使用皮膚水合狀態資訊用於評估乾癬表皮屏障功能

曾盛豪、楊朝鈞、許釗凱

        乾癬是一種全身性的炎症性疾病，通常與一些重要的合併症有關，包括關節炎、心血管疾病和糖尿病。[1] 根據世界衛生組織關於乾癬的報告，乾癬是一個嚴重的全球性問題，其患病率從坦尚尼亞的0.09%到挪威的11.4%不等。乾癬的診斷主要是依賴臨床觀察；臨床醫生透過乾癬皮膚的紅斑、厚度和鱗屑的大體形態鑒定和分類，來確定疾病嚴重程度和決定適當的治療療程。乾癬的典型表現包括表皮增生、真皮的微血管擴張和皮膚屏障功能受損。

        漫反射光譜（DRS）是一種模型驅動的光學技術，因其配置簡單、成本效益高、光譜資訊豐富等獨特特點，已被廣泛應用於研究各種組織類型的生理狀態。[2-4] 我們曾經使用如圖（一）架構的DRS來量化乾癬的微血管和形態，並觀察到乾癬患者表皮增生引起的真皮中血紅蛋白濃度增加和組織散射體的平均大小增加。[5] 另一方面，由於在乾癬皮膚中，脂質和蛋白質等含量以及角質層和表皮的結構受到干擾，因此水的狀態以及皮膚屏障功能受到影響。Primavera 等人對乾癬皮膚和正常皮膚進行塑性閉合壓力測試，發現這兩種皮膚的結合水（bound water）成分是不同的。[6] Takenouchi 等人採用 Karl Fischer 方法，發現乾癬角質層中的自由水（free water）含量比對照組小很多。[7] 迄今為止，只有少數報告採用光學方法研究乾癬和健康皮膚的水分狀況。[8, 9] 本研究的目的是測試DRS獲取皮膚中水分子狀況的能力，並瞭解其與乾癬的關係。

        水分子具有很強的電極性，其分子排列會受到周圍大分子存在的影響。與大分子如脂質或蛋白質結合的水分子被稱為結合水。由於乾癬皮膚的細胞和分子條件與正常皮膚不同，我們推測乾癬皮膚的水吸收光譜可能與正常皮膚不同。在本研究我們提出了一種簡單而有效的方法來分析體內皮膚的結合水狀態。

圖（一）、 本研究中採用的DRS系統設置示意圖。系統中使用了兩個光纖切換器，其中一個用於將切換光源，

以便將光傳遞給樣品，另一個用於將不同光纖收集的漫反射光切換到不同波長檢測範圍的光譜儀中。

        圖（二）顯示典型的乾癬部位和鄰近未受影響的皮膚在1,300 nm附近的吸收光譜及其最佳純水擬合光譜。一般來說，在第一水吸收泛音波段，兩個皮膚部位的吸收光譜都表現出水吸收峰的基本特徵。乾癬和正常皮膚吸收光譜在1230和1380 nm之間的純水擬合殘差分別為7.61和2.77。此外，我們也注意到正常受試者的皮膚吸收光譜（此處未畫出）與未受影響的皮膚的吸收光譜相當類似。

圖（二）、 代表性乾癬患者的乾癬部位及其鄰近未受影響部位在第一泛音波段的皮膚吸收光譜。

(a) 乾癬部位和(b)其鄰近未受影響部位的吸收光譜以圓圈表示。皮膚吸收光譜的最佳純水吸收擬合結果以實線顯示。

        我們進行了one-way ANOVA分析，研究21名乾癬受試者的乾癬部位、鄰近未受影響部位和未受影響的上內臂，以及21名正常受試者的正常上內臂的純水擬合殘差之間的差異。圖（三）顯示統計分析結果。從圖（三）可以看出，乾癬部位的純水擬合殘差分佈明顯高於其他三個部位。四個量測部位的one-way ANOVA分析的P值為9.65E-15，說明群體均值有明顯差異。通過進行Scheffѐ檢驗，我們發現乾癬部位在第一泛音波段的擬合殘差明顯高於其他三個部位，與病變部位相鄰的未受影響皮膚的擬合殘差也明顯高於正常人的上臂內側皮膚。在這個第一泛音波段，乾癬患者和正常人的上臂內側皮膚的擬合殘差沒有明顯差異。我們的研究結果顯示，在第一個吸水泛音波段附近的純水擬合殘差可能是乾癬的有效指標。

圖（三）、 四個測量位置在水吸收的第一泛音帶的純水擬合殘差的統計摘要。

One-way ANOVA的P值為9.65E-15，表示群組的平均值有顯著差異。內頁表格顯示了任意兩組之間的Scheffѐ檢驗P值，Sig等於1表示均值的差異是顯著的。

        總結而言，在這項研究中，我們使用了一個簡單的漫反射光譜系統測量在第一個水吸收泛音波段附近的皮膚吸收光譜，探討皮膚結合水和細胞組織的變化。在這項試驗研究中，可以看出皮膚吸收光譜擬合殘差，可以作為區分乾癬病變與未受影響和正常部位皮膚的有效參數。未來我們將開展進一步的研究，瞭解這些參數與皮膚水合狀態之間的聯繫，以及是否可以利用它們來反映乾癬的治療效果或監測正常皮膚的失水情況，甚至是用於評估一般皮膚表皮屏障功能的可行性。

參考文獻

1. Yeung, H., et al., Psoriasis severity and the prevalence of major medical comorbidity: a population-based study. JAMA Dermatol., 2013. 149(10): p. 1173–9.

2. Burström, G., et al., Diffuse reflectance spectroscopy accurately identifies the pre-cortical zone to avoid impending pedicle screw breach in spinal fixation surgery. Biomedical Optics Express, 2019. 10(11): p. 5905–5920.

3. Diaz, P.M., et al., Quantitative diffuse reflectance spectroscopy of short-term changes in tumor oxygenation after radiation in a matched model of radiation resistance. Biomedical Optics Express, 2018. 9(8): p. 3794–3804.

4. Keller, A., et al., Diffuse reflectance spectroscopy of human liver tumor specimens - towards a tissue differentiating optical biopsy needle using light emitting diodes. Biomedical Optics Express, 2018. 9(3): p. 1069–1081.

5. Tzeng, S.Y., et al., Portable handheld diffuse reflectance spectroscopy system for clinical evaluation of skin: a pilot study in psoriasis patients. Biomedical Optics Express, 2016. 7(2): p. 616–28.

6. Primavera, G. and E. Berardesca, Dynamic measurements: The plastic occlusion stress test, moisture accumulation test, and sorption-desorption test, in Bioengineering of the Skin: Water and the Stratum Corneum, J. Fluhr, Editor. 2004, CRC Press: FL, USA. p. 237–245.

7. Takenouchi, M., H. Suzuki, and H. Tagami, Hydration characteristics of pathologic stratum corneum–evaluation of bound water. The Journal of investigative dermatology, 1986. 87(5): p. 574–6.

8. Egawa, M., et al., In vivo characterization of the structure and components of lesional psoriatic skin from the observation with Raman spectroscopy and optical coherence tomography: a pilot study. J. Dermatol. Sci., 2010. 57(1): p. 66–9.

9. Osada, M., M. Gniadecka, and H.C. Wulf, Near-infrared Fourier transform Raman spectroscopic analysis of proteins, water and lipids in intact normal stratum corneum and psoriasis scales. Experimental dermatology, 2004. 13(6): p. 391–5.

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