《Optics & Laser Technology》：Noninvasive label-free monitoring of skin AGE autofluorescence using highly robust biomedical spectroscopy
编辑推荐：
非侵入式压力校正自荧光光谱系统实现皮肤AGEs快速动态监测，相关系数提升至0.8979。通过优化光学路径和自适应光谱校正算法，同步获取接触压力与自荧光光谱，解决传统设备检测时间长、运动伪影及荧光交叉干扰问题，为糖尿病长期监测提供新工具。
李云飞|王一真|沈福州|周嘉兴|林星森|郎子月|陈宗村|蔡福宏
中国海南省三亚市海南大学三亚研究院生物医学工程学院，海南省生物医学工程国家重点实验室，572022
摘要
具有分子特异性的无创光谱传感是临床应用中的一个活跃领域，然而，由于监测稳定性的不足，这些光谱传感方法难以成为医学上的黄金标准。在这里，我们介绍了一种高度稳健的生物医学光谱监测系统，称为双模式压力和自荧光传感器（DuPAFs），它能够同时实时监测接触压力和自荧光光谱。通过提高检测效率，DuPAFs能够在每个光谱上仅用0.1秒的时间内快速获取自荧光光谱。我们开发了一种自适应光谱校正算法（ASCA），可以减少体内组织参数和自荧光串扰的影响。通过对人类尿液中高级糖基化终产物（AGEs）浓度的验证，DuPAFs和ASCA在手掌皮肤测量中的应用将皮肤自荧光与尿液AGEs浓度之间的相关系数从0.64提高到了0.8979。值得注意的是，该校正算法基于各种荧光团（如胶原蛋白、NADH、黄素和AGEs）的不同量子效率的物理原理，因此具有普遍的应用潜力。我们的工作描述了AGEs的十天变化轨迹及其昼夜节律，并进一步记录了在高糖高脂饮食干预下皮肤AGEs自荧光的变化。
引言
无创无标记光谱传感技术对于临床应用非常有吸引力，不仅因为外源性标记物可能有毒性，还因为它们具有长期无创监测疾病的潜力，有助于早期诊断。最近利用体内散射、荧光和拉曼光谱的研究提供了大量的分子信息[1]、[2]、[3]。然而，到目前为止，除了使用吸收光谱对比来监测血红蛋白的氧饱和度计外，其他光谱仪器尚未被广泛用于其他重要生物分子的临床监测。
例如，世界卫生组织认为早期筛查是预防和治疗糖尿病的关键措施。由于糖化血红蛋白的相对稳定性和对饮食和运动等急性因素的不敏感性，它被广泛推荐用于早期糖尿病筛查。然而，其侵入性要求采集血液样本，这限制了其广泛和频繁筛查的可行性。与糖化血红蛋白类似，高级糖基化终产物（AGEs）的浓度也反映了长期的血糖管理[4]。AGEs在紫外光或蓝光激发下会发出自荧光，被认为是糖尿病及其并发症的敏感生物标志物。在皮肤中，AGEs结构存在于表皮和真皮中。例如，CML是一种代表性的AGEs结构，已在人类表皮/角质层中被证实存在，而且AGEs还已知会在胶原蛋白和弹性蛋白等长寿命的真皮细胞外基质蛋白上积累。表皮中的黑色素也会影响皮肤中的光传输。因此，在皮肤光学测量中应同时考虑表皮和真皮。[5]理论上，AGEs为无创糖尿病风险筛查提供了有希望的途径。
目前的临床AGEs荧光检测仪器是AGE Reader。该设备主要从表皮和真皮收集荧光信号，并使用皮肤活检作为校准基础来计算皮肤中AGEs的自发荧光值。先前的研究报告称，使用AGE Reader从自荧光信号预测AGEs浓度时，相关系数（R值通常在0.5到0.7之间）[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。由于AGEs在皮肤中的相对稳定性，其代谢需要很长时间才能改变其在皮肤中的沉积，因此通常建议每隔几个月测试一次AGE Reader。另一方面，皮肤中的胶原蛋白也会产生自发荧光，这可能会干扰AGEs的自发荧光并影响AGE Reader的检测准确性。因此，目前的AGE Reader不适合短期监测AGEs的变化，例如饮食引起的AGEs变化。然而，一些文献表明，饮食中的AGEs与血浆和尿液中的AGEs相关。如果能够监测血液或尿液中AGEs的变化，就可以监测饮食健康状况。然而，这种相关性目前无法通过无创自荧光检测方法来验证。
此外，像AGE Reader这样的现有系统采用传统的光谱仪设计，需要长达12到30秒的检测时间来获取AGEs的自荧光[12]、[13]、[14]。这种长时间的采集过程本质上阻碍了自荧光的动态监测，并使这些系统容易受到运动伪影的影响。在此期间，受试者的移动会导致组织光学参数的突然变化，从而导致检测率不一致，最终降低测量准确性。此外，皮肤中其他内源性荧光团（如胶原蛋白和NADH）的自荧光串扰进一步复杂化了AGEs的准确量化[15]、[16]、[17]、[18]。最近，为了获取更全面的样本信息，光学传感技术正在向多维和便携式系统发展，从而开发出了新型传感器[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。
因此，无法进行动态测量、易受运动伪影的影响、针对皮肤的光学设计不佳以及自荧光串扰是阻碍自荧光监测在临床中更广泛应用的关键未解决的问题。此外，设备与受试者之间的物理接口引入了另一个关键变量：即使在同一受试者不同测量中，探针与皮肤之间的接触压力不一致，也会改变局部组织的光学性质，从而显著影响相关系数。虽然实现高检测率以捕捉微弱的荧光信号是进行稳健测量的前提，特别是对于像皮肤组织这样高度散射的介质[24]、[25]、[26]、[27]。
为了克服这些挑战，本研究介绍了一种新型的高效率皮肤荧光仪，我们将其称为双模式压力和自荧光传感器（DuPAFs）。这种高度稳健的生物医学光谱学设备和数据处理方法能够减少其他内源性荧光团和接触压力变化对皮肤AGE自荧光测量的影响。首先，DuPAFs系统支持实时压力监测，并利用压力值和校正算法同时克服不同接触压力引起的自荧光差异。DuPAFs采用了一种独特的探针接口，其中光谱仪的入口狭缝直接接触皮肤。这种直接耦合确保了从组织发出的漫射荧光进入光谱仪时不会受到典型的收集光学元件（如透镜、光纤）的显著损失，从而提高了光收集效率和检测率。这种显著提高的检测率，结合优化的光学路径，促进了快速信号采集。这一能力对于实现自荧光的动态监测至关重要，显著减少了运动伪影的影响，为更准确和可靠的临床评估铺平了道路。
部分摘录
DuPAFs：一种具有压力校正功能的新型狭缝接触皮肤自荧光探针
图1（a）展示了DuPAFs的示意图，以及组装在光谱仪内的微型LED模块和荧光滤光片。DuPAFs可以同时收集压力信号和自荧光光谱。在光谱仪底部安装了一个压力传感器（HZT-C，中国成都），其检测范围为0–10 N，用于获取施加的压力，该压力被用于自适应光谱校正算法（在C部分描述）中以校正影响
针对尿液AGEs的验证以及ASCA的逐步效益
此外，DuPAFs系统在检测效率方面表现出显著改进。为了验证这一能力，我们将DuPAFs系统配置为高频采集（100 ms的曝光时间）。我们持续监测了365 nm激发下的自荧光强度，采样率为10 Hz。具体来说，一名志愿者保持与探针接触一分钟，同时在一根手指上佩戴了一个商用光电容积描记传感器作为参考金标准。
讨论
无创AGEs检测技术的发展取得了显著进展，但临床转化受到了两个持续存在的挑战的阻碍：测量过程中的信号不稳定性和组织生物复杂性的强烈干扰。如表2所总结的，早期的商业系统如AGE Reader（DiagnOptics Technologies B.V.，荷兰格罗宁根）和SCOUT DS（VeraLight Inc.，美国新墨西哥州阿尔伯克基）已经证明了皮肤检测的可行性
结论
皮肤自荧光在评估AGEs方面的临床应用长期以来一直受到测量不稳定性和与系统AGEs水平相关性差的阻碍。为了解决这些限制，我们开发并验证了一种用于无创皮肤AGEs监测的集成系统，包括一个高效的光学探针和一个先进的校正算法。设计了一种狭缝接触光学探针（DuPAFs），以显著提高光收集效率，减少光谱
CRediT作者贡献声明
李云飞：撰写——原始草稿，软件，数据管理，概念化。王一真：方法学，数据管理。沈福州：方法学，正式分析，数据管理。周嘉兴：数据管理。林星森：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理，概念化。郎子月：正式分析，数据管理。陈宗村：监督，数据管理。蔡福宏：撰写——原始草稿，可视化，验证，监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC-62465009）、海南省三亚亚洲湾科技创新联合项目（ZDYF2025GXJS136）、海南省科技创新人才创新基金（KJRC2023B06）和海南省重点研发计划（ZDYF2024SHFZ084）以及海南省生物医学工程重点实验室（BME20250002）的支持。
作为一项临床前试验，本研究获得了
