RESEARCH ARTICLE

Impact of glycerol solution on myocardium tissue – Ex vivo deep-UV Raman spectroscopy study    

Ali Jaafar, Tamas Vaczi, Nicolae Tarcea, Denis Akimov, Tobias Meyer-Zedler, Michael Schmitt, Jürgen Popp, Valery V. Tuchin, Miklós Veres

2026, 19(1): 1.https://doi.org/10.2738/foe.2026.0001

Abstract

Cardiomyopathies are often characterized by significant fibrotic remodelling of the heart, marked by an abnormal accumulation of collagen type I. Label free Raman spectroscopy, a non-invasive diagnostic technique, holds promise for monitoring biochemical changes throughout the initiation and progression of different diseases, including cardiomyopathies. This study demonstrates the effectiveness of 70% glycerol as a hyperosmotic immersion liquid for in-depth controlling the optical properties of ex vivo myocardium tissue during deep-UV Raman spectroscopy with 244 nm excitation. The results revealed a considerable enhancement in the intensities of Raman peak, particularly the amide I region after glycerol treatment. This occurred across all depths (0−120 µm) and glycerol treatment durations (30 and 60 min). A noticeable enhancement of the Raman peak at 1647 cm−1 was also observed that is attributable to structural transformations of the collagen due to the dehydration induced by glycerol. This finding suggest that deep-UV Raman can be employed as a specific probe of the collagen environment. As the amide I region reflects structural changes in collagen type I, these findings propose the potential of deep-UV Raman spectroscopy in combination with glycerol as optical clearing agent for monitoring collagen modifications.

研究背景

心肌病常伴随心脏纤维化重构，表现为I型胶原蛋白异常积累。早期检测纤维化对于阻止或逆转器官损伤至关重要。拉曼光谱作为一种无标记、非侵入性诊断技术，有望监测生物化学变化。然而，传统拉曼光谱在心脏组织检测中面临信号弱、穿透深度有限的问题。深紫外（deep-UV）共振拉曼（244 nm激发）可增强特定蛋白振动信号并消除荧光背景。此外，光学透明技术（如使用高折射率匹配剂甘油）可减少组织光散射，提高穿透深度。本研究旨在探索70%甘油作为光学透明剂对离体心肌组织深紫外拉曼光谱的影响，并评估其用于监测胶原结构变化的潜力。

主要内容

本研究采用244 nm深紫外拉曼光谱，系统评估了70%甘油溶液对离体鸡心肌组织光学透明效果及胶原结构的影响。通过对比未处理（对照）与经甘油处理30分钟和60分钟的样本，在0–120 μm深度范围内采集拉曼光谱。重点分析了酰胺I区域（1500–1750 cm⁻¹）的五个子峰（分别归属于色氨酸、酰胺II、酪氨酸、酰胺I α-螺旋、酰胺I β-折叠）。结果表明，对于所有深度的采集数据，甘油处理显著增强了拉曼信号强度，特别是1647 cm⁻¹（α-螺旋）峰。信号增强归因于折射率匹配和组织脱水引起的散射减少。此外，胶原二级结构发生转变：对照样本中α-螺旋相对含量随深度增加而增加，而经甘油处理后，α-螺旋在表层最高、随深度降低，β-折叠则相反。这提示甘油诱导的脱水可引起胶原从α-螺旋向β-折叠的转化。

创新点

l 将深紫外拉曼光谱与甘油光学透明剂结合用于心肌组织研究，实现了在0–120 μm深度范围内对胶原结构变化的无标记监测。

l 揭示了甘油处理对心肌胶原二级结构的定量影响：通过拟合酰胺I区域五个高斯峰，计算α-螺旋（1647 cm⁻¹）与β-折叠（1678 cm⁻¹）相对于酪氨酸（1608 cm⁻¹）的峰面积比，证明了脱水导致α-螺旋向β-折叠转变，且该变化具有深度依赖性。

l 发现了最佳光学透明处理时间窗口：30分钟处理使信号增强最显著，60分钟后信号有所下降，提示存在最优处理时间以避免过度透明导致背向散射信号减弱。

l 利用甘油在深紫外波段的高折射率和低吸收特性，验证了其在紫外光透明中的有效性，为深紫外光学透明技术开辟了新方向。

结论

本研究首次证明，70%甘油作为光学透明剂能够显著增强离体心肌组织在深紫外（244 nm）激发下的拉曼信号，并允许在0–120 μm深度范围内监测胶原二级结构变化。甘油处理通过折射率匹配和组织脱水减少了光散射，同时诱导胶原从α-螺旋向β-折叠的构象转变。酰胺I区域中1647 cm⁻¹峰的相对增强可作为胶原结构改变的光学标志。该技术为无标记、深度分辨的心肌纤维化检测提供了新途径，并可能扩展至其他富含胶原的组织。未来研究需进一步验证该方法的在体可行性，并探索与强吸收分子（如酒石黄）联用以实现更深的紫外透明效果。这项工作为利用深紫外拉曼光谱结合光学透明剂进行心血管疾病早期诊断和冷冻保存组织评估奠定了实验基础。

（以上文字包含AI生成内容，仅供参考；请以原文为准。）