血红蛋白氧载体增强肿瘤治疗效果研究进展

杨晓倩 陈绍水

滨州医学院附属医院肿瘤科，滨州 256600

肿瘤是当今对人类寿命及生活质量影响最大的疾病之一，因此迫切需要有效的治疗策略。然而由于肿瘤微环境（TME）的影响，现有治疗措施并没有达到人们对肿瘤治疗效果好、生存率高、不良反应小、预后好的期望。缺氧是实体恶性肿瘤的常见和重要特征。肿瘤缺氧微环境与肿瘤进展、侵袭性增加、转移潜力增强、肿瘤的转移密切相关。另外，缺氧还能增加肿瘤对放化疗等非手术治疗的抵抗［1-2］。因此，增加肿瘤细胞含氧量对提高治疗效果并抑制肿瘤生长和转移有着重要意义。现如今，在世界范围内多种改善肿瘤缺氧的措施已被开发并在肿瘤治疗领域取得一定成果。具有携氧功能的血红蛋白氧载体（HBOCs）一直是提高组织氧含量的研究热点，它具有保质期长、无需交叉配血、污染风险低等优点，最初被用作血液替代品，然而越来越多的研究表明HBOCs也有助于增加肿瘤氧合及放化疗等抗肿瘤治疗的敏感性，为缓解肿瘤缺氧提供了新的方法。随着对其研究的不断深入，现已取得了许多新的进展。本文将对近5年来HBOCs研究进展及其在缓解肿瘤缺氧、增强肿瘤治疗效果方面的应用进行综述，为临床肿瘤治疗提供参考。

HBOCs

1、化学修饰的血红蛋白

化学修饰的方法主要是通过增大血红蛋白分子半径以减少血红蛋白从肾脏滤过从而减少其对肾脏的损害并延长体内半衰期，以及降低血红蛋白与氧的亲和力使其更易在组织中释放氧气［3］。化学修饰的血红蛋白主要包括共轭、聚合和交联的血红蛋白3种。

至今仍在使用且研究最广泛的基于Hb的氧载体是HBOC-201（由马萨诸塞州剑桥的Biopure开发的Hemopure），它是一种将纯化的牛血红蛋白与戊二醛聚合的氧载体，于2001年在南非获得批准，用于治疗患有急性贫血的成年外科手术患者。HBOC-201可以作为一种暂时性的氧桥，不仅可以在紧急情况下改善组织和器官的氧合，直至体内红细胞恢复足够的携氧能力，还可以为缺血缺氧组织和器官提供氧气，减轻缺血再灌注损伤［4］。然而，因HBOC-201增加心肌梗死与死亡风险有关而颇受争议［5］，现只能通过扩大准入（EA）获得。EA项目自2014年起在美国开展，主要针对因宗教信仰而拒绝输血的患者［6］。目前，它还被美国和欧盟批准用于兽医用途［7］。在针对器官保存和急性冠状动脉综合征等特殊应用方面，美国和欧盟的科学家仍在研究［8-9］。

Muller等［10］的研究发现，以聚合牛血红蛋白（PolybHb）为代表的高分子量血红蛋白在增加氧气携带能力方面是安全和有效的，并且多聚血红蛋白的氧气亲和力不影响组织的氧气递送或提取。另外，牛或人血红蛋白被人血清白蛋白共价包裹制成的血红蛋白-白蛋白簇（HbBv-HSA3和HbA-HSA3）作为红细胞替代物的人工氧气载体具有较低的渗透风险。Okamoto等［11］将其注入失血性休克大鼠体内，HbBv-HSA3和HbA-HSA3组与自体血复苏组相比，血气参数在两组大鼠中均无显著差异，表明HbBv-HSA3和HbA-HSA3簇可作为自体输血的替代材料。

纳米粒子作为血红蛋白氧载体的新支架引起了广泛关注。迄今为止最有希望的是二氧化硅纳米粒子。有研究表明，人类血红蛋白对二氧化硅纳米颗粒具有高亲和力，二氧化硅纳米颗粒可以作为人类天然和突变血红蛋白的效应器［12］。使用纳米粒子控制血红蛋白氧合为新型血红蛋白氧合物的设计开辟了道路。近年来一些新发现的化学修饰剂包括聚多巴胺［13］、阿魏酸［14］等，均取得一定研究成果。

2、基因工程血红蛋白

上述HbA-HSA3簇作为红细胞的替代品需从过期的人红细胞中获取一定量的原始人血红蛋白A（HbA），因此原料获取有一定难度。如果将HbA-HSA3簇的原材料替换为重组蛋白，则无需捐献的血液就可以产生完全合成的氧气载体。Funaki等［15］描述了用重组人血清白蛋白（rHSAs）共价包被的转基因成人血红蛋白（rHbA）合成和氧气亲和力，作为人工氧气载体的全合成红细胞（RBC）替代品。由毕赤酵母表达的野生型rHbA具有与天然HbA相同的氨基酸序列和三维结构。研究发现这类载体具有中等低的氧气亲和力和高协同性，产生的最大氧气转运效率比人红细胞高1.8倍［16］。因此，基因工程rHbA（X）-rHSA3簇有望成为一种新的氧传递产物，用于缓解肿瘤缺氧。

3、微囊包裹的血红蛋白

将Hb包封在具有脂质双层膜的脂质体中制成的氧载体称为血红蛋白囊泡（HbV）。它不仅能防止Hb与血液成分和内皮直接接触，而且可以通过维持一氧化氮活性来减弱血管收缩作用。Takase等［17］研究的结果表明，HbV输注对致死性失血性休克大鼠的预后有积极的影响，其程度与输注洗涤红细胞相当。然而，由于大量脂质体包囊进入体内会迅速被网状内皮系统摄取从而干扰机体对其他异物的反应，科学家们研发出了可生物降解材料——聚乳酸，以此包裹Hb，其安全性相较脂质体更高，现已被美国FDA批准应用于临床［18］。

4、新型血红蛋白

现今正在研发的许多血液替代品是基于哺乳动物血红蛋白，有科学家发现，无脊椎动物的天然细胞外血红蛋白是有用的替代氧载体。法国Hemarina公司从名为Arenicola marina的海洋无脊椎动物体内提取到一种游离聚合Hb（HemO2Life），这种细胞外血红蛋白的氧气容量是脊椎动物血红蛋白的40倍，它分子的大小比人类红细胞小250倍，使其能够更易将氧气输送到微循环的所有区域。HemO2Life现已作为保存溶液中的添加剂用于人体移植［19］。Asong-Fontem等［20］的研究表明HemO2Life可减轻大鼠脂肪肝静态冷藏期间的缺血再灌注损伤。Zimmerman等［21］对比了6种无脊椎动物血红蛋白的氧化速率、生理pH值下的解离、热稳定性和氧气传输特性等指标后，将陆生蚯蚓血红蛋白和赤子爱胜蚓血红蛋白确定为2种有前途的潜在血液替代品，值得未来研究。

HBOCs增强抗肿瘤治疗效果

1、HBOCs增效化疗

缺氧是肿瘤的一大特征，有充分证据表明，耐缺氧肿瘤细胞对大多数抗癌治疗具有抗性：一方面深深嵌入肿瘤内部的无血管区域阻碍了化疗药物的递送，另一方面缺氧被认为是诱导化疗剂多药耐药的主要驱动力［22-23］。血红蛋白氧载体黏度低、直径小的特点使其易于在肿瘤组织与正常组织氧分压差下深入肿瘤缺氧区域，增加肿瘤氧合和放化疗敏感性［24］。YQ23是一种稳定的非聚合交联四聚体血红蛋白。有研究显示YQ23可显著抑制顺铂治疗下肝癌细胞的增殖，并且在原位肝癌模型中，YQ23给药显著增加了基于顺铂的化疗的疗效［25］。此外，YQ23在对化疗耐药的食管鳞状细胞癌也具有化疗增敏剂的作用［26］。Jiang等［27］将血红蛋白及化疗药物包裹在脂质体中分别制成血红蛋白的脂质体（Hb@lipo）和化疗药物脂质（CBZ@lipo），并将他们应用至结肠癌及乳腺癌小鼠体内。实验结果表明，Hb@lipo可以有效向肿瘤输送氧气，并降低转移相关蛋白的产生，控制癌细胞的骨架和形态。在Hb@lipo的帮助下，肿瘤的缺氧状态得到了显著缓解。CBZ@lipo和Hb@lipo联合用药显著抑制了肿瘤的生长，与单独使用化疗药物和CBZ@lipo相比，这种联合治疗的策略在整个治疗过程中明显减少了癌细胞的转移。董德操等［28］开发了一种聚合人脐带血血红蛋白氧载体（PolyCHb）可明显改善肿瘤缺氧，延缓肿瘤生长并增加仑伐替尼化疗的疗效。

2、HBOCs增效放疗

放疗的主要机制是产生活性氧（ROS），进而不可逆转地破坏肿瘤细胞DNA，导致细胞凋亡和细胞死亡［29］。杀死低氧细胞所需的辐射剂量是杀死常氧细胞的3倍，由于正常组织对辐射的耐受性有限，通常不可能增加辐射剂量来补偿肿瘤低氧［30］。因此，可以增强癌细胞对辐射的敏感性的氧载体作为辐射增敏剂被引入以克服这些障碍。Gao等［31］开发了一种基于血红蛋白和姜黄素的自组装纳米粒子，该纳米颗粒可通过抑制细胞增殖和DNA损伤修复以及诱导凋亡，抑制肝癌细胞迁移，并增强缺氧肝癌细胞的放射敏感性。具有产生二次电子的高效率的金纳米粒子已被证明是在X射线或γ射线照射下最有效的放射增敏剂之一［32］。Xia等［33］制备了负载金纳米颗粒-血红蛋白复合物纳米颗粒的血小板（Au-Hb@PLT）。这些Au-Hb@PLT被肿瘤细胞激活后形成的血小板衍生颗粒（PM）可以将金纳米颗粒-血红蛋白复合物递送到肿瘤组织深处，减轻缺氧并在低放疗剂量下提高疗效放疗。

3、HBOCs增效免疫治疗

免疫检查点程序性细胞死亡蛋白1（PD-1）阻断已在多种癌症中显示出有希望的抗肿瘤效果［34］。肿瘤缺氧可增加程序性细胞死亡蛋白配体1（PD-L1）的表达，从而降低细胞毒性T细胞对肿瘤细胞的杀伤力。因此，减轻缺氧可能是提高以PD-1阻断为代表的肿瘤免疫治疗疗效的有效策略。Jiang等［35］的研究表明，Hb@lipo有助于改变TME中的细胞和免疫因子，使其从免疫抑制状态转变为免疫促进状态，突破PD-1抗体治疗瓶颈，显著抑制乳腺癌的进展。Chow等［36］研究表明YQ23可通过缓解肿瘤缺氧从而抑制三阴乳腺癌细胞CD73和PD-1的表达，以此刺激宿主免疫反应来降低肿瘤生长。

4、HBOCs增效光动力疗法（PDT）

活性氧的产生也可以通过PDT来实现。PDT需要施用光敏剂，光敏剂在受到照射后将其能量转移到周围组织中可用的氧，导致氧的不完全还原，从而产生ROS［37］。PDT的抗肿瘤作用受到低氧肿瘤微环境的阻碍，并受益于肿瘤氧水平的正常化。Dang等［37］创造了一种人造的假红细胞（MMRBCs），应用生物膜重组技术制备的红细胞膜（RBC膜）中包裹Hb和光敏剂，试验结果表明，MMRBCs具有肿瘤积聚能力和对肿瘤内极度缺氧的PDT效力的高度耐受性，可显著缩小甚至完全消除肿瘤［38-39］。Guo等［40］通过装载Hb和光敏剂制备了生物相容性脂质体（LIH），用于增强针对低氧肿瘤的PDT。LIH可以积累到皮下和深部原位肿瘤中，在近红外激光照射下，大量的氧可以被输送到肿瘤中，用于光敏剂产生毒性ROS，进而杀死肿瘤细胞。与传统的癌症PDT相比，与氧载体联合应用的PDT显示出更大的疗效，并证明了用纳米技术调节肿瘤微环境以克服癌症治疗的局限性的前景。

5、HBOCs增效声动力疗法（SDT）

SDT是一种将声敏剂与超声波相结合的新兴的肿瘤治疗手段。声敏剂可选择性地在肿瘤细胞中聚集，并在超声波的激活下产生ROS从而杀死肿瘤细胞［41］。然而，TME由于异常的肿瘤脉管系统而处于缺氧状态，导致TME中谷胱甘肽（GSH）产生增加，吸收了SDT产生的ROS。因此，缓解肿瘤缺氧是发挥SDT疗效的首要问题。Yin等［42］将HSA和Hb通过二硫键重构，然后封装声敏剂锰酞菁（MnPcS）设计了一种新的氧增强杂交蛋白纳米敏化剂系统（MnPcS@HPO），该纳米粒不仅能靶向肿瘤部位并缓解缺氧并且能在超声照射下被激发诱导产生氧气，诱导深层肿瘤细胞凋亡和坏死。Yuan等［43］通过将Hb封装到ZIF-8纳米载体中合成了Hb@ZIF-8（HZ）纳米颗粒运输氧气和血红蛋白，它在酸性TME中会分解释放出大量氧气，缓解肿瘤缺氧。体内试验表明，在超声辐照下，携氧的HZ纳米粒子不仅可以抑制皮下肿瘤的生长，还能抑制深部肿瘤的生长，实现不同深度的SDT。

6、HBOCs增效抗肿瘤联合治疗

由于不同抗肿瘤疗法各自的局限性，单一的治疗方法很难取得令人满意的效果，联合治疗的方法已经被普遍应用于临床。Xu等［44］将Hb与光敏剂二氢卟吩e6（Ce6）相连，并负载索拉非尼（SRF），构建了一种二合一纳米平台（SRF@Hb-Ce6），通过缓解肿瘤缺氧以及补充铁增强PDT及索拉菲尼疗效。SRF@Hb-Ce6纳米平台显示了肿瘤治疗的低毒性和高效率，为安全有效的肿瘤治疗提供了有前途的策略。Sang等［45］将一种与Ce6修饰的多酚、放射增敏剂铪（Hf）和Hb，所获得的Hb@Hf-Ce6纳米粒子不仅增强了RT-放射动力学疗法（radiodynamic therapy，RDT）的治疗效果，并且能调节缺氧的TME以逆转免疫抑制，增强PD-1免疫检查点阻断促进抗肿瘤免疫反应。

小结与展望

缺氧是当前抗癌手段如放疗、化疗、免疫疗法、PDT、SDT及联合治疗等的主要障碍。科学家已经尝试了多种不同的方法来逆转肿瘤缺氧，经过长时间的研究，在目前的临床试验中，基于Hb的氧载体可以通过对Hb进行化学修饰、微囊包裹以及开发新型Hb以产生理想的氧气卸载特性并延长循环半衰期。多种HBOCs产品如PolyHeme、Hemospan和Hemotech等都已进入不同水平的临床试验，然而，需要进一步的研究来确定他们的临床安全性和有效性。应该在已建立的解剖学和生理学相关的临床前动物模型中系统研究无细胞化学修饰的聚合Hb设计与包封的Hb设计，比较循环停留时间、组织氧合功效、NO清除相关的高血压风险和血液相关的毒性。另外，其他物种的Hb在很多方面显示出较人类Hb在氧气运输调节及可获得性等方面更大的优势，以后的研究应多集中于研究此类Hb应用于人体的适应性及毒性问题。总之，本综述的目的是为今后的研究提供参考。随着科学研究的发展，找到更好缓解肿瘤缺氧的方法无疑对未来抗肿瘤研究具有重要意义。尽管如此，面对TME的复杂性和个体差异导致的异质性，寻求更好缓解肿瘤缺氧的方法并将其应用于肿瘤的临床治疗仍然任重道远。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突