联合陈学思院士，西安交大成一龙、刘佳颖JACS：新型pH响应性聚合物粘合剂，为胃溃疡治疗带来新方案

胃溃疡的全球发病率显著上升，这一趋势因早期胃癌内镜切除技术（如内镜粘膜下剥离术、内镜粘膜切除术和内镜全层切除术）的广泛普及而进一步加剧。然而，胃部高度酸性的环境、快速的粘膜更新以及持续的蠕动共同限制了治疗药物在溃疡部位的滞留时间。胃酸和消化酶对伤口的持续刺激会显著延迟或阻碍伤口愈合过程。目前标准治疗使用的内镜夹存在机械损伤、延迟出血风险、异物引起的持续性低度炎症反应可能带来的长期致癌风险，以及处理大面积粘膜缺损时手术时间延长等问题。这些局限性凸显了对新型策略的迫切需求，即能够实现强韧且持久地封闭伤口，从而建立有利于生理修复的微环境。

针对上述挑战，西安交通大学成一龙教授、刘佳颖助理教授团队和中国科学院长春应用化学研究所陈学思院士合作设计了一种序贯pH响应性聚合物粘合剂（PNMH），该材料通过聚合β-羧酰胺官能化的N-丙烯酰苯丙氨酸和羟乙基丙烯酰胺制备而成。酸诱导的质子化及随后的β-羧酰胺水解驱动了分子间相互作用的pH触发四重进化，从静电排斥转变为疏水性辅助的氢键作用，再到疏水性辅助的静电相互作用，最终形成阳离子-π相互作用。这一独特机制使得PNMH能够通过内镜轻松给药，并在接触胃酸后约4秒内实现超快凝胶化，形成坚固的网络，同时排开界面水分子实现即时组织粘附。此外，在模拟胃液条件下，PNMH与湿润胃组织的界面粘附强度在水解早期阶段逐渐增强至34.3 kPa，并在30天内保持长期的界面整合。大鼠和猪实验表明，PNMH作为持久屏蔽层，能够保护溃疡免受胃酸/胃蛋白酶的侵蚀，并通过减弱免疫激活、抑制基质金属蛋白酶-9过表达以及促进细胞骨架驱动的粘膜屏障修复来协调愈合过程。相关论文以“Endoscopically Deliverable Polymer Adhesives with pH-Triggered Multiple Molecular Evolution for Gastric Ulcer Repair”为题，发表在JACS上。

设计与机制：从内镜递送到体内滞留

研究人员首先合成了具有序贯pH响应能力的PNMH聚合物（图1A）。该聚合物前体溶液因羧酸根之间的静电排斥作用而具有低粘度特性（1.8 Pa·s），可通过内镜通道顺畅递送，所需驱动力仅为约1.5 N，表现出类似水的可注射性。相比之下，质子化的PNMH聚合物聚集成白色固体状凝胶，无法通过内镜通道。当PNMH前体溶液接触模拟胃液后，约4秒内即发生溶胶-凝胶转变（图1B-C），形成多孔互联结构的水凝胶，孔径约3.7 μm。该水凝胶表现出显著增强的机械性能，拉伸应力达87.4 kPa，拉伸模量为31.0 kPa，分别比对照组PNSH水凝胶高出约9.7倍和44.3倍（图1D-E）。

图1. PNMH粘合剂的设计、机制、应用及理化性质。 (A) PNMH的合成过程、序贯pH响应机制及用于体内胃溃疡治疗的示意图。PNMH前体溶液由于静电排斥而表现出低粘度，便于内镜给药。利用序贯pH响应策略，PNMH在酸暴露下实现快速原位凝胶化（约4秒），具有即时强韧粘附，随后通过β-羧酰胺水解增强并持久粘附。原位形成的PNMH水凝胶可抑制胃酸和胃蛋白酶对胃溃疡的侵蚀，逐步调节免疫反应，下调MMP-9表达，并促进协同的细胞骨架驱动的屏障重建。(B) PNMH和PNSH在模拟胃液中原位凝胶化的照片。(C) PNMH和PNSH前体溶液在模拟胃液中于1 Hz频率和1%应变下的时间-模量曲线。PNMH和PNSH前体溶液与模拟胃液孵育1小时后的拉伸应力(D)和拉伸模量(E)（n=3）。

PNMH的快速原位凝胶化和湿态粘附机制源于其独特的分子设计（图2）。在酸性环境中，PNMH中的COO⁻基团迅速质子化（图2A-B），恢复疏水性并促进氢键形成。二维核奥弗豪森效应谱显示，酸刺激后PNMH中苯环质子与双键质子之间出现明显的NOE信号（图2C），表明苯环介导的疏水相互作用与氢键形成共同促进了水凝胶网络的构建。理论计算表明，马来酸酐结构中sp²杂化碳赋予其更强的氢键接受能力和更高的结合能（-0.49 eV），有助于快速凝胶化和高机械性能（图2D）。小角X射线散射分析显示，PNMH在酸刺激后形成更大的疏水聚集区（回转半径大于PNSH）（图2E-F）。水接触角测量表明，PNMH水凝胶的水接触角达105°，显著高于PNSH的76°（图2H），这种疏水界面有利于排开界面水分子，为氢键形成创造有利微环境。搭接剪切测试显示，PNMH对猪胃组织的粘附强度高达24.1 kPa，是PNSH的5.5倍（图2I-J）。微观结构分析揭示了水凝胶与组织之间形成机械互锁结构和紧密整合（图2K）。

图2. 快速原位凝胶化与湿粘附机制。 (A) PNMH在酸暴露下的离子化-质子化转变机制。(B) PNMH在去离子水中（处理前）和与模拟胃液孵育1小时后的O 1s XPS谱图。(C) PNMH在D₂O中（孵育前）和在DMSO-d₆中（与模拟胃液孵育1小时后）的2D NOESY谱图。(D) 通过DMol³和分子建模获得的CH₃-Mal和CH₃-Suc片段的最优结构及静电势分布。所有结构均通过B3LYP-D3BJ/def2tzvp水平优化。(E) PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH前体溶液与模拟胃液孵育1小时后的SAXS谱图及2D SAXS图样。(F) 基于Guinier模型估算的PNSH和PNMH与模拟胃液孵育1小时后的聚集体半径。(G) 不同单体与H₂O的最优结构及相应结合能。所有结构均通过B3LYP-D3BJ/def2tzvp水平优化。(H) PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH在去离子水中（处理前）和与模拟胃液孵育1小时后的水接触角（n=4）。(I) PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH在模拟胃液中对胃组织作用10分钟的粘附强度（n=3）。(J) 将PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH前体溶液注入模拟胃液并孵育10分钟后，胃组织粘附性能的照片。PNH、PNH/Mal和PNMH用亮蓝色染色。PNSH用亮紫色染色。(K) PNMH水凝胶-组织粘附界面在模拟胃液中作用10分钟的SEM图像。比例尺：100微米。

性能演化：从增强粘附到长期稳定

在模拟胃液中孵育14天期间，PNMH经历了连续的理化性质和结构演化（图3）。β-羧酰胺键在持续酸刺激下水解，导致从羧基到胺基的电荷转换。流变学测试表明，PNMH的储能模量在6小时达到峰值后逐渐下降（图3B）。X射线光电子能谱和核磁共振氢谱证实，6小时后检测到NH₃⁺信号，且β-羧酰胺的水解率在6小时为5%，2周后完全水解（图3C-E）。小角X射线散射分析显示，疏水聚集体的回转半径从1小时的15.5 nm逐渐减小至14天后的8.8 nm（图3F-G），反映了疏水聚集体的结构演化。拉曼光谱和二维核奥弗豪森效应谱证实了阳离子-π相互作用的形成（图3H）。分子动力学模拟进一步揭示了不同水解阶段PNMH寡聚体的组装行为（图4A-H）：1小时时，π-π堆叠和氢键（n=46）促进初始组装；6小时时，部分水解产生的NH₃⁺基团通过疏水性辅助静电相互作用稳定组装体，氢键数量增至52；7天后，阳离子-π相互作用逐渐占据主导；14天后，完全水解的PNMH链通过阳离子-π相互作用形成均匀网络。

图3. PNMH在模拟胃液中孵育14天期间的理化性质、结构和分子间作用力演变。 (A) PNMH的序贯pH响应机制。(B) PNMH在模拟胃液中孵育0至14天期间的储能模量（n=3）。(C) PNMH表面NH₃⁺基团含量在模拟胃液中孵育0至14天的变化。(D) PNMH与模拟胃液孵育6小时至14天期间的¹H NMR谱图。(E) PNMH中β-羧酰胺与模拟胃液孵育后的水解率。(F) PNMH与模拟胃液孵育后的SAXS谱图。(G) 基于Guinier模型估算的PNMH与模拟胃液孵育后的聚集体半径。(H) 通过DMol³获得的[BnVIm]Cl阳离子-π结构的最优结构及静电势分布，以及从拉曼光谱获得的PNMH与模拟胃液孵育后的强度比(I₁₀₀₂/I₁₀₃₀)。(I) 在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP水平计算的NA-Mal与NA-Mal、NA-Mal与NA-APA、NA-APA与NA-APA的最优结构及相应结合能。

粘附性能与体内滞留

PNMH的湿态粘附性能评估显示（图4I-J），粘附强度在1小时达到26.1 kPa，6小时后增至34.3 kPa，并能在2周内保持7.4 kPa的界面粘附强度。体内滞留实验使用小动物活体成像系统追踪Cy7标记的PNMH（图4K-M），结果显示PNMH处理组在注射后96小时仍检测到强荧光信号，而PNH和PNH/Mal组在8小时内即完全清除。与PNSH相比，PNMH在各时间点的荧光强度均显著更高，96小时时的相对荧光强度是PNSH组的63.0倍。Transwell实验表明，PNMH能有效阻挡H⁺和胃蛋白酶的渗透，在96小时后仍能将下层pH维持在2.9，而未经保护组组pH已降至约1.0。

图4. PNMH在酸性条件下的分子动力学模拟与粘附行为，以及体内保留性能。 PNMH寡聚体在酸刺激组装过程中不同时期的结构图像和氢键数量[（A）1小时、（C）6小时、（E）7天、（G）14天]。不同时期组装在PNMH水凝胶基质中的PNMH寡聚体结构图像[（B）1小时、（D）6小时、（F）7天、（H）14天]。(I) PNMH在不同时间点与胃组织在模拟胃液中的粘附性能照片。(J) PNMH与模拟胃液孵育不同时间后对胃组织的粘附强度（n=3）。(K) PNH、PNH/Mal、PNSH和PNMH在胃内不同时间保留的IVIS图像。(L) 通过体内IVIS图像获得的定量荧光分析（n=3）。(M) 治疗后96小时通过离体IVIS图像获得的定量荧光分析（n=3）。图4L中PNSH与PNMH组比较采用Student t检验进行统计学分析。图4M采用单因素方差分析（ANOVA），随后进行Tukey多重比较检验。所有数据均以均值±SD表示，p<0.05认为具有统计学显著性（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

大鼠模型中的治疗效果

在乙酸诱导的大鼠胃溃疡模型中（图5A），PNMH处理组表现出最快的愈合速度（图5B-C）。术后7天，PNMH组溃疡面积仅2.8 mm²，显著小于空白组（20.7 mm²）和硫糖铝组（14.0 mm²）；术后14天，PNMH组溃疡完全愈合。苏木精-伊红染色显示，PNMH组上皮缺损仅0.2 mm，而两个对照组均超过2 mm（图5D）。组织病理学评估表明，PNMH显著减少了中性粒细胞和巨噬细胞浸润，炎症浸润面积比空白组和硫糖铝组分别低4.0倍和4.9倍（图5E）。Masson染色显示PNMH组胶原沉积最为广泛（图5F-G）。术后2周，PNMH组再生上皮厚度达0.8 mm，为各组中最厚（图5H-I）。免疫组化分析表明，PNMH组α-平滑肌肌动蛋白和CD31的表达水平在各时间点均为最高（图5J-K），提示其促进新生血管形成的优势。细胞增殖标志物Ki67和PCNA的表达在PNMH组也显著高于对照组（图5L-M）。紧密连接蛋白occludin和ZO-1的表达在PNMH组同样最高（图5N-O），表明PNMH能促进成熟粘膜完整性和功能的建立。

图5. PNMH用于大鼠胃溃疡治疗的应用。 (A) 乙酸诱导的大鼠胃溃疡模型建立与治疗示意图。(B) 空白组、硫糖铝治疗组和PNMH治疗组在不同时间间隔的溃疡代表性大体图像。虚线圆圈区域代表溃疡。比例尺：2毫米。(C) 各组大鼠在不同时间间隔的胃溃疡面积统计（n=6）。(D) 各组溃疡基底H&E染色（比例尺：500微米）及治疗后7天溃疡基底部位炎症的组织病理学评估（比例尺：100微米）。(E) 治疗后7天各组溃疡基底炎症细胞浸润面积统计（n=6）。(F) 治疗后7天不同处理组溃疡基底的Masson染色（比例尺：500微米）。(G) 治疗后7天各组溃疡基底胶原沉积含量统计（n=6）。(H) 治疗后14天不同处理组溃疡基底的H&E染色（比例尺：500微米）。(I) 治疗后14天各组新生组织肉芽厚度统计（n=6）。治疗后7天和14天各组α-SMA（J）和CD31（K）平均荧光强度的定量（n=6）。治疗后7天和14天溃疡基底中Ki67（L）、PCNA（M）、occludin（N）和ZO-1（O）相对阳性百分比的定量（n=6）。数据以均值±SD表示，采用单因素方差分析（ANOVA）随后进行Tukey多重比较检验，标记组间n≥0.05，p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。

蛋白质组学揭示治疗机制

定量蛋白质组学分析进一步揭示了PNMH的治疗机制（图6）。与空白组相比，PNMH处理组共鉴定出2296个差异表达蛋白。基因本体论分析和京都基因与基因组百科全书通路分析表明，PNMH显著下调了与炎症反应相关的通路，包括“中性粒细胞胞外陷阱形成”和“IL-17信号通路”，同时上调了与组织保护和屏障修复相关的通路，如活性氧通路和“紧密连接”。具体而言，PNMH显著降低了补体C5的释放，抑制了中性粒细胞来源的杀菌酶MPO，并阻断了S100a介导的TLR4/NF-κB通路，从而抑制促炎因子的释放（图6C）。同时，PNMH显著下调了基质金属蛋白酶-9的表达（图6D），促进了细胞外基质重塑。此外，PNMH通过上调Arpca、Actn1和Actn4等细胞骨架调节因子（图6E），促进了动态肌动蛋白网络的成核和稳定，最终促进Cldn18-containing紧密连接的组装和稳定。

图6. PNMH治疗效果的蛋白质组学分析。 (A) 不同处理7天后溃疡基底部位NET形成和IL-17信号通路中差异表达蛋白的热图。(B) 不同处理7天后溃疡基底部位ROS通路抗氧化防御中差异表达蛋白的热图。(C) 不同处理7天后溃疡基底部位C5、MPO、S100a8和S100a9的相对表达水平。(D) 不同处理7天后溃疡基底部位MMP-9的相对表达水平。(E) 不同处理7天后溃疡基底部位Arpca、Actn1和Actn4的相对表达水平。(F) PNMH在溃疡愈合过程中的性能表现。实验结果以均值±SD表示，组间统计学显著性采用单因素方差分析（ANOVA）随后进行Tukey多重比较检验，p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001。每组实验由三个独立重复组成（n=3）。

猪模型中的临床转化验证

在更接近临床的猪胃溃疡模型中（图7A），通过内镜导管将PNMH前体溶液递送至溃疡部位，接触胃酸后立即粘附。内镜监测显示（图7B-C），PNMH组在术后4天和7天的溃疡面积均为最小，术后10天面积闭合率达92.1%，显著高于空白组（79.2%）和硫糖铝组（73.4%）。术后14天的组织病理学分析表明，PNMH组溃疡基底被连续成熟的再生上皮覆盖（图7D），表皮厚度最厚（图7E），胶原沉积最丰富。组织病理学评估显示，PNMH组炎症细胞浸润极少（图7F-G）。免疫荧光染色显示，PNMH组α-SMA和CD31的荧光强度分别比空白组高3.0倍和2.5倍（图7H-J）。PNMH组Ki67、PCNA、occludin和ZO-1的表达水平同样在各组中最高（图7K-N）。

图7. PNMH用于猪胃溃疡治疗的应用。 (A) 猪胃溃疡模型建立与治疗示意图。(B) 空白组、硫糖铝治疗组和PNMH治疗组在不同时间间隔的溃疡代表性大体图像（比例尺：5毫米）。(C) 不同时间间隔各组胃溃疡面积统计（n=3）。(D) 各组溃疡基底H&E染色（比例尺：200微米）。(E) 术后14天不同处理组新生组织肉芽厚度统计（n=3）。(F) 治疗后14天溃疡基底部位炎症的组织病理学评估（比例尺：50微米）。(G) 治疗后14天各组溃疡基底炎症细胞浸润面积统计（n=3）。(H) 不同处理后胃溃疡的α-SMA和CD31免疫荧光染色（比例尺：200微米）。治疗后14天各组α-SMA（I）和CD31（J）平均荧光强度的定量（n=3）。治疗后14天溃疡基底中Ki67（K）、PCNA（L）、occludin（M）和ZO-1（N）相对阳性百分比的定量（n=3）。采用单因素方差分析（ANOVA）随后进行Tukey多重比较检验进行统计学分析。所有数据均以均值±SD表示，p<0.05认为具有统计学显著性（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

总结与展望

本工作设计了一种序贯pH响应性聚合物粘合剂PNMH，利用pH触发的分子间相互作用四重演化，整合了内镜给药、强韧湿态粘附和持久的溃疡保护功能。与现有需要外源刺激（电激活、紫外光照射、辅助交联剂）的策略不同，PNMH利用胃部固有的酸性环境作为内源触发器，实现原位快速凝胶化和长期滞留。PNMH中β-羧酰胺的sp²杂化碳赋予其高疏水性，促进了快速凝胶化、致密交联网络和优异的界面排水能力。更重要的是，β-羧酰胺的酸不稳定性使得PNMH在水解初期通过疏水性辅助静电相互作用增强基质韧性和界面粘附，随后阳离子-π相互作用成为维持水凝胶结构完整性和界面长期整合的主要驱动力，实现了体外30天、体内超过4天的持久粘附。PNMH通过在溃疡部位形成持久保护屏障，有效减轻了氧化应激，调节了免疫反应，下调了基质金属蛋白酶-9，并通过细胞骨架增强了上皮屏障重建。大鼠和猪模型的体内研究证实了其强大的疗效和优于传统硫糖铝治疗的性能。PNMH代表了临床胃溃疡治疗的一种可行且有前景的治疗选择。