方法利用了这样一个事实：相干激光与组织相互作用会散射并在OCT图像中产生斑点。如果这些斑点由于纤毛的移动而周期性地移动，则会在相应的像素中产生周期性的闪烁。

研究人员开发了一种图像处理方法，可以找到具有显着周期性分量的像素，然后在空间和时间上映射主频率(对应于纤毛跳动频率)的相位。这使得纤毛产生的异时波得以可视化和量化。

研究人员还构建了一个成像系统，该系统经过独特调整，可以对活体小鼠的输卵管进行成像，并将其与他们之前开发的活体小鼠OCT成像方法相结合。

科学家们开发了一种新的OCT成像方法，可以直接对自然环境中运动纤毛的协调进行成像。研究小组成员DeirdreScully和TianXia在实验装置旁边合影。图片来源：MichaelaMcCown，贝勒医学院

测量异时波

在验证了新方法后，研究人员用它来研究温度对纤毛异时波速度的影响。他们发现，随着温度的升高，不仅纤毛跳动频率增加(这是已知的)，而且异时波的速度也会增加。他们还使用直接体积纤毛异时波映射对小鼠输卵管内的纤毛异时波进行体内成像，以揭示波在任何方向的传播。

研究人员表示，可以对新方法进行修改，以用于不同器官中纤毛动力学的各种研究。随着进一步的发展，它还可以与临床OCT内窥镜一起使用，从而有可能实现上呼吸道OCT成像，以诊断呼吸系统纤毛活动协调问题。

就生殖领域的临床转化而言，有可能将新方法与可引导通过输卵管的基于光纤的OCT探头相结合。这些目前正在进行临床试验，可能会在几年内成为临床实践的标准。

“与其他器官相比，女性生殖系统的研究严重不足，”拉里纳说。“除了新方法的直接科学影响之外，我们希望这项研究能够刺激其他光子工程师对女性生殖生理学和生育失败的研究。”

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