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一氧化碳中毒是全球范围内非药物中毒的主要死因之一，每年造成数以万计的死亡。其分子特性决定了它与血红蛋白的亲和力远高于氧气，一旦吸入，便会迅速与血红蛋白结合，占据氧气结合位点，导致全身性缺氧。常规治疗以高压氧疗法为主，但该方法需要特定设备，且在清除效率上存在显著不足，患者血液中一氧化碳的半衰期可达一小时以上，约半数幸存者仍会遗留心脑损伤。

目前仍是未有效解决的难题，美国马里兰大学和匹兹堡大学的研究团队利用合成生物学手段，对土壤细菌 Paraburkholderia xenovorans 中的一氧化碳感应蛋白 ReoM 进行工程化改造，创制出全球首个高选择性的一氧化碳解毒剂ReoM-HBD-CCC，并在 PNAS 上发表了相关成果，题为“Engineering a highly selective, hemoprotein-based scavenger as a carbon monoxide poisoning antidote with no hypertensive effect”。

天然 ReoM 是一种能够感知低至 0.1 nmol 一氧化碳浓度的信号蛋白，其功能依赖于血红素结合域。然而，该蛋白在天然状态下并不适合直接作为解毒剂使用。研究团队首先对其结构进行了精准裁剪，保留含有血红素结合口袋的血红素结合域，去除与结合无关的 DNA 结合域。随后，通过定点突变将三处半胱氨酸替换为丝氨酸（C94S、C127S、C130S），以防止蛋白二硫键聚合，提高稳定性。为了确保足够的血红素装载率，研究人员在大肠杆菌中共表达了亚铁螯合酶，使得装载率超过 100%，为体内高效清除一氧化碳奠定基础。

改造后的 ReoM-HBD-CCC 在多项关键性能指标上表现出突破性优势。其一氧化碳结合常数达 2.8×10¹⁰ M⁻¹，解离常数仅 37 pmol，结合半衰期可达 115 小时，意味着一旦结合，一氧化碳几乎不会再释放。与氧气的结合选择性达到 1.9×10⁵ 倍，远超血红蛋白的 180 倍。这种极端选择性归因于血红素口袋结构的精密调节，尤其是远端甲硫氨酸残基与一氧化碳形成稳定配位键，而氧气难以进入结合位点。飞秒激光实验显示，一氧化碳从血红素上被光解后，仅需 281 皮秒便能重新结合，这一“锁定”效应几乎完全排除了氧气竞争的可能。此外，该蛋白热稳定性优异，变性温度达 72℃，自氧化速率低于现有天然血红素蛋白，对体内应用尤为有利。

图 | RcoM-HBD-CCC 的光谱特征与稳定性，显示高 CO 亲和力和优异的热稳定性

在体外实验中，ReoM-HBD-CCC 能够在 5 分钟内从红细胞中夺取超过 75% 的一氧化碳，清除速率是生理代谢的 15 倍。动物实验进一步验证了其解毒性能。在小鼠急性一氧化碳中毒模型中，血液一氧化碳血红蛋白水平超过 76% 时，静脉注射 1020 mg/kg 剂量的 ReoM-HBD-CCC，可在一分钟内使该比例下降 16.7%，血中一氧化碳的清除半衰期仅 27 秒，较现有治疗大幅缩短。在安全性方面，与血红蛋白疗法相比，该蛋白并不引起显著的血压升高，血压波动范围不超过 5.5 mmHg，而血红蛋白治疗组升高幅度可超过 15 mmHg。机理分析显示，ReoM-HBD-CCC 对一氧化氮的双加氧速率仅为血红蛋白的十分之一，从而避免了因一氧化氮消耗引起的血管收缩反应。

图 | RcoM-HBD-CCC 在严重 CO 中毒小鼠模型中显著加速CO清除

代谢与排泄路径的研究表明，超过 90% 的结合一氧化碳的蛋白会通过尿液在 48 小时内排出体外，且未观察到肝肾毒性。组织学检查和生化指标检测均显示，在有效剂量范围内该蛋白的短期应用是安全的。这种良好的体内稳定性与可控的排泄特性，为其作为临床解毒剂的转化提供了坚实基础。

该研究不仅在急性一氧化碳中毒的治疗上实现了从零到一的突破，还可能为血液替代品的开发开辟新方向。传统的基于血红蛋白的携氧或解毒分子往往因副作用限制了应用范围，尤其是高血压风险。ReoM-HBD-CCC 基于非球蛋白的蛋白质支架，规避了这些局限，具备成为新一代稳定携氧或携气分子的潜力。其应用场景可能不仅限于一氧化碳中毒的院前急救，还包括严重创伤、手术或器官移植等缺氧风险极高的紧急状况。

目前，该成果已由研究团队创立的 Globin Solutions 公司推动产业化，未来的工作重点将包括临床前剂量优化、规模化生产和长期安全性验证。尽管从动物实验到临床应用仍需跨越多个技术与监管关卡，但这一基于细菌蛋白的分子工程成果已经显示出强大的医学转化潜力，也为利用合成生物学设计特定分子功能蛋白提供了范例。在急救医学和环境暴露应对领域，这类高选择性、低副作用的分子解毒剂或将成为重要的技术储备。

参考链接：

1.Dent MR, DeMartino AW, Xu Q, et al. Engineering a highly selective, hemoprotein-based scavenger as a carbon monoxide poisoning antidote with no hypertensive effect. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025;122(32):e2501389122. doi:10.1073/pnas.2501389122

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