Chem. Eng. J. | 新型粘附水凝胶成胃溃疡“修复大师”，促进血管生成和粘膜修复

胃溃疡（GU）是全球最常见的胃肠道疾病之一，常伴有出血、穿孔及其他并发症，严重影响患者的生活质量。此外，胃癌是全球癌症相关死亡的第三大原因，在治疗早期胃肠道肿瘤时往往首选内镜黏膜下剥离术（ESD）。由于ESD病例不断增加，术后人工溃疡的数量也大大增加。

临床上通常使用质子泵抑制剂和黏膜保护剂来治疗胃溃疡及其并发症。然而，这些治疗方法只能减少对胃溃疡的刺激，无法进行特异性的修复。多项临床研究表明，长期使用质子泵抑制剂会引起并发症，从而引发人们对药物安全性的担忧。因此，开发一种可以修复胃溃疡的生物材料具有重要的临床意义。

因此，研究团队特开发出一种新型的粘附水凝胶，专门用于修复胃溃疡。这种水凝胶能够有效促进胃溃疡愈合，治疗效果优于胃黏膜保护剂。这项研究成果于2024年8月发表在《Chemical Engineering Journal》杂志上。

新型粘附水凝胶成胃溃疡“修复大师”

文献封面截图^[1]

研究材料与方法

在这项研究中，研究人员开发出一种聚乙烯亚胺/聚丙烯酸/乳糖改性壳聚糖（PPCL）水凝胶。他们对PPCL水凝胶的理化性质进行了系统表征，包括组织粘附、降解、溶胀、抗氧化和压力耐受等。他们通过细胞增殖和迁移实验和体外氧化应激细胞模型，验证了PPCL水凝胶的生物相容性和ROS清除能力。并在大鼠胃溃疡模型中验证了PPCL水凝胶修复胃溃疡的效果，并通过转录组测序和无标记定量蛋白质组学（4D-DIA）分析探讨了可能的作用机制。

本研究中，使用了赛业OriCell^®提供的Caco-2细胞系（货号H1-0201）。作为消化道细胞的代表，Caco-2细胞系是一种类似肠上皮细胞的模型细胞，具有类似肠道上皮细胞的特征。细胞形成紧密的单层，并具有极性，细胞间紧密连接形成类似肠道上皮细胞的紧密连接。研究团队使用Caco-2细胞系完成了细胞增殖实验和体外氧化应激细胞模型实验；还用Caco-2细胞系与材料共培养，进行了转录组测序分析。

技术路线

1. 制备PPCL水凝胶，并对其理化性质进行系统表征。

2. 利用多个细胞系在体外评估PPCL水凝胶的抗氧化能力和生物相容性。

3. 构建大鼠胃溃疡模型，评估PPCL水凝胶在体内治疗胃溃疡的效果。

4. 通过转录组测序和蛋白质组学分析探讨PPCL水凝胶治疗胃溃疡的潜在机制。

研究结果

PPCL水凝胶的制备

首先，研究人员通过壳聚糖（CS）上氨基与乳糖酸（LA）上羧基之间的酰胺反应合成了乳糖改性壳聚糖（CSLA），以提高抗氧化性。然后，利用聚乙烯亚胺（PEI）、聚丙烯酸（PAA）和CSLA制备出PPCL水凝胶（图1）。根据CS上LA的取代度不同，分别制备了PPCL-1、PPCL-2和PPCL-3水凝胶。同时，利用PEI/PAA/CS制备出PPCS水凝胶作为对照。

新型粘附水凝胶成胃溃疡“修复大师”

图1. PPCL水凝胶的制备流程^[1]

研究人员利用搭接剪切试验评估了PPCL水凝胶的组织粘附力，因为这种特性对于水凝胶在溃疡表面形成保护至关重要。结果显示，PPCL水凝胶与猪胃组织的粘附强度大于20 kPa，明显高于PPCS水凝胶，其中PPCL-3的粘附强度最高。PPCL水凝胶显示出卓越的粘附性能，可粘附到玻璃、聚丙烯、橡胶和钢等各种表面。同时，它还能牢固地粘附在器官组织上，包括皮肤、胃、肠和肾（图2）。

水凝胶需要粘附在胃溃疡处，并在胃酸环境中维持一段时间，因此研究人员研究了水凝胶的降解性能。与PPCS水凝胶相比，PPCL水凝胶的降解速度较慢，表明它在胃酸环境中的稳定性提高。溶胀率结果表明，PPCL水凝胶的溶胀率明显低于PPCS水凝胶，并且随着CSLA中LA的取代度增加而降低。这些结果表明PPCL水凝胶的交联密度更高，抑制了水凝胶的溶胀。

新型粘附水凝胶成胃溃疡“修复大师”

图2. PPCL水凝胶可粘附在各种材料和组织上^[1]

PPCL水凝胶清除自由基的能力

氧化应激会促进胃溃疡的发病。过量的ROS会破坏氧化还原平衡，诱发氧化应激，并损害胃黏膜。这些自由基还会干扰细胞抗氧化酶的功能，导致胃溃疡难以愈合。因此，氧化应激是治疗胃溃疡的主要目标之一，需要外源性抗氧化剂来清除过量ROS。乳糖酸（LA）是一种多羟基有机酸，具有很强的抗氧化性，可抑制氧自由基对组织的损伤。

基于此，研究人员推测PPCL水凝胶可作为一种有效的抗氧化剂，消耗过量ROS并加速溃疡愈合。为了定量评估PPCL水凝胶的抗氧化特性，利用DPPH、ABTS、PITO、•OH和H₂O₂开展了自由基清除实验。他们发现，与PPCS组相比，PPCL组表现出更强的清除能力，且PPCL-3水凝胶的清除能力最强，这要归功于LA的引入。

接下来，研究人员还利用H₂O₂诱导细胞，在体外构建了氧化应激细胞模型。结果发现，H₂O₂可明显抑制细胞增殖，但PPCL水凝胶的处理可改善细胞增殖，且PPCL-3组效果最好。还利用DCFH-DA（ROS指示剂）探针来标记HUVEC内的ROS水平。结果表明，H₂O₂处理后荧光显著增加，表明细胞内产生了大量ROS，但在加入PPCL水凝胶后，荧光明显下降。这些结果都支持了PPCL水凝胶的抗氧化作用。

PPCL水凝胶的生物相容性

爆破压力测试的结果表明，PPCL水凝胶的爆破压力高于PPCS水凝胶，且PPCL-3水凝胶的爆破压力可达135.03 mm Hg，明显高于胃内压力（~5-25 mm Hg）。这一特性对于水凝胶保护溃疡尤为有利，因为在消化过程中，胃组织偶尔会承受很高的流体压力。此外，PPCL水凝胶在隔离胃消化环境方面的效果优于PPCS，这有利于水凝胶保护和促进溃疡愈合。

之后，研究人员利用L929细胞、GES-1细胞、Caco-2细胞（由赛业OriCell^®提供）和HUVEC来评估PPCL水凝胶的生物相容性。L929细胞和HUVEC对伤口愈合至关重要，而GES-1和Caco-2则是有代表性的消化道细胞。定性的共聚焦激光扫描显微镜和定量的CCK-8分析都表明，PPCL水凝胶具有良好的细胞相容性。Transwell实验结果表明，PPCL水凝胶能促进HUVEC和GES-1细胞的迁移，从而有望加速血管生成和受损胃黏膜的再上皮化。

PPCL水凝胶促进大鼠模型的胃溃疡愈合

为了评估PPCL水凝胶在体内治疗胃溃疡的效果，研究人员构建了醋酸诱导的大鼠胃溃疡模型（图3），并将PPCL、PPCS粉末和磷酸铝凝胶（ALPH）敷在溃疡处。磷酸铝凝胶是治疗胃溃疡的常用药物，可以中和胃酸，保护胃肠道黏膜。他们分别在第1、7和14天采集大鼠样本。PPCL水凝胶形成了一层透明的凝胶膜，术后第7天仍粘附在胃溃疡处（图3），表明水凝胶在体内可实现长期粘附。在第14天，PPCL水凝胶组的溃疡指数明显小于磷酸铝凝胶组（图3），说明PPCL水凝胶能促进胃溃疡愈合，其治疗效果优于商用的胃黏膜保护剂。

新型粘附水凝胶成胃溃疡“修复大师”

图3. 大鼠模型的体内胃溃疡修复^[1]

PPCL水凝胶治疗胃溃疡的机制

为了探索PPCL水凝胶治疗胃溃疡的潜在机制，研究人员对与PPCL和PPCS水凝胶共培养7天的Caco-2细胞进行了转录组测序分析。KEGG通路富集分析表明，PPCL的治疗效果与IL-17通路、TGF-β通路、MAPK通路和氧化磷酸化高度相关。同时，PPCL水凝胶处理明显上调了与氧化还原酶活性和生长因子活性相关的基因以及促血管生成基因。这些结果表明，PPCL水凝胶可通过提高氧化还原酶活性（缓解氧化应激），调节炎症，促进细胞增殖、迁移和血管生成，从而加速胃溃疡的愈合。

最后，研究人员还通过蛋白质组学分析来探讨PPCL水凝胶在促进胃溃疡愈合中的作用。与之前的转录组分析结果一致，蛋白质组学数据分析显示，PPCL水凝胶的主要作用在于缓解氧化应激，促进细胞增殖和迁移，促进血管生成和黏膜修复。

总结

图4. PPCL水凝胶促进胃溃疡愈合的示意图^[1]

总的来说，这项研究开发出一种能够有效修复胃溃疡的粘附水凝胶。它具有组织粘附性强、溶胀率低、耐胃酸流体和生物相容性好等特点，可作为物理屏障阻止胃酸和消化酶进一步破坏溃疡（图4）。PPCL水凝胶通过缓解氧化应激，抑制炎症，加速血管生成，促进再上皮化和黏膜修复，最终促进了胃溃疡的愈合。

原文检索：

[1] Bioadhesive chitosan hydrogel with ROS scavenging promotes angiogenesis and mucosal repair for the treatment of gastric ulcer. Chemical Engineering Journal.(2024)

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