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一氧化碳(CO)中毒可造成脑、心脏、肺等多脏器损伤，其发病率和病死率均占我国职业和非职业中毒的前列。在美国，每年有数千人发生CO中毒后就医，其中数百人死亡，由此导致的花费每年超过10亿美元[1]。1912年Douglas等[2]提出了CO中毒与血红蛋白(Hb)关系的经典学说，即CO中毒时S型的氧离曲线左移，Hb携氧能力下降，同时碳氧血红蛋白(COHb)结合的氧不易释放，最终造成组织缺氧。1917年Haldane[3]提出高浓度或高分压氧是减轻CO中毒效应的最佳拮抗剂。自此，以COHb理论为中心的缺氧机制被广泛接受，也成为氧疗的合理原因。
两个事件改变了CO的命运：(1)1949年，Sjostrand[4]报道人体可通过血红素代谢分解产生内源性CO；(2)1968年，分解血红素产生CO的血红素氧合酶被分离和鉴定出来[5]。现在我们知道，在血红素氧合酶的作用下，血红素可分解为CO、铁离子和胆绿素。大量研究证明，内源性CO可不需受体或转运体而自由穿过膜结构，介导细胞的功能改变。这一特征使CO成为继一氧化氮(NO)被发现以来的第2个气体信号分子。内源性CO通过与含有过渡金属的酶、离子通道，如可溶性鸟苷酸环化酶、离子通道、NO合酶、细胞色素氧化酶等结合而发挥生理作用[6]。但p38、信号转导与转录激活子3等活性分子也被证实是CO发挥作用的靶点。Otterbein等[7]最早报道吸入低浓度CO可通过抗炎和抗凋亡作用改善肺损伤。此后，研究证实内源性CO与外源性低浓度CO在抗炎、抗凋亡、抑制平滑肌增殖、扩血管、抗血小板聚集等诸多方面发挥重要作用。
在高等动物中，内源性产生的CO由Hb携带，形成COHb运至肺部，经呼吸排出体外。检测组织和细胞水平的CO浓度对理解CO的作用至关重要，在动物实验中有人应用，但是有创的、灵敏度不高，临床较难获得。常用的方法有气相色谱法、紫外可见光谱法、14C标记法等，以及通过COHb间接反映CO的浓度[8]。目前COHb水平仍作为人体内CO含量的最佳指标。内源性CO产生的速度在不同动物、不同组织器官中有所不同，每毫克蛋白约为0.029～0.280 nmol/h[8]，外源性给予CO超过生理浓度时可产生一定的保护作用，当剂量继续增加，包括浓度和暴露时间，有可能导致中毒，但从保护作用到中毒效应的剂量分界不甚明了。多数研究认为，在一定时间范围内COHb浓度<20%是不会产生明显毒性作用的，这也被认为是人体应用的"生物学阈值"[9]。COHb在非吸烟者中的浓度一般≤1%，而在吸烟者中有可能达到3%～5%，但很少>10%[10]，临床可据此做出CO中毒的初步诊断。中国2012年颁布的《一氧化碳中毒临床治疗指南》[11]中的相关标准指出：COHb含量>10%为轻度中毒，>30%为中度中毒，>50%为重度中毒。
CO与Hb的结合能力是氧气的200～300倍[2]，COHb形成后致组织缺氧，但单纯缺氧难以解释中毒后的很多现象，如中毒时常见的心律失常[12]、迟发性脑病等。医生们也注意到COHb水平与患者症状、体征以及最终预后并非完全一致。这使得人们不断探索其他可能的中毒机制。
CO可通过损伤线粒体功能、增加细胞溶质血红素水平、结合血小板血红素蛋白、促进NO生成等多种作用促进活性氧的产生，导致氧化损伤。此外，中性粒细胞、淋巴细胞、神经胶质细胞等都可能参与了病理学效应，并最终造成各脏器损伤。在这一机制中，CO与NO的相互作用显得尤为重要。CO既增加NO的生成又增加其释放，还能激活NO合酶生成更多的NO。NO可对抗儿茶酚胺的作用，扩张血管，降低血压，还能致氧化作用增强，损伤细胞和DNA，最终细胞死亡。
经典的CO信号调节过程包括，CO与可溶性鸟苷酸环化酶中血红素基团的铁原子结合，使其构型改变并激活该酶，增加细胞内环磷酸鸟苷的生成，然后以自分泌或旁分泌方式发挥第二信使的效应，最终产生舒张血管、抑制血小板凝集、抑制细胞增殖等作用[13]。低浓度的CO可发挥生理作用，过量的CO将会导致上述生理功能的失调。因为CO的生理功能多样，作用靶点遍布各个脏器，继而也可能导致中毒表现纷繁复杂。
CO可作用于含有过渡金属的离子通道，使其构型发生改变，影响离子通过而发挥作用。例如，CO可通过抑制神经元的钾离子通道，增加细胞内钾离子，使膜电位去极化靠近阈电位，兴奋性增加[14]。此外，CO还可通过激活一种电压门控钠离子通道，增加神经元细胞内的钠离子，使膜电位去极化，亦增加其兴奋性[12]。这可以解释在较低水平COHb时的脑功能障碍。CO还可影响许多与心率、心律、血管张力有关的离子通道。例如心肌细胞的一种电压门控钠离子通道，CO可通过激活该通道，诱导后钠离子流，导致QT间期延长[12]。这是CO中毒非常常见的心电图表现之一，QT间期延长还会造成更严重的心律失常，甚至死亡。
加快有毒物质从体内清除或降解是急性中毒救治的根本，兼顾有毒物质造成的各种损害是对症治疗的重点，CO中毒也如此。常压环境吸空气时，人体COHb的半衰期大约是4～5 h；吸纯氧时，其半衰期减为1.5～2.0 h；行高压氧治疗时，COHb的半衰期进一步缩减为<30 min[15]。包括导管、面罩常压吸氧和高压氧治疗在内的各种氧疗无疑在加快CO从体内清除方面发挥了重要作用。此外，不管是氧疗直接提供的氧气，还是恢复Hb的携氧能力，都将改善CO中毒后的组织缺氧。因而，氧疗成为CO中毒后既治标又治本的手段。然而，国际上对高压氧治疗仍存在争议，如：哪些临床变量能够提示患者可能从中获益，最理想的治疗压力是多少，最佳的治疗频次和疗程是多少，脱离中毒环境后的多少时间内患者仍能从中获益等[16]。
光照射可使CO从COHb上解离[17]。与开胸手术相比，通过食道放置的光导纤维照射肺循环，可使上述过程更高效、无创。Tanaka等[18]以人离体红细胞为研究对象，探讨光疗对CO中毒的效应，结果照射组COHb的解离速度远高于对照组，且50万lx照射组的效果要好于10万lx组。作者推测，假如采用光发射背心以及光线导管或探针的方式，将有临床应用的可能。可是，光疗过程中的产热效应可能导致组织损伤；在一定范围内波长越长的光，促进COHb解离效应就越强，但超出这一范围将不利于COHb的解离。光线从人类食道经纵隔到肺循环的组织厚度要远大于小鼠，同样波长的光在人体的效果仍需进一步研究。
通过增加分钟通气量，使体内CO2排出增加，细胞外液pH值升高，进而改变脑阻力血管活性，减少脑血流量、降低颅内压，临床上主要用于急性脑水肿。体内过多的CO主要通过呼吸排出体外，因此过度通气可加快此过程。但由于过度通气后脑血流量减少以及氧离曲线左移有可能会加重缺氧，所以限制了其在CO中毒救治中的应用[19]。Fisher等[19]使用一种非反复呼吸回路实现了等CO2分压过度通气，作者发现犬呼吸纯氧并采用等CO2分压过度通气技术可使体内CO的清除比对照组快一倍以上。过度通气会增加意识清醒患者的不适感，是该技术的不足[17]。
体外膜氧合技术是通过将患者静脉血引至体外，经膜肺氧合后重新泵回体内，起到呼吸和循环支持的作用。McCunn等[20]采用该技术救治1例火灾后COHb达40%并出现急性呼吸窘迫综合征、休克的危重患者，患者全身氧合迅速改善，COHb浓度降低，为心肺功能恢复赢得了时间。虽然仅有个案报告，但遇有危重CO中毒患者时，该项技术可能发挥意想不到的作用。
氧化应激在CO中毒机制中的地位越来越受到重视，抗氧化剂的应用也成为可能。众多研究证实，氢是一种选择性抗氧化物质。氢可以减轻CO中毒导致的氧化损伤，改善中毒导致的神经功能异常[21]。2014年，氢水获得了美国食品药品监督管理局食品添加剂安全认证，为其临床应用创造了条件。已在临床上应用多年、主要用于治疗急性脑梗死的依达拉奉也是一种抗氧化剂；其在动物实验中能明显改善CO中毒后脑损伤[22]，但临床应用仍缺乏证据。
神经珠蛋白是一种在脊椎动物大脑和视网膜表达的细胞血红素蛋白，其具有六配位结构，能通过减少细胞色素C或NO的生成而产生神经保护作用。与CO具有高亲和力的血红素蛋白包括Hb和肌红蛋白，都具有五配位结构。通过基因工程改造成具有五配位结构的神经珠蛋白分子，清除NO的能力比Hb快2 500倍，同时与CO的亲和力比Hb强500倍[23]。体外实验证实，该分子可大大缩短COHb的半衰期；在致死性CO中毒小鼠模型中，该分子可改善小鼠的异常血压和组织氧供，并最终降低死亡率[24]。假如这种CO清除剂在人体被证明是安全的，将成为一种很有前景的CO中毒治疗药物。
总之，目前临床上治疗CO中毒的首选方法仍然是各种氧疗。而人工低温和体外膜氧合技术也用于部分危重症CO中毒患者的支持治疗。抗氧化剂是CO中毒患者急性期首选的辅助用药。有些药物在治疗其他有相似机制的疾病时取得过较好的效果，有推广至CO中毒的可能。例如羟钴胺是一种NO多价螯合剂，它通过与NO结合形成无血管活性的化合物而使血压升高[25]，该药已在美国用于氰化物中毒的治疗，它的还原态还可促进CO转化成CO2。雷诺嗪是一种晚钠离子通道阻滞剂，该药已在美国用于慢性心绞痛的治疗，它可逆转CO的促心律失常效应[12]。
目前关于CO保护效应的研究中，多采用250 ppm(1 ppm＝1×10－6)的CO吸入；而关于CO中毒效应的研究中，多采用1 000～3 000 ppm的CO吸入或腹腔注射纯CO，同时监测血COHb水平。影响CO效应的因素至少包括浓度和吸入时间，也可能在它们之间存在某一常数，通过计算可确定在某一浓度下的安全吸入时间，或确定在某一浓度下的中毒严重程度。此外，在生理效应、保护效应和中毒效应之间也可能存在一定的重叠，使本来就不清楚的分界更加模糊。我们使用某一药物时存在治疗剂量和中毒剂量，而内源性的CO发挥气体信号分子作用的靶点与中毒时是否一致，仍需要更多的证据。
缺氧是最早提出的CO中毒机制，同时也成为了氧疗的合理原因，但缺氧理论也有缺陷。研究发现，在3个大气压下吸纯氧，大鼠血浆中的溶解氧足以维持生存，而不再需要Hb携带[26]。此时大鼠吸入CO，使COHb浓度达到98%，假如缺氧理论成立的话，此时大鼠应该不缺氧，但事实是大鼠全部死亡。作者推测，缺氧不是CO中毒的最主要死因。有研究证实，发生CO中毒时，血乳酸水平并未明显升高，直到COHb超过80%、实验动物死亡前不久才看到了升高；氧的运输与利用也是如此，直到动物死亡前不久才出现了障碍[27]。因此，缺氧在中毒机制中的地位是否是统治性的，仍需进一步研究。
目前临床上治疗CO中毒的首选和公认方法仍然是氧疗，但在给氧方式、治疗方案上还有争论[16]。
