一氧化碳(CO)被认为是一种潜在致命的气体，但它也具有免疫调节作用，小剂量即可减少炎症并有助于刺激组织再生。由麻省理工学院、布莱根妇女医院、爱荷华大学和贝斯以色列女执事医疗中心领导的研究小组现已设计出一种新方法，可以将一氧化碳输送到体内，从而避免潜在的危险影响。受分子美食学技术的启发，研究人员将二氧化碳融入稳定的泡沫或可以输送到消化道的气体捕获材料(GEM)中。
研究人员的研究表明，这些材料可以捕获二氧化碳并将其输送到不同动物模型的肠道，减轻结肠炎和辐射引起的肠道损伤等肠道损伤。这些新材料可以解决二氧化碳缺乏安全输送途径的问题，并促进气体在多种条件下的临床使用。
“输送气体的能力为我们如何看待治疗学开辟了全新的机会，”麻省理工学院机械工程系卡尔·范·塔塞尔职业发展助理教授、布里格姆医学院胃肠病学家GiovanniTraverso博士说。妇女医院。“我们通常不认为气体是一种可以口服(或可以直肠给药)的治疗方法，因此这提供了一种令人兴奋的新方法来思考我们如何帮助患者。”
Traverso和哈佛医学院和贝斯以色列女执事医疗中心的外科教授LeoOtterbein博士是该团队在《科学转化医学》上发表的论文的高级作者，该论文的标题是“通过气体捕获传递治疗性一氧化碳”材料。”主要作者是詹姆斯·伯恩(JamesByrne)医学博士、哲学博士、爱荷华大学的医师科学家和放射肿瘤学家(前麻省总医院布里格姆/达纳·法伯放射肿瘤学项目的住院医师)以及麻省理工学院科赫综合研究所的研究附属机构癌症研究;DavidGallo，贝斯以色列女执事研究员;汉娜·博伊斯(HannahBoyce)是布莱根妇女医院的研究工程师。
]
作者写道，二氧化碳是一种无味无色的气体，长期以来一直被认为是“无声杀手”。当吸入高浓度时，一氧化碳会与血液中的血红蛋白(Hb)结合，取代氧气并形成碳氧血红蛋白(COHb)，从而降低人体的携氧能力，可能导致严重的健康影响甚至死亡。“一般来说，如果COHb达到50%，那么可能会导致昏迷、抽搐、呼吸抑制和心血管状况，甚至致命的后果，”研究人员继续说道。
相反，在较低剂量下，二氧化碳可以产生有益的作用，例如减少炎症和促进组织再生。自20世纪90年代末以来，Otterbein一直在研究低剂量一氧化碳的治疗效果。该气体已被证明可以在预防移植器官排斥、减少肿瘤生长以及调节炎症和急性组织损伤方面发挥有益作用。作者继续说道：“在临床前模型中，外源性给予CO有利于治疗许多疾病，包括心血管疾病、脓毒症和休克、急性肺、肾和肝损伤、感染和癌症。”
“我们多年来就知道，当以吸入气体形式吸入一氧化碳时，它可以对各种疾病病理产生有益的影响，”奥特宾补充道。“然而，由于与安全和可重复给药相关的多种原因以及医护人员的担忧，在临床上使用它一直是一个挑战，这导致人们希望找到其他给药方法。”正如作者解释的那样，“然而，由于患者通气的可变性、患者和医护人员的环境安全问题，以及钢瓶中需要大量压缩二氧化碳气体，吸入输送提出了严峻的挑战，这对健康构成了危害。钢瓶泄漏或快速减压的可能性。
几年前，Traverso和Otterbein是由ChristophSteiger博士介绍的，ChristophSteiger博士是前麻省理工学院博士后，也是新报告研究的合著者。特拉弗索的实验室专门开发将药物输送到胃肠道的新方法。为了应对输送气体的挑战，他们提出了将气体融入泡沫中的想法，就像厨师使用二氧化碳制造注入水果、蔬菜或其他风味的泡沫的方式一样。
科学家们指出：“过去40年来，分子美食学科激发了美味气体填充材料的灵感。”“世界各地的厨师……都使用泡沫和蛋白酥皮来捕捉吸引感官的独特口味和质地。”然而，作者继续说道，“分子美食学的技术很少被转化为药理学目的，并提供了一个独特的机会，使二氧化碳和其他气体递质能够穿过胃肠道上皮。”
烹饪泡沫通常是通过在已制成泥状的液体或固体中添加增稠剂或胶凝剂，然后搅打以掺入空气或使用专门的虹吸管注入二氧化碳或压缩空气等气体来产生的。
麻省理工学院的团队创造了一种改进的虹吸管，可以连接到任何类型的气体罐上，使他们能够将一氧化碳融入到泡沫中。为了制造泡沫，他们使用了海藻酸盐、甲基纤维素和麦芽糖糊精等食品添加剂。还添加黄原胶以稳定泡沫。通过改变黄原胶的量，研究人员可以控制注射泡沫后气体释放所需的时间。
在证明他们可以控制体内气体释放的时间后，研究人员测试了泡沫的不同应用。首先，他们研究了两种类型的局部应用，类似于使用乳膏来舒缓瘙痒或发炎区域。在一项针对小鼠的研究中，他们发现直肠输送泡沫可以减少由结肠炎或辐射诱发的直肠炎(可能由宫颈癌或前列腺癌的放射治疗引起的直肠炎症)引起的炎症。
目前对结肠炎和克罗恩病等其他炎症性疾病的治疗通常涉及抑制免疫系统的药物，这会使患者更容易受到感染。研究人员建议，使用可直接应用于发炎组织的泡沫来治疗这些疾病，为这些免疫抑制治疗提供了一种潜在的替代或补充方法。在他们报告的研究中，泡沫是经直肠给药的，但也可以口服给药。“泡沫非常易于使用，这将有助于转化为患者护理，”伯恩说。
然后，研究人员开始研究可能的系统应用，其中一氧化碳可以被输送到远处的器官，例如肝脏，因为它能够从胃肠道扩散到身体的其他地方。他们写道：“我们在三种与炎症和氧化应激诱导的组织损伤相关的小动物模型中测试了我们的配方：对乙酰氨基酚(APAP)诱导的急性肝损伤、实验性结肠炎和辐射诱导的直肠炎。”
在该研究的一部分中，研究小组使用了对乙酰氨基酚过量的小鼠模型，该模型会导致严重的肝损伤。他们发现输送到下胃肠道的气体能够到达肝脏并大大减少炎症和组织损伤的数量。科学家们表示：“与接受空气GEM或未接受治疗的对照组相比，通过血清丙氨酸氨基转移酶(ALT)浓度测量，接受泡沫GEM的动物肝细胞损伤出现剂量依赖性减少。”
在诱发结肠炎的小鼠中进行的另一组实验结果支持COGEM制剂在限制结肠组织损伤方面的治疗效果。在辐射诱发直肠炎的单独大鼠模型中，在辐射前后直肠施用泡沫GEM可减少肠隐窝损伤。
研究人员在他们报告的实验中没有发现一氧化碳给药后有任何副作用。此前对人类的研究表明，少量的一氧化碳可以安全吸入。健康个体血液中的一氧化碳浓度约为1%，对人类志愿者的研究表明，可以耐受高达14%的浓度，而不会产生不良影响。
“我们认为，对于本研究中使用的泡沫，我们甚至没有接近我们所担心的水平，”奥特宾说。“我们从吸入气体试验中了解到，只要您知道并能够控制给药量，就像任何药物一样，它是安全的。这是这种方法的另一个好处——我们可以控制精确的剂量。”
作为他们报告的研究的一部分，研究人员还使用类似于制作PopRocks(含有加压二氧化碳气泡的硬糖)的技术，制造了含一氧化碳的凝胶以及充气固体。“……我们证明，通过泡沫、固体和水凝胶GEM管理二氧化碳可以在局部和系统中提供可滴定量的二氧化碳，”他们写道。“我们证明，能够通过非吸入途径施用二氧化碳的配方是可调的，并且不受输送材料、毒性或效力的限制。我们的临床前结果表明，通过这些材料输送二氧化碳具有剂量依赖性和可调性，并且非常适合直肠给药。”
除了开发可能适合人类患者测试的泡沫之外，该团队还计划在进一步的研究中测试不同的配方。他们建议，二氧化碳输送系统也可以与其他疗法一起使用。“......我们的系统适合与其他疗法共同给药，以提高治疗效果，例如与粉末药物制剂配合使用。”
研究小组指出，系统的进一步改进可能会进一步增加二氧化碳含量，或者将GEM与其他气体(例如一氧化氮或硫化氢)一起使用，可以进一步扩大该技术的实用性。他们写道：“总之，我们使用安全材料的创新方法将为治疗气体的管理和急性和慢性炎症性疾病的治疗提供模式。”“鉴于CO的广泛治疗益处，所描述的GEM不仅可用于许多不同的临床应用，特别是炎症介导的胃肠道疾病，而且还可用于癌症、肠梗阻、创伤和器官移植等多种病理学。”