缪勒矩阵偏振法用于胶原蛋白结构破坏的定量评估

《Measurement》：Mueller matrix polarimetry for quantitative assessment of collagen structural disruption

　　

•偏振光成像在不损伤样本的情况下追踪胶原蛋白的分解。
•六项光学测量捕捉了从原纤维到纤维尺度的结构变化。
•盐酸比醋酸更好地保存胶原蛋白结构。
•与弱酸溶剂不同，三氟乙醇在化学上分解胶原蛋白。
•该方法区分了可逆和永久的胶原蛋白结构损伤。

引言
胶原蛋白是细胞外基质中最丰富的蛋白质，通过其跨越分子（前胶原三螺旋）、原纤维（组装的前胶原分子）和纤维（成束的原纤维）尺度的层次化组织，维持着各种生物组织的结构完整性 [1]。该结构由三条多肽链组成，具有重复的甘氨酸-X-Y 氨基酸序列，其中 X 和 Y 通常是脯氨酸和羟脯氨酸，形成由广泛氢键稳定的紧密缠绕结构 [2,3]。理解胶原蛋白的结构层次对于区分不同尺度的组织至关重要。在生理条件下，分子水平的前胶原三螺旋稳定性通常需要高于 45°C 的温度才能变性，而原纤维和纤维的中观结构变化发生在较低温度下，通过削弱原纤维间相互作用和失去超分子组织 [4]。

结构破坏表现在多个尺度：分子变性涉及三螺旋在约 45°C 以上展开，而原纤维紊乱和纤维解聚发生在较低温度下，通过原纤维间相互作用受损 [1,5]。包括温度和溶剂在内的环境因素可以改变这些相互作用，影响原纤维组织和机械性能 [6]。

目前的表征技术包括圆二色（CD）光谱 [7]、差示扫描量热法（DSC）[8]、傅里叶变换红外（FTIR）光谱 [9]、X 射线衍射 [10] 和核磁共振（NMR）光谱 [11]，提供了关于前胶原稳定性的有价值的分子水平信息。然而，这些方法在实时监测原纤维组织和超分子组装的中观结构变化方面存在局限性。穆勒矩阵偏振法解决了这一空白，通过检测在不同尺度和温度下发生的各向异性排列、原纤维间相互作用和整体结构组织的变化，这些变化不同于分子变性 [12]。该技术测量完整的偏振态变换，表示为 [13]:
Sout=M×Sin=S0S1S2S3out=m11m12m21m31m41m22m32m42m13m23m33m43m14m24m34m44S0S1S2S3in
偏振法在过去二十年中得到了广泛发展，Ossikovski 等人对穆勒矩阵分解方法的贡献奠定了基础 [14]，Meglinski 及其同事建立了在浑浊生物介质中推导深度分辨斯托克斯矢量和穆勒矩阵的算法 [15]，Ushenko 等人展示了生物医学组织表征应用 [16]。Novikova 及其合作者推进了生物系统的偏振测量方法 [17]。

以前的工作展示了将穆勒矩阵偏振法与主成分分析结合以监测热依赖结构转变的潜力 [6]。我们当前的研究通过全面分析所有六项光学参数、严格的溶剂效应分析、浓度依赖研究以及改进的温度控制精度，显著扩展了这些发现。这些进步将穆勒矩阵偏振法转变为一种稳健的、定量的胶原蛋白结构表征工具，具有明确的测量协议。

章节片段
材料
使用了一台线性稳定的红色氦氖激光器（HNL050LB, Thorlabs），中心波长 633 nm，直径 0.7 mm。光学组件包括四分之一波片（QWP, WPA10M-633）、安装在旋转安装架（PRM1/MZ8）上的偏振器（LPVISE100-A）和斯托克斯偏振仪（PAX1000VIS）。中密度滤光片（Grey ND 0.3）购自 Heliopan。定制设计的样品台加热系统和自动 QWP 旋转系统是在内部制造的。（图 1）。
所有化学品均购买自

方法验证：胶原蛋白与葡萄糖对比
在相同条件下（浓度、溶剂、持续时间）制备的胶原蛋白和葡萄糖溶液在所有光学参数（α, β, γ, θ, D, R）上显示出明显可区分的响应，这与穆勒矩阵偏振法特异性检测胶原蛋白结构特性而非一般溶液效应一致（图 2）。

天然与热破坏的胶原蛋白结构对比
温度依赖性分析揭示了天然胶原蛋白和预先在 80°C 处理的胶原蛋白之间明显的结构差异（图 3）。
天然胶原蛋白

光学参数检测的物理机制
六个偏振衍生光学参数通过不同的物理机制提供了对胶原蛋白层次化组织的关键见解：
线双折射（β）和取向角（α）：线双折射源于胶原蛋白三螺旋沿原纤维轴的各向异性堆积，由于周期性轴向结构产生形状双折射 [31]。高β值表明组织良好、平行的原纤维结构具有完整的三螺旋排列，而减少

结论
穆勒矩阵偏振法通过六项互补的光学参数提供了对中观结构转变的全面分析。关键发现表明：
1. 六项光学参数（α, β, γ, θ, D, R）提供了关于胶原蛋白在热和化学处理过程中层次化组织的互补信息。
2. 与醋酸相比，HCl 表现出更优越的原纤维组织保存能力，线双折射显示结构转变起始延迟了 8°C（38°C vs.

CRediT 作者贡献声明
Selcuk Kaan Haciosmanoglu：写作 – 初稿，可视化，验证，数据整理。
Abdulbaki Belet：写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法学，数据整理。
Enes Atas：验证，软件，方法学。
Nurullah Calik：写作 – 审查与编辑，验证，监督，软件，方法学。
Murat Kazanci：写作 – 审查与编辑，监督，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，概念化。

关于写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明
在准备本工作期间，作者使用了 claude.ai 以谨慎地改善语言和可读性。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本论文报告的工作。

致谢
我们感谢 IMU B?LTAM 研究中心提供实验室空间。这项工作得到了 TüB?TAK 1001 [项目编号：122M820] 和 TüSEB 2022-B-02 [项目编号：22501] 的支持。

资金
这项工作得到了 TüB?TAK 1001 [项目编号：122M820] 和 TüSEB 2022-B-02 [项目编号：22501] 的支持。

伦理批准
本研究未专门牺牲动物。胶原蛋白是从为其他批准的研究目的而牺牲的动物获得的鼠尾残骸中提取的。源组织收集方案是在

Selcuk Kaan Haciosmanoglu|Abdulbaki Belet|Enes Atas|Nurullah Calik|Murat Kazanci