摘要: 一氧化碳(CO)中毒通过与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白(CO-Hb)抑制氧气运输，导致组织缺氧，进而引发心脏、脑等器官的功能损伤。当前治疗方法包括常压氧和高压氧(HBO)，尽管能够缩短CO半衰期，但治疗效果有限，且面临治疗时效性差、设备可得性等问题。近年来，血红蛋白一氧化碳清除剂作为新型治疗策略获得关注。这些清除剂通过优化血红蛋白与CO的结合特性，能够加速CO的清除，改善中毒症状。在小鼠模型中，工程化血红蛋白(如Ngb-H64Q-CCC)能够有效提高生存率并改善生理功能，显示出较好的治疗潜力。然而，血红蛋白清除剂的临床应用仍面临大规模生产、安全性等挑战，需进一步研究和优化。
Abstract: Carbon monoxide (CO) poisoning inhibits oxygen transport by binding to hemoglobin to form carboxyhemoglobin (CO-Hb), leading to tissue hypoxia, which in turn causes functional damage to the heart, brain, and other organs. Current treatments include normobaric oxygen and hyperbaric oxygen (HBO), which have limited therapeutic effects despite their ability to shorten the half-life of CO and face problems such as poor timeliness of treatment and availability of equipment. In recent years, hemoglobin CO scavengers have gained attention as a novel therapeutic strategy. These scavengers are able to accelerate CO clearance and improve poisoning symptoms by optimizing the binding properties of hemoglobin to CO. In mouse models, engineered hemoglobins (e.g., Ngb-H64Q-CCC) are effective in increasing survival and improving physiological functions, showing good therapeutic potential. However, the clinical application of hemoglobin scavengers still faces challenges such as large-scale production and safety, and requires further research and optimization.
1. 引言
一氧化碳(CO)中毒是美国死亡和发病的主要原因，急诊科每年有超过50,000例一氧化碳病例，其中一半以上需要住院治疗。每年有大约15,000例故意病例，占报告死亡人数的三分之二以上。具体来说，一氧化碳死亡人数从每年1,300到2,700人不等[1]。一氧化碳中毒也是导致火灾相关伤害死亡的严重原因，超过一半的缺氧性脑损伤病例与一氧化碳有关。据估计，一氧化碳中毒每年导致超过10亿美元的医院费用和收入损失。一氧化碳中毒的临床表现很复杂，患者经常表现为受一氧化碳影响最大的两个器官(心脏和大脑)的损伤。对于间接CO暴露的幸存者来说，最严重的并发症是高达50%的患者发生持续的神经系统后遗症。
2. 一氧化碳中毒的毒性和病理生理学
组织缺氧是急性CO中毒的主要毒性作用，这是由于CO-Hb的形成。它导致氧转运能力降低，导致组织水平氧合不足[2]。当CO与血红蛋白亚基结合时，其他结合位点对氧分子的亲和力增加。因此，CO使氧–血红蛋白解离曲线向左移动，抑制低氧区域的氧解离，并增强组织缺氧[3]。由于CO的亲和力比氧大得多，因此CO和血红蛋白之间的键很强。然而，这种键可以被打破，是可逆的，一氧化碳只能缓慢地被氧取代。一氧化碳还与心肌和骨骼肌中的肌红蛋白结合，导致组织氧转运功能障碍。在心肌中，这会导致心功能不全。它还通过抑制细胞色素c氧化酶等酶的活性而产生直接作用。因此，一氧化碳中毒也可能与心脏和神经功能受损有关。细胞凋亡是心力衰竭发病机制的关键因素[4]。一氧化碳中毒导致心肌细胞凋亡。一氧化碳暴露后的神经毒性涉及细胞凋亡和细胞内氧化应激，促红细胞生成素、白藜芦醇和高压氧都通过抑制细胞凋亡或通过其他途径减轻心肌和大脑功能障碍[5]。一氧化碳引起的组织缺氧会增强血管通透性，并导致间质液积聚增加，循环血容量(血液浓度)降低，影响多个器官。这包括伴有神经系统症状和意识障碍的脑水肿，肺水肿伴呼吸衰竭，心肌收缩力下降、心律失常和心力衰竭，和肾功能衰竭[6]。
3. 目前的治疗和局限性
一氧化碳中毒的标准治疗包括支持性治疗和100%常压氧。高压氧(HBO) (在2.5~3个大气压范围内)可用于治疗有明显临床症状(如晕厥或癫痫发作)或COHb阈值水平(15%~25%)的严重一氧化碳中毒患者。CO在室内空气中的半衰期为320分钟，使用100%常压氧时降至75分钟，HBO进一步缩短至 20 分钟。虽然HBO导致CO半衰期缩短，但这并不是疗效的主要机制；减少炎症和增强线粒体恢复可能更为重要。尽管HBO对细胞有益，但在几项检查HBO治疗CO中毒的随机对照研究中，只有一项随机对照试验或RCT (符合CONSORT标准)成功证明了HBO的临床疗效，导致一项Cochrane评价得出结论，HBO的给药不会降低死亡率或不良神经系统结局的发生率[7]。该领域RCT的复杂性增加了异质性HBO方案和结局测量。HBO的实施还面临一些物流挑战，包括及时运输到HBO设施、需要专业人员以及HBO的区域可用性。鉴于这些考虑，虽然美国急诊医师学会(ACEP)建议使用HBO治疗一氧化碳中毒，但他们也表示，鉴于证据混合，这不是强制性的。鉴于HBO的局限性，这表明需要进一步有效的治疗。
4. 通过血红蛋白的一氧化碳清除剂治疗一氧化碳中毒
通过血红蛋白的一氧化碳清除剂依靠蛋白质多肽链作为血红素结合支架，具有几个明显的优势。这些清道夫的设计可能借鉴了文献中表征明确的血蛋白。因此，血蛋白设计不需要是一个从头的过程，具有有前途的特性的蛋白质可以用作支架。这些支架可以通过使用诱变改变天然氨基酸序列来进一步优化。另一方面，基于血蛋白的清除剂往往比小分子试剂(据报道小至4 kDa)更大(至少15 kDa)，这导致更大的质量剂量和更慢的肾脏消除 。大规模生产载有辅因子的血蛋白是这些清除剂在临床上更广泛实施的另一个潜在挑战。我们的实验室首先在小鼠模型中证明了药物CO清除剂在治疗急性吸入性CO中毒中的效用 。在这项概念验证研究中，人神经红蛋白的工程变体(Ngb-H64Q-CCC)被用作高亲和力、基于血蛋白的CO清除剂。与Hb和Mb不同，天然Ngb带有6配位血红素，其中远端His64直接与血红素铁结合。用非配位Gln残基(H64Q)取代His64可产生对CO具有皮摩尔亲和力的五配位血红素(Kd, CO = 2.6 pM)，并且对CO的选择性比O2高出近10,000倍[8]。Ngb-H64Q-CCC可有效隔离红细胞中的CO，减弱COX的CO依赖性抑制，并改善急性吸入性CO中毒小鼠模型的生存率和血流动力学结果。在CO中毒的致命模型中，机械通气小鼠暴露于30,000 ppm CO 4分钟，如果不及时治疗，会出现心动过缓、低血压和死亡。与对照动物相比，单剂量氧铁Ngb-H64Q-CCC治疗可逆转血流动力学崩溃并显着提高存活率。生理结构的改善伴随着CO从循环中加速清除和乳酸水平降低。血浆中循环的Ngb-H64Q-CCC在输注结束时完全CO饱和，与快速CO清除动力学一致。在一项后续研究中，与对照动物相比，用Ngb-H64Q-CCC处理的CO中毒小鼠的心脏组织中观察到呼吸改善。此外，体外暴露于CO的分离线粒体在用Ngb-H64Q-CCC处理后表现出COX活性改善。尽管Ngb-H64Q-CCC在小鼠模型中治疗急性CO中毒方面有效，但广泛临床应用仍然存在转化挑战。在小鼠器官特异性毒性的筛选中，一氧化碳中毒后施用的氧铁Ngb-H64Q-CCC经过器官组织学和血液化学测量，肾脏快速清除，毒性作用最小。然而，给予健康(非CO中毒)小鼠的Ngb-H64Q-CCC铁产生了肾脏损伤。这种毒性差异可能是由于5配位铁Ngb与过氧化氢(在肾脏中丰富)反应形成能够引起氧化损伤的高反应性血红素化合物。
5. 结论
我们已经讨论了之前报告中描述的与CO相关的各种问题。这些数据可能对解释CO中毒有价值，并可能为法医诊断提供有价值的信息。最近，一氧化碳不仅被认为是一种有毒物质，还是一种信号气体，并且正在研究治疗应用。需要进一步研究日常实践中的潜在应用。
NOTES
*通讯作者。