《Critical Reviews in Biotechnology》：Revolutionizing dermatological diagnostics: emerging surface enhanced Raman spectroscopy for early-stage detection and disease management
表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）正迅速成为皮肤疾病诊断领域的变革性技术，可对与皮肤病相关的分子标志物实现超灵敏、无创检测。全球受皮肤疾病影响人群接近50亿，而传统诊断方法常受限于侵入性或主观判读，因此亟需快速、可及且实时的诊断解决方案。本综述系统梳理了SERS在皮肤科临床实践中的整合进展，重点关注生物传感平台、纳米结构工程及即时检测设备的最新突破。文中讨论了微针型SERS生物传感器、微流控集成检测系统等创新方法，阐述其在提升皮肤癌早期、微生物感染及炎症性皮肤病诊断准确性方面的能力。此外，综述强调了人工智能驱动的光谱分析在提升数据可解释性与临床决策支持中的作用。同时，对基底重现性、临床标准化及设备可扩展性等挑战进行了批判性评估，并梳理了旨在衔接实验室创新与临床应用的新兴策略。展望未来，便携式、低成本SERS平台的开发将支持持续的皮肤健康监测，结合个性化诊断路径，有望重新定义皮肤科诊疗模式并拓展精准医学的应用边界。
引言
皮肤疾病是全球重大健康负担，2019年影响约48亿人，其中5.3%的病例导致死亡。湿疹、银屑病和寻常痤疮等疾病在非致死性疾病负担中占比极高，凸显了加强皮肤疾病预防与管理策略的迫切性。最新流行病学数据显示，不同皮肤疾病的发病率与负担存在显著地域差异：银屑病全球患病率约2%–3%，西欧与北美更高；特应性皮炎在工业化国家更常见，北欧和北美儿童患病率可达20%；皮肤癌尤其是黑色素瘤在澳大利亚和新西兰发病率最高，归因于肤色较浅与高强度紫外线暴露；足癣等真菌感染在热带亚热带地区更普遍，与潮湿环境及卫生设施有限相关。老年人群更易患脂溢性角化病与光化性角化病，青少年与年轻成人则高发寻常痤疮，免疫功能受损者面临更高的皮肤感染与肿瘤性病变风险。这些人口学特征提示需制定针对性的诊断策略与资源配置方案。
皮肤科的核心任务是解析皮肤及其微生物群落的关系。皮肤微生物组栖息于皮肤表面及毛囊结构中，显著影响全身健康。微生物组研究揭示了健康皮肤微生物群的多样性与个体差异，而菌群失调与多种皮肤病密切相关，调控皮肤微生物组已成为潜在的诊断与治疗方向。皮肤老化伴随愈合机制受损、生物力学特性改变及免疫功能下降，需要先进的诊断工具监测真皮与表皮变化以支持临床干预。脂肪因子作为传统上与系统性炎症相关的生物活性分子，在皮肤病中的作用日益受到关注，其参与黑色素生成、毛发生长、伤口愈合及银屑病、特应性皮炎、痤疮、酒渣鼻和黑色素瘤的发病进程，为识别诊断标志物与治疗靶点提供了新视角。随着医疗体系向社区模式转型，基层医疗机构在皮肤病诊疗中的作用愈发关键，皮肤和软组织感染在基层就诊中的占比从2007–2008年的16.4%升至2022–2023年的37.1%，蜂窝织炎、疖与脓肿等疾病均依赖准确的诊断评估以实现及时精准的治疗。
拉曼光谱由C. V. 拉曼于1928年发现，是一种基于单色光与物质相互作用的分析技术，通过斯托克斯散射与反斯托克斯散射产生拉曼位移，形成独特的化学结构“指纹”。相比质谱与核磁共振，拉曼光谱具有无损、快速、无需标记、样品制备简单等优势，适用于即时检测场景，可实现实时、自动化组织状态生化信息获取。但其灵敏度有限，难以检测生物样本中痕量化学物质，制约了对疾病标志物的定量能力。为克服这一局限，研究人员开发了表面增强拉曼光谱（SERS），利用金、银、铜等金属纳米结构的局域表面等离子体共振效应形成“热点”，结合电荷转移介导的化学增强机制，可将拉曼信号放大数个数量级，实现皮摩尔甚至更低浓度的分子检测，为痕量生物标志物如细胞因子检测提供了关键技术支撑。
皮肤疾病类型
皮肤疾病涵盖广泛的临床表型。良性表皮肿瘤中以脂溢性角化病最常见，多见于老年人，亚型依据临床与组织学特征区分，好发于头面部与上躯干，发病与年龄、遗传及紫外线暴露相关，主要依靠临床诊断，治疗包括手术与外用药物。大细胞棘皮瘤同样好发于老年群体，表现为光损伤皮肤上的淡褐色鳞屑性斑片，需通过组织学与其他疾病鉴别。樱桃状血管瘤（坎贝尔德摩根斑）在老龄化人群中患病率上升，既往认为与癌症相关，近期研究提示其与毒物暴露及系统性疾病存在关联。
先天性色素痣通常出生或出生后不久出现，需警惕恶变风险，依靠标准临床与组织学标准进行鉴别诊断。特殊部位色素痣因组织病理学表现不典型，虽多为良性，但诊断难度较高，兼具美容与肿瘤学双重考量。足癣由皮肤癣菌感染引起，致病菌如红色毛癣菌的流行模式随城市化与生活方式改变而变化，确诊依赖微生物学分析。酒渣鼻为面部慢性炎症性皮肤病，严重影响生活质量，固有免疫与适应性免疫在其发病机制中的作用已被证实，推动了新型疗法的开发。乏脂性湿疹多见于冬季与老年人群，在感觉减退皮肤上易被漏诊，需及时识别与治疗。
白癜风全球患病率为2%，因黑素细胞破坏导致色素脱失斑，自身免疫机制涉及CD8+T细胞与IFN-γ信号通路，靶向治疗已取得进展，但驻留记忆T细胞导致的复发仍是挑战。利什曼病由利什曼原虫经白蛉传播，全球范围内仍具公共卫生意义，针对寄生虫独特生物学特性的非细胞毒性疗法正在探索中。特应性皮炎由基因与环境共同作用引发，丝聚蛋白基因突变是其重要基础，临床分期明确，易合并皮肤感染，管理手段涵盖外用治疗、系统免疫抑制剂、光疗及甲氨蝶呤等。
遗传性皮肤病中，先天性厚甲症以甲营养不良与口腔黏膜角化病为特征，诊断依赖临床表现与角蛋白基因突变检测，管理以症状缓解为主，遗传咨询至关重要。斑秃为自身免疫性脱发，遗传与环境因素共同介导发病，JAK抑制剂与生物制剂提供了新的治疗选择，但疾病进展不可预测，仍需深入研究发病机制。银屑病为免疫介导的遗传性疾病，固有免疫与适应性免疫交互作用驱动发病，靶向细胞因子的生物制剂已彻底改变治疗格局，但疾病复杂性及合并症仍需关注。天疱疮为罕见自身免疫性大疱病，需结合临床与免疫血清学分析确诊，皮质类固醇与利妥昔单抗是中重度病例的有效治疗手段。
现有皮肤疾病诊断方法
现有诊断方法构成皮肤科临床的基础，但各有局限。皮肤镜检查通过凝胶耦合与皮肤接触成像辅助评估皮损，但仍依赖医生经验。组织病理学检查是诊断金标准，通过切片染色观察细胞形态与结构异常，但属于有创操作，耗时较长。共聚焦显微镜与多光子荧光显微镜可提供高分辨率成像，但设备昂贵，普及度有限。这些方法普遍存在有创、耗时、依赖专科设备或主观判读等问题，可能导致诊断延迟或不明确。血液分子诊断凭借微创、实时反映局部与全身病理状态的潜力，正成为重要的补充方向。
重要血液疾病标志物
多种血液生物标志物可为皮肤病的分子状态提供关键线索。银屑病发病涉及复杂的细胞因子网络，包括TNF-α、IL-17、IL-23等，驱动真皮与表皮的炎症循环，角质形成细胞释放的介质进一步放大局部免疫反应。这些标志物可通过血液检测实现微创监测，为早期检测与疾病管理提供新途径，但目前检测仍依赖复杂的实验室技术。表面增强拉曼光谱（SERS）凭借超高灵敏度，为这些标志物的即时检测提供了可行的技术路径。
皮肤疾病诊断中的SERS应用
皮肤癌的早期检测
SERS在黑色素瘤、基底细胞癌与鳞状细胞癌的早期检测中表现出优异效能。研究人员开发了功能化微针生物传感器，通过多巴胺与银纳米颗粒修饰，实现对酪氨酸酶（Tyrosinase, TYR）的高灵敏原位监测，抗生物干扰能力强。另有研究针对癌症进展关键因子活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）设计微针传感器，可实时追踪皮肤癌发展，为早期监测提供经济高效的工具。
SERS皮肤诊断的操作流程、仪器与实验条件
SERS临床部署需标准化的操作流程与设备配置。常用激发光源波长为532 nm、633 nm或785 nm，搭配高数值孔径物镜（50×或100×）与灵敏CCD探测器。即时检测场景中，便携式拉曼光谱仪与SERS活性基底（通常为金或银纳米颗粒阵列）的组合因小型化进展而日益可行。微针辅助SERS生物传感器多采用负载4-巯基苯硼酸（4-MPBA）或多巴胺包被银纳米颗粒的水凝胶或聚合物微针，以约10–15 N/cm2的压力贴敷皮肤，采集组织液而不穿透深层真皮，保障微创性。光谱采集通常在20°C–25°C环境下进行，积分时间为0.5–2秒/次，以平衡信号质量与通量。
SERS基底的制备策略显著影响重现性与临床转化潜力。胶体纳米颗粒系统成本低、合成简便，但批次间差异大、易自发聚集，导致光谱一致性差。光刻图案化基底可提供均匀的“热点”与低光谱方差，但需洁净室加工，成本较高。微流控集成与微针集成平台兼顾信号控制、样品处理与患者适配性，但设备复杂度提升带来制造与操作挑战。微生物检测中，功能化微针阵列可从皮肤组织液中捕获病原体，随后用手持式拉曼设备立即采集信号，环境湿度控制在40%–60%以保障数据可靠性。离体皮肤组织分析中，胶体金/银纳米颗粒涂覆于组织表面，低激光功率（<10 mW）下进行光谱成像以避免样本损伤。
采集后的SERS数据需经基线校正与去噪处理，高级模式识别可通过主成分分析或人工智能分类器（如随机森林、卷积神经网络）实现。但当前人工智能应用多为描述性与探索性，存在数据集规模小、来源单一导致过拟合风险，仪器、基底与采集参数的中心间差异缺乏外部验证，以及标准化光谱库与基准数据集缺失等问题，阻碍了模型的比较、开发与重现。解决这些问题是将人工智能辅助SERS推向可靠临床诊断工具的关键。
微生物性皮肤感染的诊断与分类
SERS在微生物感染诊断中展现出重要价值，这类疾病症状常无特异性，易与炎症或自身免疫病混淆。研究人员开发的4-MPBA功能化水凝胶微针可在数分钟内直接从皮肤组织液中捕获并分类细菌，结合随机森林算法，对不同病原菌的区分准确率达97.87%。另有研究结合深度学习（卷积神经网络）利用分子光谱指纹快速区分志贺氏菌与大肠杆菌，该技术可迁移至溃疡性皮肤感染或继发性细菌感染的筛查中。
除感染与肿瘤外，SERS还可评估皮肤层结构变化，在纤维化、炎症性与特应性皮肤病中具有重要应用。研究显示SERS可通过识别~1100 cm?1处与胶原相关的特征峰，可靠检测真皮层增厚，优于传统拉曼光谱在深层组织分析中的稳定性。SERS还可提供氧化应激与免疫反应的额外信息，如微针传感器可原位无创检测ROS，用于银屑病、湿疹及癌症的疾病进展评估。
比较视角：SERS与其他新兴成像模态
光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）利用低相干干涉术实现活体皮肤微结构可视化，轴向分辨率达1–15 μm，常用于监测表皮厚度、基底细胞癌与炎性皮损，但缺乏生化特异性，无法检测分子水平变化。光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI）结合光学激发与超声探测，组织穿透深度可达数毫米，可功能成像黑素与血红蛋白等发色团，适用于血管性皮损与黑色素瘤评估，但同样难以检测低丰度生化标志物。
相比之下，SERS通过等离子体增强机制，可实现皮摩尔至纳摩尔浓度的细胞因子、胶原片段与酶的超灵敏检测。OCT与PAI主要提供结构与功能成像，而SERS可获得组织生化的独特分子指纹，特别适用于疾病早期检测与分子分型。将SERS与OCT或PAI整合为多模态诊断流程，可为临床提供高分辨率解剖信息与特异性生化信息的结合，提升皮肤科诊断准确性与决策效率。
治疗反应的实时监测
SERS可实时追踪治疗效果。动物模型研究显示，SERS可区分健康皮肤、癌性皮肤与接受肉毒纳米乳剂治疗后的皮肤，通过识别与治疗反应相关的生物分子特征，推动精准皮肤科的发展，实现分子层面的干预调整。新兴技术还拓展了SERS在微创皮肤组织液（Interstitial Fluid, ISF）检测中的应用，如SERS标记微针贴片可检测ISF中的过氧化氢（H2O2）作为急性炎症标志物，最初应用于腹膜炎监测，也可适配于炎症性皮肤病，实现无需采血的局部炎症实时追踪。
临床与试点研究分析
近年的临床研究验证了SERS在皮肤癌与感染诊断中的潜力。一项黑色素瘤早期诊断研究采用透明聚合物微针集成SERS，微针负载金纳米颗粒与对巯基苯甲酸，实现ROS（超氧阴离子）的原位检测，在小鼠模型中建立了0–480 ng/mL的线性标准曲线（R2>0.98），方法便捷、经济且微创，但临床验证与技术可扩展性是后续推广的挑战。另一项细菌性皮肤感染诊断研究采用4-MPBA功能化水凝胶微针，5分钟内即可从皮肤组织液中捕获超过50%的细菌，结合随机森林模型，菌株区分准确率达97.87%，为细菌培养等传统方法提供了无痛替代方案，但仍需更广泛的临床验证。
多项研究提供了定量实验数据：微针生物传感器对酪氨酸酶的检测限低至0.05 U/mL，在原位信号放大与区分良恶性皮损中的特异性>95%；皮肤组织液病原菌诊断的灵敏度达98.12%；博来霉素诱导的皮肤纤维化模型中，SERS通过~1100 cm?1处的光谱偏移检测真皮胶原增厚，与组织病理学金标准的分类准确率>92%；皮肤癌小鼠模型中，SERS光谱特征与肉毒纳米乳剂治疗后的组织学评估结果一致性>90%。这些数据共同表明SERS可在皮摩至纳摩浓度范围实现高特异性、无创诊断，覆盖癌性、感染性与纤维化皮肤病，但仍需更大规模的多中心临床试验来确保重现性、标准化与可扩展性。
另有综述总结了活体SERS技术的进展，强调近红外SERS纳米探针对深层组织成像的价值、多重检测多种生物标志物的能力，以及光纤系统在术中场景的应用潜力，同时指出纳米探针生物相容性、系统复杂性与监管审批是临床转化的主要障碍。针对皮肤癌检测的拉曼光谱综述也指出，金属纳米颗粒增强的SERS可实现早期无创检测，但样本重现性与仪器成本制约了临床普及，需建立标准化测量协议与经济高效的纳米颗粒合成方法。
基于SERS的即时检测设备：皮肤疾病诊断的未来
SERS已显著推进多种疾病的即时检测（Point-of-Care, PoC），弥补了传统方法的不足。在感染性疾病中，SERS可实现抗生素耐药菌的快速检测与药敏试验，相比传统培养法更快、无损且技术灵活。在COVID-19等传染病检测中，SERS生物分析法展现了高灵敏度与多重检测能力，通过将标记有蛋白或DNA受体的SERS纳米标签集成于侧流层析试纸条、微流控芯片与微阵列芯片中，实现了快速筛查。
在癌症诊断中，SERS可无创、快速分析血液、尿液、唾液、汗液与呼出气中的生物标志物，具备优异的分子特异性，适合即时部署。心血管疾病（如急性心肌梗死）检测中，SERS生物传感器实现了高诊断准确率与多重传感，结合人工智能分析进一步优化了检测性能。SERS与快速垂直流免疫技术的结合也为通用病原体检测提供了高质量、重现性好的光谱。DNA检测领域，基于SERS的等离子体活性纳米芯片平台（MSC、多重MSC、iMS-on-Chip）实现了简单、经济、单步检测，无需标记与洗涤步骤，适用于即时场景。
微流控技术与SERS的整合进一步革新了分析与临床诊断。微流控SERS系统通过受限微通道内的先进基底设计与流体操控技术，解决了传统SERS的信号变异与分析物污染问题，等离子体材料（如纳米金/银膜）与动态捕获技术的创新显著提升了重现性与灵敏度，可实现皮摩尔浓度水平的生物标志物检测。这类平台已在癌症、心血管病与传染病（如COVID-19）的即时检测中得到验证，结合手持式拉曼设备，实现了高特异性与多重检测。近期创新如手驱微流控芯片与3D打印SERS基底，无需外接泵或复杂仪器即可运行，进一步提升了可及性。未来，SERS微流控技术与电泳、色谱及人工智能的结合，有望实现更全面的自动化诊断系统。
尽管优势显著，SERS即时检测的全面落地仍需克服诸多挑战：保障设备可靠性、降低成本、简化系统复杂度、兼容便携式拉曼读取器、开发稳定的SERS基底、完成临床转化所需的验证与监管审批，以及建立统一的检测标准。在皮肤疾病领域，大规模验证与实验室到床旁的技术转化是成功应用的关键。
未来展望
临床整合层面，SERS有望作为互补诊断模态融入现有皮肤科工作流程。诊疗中可使用SERS微针贴片或手持式拉曼设备，对可疑皮损进行快速无创的生化评估，减少对有创活检的依赖，为良恶性及炎症性疾病的鉴别提供即时分子层面证据。SERS还可用于纵向监测治疗应答，通过追踪动态生物标志物变化指导个体化干预。在基层与社区医疗中，便携式SERS平台可支持皮肤疾病早期筛查，尤其在组织病理学与高级成像资源有限的地区。结合人工智能驱动的光谱解读系统，可进一步简化临床流程，缩短治疗启动时间。
但广泛临床应用仍需解决以下问题：基底制备的变异性、热点分布不均导致的信号重现性问题、光谱数据解读的标准化协议缺失，以及SERS组织穿透深度有限（仅适用于浅表皮损或组织液分析）的局限性，需结合互补成像模态评估深层病变。工程层面还需优化设备小型化、临床使用的 ergonomic 设计，以及纳米等离子体诊断技术的监管审批路径。
结论
表面增强拉曼光谱（SERS）已成为皮肤科极具潜力的诊断平台，可对多种皮肤病的分子标志物实现超灵敏、无标记检测。本综述系统梳理了纳米结构设计、微针生物传感器与人工智能辅助光谱分析的最新进展，这些技术共同提升了SERS的诊断准确性与临床实用性。与传统侵入性、主观性强或分子特异性有限的方法相比，SERS提供实时生化指纹信息，是精准皮肤科诊疗的变革性工具。
然而，SERS基底的重现性与可扩展性、信号增强的变异性及光谱数据解读的复杂性仍制约着临床转化。未来研究应聚焦于开发适于规模化生产的重现性基底、紧凑易用的即时检测拉曼设备，建立覆盖多样皮肤病理的标准化光谱库，并将SERS与光学相干断层扫描、光声成像等结构成像技术整合为多模态平台，融合分子特异性和解剖信息。可穿戴SERS生物传感器的开发将进一步支持持续皮肤健康监测与家庭诊断，推动前瞻性、个性化的皮肤科诊疗模式革新。通过跨学科合作、大规模临床验证与技术优化，SERS有望成为精准皮肤科的基石，从根本上改变皮肤病的诊断、监测与管理方式，惠及临床与社区医疗场景。
