综述：血液生物标志物与表面增强拉曼光谱（SERS）在痛风诊断中的综合综述

《Advanced Functional Materials》：Blood Biomarkers and Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for Gout: A Comprehensive Review

　　

痛风是一种全球负担日益增加的代谢性疾病，由高尿酸血症（hyperuricemia）和随后的单钠尿酸盐（monosodium urate，MSU）晶体沉积驱动。虽然早期检测对于预防不可逆的关节损伤至关重要，但传统的诊断方法，包括滑液显微镜检查和生化检测，仍然具有侵入性、劳动密集性，并且通常缺乏早期或无症状疾病所需的灵敏度。表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）通过能够从微升级生物流体中对尿酸盐、嘌呤中间体和炎症介质进行超灵敏分子指纹分析，提供了一种变革性的解决方案。本综述重点介绍了纳米结构基底和机器学习集成的SERS系统的最新进展的诊断潜力，这些进展能够实现快速、微创的即时（point-of-care，POC）分析。将基于SERS的生物标志物整合到常规临床工作流程中，可以用于痛风管理中的风险分层、纵向疾病监测和个性化治疗干预。研究人员对当前基于血液的SERS诊断的现状进行了批判性评估，重点强调了与基质干扰和信号重现性相关的持续挑战，并概述了开发标准化、可扩展平台以减少全球痛风负担的战略方向。

1 引言：痛风是最常见的炎症性关节炎，全球患病率持续上升，由慢性高尿酸血症（hyperuricemia）导致单钠尿酸盐（MSU）晶体沉积，激活NLRP3炎症小体引发炎症。现有诊断方法（血清尿酸定量、滑液显微镜、影像学）存在局限，表面增强拉曼光谱（SERS）因高灵敏度、分子特异性和小型化潜力成为新兴诊断技术，通过功能化等离子体纳米结构和便携仪器实现快速床旁检测。

2 痛风中的生物标志物：
2.1 生物标志物和代谢物：代谢物反映细胞代谢状态，而严格验证的生物标志物用于诊断、预后或治疗反应。痛风相关通路涉及膳食嘌呤经肝脏代谢为尿酸（UA），MSU晶体激活免疫反应释放IL-1β、TNF-α等细胞因子，同时产生ROS。本文聚焦四种可靠血液生物标志物：UA、黄嘌呤（xanthine）、次黄嘌呤（hypoxanthine）和肌酐（creatinine）。
2.2 主要生物标志物：尿酸（UA）：一种杂环嘌呤衍生物，pK_a1≈5.3–5.4，pK_a2≈9.8–10.3，在细胞外液中主要呈单阴离子尿酸盐形式。血清饱和度阈值约6.8 mg/dL，超过则形成MSU晶体。UA源于膳食和内源性嘌呤代谢，经肾脏处理。
2.3 嘌呤代谢物：黄嘌呤（xanthine）和次黄嘌呤（hypoxanthine）：嘌呤分解中间产物，经黄嘌呤氧化还原酶（XOR）催化生成UA。黄嘌呤水平升高可能反映XOR抑制或肾功能受损；次黄嘌呤浓度升高提示嘌呤代谢紊乱，正常范围14–38 μM。
2.4 肾功能标志物：肌酐（creatinine）：肌酸和磷酸肌酸的非酶降解产物，由肝脏合成，经肾脏滤过。血清肌酐广泛用于估算肾小球滤过率（GFR），健康者通常低于1.5 mg/dL，升高提示肾功能受损和痛风风险增加。

3 SERS用于痛风：
3.1 SERS基本原理：拉曼散射基于非弹性散射，SERS利用纳米结构金属表面的局域表面等离子体共振（LSPR）产生电磁增强（增强因子可达10⁶–10¹⁰），以及电荷转移化学增强。热点（hotspots）形成于纳米间隙、尖端等，对灵敏度至关重要。
3.2 痛风生物标志物的SERS基底：
3.2.1 分子对接和界面SERS增强的机理建模：基质中高丰度蛋白质阻碍靶标分子接近热点（<5 nm）。通过甲醇诱导沉淀去除蛋白，设计Au@Ag@IP₆纳米结构，利用肌醇六磷酸（IP₆）壳层选择性富集UA和肌酐，并调控pH实现阳离子桥连作用。密度泛函理论（DFT）模拟揭示不同pH下分子解离状态和吸附构型，提出频率-位移传感框架。
3.2.2 SERS基底的制备策略：采用自下而上（湿化学还原、种子介导生长）和自上而下（电子束光刻、原子层沉积、激光干涉光刻、聚焦离子束铣削）方法。柔性基底（PDMS、纸）适用于可穿戴POC设备，刚性基底（玻璃、硅）提供稳定性。微流控集成实现片上实验室。
3.2.3 痛风传感SERS基底的评估：
3.2.3.1 尿酸（UA）检测：三维Ag纳米树结构结合Au纳米粒子实现UA无标记检测，LOD达2.8×10^-8 M。VO-MnCo₂O₄/Ag纳米酶平台实现LOD 7.8×10^-9 M。普鲁士蓝修饰Au纳米颗粒便携系统同时检测UA、胆固醇和ALT，LOD 1.8 μM。
3.2.3.2 黄嘌呤（xanthine）检测：基于金纳米花（GNFs@Si）的比率型SERS传感器，通过黄嘌呤氧化酶（XOD）生成H₂O₂氧化3-MPBA，LOD 5.7 nM。电化学粗糙银线探针和SLIPSERS平台实现多嘌呤检测。
3.2.3.3 次黄嘌呤（hypoxanthine）检测：实时SERS行为显示等离子诱导的烯醇-酮互变异构，特征峰724 cm^-1（酮）和744 cm^-1（烯醇）。MoS₂/AgNP纳米口袋基底实现动态监测，嘌呤内标法将RSD降至10%。
3.2.3.4 肌酐（creatinine）检测：巯基丙酸（MPA）封端的银包金纳米星（SGNS@MPA）通过氢键富集肌酐，LOD 14.6 pM。液液界面自组装Ag/Au@Au复合膜、聚电解质多层膜、微光系统集成芯片及ZIF-67@Ag柔性基底等实现不同灵敏度和基质的检测。
3.2.3.5 表面功能化用于生物标志物选择性：采用核壳结构（SiO₂、聚合物、MOF）、适配体、抗体、分子印迹聚合物等增强选择性和稳定性，抑制非特异性吸附。
3.3 光谱相互作用和基质干扰机制：PVP辅助合成的Ag纳米结构平台实现汗液中UA、黄嘌呤、次黄嘌呤和肌酐的同时定量，线性R²>0.99。系统干扰研究表明高丰度乳酸和尿素通过位阻抑制信号，稀释诱导增强效应表明适度稀释（0.5×）可最大化信号。平面嘌呤分子优先占据热点，非平面肌酐在高矩阵中显著位移。
3.4 商业SERS平台的进展：
3.4.1 SERS试纸条和芯片：侧向层析（LFA）集成SERS标签，印刷SERS基底（P-SERS）通过金属纳米颗粒墨水制备。表面润湿性（亲水/疏水）调控分析物传输和信号增强。商业芯片采用电沉积、真空蒸发、斜角沉积等技术，部分产品敏感度达ppb-ppm级，成本约10–570美元。
3.4.2 SERS驱动的微流控：微流控芯片实现血浆分离，通过被动（沉降、过滤、毛细力）或主动（声、电、磁、离心）方法。螺旋惯性微流控、自驱动毛细力装置等实现高效血浆提取，与SERS检测集成。

4 生物流体中的分析挑战：
4.1 生物流体的基质效应：咖啡环效应导致生物分子在液滴边缘富集，SERS信号空间异质性。光谱集合方法（Wasserstein距离）改善重现性。血样储存时间影响信号，次黄嘌呤随时间累积。Vroman效应中蛋白质动态竞争吸附引起时变光谱。50 kDa超滤可富集低分子量生物标志物。
4.2 SERS信号的分子和仪器决定因素：分子取向影响振动模式强度和位移。激发波长（785 nm优于633 nm减少光降解）、激光功率、偏振方向（与各向异性纳米线夹角）显著影响信号强度和质量。
4.3 血液处理和微流控血浆分离：螺旋微流控、自驱动微通道利用F?hr?us-Lindqvist效应和Zweifach-Fung效应实现无鞘等离子体分离，纯度达99.9%，体积2 μL。
4.4 分析前方面：标准化收集（抗凝剂选择、血清/血浆、处理时间、离心条件）、储存（-80°C，避免冻融）、临床记录（疾病状态、用药、BMI、饮食）对结果可靠性至关重要。

5 结论与展望：高灵敏度SERS实现微升级样品中多重生物标志物检测，但面临重现性和基质干扰挑战。标准化前处理流程、可量产基底、微流控模块和机器学习数据分析是未来方向。开发低成本、便携POC设备有望替代昂贵影像技术，结合数字健康实现居家监测和个性化治疗。需临床、化学、工程与数据科学多学科协作推动。