Einführung: Eine hohe Bildauflösung zur Darstellung der Epidermis und Dermis ist essentiell, um deren Funktionen und die Auswirkungen diverser Einflüsse zu verstehen. Verschiedene Ex- und In-vivo-Methoden können die Epidermisdicke (ED) sowie die strukturelle Zusammensetzung der Dermis abbilden. Eine optische Biopsie vermeidet im Gegensatz zur invasiven Probenentnahme die präparative Veränderung der Gewebestruktur, ist schneller und schmerzfrei. In der vorliegenden Pilotstudie wird die optische Biopsie durch Aufnahmen mittels eines Weitfeld-Zwei-Photonen-Mikroskops (2PM) realisiert. Diese Scans basieren auf einer Zwei-Photonen angeregten Fluoreszenz (TPEF) im Nahinfrarotbereich, welche ein Autofluoreszenz- (AF-) Signal im sichtbaren Spektralbereich emittiert. Dieselbe Primärstrahlung erzeugt gleichzeitig eine Frequenz-verdoppelte Sekundärstrahlung (SHG) bei vorliegenden geordneten Molekülstrukturen. Die Dicke und Struktur der Epidermis und Dermis verändern sich bekanntermaßen im Alter. Das Stratum corneum (SC) dagegen konnte bisher nur artifiziell dargestellt werden. Es existieren nur wenige Studien über die Variation der Hautschichtung in verschiedenen Körperregionen und unter differenter Umweltbelastung.
Methodik: Dreißig hautgesunde Probanden von 18 bis 66 Jahre wurden mittels eines modifizierten 2PM untersucht. Von fünf verschiedenen Körperregionen wurde je ein Falschfarbenbild (200 µm x 7 mm) erzeugt. Die ED wurde in den 2PM-Aufnahmen gemessen und die Werte mit Ergebnissen der optischen Kohärenztomografie verglichen. Anhand der 2PM-Bilder wurde das Kollagen-Elastin-Verhältnis über den SHG-zu-AF-Altersindex der Dermis (SAAID) berechnet und in Abhängigkeit des Alters, des Geschlechts und der Körperregion analysiert.
Ergebnisse: AF- und SHG-Signale erlauben nach Spektraltrennung synchron und deckungsgleich je ein Zellular- und Kollagenbild aufzuzeichnen. Zudem wird Elastin durch das AF-Signal sichtbar. Das durch Tape Stripping reduzierte SC verbessert die Signalintensität. Um das AF-Signal zu verstärken ist die Haarentfernung und Verwendung von destilliertem Wasser als Kontaktmedium essentiell. An sonnenexponierter Haut ist die gesamte Epidermis sowie das SC signifikant dicker im Vergleich zu sonnengeschützten Hautarealen (p < 0,05). Die ED nimmt mit steigendem Alter signifikant ab (p < 0,05), ebenso der SAAID (p < 0,05). Männer zeigen im Vergleich zu Frauen eine dickere Epidermis, jedoch einen signifikant kleineren SAAID (p < 0,05). Der SAAID am volaren Unterarm ist signifikant höher als am Abdomen (p < 0,05). Am niedrigsten ist der SAAID an der Glutealregion (p < 0,05).
Fazit: Die Weitfeld-2PM stellt eine neue Methode zur nicht-invasiven vertikalen Darstellung der Epidermis und Dermis dar. Insbesondere sind die SC-Abbildung sowie eine Unterscheidung von Kollagen und Elastin möglich. Neben genderspezifischen Unterschieden weisen die Messergebnisse der ED und des SAAID auf einen stärkeren Einfluss unterschiedlicher Körperregionen im Vergleich zum Alter hin.
Introduction: High-resolution images of the epidermis and dermis are essential to understand their function and changes caused by influences. Several ex-vivo and in-vivo methods are available to determine the epidermis thickness (ET) and dermis. Optical biopsies avoid preparative influence of tissue structures, are quick and painless in contrast to punch biopsies. In the present study, these optical biopsies could be realized in scans using wide-field two-photon microscopy (2PM). These scans are based on two-photon exited fluorescence (TPEF) with excitation in the near-infrared range, which generates an autofluorescence (AF) signal in the visible spectral range. The same primary radiation simultaneously generates a frequency-doubled secondary generation (SHG) in the presence of ordered molecular structures. The thickness and structure of the epidermis and dermis are known to change with age. The stratum corneum (SC), on the other hand, could only be represented artificially. There are only few studies on the variation of the skin layers in different body regions and under different conditions.
Methods: Thirty skin-healthy volunteers aged 18 to 66 were scanned by using the modified 2PM. A false-colour image (200 µm x 7 mm) of five different body sides was generated. The ET was measured by 2PM and compared to images of optical coherence tomography (OCT). From the 2PM images, the collagen-elastin-ratio was calculated using the SHG-to-AF-aging-index of dermis (SAAID) and analysed as a function of age, gender and body region.
Results: AF and SHG signals allow synchronous and congruent recording of cellular and collagen images after spectral separation. Elastin is made visible by the AF signal. The signal intensity is enhanced by reduction of the SC using tape stripping. To enhance the AF signal, hair removal and use of distilled water as a contact medium is essential. ET decreases significantly with increasing age (p < 0.05), as does SAAID (p < 0.05). Men show a thicker epidermis compared to women, but a smaller SAAID (p < 0.05). The SAAID on the volar forearm is significantly higher than on the abdomen (p < 0.05). SAAID is lowest in the gluteal region (p < 0.05).
Conclusion: The wide-field 2PM is a new method for non-invasive imaging of the epidermis and dermis, in particular the SC and elastin. In addition to gender-specific differences, the measurement results of ET and SAAID indicate a stronger influence of different body regions compared to age.
