聚多巴胺包覆血红蛋白氧载体的生物物理与生化特性研究：新型抗氧化策略的开发与评价

为解决HBOC(血红蛋白氧载体)因氧化应激导致的临床转化难题，研究团队创新性开发了CO预结合(PDA-hHb-13)和预聚PDA纳米颗粒(PDA-hHb-15)两种包覆方法。相比传统方法(PDA-hHb-1)，新方法将metHb(高铁血红蛋白)水平从13.7%降至5%以下，PDA-hHb-15更使自氧化速率降低50%。研究证实PDA涂层可显著提升FRAP(铁还原抗氧化能力)和ABTS自由基清除活性，为开发兼具氧化稳定性和氧输送功能的HBOC提供了新思路。

　　

输血医学领域长期面临血液供应短缺的全球性挑战，特别是在大规模伤亡事件或特殊宗教文化地区。血红蛋白氧载体(Hemoglobin-based Oxygen Carriers, HBOCs)作为红细胞替代品虽经数十年研发，却因铁介导的氧化毒性问题屡屡折戟——游离血红蛋白(hemoglobin, Hb)在血管外空间会引发血管收缩、系统性高血压，更严重的是其铁原子(Fe²⁺)通过Fenton反应产生活性氧物种(Reactive Oxygen Species, ROS)，导致脂质过氧化和DNA损伤。尽管红细胞内天然的抗氧化酶系统(如超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT)能将高铁血红蛋白(methemoglobin, metHb)控制在1%以下，但传统HBOCs如HemAssist、PolyHeme等均因无法有效模拟这种保护机制而未能获批临床。

美国俄亥俄州立大学(The Ohio State University)化学与生物分子工程系的Andre F. Palmer团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，系统评估了聚多巴胺(polydopamine, PDA)涂层对HBOC性能的影响。研究人员创新性地采用两种新策略：一是先将人血红蛋白(human hemoglobin, hHb)与一氧化碳(carbon monoxide, CO)结合形成hHbCO再包覆PDA(PDA-hHb-13)，二是预先将多巴胺聚合成PDA纳米颗粒(NPs)再包覆hHbCO(PDA-hHb-15)，并与传统碱性pH包覆法(PDA-hHb-1)进行对比。通过紫外可见光谱、动态光散射、圆二色谱等技术，结合氧平衡曲线、自氧化动力学、FRAP等系列功能实验，全面解析了不同包覆方法对HBOC性能的影响。

关键技术包括：采用切线流过滤(TFF)纯化hHb；通过CO光解实现PDA-hHb的"解锁"；使用停流光谱测定氧解离和触珠蛋白(haptoglobin, Hp)结合动力学；采用ABTS法和FRAP法量化抗氧化活性；通过硫化血红蛋白(sulfHb)形成实验评估H₂O₂介导的氧化损伤。

在hHb纯化与表征部分，研究发现传统PDA包覆法(PDA-hHb-1)导致metHb高达13.7%，而CO预结合策略(PDA-hHb-13)和PDA NPs包覆法(PDA-hHb-15)分别将metHb控制在4.4%和5.6%。动态光散射显示PDA-hHb-15粒径达385±54 nm，显著大于其他组别的6 nm左右，预示其可能被网状内皮系统更快清除。

氧传输特性研究揭示，PDA-hHb-13的P₅₀(17.2 mmHg)显著高于hHb(14.5 mmHg)，有利于氧释放；而PDA-hHb-15的氧卸载速率(32.9 s^-1)虽低于hHb(41.1 s^-1)，仍高于天然红细胞的8.6 s^-1。自氧化动力学显示PDA-hHb-15的速率常数(0.043 h^-1)仅为PDA-hHb-13(0.078 h^-1)的一半，证实预聚PDA NPs可减少多巴胺与血红素口袋的相互作用。

在抗氧化性能方面，所有PDA-hHb变体的FRAP值(28.6-34.7 μM/μg)均显著高于hHb(14.8 μM/μg)，ABTS自由基清除率也提升60-80%。但H₂O₂介导的氧化实验显示，PDA-hHb-13和PDA-hHb-15的sulfHb生成量(6.1-6.6 μM)远高于hHb(0.3 μM)，这与PDA涂层导致CAT活性降低有关——hHb保留20.3 units/mL CAT活性，而PDA-hHb-15仅剩3.1 units/mL。

结构分析表明，PDA-hHb-15的α-螺旋含量减少，但血红素口袋(421 nm处椭圆度)未受影响。热稳定性实验显示所有PDA涂层均使hHb的熔解温度(T_m)降低3-6°C，反映PDA与珠蛋白的相互作用可能破坏部分氢键网络。

这项研究的重要意义在于：首次通过CO预结合和PDA NPs预成型策略，将PDA包覆HBOC的metHb水平控制在临床可接受范围(<10%)；阐明PDA涂层虽增强外源性抗氧化能力(FRAP/ABTS)，但会削弱内源性CAT保护，导致H₂O₂敏感性增加；发现PDA-hHb-15独特的"表面包覆"模式可减少对血红蛋白中央水腔的干扰，维持更接近天然的氧亲和力。这些发现为优化HBOC的氧化稳定性与功能平衡提供了明确方向，尽管在粒径控制等方面仍需改进以延长循环半衰期。该工作系统解决了HBOC开发中的关键氧化毒性难题，为下一代输血替代品的临床转化奠定了重要基础。