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user: 2. 一氧化碳释放材料 2.1. 一氧化碳释放分子 一氧化碳释放分子(Carbon monoxide releasing molecules， CORMs)是一类含羰基的化合物。CORMs可由不同的化学成分组成，分为含金属核心的CORMs和有机CORMs两类。2002年首次报道含金属核心CORMs后，各种CORMs陆续被合成和用于研究，近些年出现的有机CORMs在CO释放机制、释放时长和生物相容性等方面，与含金属核心的CORMs均存在较大的差异。 2.1.1. 含金属核心的CORMs 早期研究的CO释放材料均是含金属核心的CORMs，尤其是以过渡金属为核心的羰基配合物居多。2002年，Motterlini等人 [ 2 ] 设计合成了CORM-1和CORM-2 (结构式如表1)。其中，CORM-1为二锰十羰基(分子式Mn 2 (CO) 10 )，其只能通过光催化的方式释放CO，释放时长在40 min左右；CORM-2为三羰基二氯代钌二聚体(分子式[RuCl 2 (CO) 3 ] 2 )，需要在二甲基亚砜的溶液中才能释放CO，且几分钟之内就会释放完全。CORM-1和CORM-2作为CO释放材料改变了CO的给药方式，从气体吸入方式转变为固体装载方式，提高了CO的给药效率和安全性。由于CORM-1和CORM-2不能在生理条件下自发释放CO，且CO释放时长过短，存在明显的应用的局限性。2003年，有研究团队 [ 3 ] 报道了在生理条件下即可自动释放CO的CORMs，三羰基氯(甘氨酸)钌(II) (分子式Ru(CO) 3 Cl(glycinate)，CORM-3)，结构式如表1所示。该材料在生理条件下即可快速释放CO，实验结果表明其可保护心肌细胞和组织免受缺血再灌注损伤。后续研究的含金属核心CORMs绝大多数均可在生理介质中通过配体转移反应释放CO，无需有机溶剂或外界条件的刺激。值得注意的是，含金属核心CORMs都是以重金属如锰、钌等作为配位中心，以羰基为配体得到的羰基金属配合物，当CORMs释放CO后，重金属离子的残留往往会产生细胞毒性，可能会导致严重的细胞损伤 [ 4 ]。Winburn等人 [ 5 ] 对CO充分释放后的CORM-2进行细胞学实验，发现其残留物具有较强的细胞毒性，导致细胞的凋亡和坏死增加，线粒体酶活性受到抑制。 Table 1 Structuralformulaeofthree carbon monoxide release molecules containing heavy metalcore CORM-1 CORM-2 CORM-3 表1. 三种含重金属核心的CORMs结构式 2.1.2. 有机CORMs 由于含金属核心CORMs不可避免的生物毒性，研究者们设计合成了有机CORMs。有机CORMs以各种含C=O双键的有机物作为CO供体，如草酸、硼羧酸盐、醛、不饱和环α-二酮、硅羧酸盐以及氧杂蒽羧酸盐 [ 6 ]，由于化学键的稳定性较高，大多数有机CORMs需要在外界条件的刺激下才能引发CO的释放 [ 7 ]。首个有机CORMs是一种水溶性硼酸钠盐(分子式Na 2 [H 3 BCO 2 ]，CORM-A1)，它在水溶液中即可释放CO [ 8 ]。与上述金属核心CORMs相比，它不含重金属配位中心，且CO的释放延长，在生理环境下的释放半衰期约为21 min。此后，非金属核心CORMs被大量开发设计，其研究的侧重点在于提高靶向性和实现在生理环境下的自动释放。如使用具有靶向功能的基团将有机CORMs包裹起来形成较大的“药物球”，该“药物球”到达定点部位后能够被原位打开(如被特异性酶剪切、与较高浓度H 2 O 2 反应)而将CORMs释放出来 [ 9 ]。此外，基于共轭双烯与炔烃基团的Diels Alder反应，Wang等人 [ 10 ] 通过甘露糖修饰的四苯基环戊二烯酮(TPCPD)和双环-[6，1，0]壬炔(BCN)构建有机CORMs，当两种物质在生理环境中相遇时发生Diels Alder反应而释放出CO，研究者将其命名为“点击释放”，如图1所示。 2.2. 复合型一氧化碳释放材料 CORMs临床应用的主要障碍之一是CO的靶向可控释放难以实现，而大分子或纳米材料由于其独特的性能，如高载药量、生物相容性好、稳定性好以及可通过被动(如EPR效应)或主动靶向效应给药而备受关注。通过将CO或CORMs与大分子或纳米材料集成在一起，在一定程度上实现了CO的靶向可控释放。 2.2.1. 大分子复合CO释放材料 近年来有些研究者将能释放CO的单元嵌入到天然大分子和合成高分子中，设计出了新型的CO释放材料。如Brückmann等人 [ 11 ] 将羰基锰接枝到甲基丙烯酸羟丙酯(HPMA)的共聚主干上，该复合物可在光催化下释放CO，释放半衰期在20 min左右，其基于癌症部位的EPR效应可被动蓄积和靶向药物输送，释放CO后共聚物发生降解，由肾脏清除；Govender等人 [ 12 ] 合成了含有羰基锰片段的聚吡啶树枝状大分子，其稳定性高，CO负载量大，该复合材料在光催化下释放CO，释放时长在1 h左右。这类含羰基锰片段的高分子材料与CORM-1类似，需要在光的引发下才能有效释放CO。 图1. 基于Diels Alder反应的CO“点击释放” [ 10 ] 蛋白质作为天然大分子材料，具有良好的生物相容性，用其制备蛋白-CORMs复合物引起了研究者的关注。2007年，Razavet及其研究团队 [ 13 ] 成功合成了第一个蛋白质–羰基锰复合物，其研究结果显示多肽链空间上的保护作用提高了蛋白–羰基锰复合物的稳定性，这为后续蛋白-CORMs复合物的研究奠定了基础。随后，含有组氨酸的复合物ALF186 (分子式fac-[Mo(CO) 3 (histidinate)]Na)被设计合成 [ 14 ]，该复合物在体外生理条件下可释放出2.6当量的CO，释放时长约为4 h；如图2所示，Tabe等人 [ 15 ] 利用HEWL (蛋清溶菌酶)修饰CORM-2，将CO释放时长提高到几十分钟(CORM-2的释放时长仅有几分钟)；Maruyama等人 [ 16 ] 合成了一种结合CO的血红蛋白囊泡(CO-HBV)，用于肺纤维化小鼠的治疗取得了良好的疗效。总的来说，蛋白质复合CO释放单元在一定程度上改善了CORMs的性能，但由于蛋白质本身存在的一些问题，如免疫原性、体内酶催化降解等，也限制了其实际应用。 2.2.2. 金属有机框架复合CO释放材料 金属有机框架(Metal-Organic Frameworks， MOFs)材料是一类以金属离子为节点，有机配体为桥连，通过配位作用或分子间作用力自组装形成的有机–无机杂化材料，由于其孔隙率高，比表面积大及结构多样性等优点 [ 17 ]，作为药物载体以及气体吸附材料显示出了巨大的应用潜力。Barea等人 [ 18 ] 合成了具有球形、棒状和针状形貌的Al-MOFs并通过固液浸渍法负载CORMs，其研究结果表明载药后球形MOFs材料略有降解，而棒状和针状MOFs材料能保持其结构的完整性；同时，在光照的刺激下，棒状MOFs材料的CO释放效率要高于针状。另有研究表明 [ 19 ]，MOFs晶体颗粒的粒径越小，其对于CO供体的负载效率和CO释放效率越高。基于MOFs材料的高负载量，结合高浓度CO (>100 ppm)对癌细胞的杀伤作用 [ 20 ]，Shen等人 [ 21 ] 采用Fe-MOFs负载MnBr(CO) 5 和抗癌药物阿霉素(DOX)，在近红外照射下3 min左右即可通过光热效应释放药物，CO和DOX的联合释放表现出了良好的肿瘤抑制效果，同时CO的释放可减少DOX对正常细胞的损害；Yeh等人 [ 22 ] 利用MOFs材料装载CORMs也在抑制肿瘤生长实验中取得了良好的效果。受到人体内CO与血红蛋白中Fe(II)离子高亲和力的启发，Ma等人 [ 23 ] 研究通过含Fe的MOFs直接装载CO气体。他们采用微波辅助合成法制备了MIL-88B-Fe和NH 2 -MIL-88B-Fe材料(结构如图3所示)，并通过高温真空活化得到具有Fe(II)不饱和位点(最高为铁总含量的29.8%)的材料，将其放置在CO气氛下12 h成功固载CO气体，其装载量分别为0.36和0.69 μmol CO/mg MOFs，CO释放半衰期分别为38 min和76 min，这也是MOFs材料直接装载释放CO的首次报道。 图2. CORM2-HEWL的制备(a)及其在细胞附近CO的释放(b)示意图 [ 15 ] 图3. MIL-88B-Fe的结构 [ 23 ] 2.2.3. 纳米粒子复合CO释放材料 纳米胶束通过亲疏水端基“包裹”CORMs可提高CO的负载量、防止CO突释及提高靶向性。Hubbell等人 [ 24 ] 制备了一种能释放CO的胶束，由CORM-3作为CO供体链段，亲水性聚乙二醇嵌段和疏水性丁基丙烯酰胺嵌段作为“外壳”形成了球形纳米胶束。研究结果表明该胶束具有很高的CO负载能力，且在PBS溶液和血清中保持稳定，并在半胱氨酸等含硫化合物的作用下释放CO，释放时长相比与CORM-3有较大的提高。同时，该CO释放胶束具有良好的生物活性和生物学功能，可有效减弱脂多糖诱导的人单核细胞NF-κB活化(如图4所示)。另外，Maeda等人 [ 25 ] 也成功制备了以CORM-2作为CO供体链段的复合胶束，较CORM-2提高了CO的释放时长，并具有更长的抗菌活性，可显著改善小鼠结肠炎症状。 图4. CORM-3纳米胶束的形成和细胞摄取后CO释放的示意图 [ 24 ] 纳米自组装肽具有良好的生物相容性，且其结构具有高度的可设计性，用作CO释放复合材料可减少生物毒性，提高装载稳定性，延长CO释放的时间，实现CO的靶向释放。Stupp等人 [ 26 ] 用三羰基钌与两亲性多肽共价结合合成了一种自组装多肽，该多肽可自组装形成纳米纤维水凝胶。该水凝胶能自发释放CO，且具有相对较长的释放时间(与自发释放CO的CORMs相比，如CORM-3，该复合材料的CO释放时长在CORM-3的8倍以上)。实验表明该多肽复合CO释放水凝胶在氧化应激条件下能发挥细胞保护作用，提高心肌细胞的存活率。Schatzschneider等人 [ 27 ] 利用转化生长因子(TGF-β)的多肽合成了一种CORMs-肽结合物，该复合物可通过互补序列的识别来靶向输送CO，为CO定向输送到组织和细胞提供了一种新的思路。 其他纳米粒子如脂质纳米粒子、硅基纳米粒子、聚合物纳米粒子等材料由于其纳米物质的特性，可提高CO释放材料的稳定性、CO释放时长，在一定程度上实现CO的定点输送及精确释放。Kim等人 [ 28 ] 通过热高压均质法制备了CORM-2脂质纳米粒子，提高了CO的释放时长(约为CORM-2的10倍)，增强了CO的抗炎作用。Barea等人 [ 29 ] 采用硅基纳米粒子装载CORMs，大大提高了CO的释放时长，24 h后该复合物仍有少量的CO释放，且多孔性硅基纳米粒子对CO释放后的锰金属残留物具备良好的截留能力(72 h检测截留率为86%)，可减少对正常细胞的损伤；Dordelmann等人 [ 30 ] 将光催化CORMs与二氧化硅纳米粒子共价相连，并在光引发下实现了CO在肿瘤组织的定点控释。Boyer等人 [ 31 ] 通过CORM-2与含聚(4-乙烯基吡啶)共聚物的偶联反应，制备了释放CO的聚合物纳米粒子。与CORM-2相比，其CO释放量、释放时长均有较大提高。 综上，将大分子或纳米材料与CO或CORMs集成制备CO释放材料，提高了材料的稳定性和CO的释放时长；同时，通过大分子或纳米材料特定的靶向设计实现了CO的定点释放，为CO的精确治疗开辟了新的途径。另外通过大分子或纳米材料的涂覆或包裹，还在一定程度上减少了CORMs的毒性，提高其生物相容性。