论文标题：Illuminating Malaria: Spectroscopy’s Vital Role in Diagnosis and Research

论文链接：https://www.mdpi.com/2813-446X/2/4/15

期刊名：Spectroscopy Journal

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/spectroscj

研究背景

疟疾仍是全球主要的公共卫生威胁，2022年病例数高达2.49亿。现有诊断方法，如传统快速诊断试纸(cRDTs)，其灵敏度和特异性仍难以媲美金标准的核酸检测，而后者在资源有限环境中的应用受限。因此，开发兼具高灵敏度、高特异性、低成本且便携的诊断工具是当务之急。光谱学技术因其无标记、快速、可提供丰富生化信息的优势，在疾病诊断领域展现出巨大潜力，为开发新型疟疾即时检测方法提供了可行途径。本文旨在系统评述光谱技术在疟疾诊断与研究中的关键作用、进展与挑战。

研究内容

光谱学在疟疾研究中的应用，其核心在于检测由寄生虫在人体内生命周期的复杂过程中所产生的独特生物标志物及其引发的宿主生化改变。其中，疟原虫消化血红蛋白产生的副产物——疟色素（血晶素，hemozoin）是最具特征性的标志物。其特殊的晶体结构、磁学及光学性质，使其在从紫外、可见、近红外到红外（傅里叶变换红外光谱，FTIR）乃至拉曼光谱等波段都展现出独特的信号，为实现高灵敏度检测提供了物理基础。除血晶素外，寄生虫感染导致红细胞内脂质代谢发生显著变化，例如甘油三酯和甘油二酯等中性脂含量大幅增加，这成为红外光谱检测的重要靶点。此外，特定蛋白质（如恶性疟原虫富含组氨酸蛋白2，PfHRP2）和核酸序列也为分子诊断提供了可能。光谱技术的优势在于其能够实现从单一红细胞到组织样本的多尺度分析，结合化学计量学方法，不仅可区分感染与非感染样本，还能量化寄生虫血症水平，甚至鉴别疟原虫种类（如恶性疟原虫与间日疟原虫），为精准治疗提供依据。

图1.结合暗场显微镜与共振拉曼成像技术可视化红细胞内的疟色素（血晶素）

多种光谱模态已深入应用于疟疾研究的各个环节。显微拉曼光谱，特别是共振拉曼光谱，可对单个红细胞内的血晶素进行亚细胞定位成像。表面增强拉曼光谱（SERS）借助等离子体纳米结构将检测灵敏度提升至可检出单个寄生虫水平，而结合磁场辅助聚集血晶素的技术进一步增强了检测极限。衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）以其快速、样品前处理简单的特点，在针对全血、干血斑的临床现场试验中表现出高灵敏度与特异性，并可与机器学习算法结合实现自动化诊断。新近发展的光学光热红外光谱（O-PTIR）和原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）突破了传统红外显微技术的衍射极限，实现了对细胞内寄生虫消化泡、脂滴等亚细胞结构的纳米级化学成像。此外，光声光谱利用血晶素的光吸收与热弹性效应，已成功实现无需抽血、穿透皮肤的无创活体检测。近红外光谱则凭借其设备易于微型化、便携的优势，在野外蚊媒监测乃至对小鼠和人体初步的无创筛查中展现出潜力。

研究总结

本综述系统阐述了光谱学技术在应对疟疾这一全球健康挑战中所发挥的、不可或缺的多维作用。从血晶素、脂质、蛋白质与核酸等关键生物标志物的发现与表征，到FTIR、拉曼、SERS、NIR、AFM-IR、光声光谱等多种技术平台的建立与应用，光谱学不仅极大地推动了我们对疟原虫生物学及其与宿主相互作用的理解，更重要的是催生了一系列极具前景的新型诊断策略。这些策略致力于实现高灵敏度、高特异性、低成本且便携的即时检测，甚至探索了无创诊断的可能性，以覆盖无症状感染者，从而有效阻断疾病传播。尽管在向临床和现场应用的转化中仍面临样本标准化、环境干扰及设备成本等挑战，但随着光谱仪器（特别是芯片化、微型化设备）与数据分析方法的不断革新，光谱学必将在未来的疟疾诊断、治疗监测、药物研发乃至最终消除疟疾的全球努力中扮演更加关键的角色。

Spectroscopy Journal期刊介绍

主编：Prof. Dr. Clemens Burda, Case Western Reserve University, USA

我们鼓励科学家在光谱技术的各个方面、特性表征、理论以及其他光谱发展领域发表他们的实验和理论研究成果。光谱学涉及物质与电磁频谱任何部分之间的相互作用，并应用于所有学科，包括物理学、化学、生物化学、生物学、空间科学、材料科学和工程学等领域。来自非光子实验（如电子、中子和质子实验）的贡献同样受欢迎。