胃潰瘍的全球發(fā)病率顯著上升，這一趨勢因早期胃癌內(nèi)鏡切除技術(shù)（如內(nèi)鏡粘膜下剝離術(shù)、內(nèi)鏡粘膜切除術(shù)和內(nèi)鏡全層切除術(shù)）的廣泛普及而進一步加劇。然而，胃部高度酸性的環(huán)境、快速的粘膜更新以及持續(xù)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(xù)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(nèi)鏡夾存在機械損傷、延遲出血風險、異物引起的持續(xù)性低度炎癥反應(yīng)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(shù)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?qū)崿F(xiàn)強韌且持久地封閉傷口，從而建立有利于生理修復的微環(huán)境。

針對上述挑戰(zhàn)，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(yīng)用化學研究所陳學思院士合作設(shè)計了一種序貫pH響應(yīng)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(zhì)子化及隨后的β-羧酰胺水解驅(qū)動了分子間相互作用的pH觸發(fā)四重進化，從靜電排斥轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷暂o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(nèi)鏡輕松給藥，并在接觸胃酸后約4秒內(nèi)實現(xiàn)超快凝膠化，形成堅固的網(wǎng)絡(luò)，同時排開界面水分子實現(xiàn)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(nèi)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(zhì)金屬蛋白酶-9過表達以及促進細胞骨架驅(qū)動的粘膜屏障修復來協(xié)調(diào)愈合過程。相關(guān)論文以“Endoscopically Deliverable Polymer Adhesives with pH-Triggered Multiple Molecular Evolution for Gastric Ulcer Repair”為題，發(fā)表在JACS上。

設(shè)計與機制：從內(nèi)鏡遞送到體內(nèi)滯留

研究人員首先合成了具有序貫pH響應(yīng)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(nèi)鏡通道順暢遞送，所需驅(qū)動力僅為約1.5 N，表現(xiàn)出類似水的可注射性。相比之下，質(zhì)子化的PNMH聚合物聚集成白色固體狀凝膠，無法通過內(nèi)鏡通道。當PNMH前體溶液接觸模擬胃液后，約4秒內(nèi)即發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變（圖1B-C），形成多孔互聯(lián)結(jié)構(gòu)的水凝膠，孔徑約3.7 μm。該水凝膠表現(xiàn)出顯著增強的機械性能，拉伸應(yīng)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(shè)計、機制、應(yīng)用及理化性質(zhì)。 (A) PNMH的合成過程、序貫pH響應(yīng)機制及用于體內(nèi)胃潰瘍治療的示意圖。PNMH前體溶液由于靜電排斥而表現(xiàn)出低粘度，便于內(nèi)鏡給藥。利用序貫pH響應(yīng)策略，PNMH在酸暴露下實現(xiàn)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(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，下調(diào)MMP-9表達，并促進協(xié)同的細胞骨架驅(qū)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(yīng)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(yīng)力(D)和拉伸模量(E)（n=3）。

PNMH的快速原位凝膠化和濕態(tài)粘附機制源于其獨特的分子設(shè)計（圖2）。在酸性環(huán)境中，PNMH中的COO?基團迅速質(zhì)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(yīng)譜顯示，酸刺激后PNMH中苯環(huán)質(zhì)子與雙鍵質(zhì)子之間出現(xiàn)明顯的NOE信號（圖2C），表明苯環(huán)介導的疏水相互作用與氫鍵形成共同促進了水凝膠網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。理論計算表明，馬來酸酐結(jié)構(gòu)中sp2雜化碳賦予其更強的氫鍵接受能力和更高的結(jié)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(qū)（回轉(zhuǎn)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(chuàng)造有利微環(huán)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(jié)構(gòu)分析揭示了水凝膠與組織之間形成機械互鎖結(jié)構(gòu)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(zhì)子化轉(zhuǎn)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(yōu)結(jié)構(gòu)及靜電勢分布。所有結(jié)構(gòu)均通過B3LYP-D3BJ/def2tzvp水平優(yōu)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(yōu)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)結(jié)合能。所有結(jié)構(gòu)均通過B3LYP-D3BJ/def2tzvp水平優(yōu)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(wěn)定

在模擬胃液中孵育14天期間，PNMH經(jīng)歷了連續(xù)的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)演化（圖3）。β-羧酰胺鍵在持續(xù)酸刺激下水解，導致從羧基到胺基的電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)演化。拉曼光譜和二維核奧弗豪森效應(yīng)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(chǎn)生的NH??基團通過疏水性輔助靜電相互作用穩(wěn)定組裝體，氫鍵數(shù)量增至52；7天后，陽離子-π相互作用逐漸占據(jù)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(wǎng)絡(luò)。

圖3. PNMH在模擬胃液中孵育14天期間的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和分子間作用力演變。 (A) PNMH的序貫pH響應(yīng)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(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)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(yōu)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)結(jié)合能。

粘附性能與體內(nèi)滯留

PNMH的濕態(tài)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(nèi)保持7.4 kPa的界面粘附強度。體內(nèi)滯留實驗使用小動物活體成像系統(tǒng)追蹤Cy7標記的PNMH（圖4K-M），結(jié)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(nèi)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(jīng)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(nèi)保留性能。 PNMH寡聚體在酸刺激組裝過程中不同時期的結(jié)構(gòu)圖像和氫鍵數(shù)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(zhì)中的PNMH寡聚體結(jié)構(gòu)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(nèi)不同時間保留的IVIS圖像。(L) 通過體內(nèi)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(tǒng)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(shù)據(jù)均以均值±SD表示，p<0.05認為具有統(tǒng)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(xiàn)出最快的愈合速度（圖5B-C）。術(shù)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(shù)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(shù)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(yōu)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(yīng)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(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(zhì)組學揭示治療機制

定量蛋白質(zhì)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?；虮倔w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(diào)了與炎癥反應(yīng)相關(guān)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(diào)了與組織保護和屏障修復相關(guān)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(diào)了基質(zhì)金屬蛋白酶-9的表達（圖6D），促進了細胞外基質(zhì)重塑。此外，PNMH通過上調(diào)Arpca、Actn1和Actn4等細胞骨架調(diào)節(jié)因子（圖6E），促進了動態(tài)肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)的成核和穩(wěn)定，最終促進Cldn18-containing緊密連接的組裝和穩(wěn)定。

圖6. PNMH治療效果的蛋白質(zhì)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(xiàn)。實驗結(jié)果以均值±SD表示，組間統(tǒng)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(zhuǎn)化驗證

在更接近臨床的豬胃潰瘍模型中（圖7A），通過內(nèi)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(nèi)鏡監(jiān)測顯示（圖7B-C），PNMH組在術(shù)后4天和7天的潰瘍面積均為最小，術(shù)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(shù)后14天的組織病理學分析表明，PNMH組潰瘍基底被連續(xù)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(yīng)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(tǒng)計（n=3）。(D) 各組潰瘍基底H&E染色（比例尺：200微米）。(E) 術(shù)后14天不同處理組新生組織肉芽厚度統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計學分析。所有數(shù)據(jù)均以均值±SD表示，p<0.05認為具有統(tǒng)計學顯著性（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

總結(jié)與展望

本工作設(shè)計了一種序貫pH響應(yīng)性聚合物粘合劑PNMH，利用pH觸發(fā)的分子間相互作用四重演化，整合了內(nèi)鏡給藥、強韌濕態(tài)粘附和持久的潰瘍保護功能。與現(xiàn)有需要外源刺激（電激活、紫外光照射、輔助交聯(lián)劑）的策略不同，PNMH利用胃部固有的酸性環(huán)境作為內(nèi)源觸發(fā)器，實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)異的界面排水能力。更重要的是，β-羧酰胺的酸不穩(wěn)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(zhì)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(jié)構(gòu)完整性和界面長期整合的主要驅(qū)動力，實現(xiàn)了體外30天、體內(nèi)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(yīng)激，調(diào)節(jié)了免疫反應(yīng)，下調(diào)了基質(zhì)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(nèi)研究證實了其強大的療效和優(yōu)于傳統(tǒng)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。