2018年，一氧化氮获得诺贝尔奖20周年，当年的获奖者之一路伊·格纳洛教授在British Journal of Pharmacology期刊组织了一期专辑，总结了20年来一氧化氮的研究进展，并配发了“NO is not just blowing in the wind”的述评文章^[3]。从经典的药物硝酸甘油到蓝色小药片“伟哥”（西地那非），一氧化氮作为一个“无处不在、无所不能”的分子，与众多疾病的发生发展密切相关，几乎体内所有器官和每一个生理过程都依赖于它。因此，一氧化氮也成为医药科学发展最快的领域之一。据统计，目前一氧化氮的相关应用已超过75 000种，涉及循环、呼吸、神经、免疫、泌尿和生殖等不同系统的疾病。

血管内皮细胞表达的一氧化氮合酶以精氨酸为底物转化释放一氧化氮，发挥抗凝血和抗血栓形成的作用，从而维持血管通畅。同时，一氧化氮能够通过舒张血管平滑肌，发挥血管扩张效应。而且，其血管舒张效应是非内皮依赖性的，随着剂量递增，依次扩张静脉血管、大中动脉和阻力小动脉，因此在冠心病和高血压治疗中发挥重要作用。一氧化氮能够抑制血管平滑肌过度增生，减少血管再狭窄的发生，对于调控血管稳态和血管生理功能具有重要意义。内皮衰老或内皮功能障碍发生时，内皮释放一氧化氮的水平显著降低。而外源性一氧化氮则具有促进内皮迁移和增殖的作用，因此其能够有效促进血管新生和血管内皮的形成。研究表明一氧化氮通过调控心肌细胞线粒体功能在缺血-再灌注损伤中发挥重要的心肌保护作用^[4]。除此以外，一氧化氮还具有抗动脉粥样硬化、调控血管钙化、改善缺血心肌代谢异常和改善心室重构等效应。

一氧化氮在各种神经系统疾病如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病等中发挥着重要作用。神经元细胞表达的一氧化氮合酶能够催化一氧化氮产生。在大脑中，正常水平的一氧化氮可以调控血液流动、神经元生长和新陈代谢以及其他神经元的功能。研究显示一氧化氮是自闭症的一个主要病理因素，高水平的一氧化氮可改变神经元的功能与结构，而降低一氧化氮水平可以缓解自闭症的表型^[5]。

早在1989年，研究人员就发现巨噬细胞能够通过产生一氧化氮杀死肿瘤细胞和细菌。近20年来，该理论得到了较大的发展：除巨噬细胞外，树突细胞、自然杀伤细胞、嗜酸性细胞以及中性粒细胞等均可通过表达诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）来产生一氧化氮。不同于内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthasee，eNOS）和神经元型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase，nNOS），iNOS是一种钙离子非依赖型蛋白，其表达受到外界刺激的调控。细菌等微生物成分（如脂多糖）和炎症细胞因子（如干扰素-γ）均可诱导iNOS的表达。当发生宿主防御反应时，巨噬细胞通过iNOS释放的一氧化氮比内皮细胞产生一氧化氮高1 000倍。其所产生的一氧化氮对iNOS的表达也发挥双向调节作用：低浓度的一氧化氮通过激活核因子-κB上调iNOS的表达；而高浓度的一氧化氮可抑制iNOS的表达。该反馈机制在一定程度上抑制了体内一氧化氮的过量生成。一氧化氮对于免疫细胞行为的调节亦与其浓度密切相关。低浓度的一氧化氮（由eNOS或nNOS产生）可抑制白细胞（包括单核细胞和粒细胞等）表面整合素（如淋巴细胞功能相关抗原-l）的表达和功能，下调多种内皮细胞黏附因子，如血管细胞黏附因子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）、细胞间黏附分子-1（intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1）、E-选择素和P-选择素等的表达，进而减少白细胞在内皮细胞表面的黏附。高浓度的一氧化氮（由iNOS产生）则可通过控制巨噬细胞代谢重编程，抑制衣康酸盐的产生，进而增强巨噬细胞的促炎活性。研究指出，高浓度的一氧化氮还可以增强巨噬细胞内半胱天冬蛋白酶-8活化和Bax/Bak驱动的线粒体凋亡，最终引发更强的炎症反应。此外，还可以调节Th1淋巴细胞的增殖，干预过敏性疾病中Th1和Th2淋巴细胞的平衡。

激活的单核细胞和巨噬细胞能够表达iNOS催化产生一氧化氮，抵御病原体感染。2004年，比利时鲁汶大学研究人员发现，一氧化氮能杀死冠状病毒，特别是导致人类严重急性呼吸综合症（severe acute respiratory syndromes，SARS）的冠状病毒。研究发现一氧化氮对导致新型冠状病毒肺炎（corona virus disease 2019，COVID-19）的严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）同样有效，能够防止病毒增殖并扩散到肺部，因此在COVID-19治疗中受到了广泛关注。

一氧化氮在细胞间信号传递中发挥关键作用，可以影响干细胞的增殖和分化等行为^[6]。适量浓度的一氧化氮是保证哺乳动物早期胚胎正常发育所必需的。一氧化氮通过调节胚胎干细胞的增殖和分化参与神经形成和心肌发育等过程，其信号的缺失会引发胚胎发育畸形或胚胎死亡。一氧化氮对于细胞干性的调控作用也与其浓度密切相关。低浓度一氧化氮可通过提高缺氧诱导因子水平维持干细胞的分化潜能；而高浓度的一氧化氮则促进胚胎干细胞向心肌细胞等终末细胞分化。高浓度一氧化氮促进胚胎干细胞分化的作用除与经典的鸟苷酸环化酶（soluble guanylate cy-clase，sGC）/环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）通路有关外，蛋白（如抗氧化蛋白等）的S-亚硝基化修饰亦参与此过程。此外，一氧化氮对于成体干细胞的迁移、增殖、分化以及旁分泌行为也具有重要的调节作用。有研究指出一氧化氮可通过调节基质金属蛋白酶活性来调控干细胞的归巢行为，进而促进血管损伤修复。同时一氧化氮也可以调控内源血管干/祖细胞的分化命运，参与血管再生重构过程^[7]。一氧化氮可增强间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）的促血管新生和免疫调节功能。研究发现通过在MSCs细胞内递送外源性一氧化氮可以有效改善细胞存活，增强细胞的旁分泌功能、提高MSCs对于缺血性疾病的治疗效果^[8]。

有机硝酸酯类药物目前在临床上广泛用于冠心病、心绞痛、高血压和心力衰竭的治疗。有机硝酸酯类药物是一类非内皮依赖性血管扩张药，其作用机制是在体内通过特异性的代谢酶转化生成一氧化氮，随后与血管平滑肌细胞膜上一氧化氮受体结合，激活平滑肌细胞内sGC释放，提高cGMP浓度，从而舒张血管平滑肌。临床上常用的有机硝酸酯类药有3大类：硝酸甘油是其中的典型代表，为短效制剂，舌下含片通过含服能迅速被吸收，生物利用度高达80%，用药后2 min即可起效，5 min达到最大疗效，持续作用时间20～30 min；硝酸异山梨酯是1950年新合成的一种中效硝酸酯类药物，最常用的是消心痛，通过口服吸收，用药后15～40 min起效，作用持续时间2～6 h，主要用于预防心绞痛；5-单硝酸异山梨酯是在1978年上市的一种长效药物，目前临床上应用较多的缓释剂型是单硝酸异山梨酯缓释片，一般早晨服用，3 h后血浆浓度达到最高，随后缓慢下降，夜间浓度最低，抗心绞痛作用可持续12 h。

一氧化氮-金属配合物类药物主要是指金属元素与具有一氧化氮释放效应的基团配位形成的配合物，临床上常用的代表药物是硝普钠。硝普钠是一种水溶性钠盐，其在体内可与含巯基的蛋白质发生作用，释放一氧化氮，作用于血管平滑肌细胞，从而舒张血管。1928年硝普钠开始应用于临床，直到1955年它治疗高血压的有效性得到确认，随后广泛应用于治疗高血压危象，它具有药效发挥迅速、快速降解和疗效持久等特点，成为治疗高血压危象的常用药物。从1970年开始，硝普钠被发现能够直接松弛动脉和静脉血管，迅速降低外周血管阻力，从而减轻前后负荷并迅速增加患者的心排血量，可用于治疗心力衰竭。硝普钠与其他扩血管药物相比，具有快速、强效和半衰期短的特点，在改善心力衰竭症状和提高心功能等方面表现出明显优势。

S-亚硝基硫醇（S-nitrosothiol，RSNO）在生物体内广泛存在，是蛋白或多肽中特定氨基酸上的巯基亚经过硝基化修饰的产物，参与体内一氧化氮的储存和转运，可以通过转亚硝基反应参与蛋白活性的调节和信号传导，是一氧化氮在体内发挥生物学效应的基本形式。人工合成的RSNO作为一类新型的一氧化氮供体类药物，可通过静脉或吸入途径给药，参与心血管、呼吸和消化等多个系统的临床治疗。该类化合物可在生理条件下自发释放一氧化氮，温度、光照和pH值可促进其反应，主要代表性化合物为S-亚硝基谷胱甘肽（S-nitrosoglutathione，GSNO）。外源性GSNO具有抑制血小板活性的作用，能有效降低血管成形术后患者和急性心肌梗死患者的血栓发生率。GSNO释放出一氧化氮后生成的副产物没有毒性，具有很好的应用前景。

偶氮二醇烯盐类药物一般由哌嗪、吡咯、脯氨酸和二乙胺等含有仲胺基团的化合物和甲醇钠的甲醇溶液在高压（5个大气压）条件下与一氧化氮反应生成。该类药物一般情况下其固体状态是稳定的，但在溶液中能自发分解，每分子药物可以释放产生2分子的一氧化氮。不同结构具有不同的释放速率，从几秒内到数小时，因此可根据所需的释放速率和作用持续时间来选择化合物结构。同时偶氮二醇烯盐类化合物与特定基团反应生成的化合物可在特定部位定量释放出一氧化氮，所以特别适合偶联特定载体制成靶向释放一氧化氮的药物。

3.1  吸入式一氧化氮设备

麻省总医院的Warren Zapol在20世纪90年代最早将一氧化氮气体临床用于治疗肺动脉高压等呼吸系统疾病，并被美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准。目前在国内也有多家医院应用吸入性一氧化氮治疗新生儿持续肺动脉高压。美国密歇根大学的Mark E. Meyerhoff教授，基于电化学催化原理发展了亚硝酸盐/Cu(Ⅱ)-络合溶液电解生成气态一氧化氮的技术，可持续产生高纯度的一氧化氮用于吸入治疗。我国诺令生物公司利用该技术开发的INOwill一氧化氮治疗仪已于2022年获三类医疗器械注册证。该设备体积小巧，解决了传统钢瓶供气设备的缺点。

哈佛医学院和麻省总医院等研究者发现吸入一氧化氮可有效改善氧合和呼吸系统症状，并将其用于治疗轻、中度COVID-19患者。2020年3月，FDA在COVID-19初期即授予吸入一氧化氮紧急使用，用于治疗COVID-19患者。

英国Futura Medical公司利用其专有的DermaSys技术开发了一款硝酸甘油透皮凝胶制剂（MED3000），目前该产品的De Novo申请（医疗器械申请途径）已获得FDA批准，用于治疗勃起功能障碍。在一项多中心、随机、开放标签、居家用药的在Ⅲ期临床试验中，与现有疗法西地那非（5型磷酸二酯酶抑制剂）相比，MED3000在治疗疗效和安全性方面更具优势。加拿大生物制药公司SaNOtize利用一氧化氮的抗菌特性开发了一氧化氮鼻喷雾剂（NONS™）用于预防SARS-CoV-2。在印度进行的Ⅲ期临床试验到达了关键终点，并取得了积极结果，应用24 h内病毒载量减少94%，48 h内减少99%，证明其安全性佳且COVID-19患者对其耐受性良好。

近年来，一氧化氮补片材料在创伤修复领域受到了广泛关注，特别是对于糖尿病足等慢性难治性创面，一氧化氮可有效解决感染和缺血的难题。此外，由于一氧化氮具有重要的心肌保护作用，一氧化氮心肌补片也成为心血管生物材料领域的一个研究热点。受硝酸甘油的药理学机制启发，本课题组设计制备了一种硝酸酯功能化修饰的可降解聚合物材料，并利用静电纺丝技术制备了硝酸酯心肌补片。该材料可利用心肌梗死区域低氧和酸性微环境加速转化产生一氧化氮，有效发挥一氧化氮心肌保护功能，并促进梗死心肌的修复再生。进一步分别在大鼠和猪的心梗模型中验证了其心肌保护作用和治疗功能。同小分子硝酸酯类药物相比，该补片材料可在心肌组织原位转化形成一氧化氮，充分发挥一氧化氮的心脏保护功能，从而获得更好的治疗效果^[9]。

血管内皮是天然的抗凝血功能界面，内皮细胞以恒定速率释放一氧化氮，从而有效抑制血小板聚集、白细胞黏附和平滑肌增殖，对于维持血管通畅发挥关键作用。因此，通过模拟天然血管内皮功能，赋予材料表面一氧化氮释放功能，是植介入医疗器械（血管支架、人工血管、封堵器、人工瓣膜等）表面改性的一个重要思路。RSNO被认为是体内一个重要的一氧化氮蓄水池。西南交通大学课题组通过在血管支架表面构建具有催化功能的涂层，将内源性RSNO分解释放一氧化氮，从而有效改善支架材料的血液相容性^[10]。美国药物开发企业NitroMed公司通过对白蛋白进行多重S-亚硝基化修饰以制备一氧化氮供体复合物，并将其用于抗凝血表面改性，能有效抑制血小板的黏附和聚集。该公司曾与波士顿科技公司合作，共同开发带有一氧化氮涂层的心血管医疗器械。本课题组利用转肽酶在人工血管表面修饰工程化酶，可以催化外源性一氧化氮供体化合物原位分解释放一氧化氮，从而仿生血管内皮功能。一氧化氮能够显著改善人工血管表面抗凝血性能，提高血管通畅性，具有良好的临床转化前景^[11]。

作为一个小分子气体自由基，一氧化氮具有半衰期短、弥散和作用广泛的特点，其时空分布和浓度需要精准可控。体内的3种一氧化氮合酶（nNOS、iNOS和eNOS）表达的一氧化氮水平各不相同，分别发挥不同的生理功能。外源性一氧化氮往往是一把“双刃剑”，研究发现在炎症反应、干细胞分化和神经调控等不同过程中，高浓度和低浓度一氧化氮分别发挥截然相反的作用。此外，外源性一氧化氮需要实现定点（靶向）传输，因为全身性一氧化氮递送往往会引发反射性心动过速和低血压等不良反应。本课题组利用化学生物学“凸凹互补”原理设计制备了一氧化氮靶向递送系统，从而可以将一氧化氮精准递送至病灶部位，从而有效解决了一氧化氮非特性释放和由此引发的不良反应，提高了治疗效果^[12]。

氧化还原平衡与细胞稳态、功能以及信号转导密切相关。一氧化氮作为一种重要的气体信号分子，参与维持氧化还原平衡及其相关的生理及病理过程。细胞内活性氧过量产生以及一氧化氮减少或生物利用度降低会导致一氧化氮/活性氧氧化还原失衡，与心血管、肿瘤等多种疾病的发生发展相关。因此，一氧化氮供体分子和材料设计时需要考虑病理微环境的一氧化氮/活性氧的相对水平，而新一代一氧化氮药物应同时具有释放一氧化氮和清除活性氧的功能^[13]。

医疗器械行业展览Medtec China了解到一氧化氮作为一类创新性医疗器械，注册审批中往往遇到很多困难，这也导致我国一氧化氮类医疗器械相对较少的现状。通常情况下，其属于药械组合模式，因此分类鉴定不清晰。如归为创新药物，则评审及审批周期长，成本高，限制了其转化应用。因此，需要创新管理范式，简化注册审批流程，鼓励相关产品尽快投入临床。同时也可以借鉴国外的经验。如用于治疗勃起功能障碍的MED3000是首次被FDA以非处方药方式批准，目前已在欧洲上市。而现有的治疗药物西地那非仅作为处方药使用，因此MED3000更容易被患者接受。在COVID-19爆发之初，2020年3月就有2家公司的一氧化氮吸入治疗产品被FDA应急审批治疗COVID-19。

利益冲突  所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明   赵强：论文撰写与修改；钱盟、卫永禛：论文撰写