聯合陳學思院士，西安交大成一龍、劉佳穎JACS：新型pH響應性聚合物粘合劑，為胃潰瘍治療帶來新方案

胃潰瘍的全球發病率顯著上升，這一趨勢因早期胃癌內鏡切除技術（如內鏡粘膜下剝離術、內鏡粘膜切除術和內鏡全層切除術）的廣泛普及而進一步加劇。然而，胃部高度酸性的環境、快速的粘膜更新以及持續的蠕動共同限制了治療藥物在潰瘍部位的滯留時間。胃酸和消化酶對傷口的持續刺激會顯著延遲或阻礙傷口愈合過程。目前標準治療使用的內鏡夾存在機械損傷、延遲出血風險、異物引起的持續性低度炎癥反應可能帶來的長期致癌風險，以及處理大面積粘膜缺損時手術時間延長等問題。這些局限性凸顯了對新型策略的迫切需求，即能夠實現強韌且持久地封閉傷口，從而建立有利于生理修復的微環境。

針對上述挑戰，西安交通大學成一龍教授、劉佳穎助理教授團隊和中國科學院長春應用化學研究所陳學思院士合作設計了一種序貫pH響應性聚合物粘合劑（PNMH），該材料通過聚合β-羧酰胺官能化的N-丙烯酰苯丙氨酸和羥乙基丙烯酰胺制備而成。酸誘導的質子化及隨后的β-羧酰胺水解驅動了分子間相互作用的pH觸發四重進化，從靜電排斥轉變為疏水性輔助的氫鍵作用，再到疏水性輔助的靜電相互作用，最終形成陽離子-π相互作用。這一獨特機制使得PNMH能夠通過內鏡輕松給藥，并在接觸胃酸后約4秒內實現超快凝膠化，形成堅固的網絡，同時排開界面水分子實現即時組織粘附。此外，在模擬胃液條件下，PNMH與濕潤胃組織的界面粘附強度在水解早期階段逐漸增強至34.3 kPa，并在30天內保持長期的界面整合。大鼠和豬實驗表明，PNMH作為持久屏蔽層，能夠保護潰瘍免受胃酸/胃蛋白酶的侵蝕，并通過減弱免疫激活、抑制基質金屬蛋白酶-9過表達以及促進細胞骨架驅動的粘膜屏障修復來協調愈合過程。相關論文以“Endoscopically Deliverable Polymer Adhesives with pH-Triggered Multiple Molecular Evolution for Gastric Ulcer Repair”為題，發表在JACS上。

設計與機制：從內鏡遞送到體內滯留

研究人員首先合成了具有序貫pH響應能力的PNMH聚合物（圖1A）。該聚合物前體溶液因羧酸根之間的靜電排斥作用而具有低粘度特性（1.8 Pa·s），可通過內鏡通道順暢遞送，所需驅動力僅為約1.5 N，表現出類似水的可注射性。相比之下，質子化的PNMH聚合物聚集成白色固體狀凝膠，無法通過內鏡通道。當PNMH前體溶液接觸模擬胃液后，約4秒內即發生溶膠-凝膠轉變（圖1B-C），形成多孔互聯結構的水凝膠，孔徑約3.7 μm。該水凝膠表現出顯著增強的機械性能，拉伸應力達87.4 kPa，拉伸模量為31.0 kPa，分別比對照組PNSH水凝膠高出約9.7倍和44.3倍（圖1D-E）。

圖1. PNMH粘合劑的設計、機制、應用及理化性質。 (A) PNMH的合成過程、序貫pH響應機制及用于體內胃潰瘍治療的示意圖。PNMH前體溶液由于靜電排斥而表現出低粘度，便于內鏡給藥。利用序貫pH響應策略，PNMH在酸暴露下實現快速原位凝膠化（約4秒），具有即時強韌粘附，隨后通過β-羧酰胺水解增強并持久粘附。原位形成的PNMH水凝膠可抑制胃酸和胃蛋白酶對胃潰瘍的侵蝕，逐步調節免疫反應，下調MMP-9表達，并促進協同的細胞骨架驅動的屏障重建。(B) PNMH和PNSH在模擬胃液中原位凝膠化的照片。(C) PNMH和PNSH前體溶液在模擬胃液中于1 Hz頻率和1%應變下的時間-模量曲線。PNMH和PNSH前體溶液與模擬胃液孵育1小時后的拉伸應力(D)和拉伸模量(E)（n=3）。

PNMH的快速原位凝膠化和濕態粘附機制源于其獨特的分子設計（圖2）。在酸性環境中，PNMH中的COO?基團迅速質子化（圖2A-B），恢復疏水性并促進氫鍵形成。二維核奧弗豪森效應譜顯示，酸刺激后PNMH中苯環質子與雙鍵質子之間出現明顯的NOE信號（圖2C），表明苯環介導的疏水相互作用與氫鍵形成共同促進了水凝膠網絡的構建。理論計算表明，馬來酸酐結構中sp2雜化碳賦予其更強的氫鍵接受能力和更高的結合能（-0.49 eV），有助于快速凝膠化和高機械性能（圖2D）。小角X射線散射分析顯示，PNMH在酸刺激后形成更大的疏水聚集區（回轉半徑大于PNSH）（圖2E-F）。水接觸角測量表明，PNMH水凝膠的水接觸角達105°，顯著高于PNSH的76°（圖2H），這種疏水界面有利于排開界面水分子，為氫鍵形成創造有利微環境。搭接剪切測試顯示，PNMH對豬胃組織的粘附強度高達24.1 kPa，是PNSH的5.5倍（圖2I-J）。微觀結構分析揭示了水凝膠與組織之間形成機械互鎖結構和緊密整合（圖2K）。

圖2. 快速原位凝膠化與濕粘附機制。 (A) PNMH在酸暴露下的離子化-質子化轉變機制。(B) PNMH在去離子水中（處理前）和與模擬胃液孵育1小時后的O 1s XPS譜圖。(C) PNMH在D?O中（孵育前）和在DMSO-d?中（與模擬胃液孵育1小時后）的2D NOESY譜圖。(D) 通過DMol3和分子建模獲得的CH?-Mal和CH?-Suc片段的最優結構及靜電勢分布。所有結構均通過B3LYP-D3BJ/def2tzvp水平優化。(E) PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH前體溶液與模擬胃液孵育1小時后的SAXS譜圖及2D SAXS圖樣。(F) 基于Guinier模型估算的PNSH和PNMH與模擬胃液孵育1小時后的聚集體半徑。(G) 不同單體與H?O的最優結構及相應結合能。所有結構均通過B3LYP-D3BJ/def2tzvp水平優化。(H) PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH在去離子水中（處理前）和與模擬胃液孵育1小時后的水接觸角（n=4）。(I) PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH在模擬胃液中對胃組織作用10分鐘的粘附強度（n=3）。(J) 將PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH前體溶液注入模擬胃液并孵育10分鐘后，胃組織粘附性能的照片。PNH、PNH/Mal和PNMH用亮藍色染色。PNSH用亮紫色染色。(K) PNMH水凝膠-組織粘附界面在模擬胃液中作用10分鐘的SEM圖像。比例尺：100微米。

性能演化：從增強粘附到長期穩定

在模擬胃液中孵育14天期間，PNMH經歷了連續的理化性質和結構演化（圖3）。β-羧酰胺鍵在持續酸刺激下水解，導致從羧基到胺基的電荷轉換。流變學測試表明，PNMH的儲能模量在6小時達到峰值后逐漸下降（圖3B）。X射線光電子能譜和核磁共振氫譜證實，6小時后檢測到NH??信號，且β-羧酰胺的水解率在6小時為5%，2周后完全水解（圖3C-E）。小角X射線散射分析顯示，疏水聚集體的回轉半徑從1小時的15.5 nm逐漸減小至14天后的8.8 nm（圖3F-G），反映了疏水聚集體的結構演化。拉曼光譜和二維核奧弗豪森效應譜證實了陽離子-π相互作用的形成（圖3H）。分子動力學模擬進一步揭示了不同水解階段PNMH寡聚體的組裝行為（圖4A-H）：1小時時，π-π堆疊和氫鍵（n=46）促進初始組裝；6小時時，部分水解產生的NH??基團通過疏水性輔助靜電相互作用穩定組裝體，氫鍵數量增至52；7天后，陽離子-π相互作用逐漸占據主導；14天后，完全水解的PNMH鏈通過陽離子-π相互作用形成均勻網絡。

圖3. PNMH在模擬胃液中孵育14天期間的理化性質、結構和分子間作用力演變。 (A) PNMH的序貫pH響應機制。(B) PNMH在模擬胃液中孵育0至14天期間的儲能模量（n=3）。(C) PNMH表面NH??基團含量在模擬胃液中孵育0至14天的變化。(D) PNMH與模擬胃液孵育6小時至14天期間的1H NMR譜圖。(E) PNMH中β-羧酰胺與模擬胃液孵育后的水解率。(F) PNMH與模擬胃液孵育后的SAXS譜圖。(G) 基于Guinier模型估算的PNMH與模擬胃液孵育后的聚集體半徑。(H) 通過DMol3獲得的[BnVIm]Cl陽離子-π結構的最優結構及靜電勢分布，以及從拉曼光譜獲得的PNMH與模擬胃液孵育后的強度比(I????/I????)。(I) 在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP水平計算的NA-Mal與NA-Mal、NA-Mal與NA-APA、NA-APA與NA-APA的最優結構及相應結合能。

粘附性能與體內滯留

PNMH的濕態粘附性能評估顯示（圖4I-J），粘附強度在1小時達到26.1 kPa，6小時后增至34.3 kPa，并能在2周內保持7.4 kPa的界面粘附強度。體內滯留實驗使用小動物活體成像系統追蹤Cy7標記的PNMH（圖4K-M），結果顯示PNMH處理組在注射后96小時仍檢測到強熒光信號，而PNH和PNH/Mal組在8小時內即完全清除。與PNSH相比，PNMH在各時間點的熒光強度均顯著更高，96小時時的相對熒光強度是PNSH組的63.0倍。Transwell實驗表明，PNMH能有效阻擋H?和胃蛋白酶的滲透，在96小時后仍能將下層pH維持在2.9，而未經保護組組pH已降至約1.0。

圖4. PNMH在酸性條件下的分子動力學模擬與粘附行為，以及體內保留性能。 PNMH寡聚體在酸刺激組裝過程中不同時期的結構圖像和氫鍵數量[（A）1小時、（C）6小時、（E）7天、（G）14天]。不同時期組裝在PNMH水凝膠基質中的PNMH寡聚體結構圖像[（B）1小時、（D）6小時、（F）7天、（H）14天]。(I) PNMH在不同時間點與胃組織在模擬胃液中的粘附性能照片。(J) PNMH與模擬胃液孵育不同時間后對胃組織的粘附強度（n=3）。(K) PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH在胃內不同時間保留的IVIS圖像。(L) 通過體內IVIS圖像獲得的定量熒光分析（n=3）。(M) 治療后96小時通過離體IVIS圖像獲得的定量熒光分析（n=3）。圖4L中PNSH與PNMH組比較采用Student t檢驗進行統計學分析。圖4M采用單因素方差分析（ANOVA），隨后進行Tukey多重比較檢驗。所有數據均以均值±SD表示，p<0.05認為具有統計學顯著性（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

大鼠模型中的治療效果

在乙酸誘導的大鼠胃潰瘍模型中（圖5A），PNMH處理組表現出最快的愈合速度（圖5B-C）。術后7天，PNMH組潰瘍面積僅2.8 mm2，顯著小于空白組（20.7 mm2）和硫糖鋁組（14.0 mm2）；術后14天，PNMH組潰瘍完全愈合。蘇木精-伊紅染色顯示，PNMH組上皮缺損僅0.2 mm，而兩個對照組均超過2 mm（圖5D）。組織病理學評估表明，PNMH顯著減少了中性粒細胞和巨噬細胞浸潤，炎癥浸潤面積比空白組和硫糖鋁組分別低4.0倍和4.9倍（圖5E）。Masson染色顯示PNMH組膠原沉積最為廣泛（圖5F-G）。術后2周，PNMH組再生上皮厚度達0.8 mm，為各組中最厚（圖5H-I）。免疫組化分析表明，PNMH組α-平滑肌肌動蛋白和CD31的表達水平在各時間點均為最高（圖5J-K），提示其促進新生血管形成的優勢。細胞增殖標志物Ki67和PCNA的表達在PNMH組也顯著高于對照組（圖5L-M）。緊密連接蛋白occludin和ZO-1的表達在PNMH組同樣最高（圖5N-O），表明PNMH能促進成熟粘膜完整性和功能的建立。

圖5. PNMH用于大鼠胃潰瘍治療的應用。 (A) 乙酸誘導的大鼠胃潰瘍模型建立與治療示意圖。(B) 空白組、硫糖鋁治療組和PNMH治療組在不同時間間隔的潰瘍代表性大體圖像。虛線圓圈區域代表潰瘍。比例尺：2毫米。(C) 各組大鼠在不同時間間隔的胃潰瘍面積統計（n=6）。(D) 各組潰瘍基底H&E染色（比例尺：500微米）及治療后7天潰瘍基底部位炎癥的組織病理學評估（比例尺：100微米）。(E) 治療后7天各組潰瘍基底炎癥細胞浸潤面積統計（n=6）。(F) 治療后7天不同處理組潰瘍基底的Masson染色（比例尺：500微米）。(G) 治療后7天各組潰瘍基底膠原沉積含量統計（n=6）。(H) 治療后14天不同處理組潰瘍基底的H&E染色（比例尺：500微米）。(I) 治療后14天各組新生組織肉芽厚度統計（n=6）。治療后7天和14天各組α-SMA（J）和CD31（K）平均熒光強度的定量（n=6）。治療后7天和14天潰瘍基底中Ki67（L）、PCNA（M）、occludin（N）和ZO-1（O）相對陽性百分比的定量（n=6）。數據以均值±SD表示，采用單因素方差分析（ANOVA）隨后進行Tukey多重比較檢驗，標記組間n≥0.05，p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。

蛋白質組學揭示治療機制

定量蛋白質組學分析進一步揭示了PNMH的治療機制（圖6）。與空白組相比，PNMH處理組共鑒定出2296個差異表達蛋白。基因本體論分析和京都基因與基因組百科全書通路分析表明，PNMH顯著下調了與炎癥反應相關的通路，包括“中性粒細胞胞外陷阱形成”和“IL-17信號通路”，同時上調了與組織保護和屏障修復相關的通路，如活性氧通路和“緊密連接”。具體而言，PNMH顯著降低了補體C5的釋放，抑制了中性粒細胞來源的殺菌酶MPO，并阻斷了S100a介導的TLR4/NF-κB通路，從而抑制促炎因子的釋放（圖6C）。同時，PNMH顯著下調了基質金屬蛋白酶-9的表達（圖6D），促進了細胞外基質重塑。此外，PNMH通過上調Arpca、Actn1和Actn4等細胞骨架調節因子（圖6E），促進了動態肌動蛋白網絡的成核和穩定，最終促進Cldn18-containing緊密連接的組裝和穩定。

圖6. PNMH治療效果的蛋白質組學分析。 (A) 不同處理7天后潰瘍基底部位NET形成和IL-17信號通路中差異表達蛋白的熱圖。(B) 不同處理7天后潰瘍基底部位ROS通路抗氧化防御中差異表達蛋白的熱圖。(C) 不同處理7天后潰瘍基底部位C5、MPO、S100a8和S100a9的相對表達水平。(D) 不同處理7天后潰瘍基底部位MMP-9的相對表達水平。(E) 不同處理7天后潰瘍基底部位Arpca、Actn1和Actn4的相對表達水平。(F) PNMH在潰瘍愈合過程中的性能表現。實驗結果以均值±SD表示，組間統計學顯著性采用單因素方差分析（ANOVA）隨后進行Tukey多重比較檢驗，p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。每組實驗由三個獨立重復組成（n=3）。

豬模型中的臨床轉化驗證

在更接近臨床的豬胃潰瘍模型中（圖7A），通過內鏡導管將PNMH前體溶液遞送至潰瘍部位，接觸胃酸后立即粘附。內鏡監測顯示（圖7B-C），PNMH組在術后4天和7天的潰瘍面積均為最小，術后10天面積閉合率達92.1%，顯著高于空白組（79.2%）和硫糖鋁組（73.4%）。術后14天的組織病理學分析表明，PNMH組潰瘍基底被連續成熟的再生上皮覆蓋（圖7D），表皮厚度最厚（圖7E），膠原沉積最豐富。組織病理學評估顯示，PNMH組炎癥細胞浸潤極少（圖7F-G）。免疫熒光染色顯示，PNMH組α-SMA和CD31的熒光強度分別比空白組高3.0倍和2.5倍（圖7H-J）。PNMH組Ki67、PCNA、occludin和ZO-1的表達水平同樣在各組中最高（圖7K-N）。

圖7. PNMH用于豬胃潰瘍治療的應用。 (A) 豬胃潰瘍模型建立與治療示意圖。(B) 空白組、硫糖鋁治療組和PNMH治療組在不同時間間隔的潰瘍代表性大體圖像（比例尺：5毫米）。(C) 不同時間間隔各組胃潰瘍面積統計（n=3）。(D) 各組潰瘍基底H&E染色（比例尺：200微米）。(E) 術后14天不同處理組新生組織肉芽厚度統計（n=3）。(F) 治療后14天潰瘍基底部位炎癥的組織病理學評估（比例尺：50微米）。(G) 治療后14天各組潰瘍基底炎癥細胞浸潤面積統計（n=3）。(H) 不同處理后胃潰瘍的α-SMA和CD31免疫熒光染色（比例尺：200微米）。治療后14天各組α-SMA（I）和CD31（J）平均熒光強度的定量（n=3）。治療后14天潰瘍基底中Ki67（K）、PCNA（L）、occludin（M）和ZO-1（N）相對陽性百分比的定量（n=3）。采用單因素方差分析（ANOVA）隨后進行Tukey多重比較檢驗進行統計學分析。所有數據均以均值±SD表示，p<0.05認為具有統計學顯著性（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

總結與展望

本工作設計了一種序貫pH響應性聚合物粘合劑PNMH，利用pH觸發的分子間相互作用四重演化，整合了內鏡給藥、強韌濕態粘附和持久的潰瘍保護功能。與現有需要外源刺激（電激活、紫外光照射、輔助交聯劑）的策略不同，PNMH利用胃部固有的酸性環境作為內源觸發器，實現原位快速凝膠化和長期滯留。PNMH中β-羧酰胺的sp2雜化碳賦予其高疏水性，促進了快速凝膠化、致密交聯網絡和優異的界面排水能力。更重要的是，β-羧酰胺的酸不穩定性使得PNMH在水解初期通過疏水性輔助靜電相互作用增強基質韌性和界面粘附，隨后陽離子-π相互作用成為維持水凝膠結構完整性和界面長期整合的主要驅動力，實現了體外30天、體內超過4天的持久粘附。PNMH通過在潰瘍部位形成持久保護屏障，有效減輕了氧化應激，調節了免疫反應，下調了基質金屬蛋白酶-9，并通過細胞骨架增強了上皮屏障重建。大鼠和豬模型的體內研究證實了其強大的療效和優于傳統硫糖鋁治療的性能。PNMH代表了臨床胃潰瘍治療的一種可行且有前景的治療選擇。