氧气是生命所必需的，在维持正常生理功能和治疗疾病方面起着关键作用。由于血红蛋白基氧载体(HBOC)具有相似的携氧能力，因此已被研究和开发作为红细胞(RBC)在氧气运输中的替代品。然而，血管活性、氧化毒性和相对较短的循环半衰期阻碍了HBOC的应用。随着纳米技术的进步，血红蛋白的封装、吸收、生物结合、包封和附着在纳米材料上已被用于制备纳米材料相关的HBOC，以应对这些挑战并等待它们在多种生物医学和治疗环境中的应用。本综述重点介绍这类纳米材料相关的HBOC在出血性休克、缺血性中风、癌症和伤口愈合领域的进展，并推测未来的研究方向。纳米材料相关的HBOC的进展有望引领血液替代品的重大突破，使其广泛应用于临床疾病的治疗。

HBOC是一类以天然血红蛋白为基础，通过聚合、交联和聚合物改性而获得的血液替代品。由于HBOC具有与Hb的天然携氧/释放特性非常相似的特性，因此逐渐成为人工氧载体的主要研究重点。经过数十年的实验室和临床研究，HBOC的开发取得了进展。然而，全球只有少数HBOC获得临床批准。到目前为止，研究人员一直致力于通过改进交联技术、血红蛋白制备工艺和输注方法等策略来解决HBOC的安全性问题。例如，通过优化聚合物的分子量来防止血红蛋白四聚体的解离并降低肾毒性。 通过将血红蛋白与超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)等内部生物酶共交联，可减少血红蛋白的氧化。虽然这些技术策略在一定程度上降低了HBOC的安全隐患，但它们仍处于临床前研究阶段。

随着纳米技术的快速发展，纳米材料在药物输送和疾病治疗中的作用受到了越来越多的研究关注，这为开发血红蛋白氧化物提供了新的机遇。纳米材料相关血红蛋白氧化物（纳米HBOC）是通过将纳米材料与血红蛋白通过封装、自组装、生物结合、包封和附着等方法进行有机结合而制备的。这种方法不仅紧密模拟了天然红细胞的生理结构，而且还具有更多优势，例如降低血管活性、改善循环时间和增强生物安全性（表1）。

 表1

在本综述中，我们介绍了十多年来纳米HBOCs在生物医学领域的具体研究。我们重点介绍了纳米HBOCs在出血性休克、缺血性中风、癌症治疗和伤口愈合中的应用（图1）。此外，我们系统地总结了研究进展、当前的挑战和未来的前景。

图1纳米HBOC在出血性休克、缺血性中风、癌症、伤口愈合等疾病治疗中的应用示意图

用于出血性休克治疗的纳米HBOC

出血性休克（HS）是一种复杂的疾病，由有效循环血容量减少引起，导致不可逆的组织缺氧，最终引发循环衰竭。增加携氧能力，恢复组织的氧气供应是治疗HS和防止循环衰竭的必要方法。

恢复氧气供应

脂质体包裹的人血红蛋白(LEH)是将完整的Hb分子包裹在脂质体（也称为血红蛋白囊泡(HbV)）中制备的一类HBOC。LEH已被广泛研究作为动物模型中HS的潜在治疗方法。研究表明，LEH具有良好的生物相容性、高生物安全性、易于代谢和排泄和低血管活性。Vivek等。（HDAS )的非磷脂阴离子脂质共轭PEG修饰LEH表面。这种修饰提高了宿主对LEH免疫反应的耐受性，延迟了单核细胞吞噬清除，并增加了血液循环中的平均停留时间。在HS大鼠模型中，LEH输注可恢复血容量，改善组织氧合能力，并改善HS引起的全身炎症和多器官衰竭，这表明这种改良的LEH是HS的潜在治疗方法。

Peng等人使用MOF封装bHb，并创建了一个具有纳米多孔涂层的氧载体平台ZIF-8@Hb。体外研究表明，ZIF-8@Hb表面的中性电荷状态显著提高了其在碱性、氧化、高温或酶促环境下的稳定性，有利于长期血液循环（研究发现ZIF-8@Hb的血液循环半衰期（t1/2）为13.9h，而ZIF-8和Hb分别为1.4和5.1h）。动物研究表明，静脉注射ZIF-8@Hb可显著延长小鼠在HS模型中的存活时间。该研究为纳米HBOCs提供了一个高稳定、长循环的载氧平台（图2）。

图2A图中显示了ZIF-8@Hb的纳米粒子制备、稳定行为、血液循环和供氧情况。
B静脉注射PBS、Hb、ZIF-8和ZIF-8@Hb后失血性休克小鼠的生存曲线。
C Hb和ZIF-8@Hb的氧解离曲线。
D静脉注射12小时后Hb、ZIF-8和ZIF-8@Hb的生物分布。
E静脉注射24小时后Hb、ZIF-8和ZIF-8@Hb的生物分布。

用于缺血性中风治疗的纳米HBOC

缺血性中风是一种临床综合征，是指由不同脑血管疾病引起脑内血液供应中断，最终导致局部脑组织缺血、缺氧坏死和相应的神经功能障碍。缺血性中风通常与不同程度的脑梗死有关，近年来发病率和致死率不断上升，已成为人类死亡的主要原因之一。脑组织缺血缺氧导致氧代谢受损，迅速引发脑组织水肿、局灶性神经元细胞功能缺陷，甚至坏死。缺血性中风后，组织血流通常在短时间内恢复，然而，缺血性中风期间机体会产生过量的活性氧（ROS）和继发性炎症反应。这些分子导致组织器官再灌注损伤，进一步加剧缺血性卒中病情。目前，已有多项研究表明，早期改善梗死部位缺氧状态可有益于缺血性卒中的治疗。

缓解脑梗塞

纳米HBOC可与其他功能材料结合用于多功能复合材料中，以提高其治疗效果。Hosaka等人以纯化的bHb和HSA为基础，合成了共价核壳结构蛋白质簇，称为Hb-HSA。接下来，将具有SOD和CAT模拟酶活性的铂纳米粒子与蛋白质簇外层的HSA结合，形成具有抗氧化能力的Hb-HSA3(PtNP)。基于中风的病理微环境特征，Liu等人合成了具有抗氧化能力的Hb-HSA3(PtNP)。引入PDA将Hb与甲氧西林（M）非共价连接形成PMH，PMH表面包被的ROS敏感连接子（硫缩酮，简称TK连接子）与特异性的纤维蛋白结合肽（CREKA，简称C肽）连接，开发出仿生纳米红细胞（C肽-PRG-TK连接子@PDA-甲氧西林Hb，简称CPTK@PMH），利用酶标仪测定游离荧光标记Hb的半衰期，药代动力学结果表明，CPTK@PMH可显著延长Hb半衰期，由12.045±1.251h延长至约35h。在小鼠MCAO模型中，CPTK@PMH能够靶向血栓和缺血部位，在缺氧信号下释放O₂，调节代谢微环境，抑制氧化应激损伤，减少再灌注过程中的脑梗死面积，最终保护神经元免受急性损伤，改善脑缺血后的神经功能（图3）。

图3A缺血性脑组织中CPTK@PMH纳米红细胞形成和代谢微环境调节示意图：
纳米红细胞通过微血栓结合在缺血核心区聚集，并穿透血脑屏障后被血管神经单元摄取；
B缺氧反应性氧释放减轻坏死性凋亡；
C通过富氧、ROS清除和小胶质细胞极化调节氧平衡，减轻急性再灌注损伤；
D通过能量和葡萄糖代谢激活以及血脑屏障保护，通过代谢微环境调节促进修复

用于癌症治疗的纳米HBOC

      缺氧是大多数恶性肿瘤的共同特征。癌细胞无序增殖并消耗大量氧气，导致肿瘤微环境（TME）以缺氧为特征，伴有弱酸和高浓度H₂O₂，并直接导致癌细胞转移、侵袭和血管生成。缺氧TME降低化疗、放射治疗（RT）、光动力治疗（PDT）和声动力治疗（SDT）的抗肿瘤疗效。作为氧载体，纳米HBOC表现出良好的稳定性和供氧能力，提高了缺氧区域的O₂输送效率，缓解了肿瘤的缺氧状态，增强了抗肿瘤功效。

靶向药物释放

      缺氧环境导致癌细胞表面葡萄糖转运蛋白异构体1（GLUT1）过度表达，而葡萄糖修饰的纳米载体可以通过GLUT1识别癌细胞。因此，Bu等人设计了既能携氧又能识别癌细胞的纳米HBOC。三嵌段共聚物聚[2-(甲基丙烯酰胺)葡萄吡喃糖]-b-聚（甲基丙烯酸）-b-聚（甲基丙烯酸丁酯）（PMAG-b-PMAA-b-PBMA）胶束的合成表明，Hb通过缩合反应与胶束结合形成Hb结合胶束(HCM)。PMAG连接的GLUT1能特异性识别癌细胞，而HCM可以结合O₂。同时，在人宫颈癌细胞（HeLa）模型中，肿瘤细胞对载阿霉素的HCM的摄取增加，并证实了纳米HBOC可以靶向癌细胞识别，降低肿瘤耐药性，最终提高治疗效果。田等设计并构建了基于PLGA包裹Hb和DOX的伪装仿生纳米复合材料（DHCNPNPs），修饰癌细胞膜表面实现同源识别。DHCNPNPs在人乳腺癌细胞（MCF-7细胞）模型中表现出较强的自我识别能力、对同源癌细胞的亲和力，以及对正常组织的最小毒性。DHCNPNPs通过抑制HIF-1α、下调多药耐药基因1（MDR1）和P-gp的表达、增加化学敏感性，在TME中实现了O2非依赖性和高靶点选择性，提高了整体的治疗效果（图4）。

图4DOX/Hb负载PLGA-癌细胞膜纳米粒子(DHCNPs)的设计和功能，用于同源靶向和O2干扰

促进ROS生成

ROS来源于O₂，通过氧化反应或电子激发形成，主要由羟基自由基（•OH）、超氧阴离子（•O-2）和单线态氧（1O2）组成。当ROS水平超过一定阈值时，它们会破坏细胞结构，从而可用于抑制肿瘤生长。纳米HBOC可以通过三种方式促进ROS的产生。首先，纳米HBOC可以提供足够的O₂作为ROS生成的原料，同时改善TME。此外，在亚铁离子（源自Hb）存在的情况下，TME中高浓度的H₂O₂会发生Fenton和Haber-Weiss反应，从而持续产生剧毒的•OH。此外，Hb可以模仿辣根过氧化物酶(HRP)，后者也会从H₂O₂中产生•OH。

纳米HBOC在RT中的应用

放射治疗是治疗癌症的常用方法，它利用X射线损伤DNA并产生ROS来抑制肿瘤生长，其治疗效果与TME中的O₂含量直接相关。Sang等基于金属-酚配位原理，开发了一种富氧X射线纳米处理器（Hb@Hf-Ce6NPs），调节TME中的氧平衡，逆转免疫抑制，从而达到消灭癌症和抑制转移的目的。在纳米处理器中，放射增敏剂铪（Hf）与二氯甲烷（Ce6）纳米复合物配位并包裹Hb以释放O₂。在X射线照射下，Hf发出放射性荧光激活Ce6产生ROS，Hb@Hf-Ce6NPs在肿瘤部位释放O₂。促进T细胞介导的全身免疫对肿瘤发挥远程抗肿瘤作用，增强放射治疗效果，从而在双侧肿瘤模型和4T1乳腺癌肺转移模型中表现出优异的抗肿瘤作用（图5）。夏等将Hb氧载体与金纳米粒子（Au）放射增敏剂结合起来，制备了Au-HbNPs。受血小板（PLT）表面P选择素能与癌细胞表面CD44特异性结合的启发，通过用PLT膜包裹Au-HbNPs，合成了血小板包覆载氧纳米粒子（Au-Hb@PLTNPs）。Au-Hb@PLTNPs可将充足的O₂输送到肿瘤组织深处，缓解缺氧，提高放射治疗效果。Au作为增敏剂，增强肿瘤细胞对X射线的敏感性及其治疗效果，在HeLa细胞模型中表现出良好的肿瘤治疗效果和较少的副作用。值得注意的是，使用苏木精和伊红染色（H&E）证实了正常实质和死亡癌细胞之间的清晰边界，这表明Au-Hb@PLT+RT（2Gy）杀死肿瘤细胞，同时对健康组织造成的损害相对较小。

图5A示意图显示了Hb@Hf-Ce6纳米粒子介导的X射线诱导放射
治疗-放射动力学治疗-免疫治疗用于根除原发性肿瘤和远处肿瘤。
Hb被封装在Hf-酚配位纳米平台中，通过自组装输送氧气。
B通过Ru(bpy) 3Cl2探针评估了有/无X射线照射的血红蛋白(Hb)和Hb@Hf-Ce6NPs(NP)的氧释放行为。
Hb和NP之前已被氧合。C原发性肿瘤的肿瘤体积生长曲线。D远处肿瘤的肿瘤体积生长曲线

纳米HBOC在PDT中的应用

      光动力疗法(PDT)是临床上公认的微创肿瘤治疗方法，已成为化疗的替代方法。PDT包括光敏剂(PS)、光源和充足的O₂。在PS催化下，O₂被激活为ROS，如•OH和1O2，进而诱导肿瘤血管损伤，从而导致肿瘤细胞死亡。然而，TME的缺氧状态会削弱PDT疗效，通过增加肿瘤的O₂含量可以有效逆转这一问题。

为解决肿瘤内低O₂水平和提高PDT疗效，曹等将Hb与新型双光子物质：双芘(BP)和传统PS(RB)组装成纳米复合物，构建了BP@RB-Hb纳米粒子。Hb作为O2供体，提供额外的O₂通过NP靶向提高肿瘤部位TME的抵抗力。同时，纳米粒子内部的共振能量转移效应（FRET）在双光子激光照射下间接刺激PS，提高治疗深度。在荷瘤小鼠模型中，该材料表现出优异的携氧性能和穿透深度，大大提高了PDT效率。在荷瘤小鼠模型中，BP@RB-Hb纳米粒子表现出优异的穿透深度和携氧性能，大大提高了PDT治疗效率。Chen等提出了一种结合HSA和Hb的蛋白质杂交方法，开发了一种负载光敏剂e6（Ce6）的仿生杂交蛋白质氧纳米载体（C@HPOC），通过共递送肿瘤靶向的O2和PS克服肿瘤缺氧，通过产生大量的1O2提高PDT疗效。C@HPOC刺激了强大的全身抗肿瘤免疫力，并在小鼠三阴性乳腺癌(4T1-mTNBC)模型中引发了强大的抗肿瘤转移和远端效应(图6)。该平台显示出作为癌症联合治疗纳米平台的前景。

图6A用C@HPOC进行氧增强免疫原性PDT以引发抗转移和远隔效应的示意图。
人血清白蛋白(HSA)通过分子间二硫键与携氧血红蛋白(Hb)杂交，形成载有Ce6的混合蛋白氧纳米载体(C@HPOC)。
在激光照射下，氧自供纳米粒子(C@HPOC)增加了细胞毒性1 O 2的产生，而且引发了免疫原性细胞死亡(ICD)。
C@HPOC介导的PDT不仅破坏了原发性肿瘤，而且还通过全身抗肿瘤免疫反应抑制了远处肿瘤和肺转移。
B 4T1肿瘤细胞中细胞摄取和ROS产生的共聚焦图像。C各种治疗后小鼠原发性肿瘤的生长曲线。
D不同治疗组小鼠远处肿瘤的生长曲线。E免疫荧光染色检测肿瘤组织中的CD8T细胞（红色）

纳米HBOC用于伤口愈合

O₂通过促进细胞增殖、加速血管生成、减少感染和增加胶原合成，在伤口愈合中起着关键作用。伤口微环境中的氧合水平是伤口愈合的关键限速因素。长期缺氧条件导致新生血管形成受损和伤口愈合受限，而缺氧环境则促进伤口愈合。因此，原位产氧、氧载体和各种增强氧供应的策略已被用于缓解伤口的缺氧状态，促进血管生成，增强胶原重塑，最终加速伤口愈合。

促进组织修复

      O₂促进组织形成和修复，从而加速伤口愈合。目前，微型、通用、可定制的O₂载体研发进展迅速，在伤口愈合领域具有巨大的应用潜力。刘等将二硫化钼量子点共混明胶甲基丙烯酰（GelMa）制备反蛋白石微粒作为微载体，通过酰胺键与bHb偶联制备近红外触发多孔可控氧载体用于组织修复。基于典型的腹壁缺损大鼠模型，发现该氧载体可以改善氧供应并起到支持细胞生长的作用，从而刺激细胞外基质分泌，促进胶原和血管生成，加速肉芽组织形成，促进腹壁缺损的修复。氧载体在组织修复中的特性使其可用于伤口愈合和组织工程（图7）。

图7A光响应MoS2QDs集成反蛋白石微载体用于可控氧气输送和组织修复的示意图。
B –D修复样品植入2周后的H&E染色。样品中的血管用灰色箭头表示。
B对照，C实验I，D实验II。E –G修复样品植入2周后的Masson染色。
样品中的肉芽组织厚度用黑色箭头表示。E对照，F实验I，G实验II。B –G比例尺为200µm

结论

氧气在生命活动中起着至关重要的作用，而血红蛋白是体内氧气的天然载体，无论是在临床还是军事救治中，及时输注红细胞都可以有效恢复血容量，维持组织氧供应。血红蛋白氧载体因其与天然血红蛋白更接近的优势，为解决天然输血固有问题提供了有效的方法，成为人工氧载体研究的重点。纳米技术和纳米材料的快速发展为血红蛋白氧载体开辟了新的可能性。

纳米HBOCs是利用纳米技术与纳米材料结合开发的一种新型的血红蛋白基氧载体，丰富了Hb的应用场景，在增强Hb分子结构稳定性、降低血管活性、延长半衰期、改善生物相容性等方面表现出一定的优势。纳米HBOCs具有广阔的应用前景，越来越受到医学、材料、化学、生物和工程研究领域的重视。尽管纳米HBOCs在生物医学研究领域发展迅速，但纳米HBOCs仍然存在一些局限性，具体如下：纳米HBOCs的制备工艺复杂，成本高昂，开发简便、安全、经济有效的制备方法将是未来研究的重点。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s12951-024-02606-1