陆军军医大学杨仕明教授、曼尼托巴大学邢孟秋院士 ACS Nano: 蘑菇帽状水凝胶封堵器通过内镜下释放快速封堵胃穿孔

高分子科技

2022-11-23

导读：蘑菇帽状水凝胶封堵器，通过内镜下释放快速封堵胃穿孔…

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胃穿孔是胃壁组织的全层损伤，常由创伤、严重的消化性溃疡、肿瘤进展和内镜手术等原因导致。除非得到及时治疗，否则胃内容物渗漏到腹腔会导致剧烈的疼痛、严重的炎症反应甚至危及生命的脓毒症。目前胃穿孔的治疗主要依靠外科手术和内窥镜下治疗。外科手术的方法创伤较大，甚至有些患者由于严重的基础疾病而难以耐受。内镜下利用各种金属夹关闭穿孔是常用的微创治疗手段，但金属夹对炎症水肿的组织夹闭效果较差，常常造成治疗失败。

水凝胶用于治疗胃肠道穿孔的研究，近年来已有报道。水凝胶可粘合伤口组织并作为胃粘膜替代屏障隔离胃部环境。但目前报道的大多数水凝胶缺乏促进伤口愈合、防治出血等生物学功能，并且缺乏完整、连续的内镜随访和胃部微环境检测来证实其疗效。

陆军军医大学新桥医院消化内科杨仕明主任团队和曼尼托巴大学邢孟秋院士团队合作构建了一种新型蘑菇帽状水凝胶封堵器，能够在内镜下快速精准地释放到小型香猪胃穿孔模型部位，并通过局部药物缓释作用，实现提升胃内pH值和促进愈合的功能，为急性胃穿孔的临床治疗提供了一种新的手段。相关研究成果作为封面文章，发表在材料学ACS Nano。文章题目“Endoscopy deliverable and mushroom-cap-inspired hyperboloid-shaped drug-laden bioadhesive hydrogel for stomach perforation repair”。

1、双层网络水凝胶的设计、合成和表征。

使用胱胺双丙烯酰胺（CBA）作为交联剂，成功设计并合成了水凝胶（图S1），通过改变交联剂来调整机械性能。因此，我们使用不同浓度CBA交联剂制备了三种水凝胶：0.04%的低浓度CBA（LCH）、0.15%的中浓度CBA（MCH）和0.3%的高浓度CBA（HCH）。LCH、MCH和HCH水凝胶在断裂前分别能拉伸到原长度的5倍、6倍和2倍（图1A）。MCH水凝胶的最大拉伸强度可达265±10 kPa，高于LCH（203±13 kPa）和HCH（141±5 kPa）（图1B，p <0.05）。MCH水凝胶的断裂韧性最大为11622 ± 849 J/m3，远高于LCH（7474 ± 893 J/m3）和HCH（4235 ± 293 J/m3）（图1C，p < 0.05）。此外，MCH和LCH水凝胶在经历了10个循环的80%最大应变的压缩后，依然保持完整（图1D，E）并且仍保留良好的力学特性（图1G）。

水凝胶的膨胀能力使其具有弹性，以封堵胃穿孔。本水凝胶显示了可膨胀的特性，如图1H所示。在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中浸泡24小时后，LCH水凝胶呈现出较高的膨胀率（S.R.），可膨大到原来的61±4倍，MCH和HCH水凝胶也具有明显的膨胀率，分别为35±5和35±1（图1I）。考虑到部分水凝胶在穿孔修复过程中会暴露在胃酸中，他们还研究了水凝胶在模拟胃酸溶液（pH=1）中的膨胀性能，水凝胶的膨胀率都在15以上且膨胀趋势相似（图1J，K）。根据本文介绍的机械和溶胀研究数据，选择MCH水凝胶进行体外和体内研究。

图1. 双网络水凝胶的力学和膨胀性能研究。

2、MCH双网水凝胶对离体猪胃的粘附和封堵作用。

除了机械性能，双网水凝胶还显示了出色的自粘性及对玻璃和组织的粘附性。当玻璃和涂有二氧化硅纳米颗粒（SNPs）的MCH水凝胶形成20 mm×10 mm的粘附面时，可提起超过750克砝码（图2A）。涂有SNPs的MCH水凝胶在玻璃表面的粘附强度达到81±5 kPa，而自粘附强度为18±3 kPa。此外，水凝胶在模拟胃酸溶液中对胃组织具有粘附性（图2B）。当粘附在猪胃黏膜表面（图2b1）并在模拟胃酸溶液（pH=1）中浸泡24小时（图2b2）后，即使扭转或用流水冲洗猪胃组织，水凝胶仍能与胃黏膜保持紧密粘附（图2b3，b4）。

该团队设计了一个双曲线蘑菇帽形状的MCH水凝胶装置对胃穿孔组织进行全层封堵，而不是像贴片一样将水凝胶应用到伤口表面，这使封堵装置能稳定固定在伤口部位。为了评估对胃穿孔的封堵能力，在离体猪胃模型中，用SNPs、带和不带SNPs涂层的MCH水凝胶装置封住10毫米的胃孔，并使胃组织承受5-10 kPa的胃肠道机械压力。大约3分钟后，向胃中加入30毫升的模拟胃酸并观察24小时（图2c1）。MCH和SNPs涂层的MCH水凝胶装置成功地堵住了洞口，相比之下，在孔周围单独应用SNPs密封的胃在一开始就发生了渗漏（图2c2）。此外，爆裂压力测定试验（图2D）显示，SNPs可增加水凝胶封堵强度，用包被SNPs的MCH水凝胶和未包被SNPs的MCH水凝胶封堵的猪胃，其爆裂压力分别为233±12mmHg和96±22mmHg（图2E，p＜0.05）。综上所述，SNPs的加入可以显著提高MCH水凝胶装置对胃组织的粘附性，并有助于其承受消化道的压力波动。有鉴于此，涂有SNPs的MCH水凝胶被用于后续研究。

图2 . MCH水凝胶装置在离体猪胃上的粘附和封堵效果。

3、该水凝胶具有良好的生物降解性和生物相容性。

他们通过皮下植入试验来评估MCH水凝胶的生物降解性和生物相容性。植入2周后，水凝胶开始出现明显的降解表现，并且随着时间的推移，植入的水凝胶面积逐渐缩小（图3A）。这种降解行为归因于CBA交联剂的二硫键在体内的裂解。除了生物降解性外，水凝胶在体外和体内都表现出良好的生物相容性。细胞活力试验显示，正常培养液中第1、3、7天的3T3细胞计数与水凝胶培养液中的细胞计数无显著差异。此外，皮下植入试验中，对照组和水凝胶组术后第1、3、7天皮下组织HE染色均未见明显肿胀和化脓性改变（图3D，E）。与对照组相比，植入水凝胶也不增加中性粒细胞趋化程度（图3F）。

图3. MCH水凝胶的生物降解性和生物相容性。

4、用载药的水凝胶装置调节胃内pH值以防止猪胃穿孔相关的出血。

为探究水凝胶装置对胃穿孔周围组织的pH调节能力。如图4A所示，在70小时的记录过程中，载有抑酸药物VF的水凝胶组pH值大于4的时间占83%，远长于载有碱性成纤维细胞生长因子（AFGF）组（13%）和对照组（3%）。同样，VF组pH值高于6的时间占46%，显著长于AFGF组（1%）和对照组（2%）（图4B，C）。我们比较了不同环境下血凝块的稳定性。pH=1时的血块质量最小（图4D和E，P＜0.05）；pH=6和pH=7两组之间没有明显差异（P＞0.05）。因此，从目前的水凝胶中释放VF将pH值调节到大于4，促进止血，同时阻断穿孔。负载VF组的pH值调节与抑制胃粘膜中H⁺和K⁺的交换有关，导致出血的风险降低。此外，在治疗后的第7天，通过组织学分析对穿孔愈合进行了评估。H&E染色显示伤口周围没有明显的水肿或坏死（图4F）。PCNA的免疫组化分析显示，AFGF组的PCNA阳性区域比例（85%）高于对照组（45%）（P＜0.05），而VF组的阳性区域（62%）与前两组无明显差异（图4G），说明AFGF组的粘膜组织的细胞增生最为活跃。

图4. 水凝胶装置在密封猪胃穿孔时pH值调节。

5、负载AFGF的水凝胶装置促进了猪胃穿孔的愈合。

除pH值调节外，还在治疗后第28天评估了胃壁全层愈合情况。胃壁的H&E染色显示，对照组或VF装载组仍有一些空腔气泡，但在AFGF装载组则没有（图5A）。这些小气泡可能代表原位坏死细胞，表明局部炎症未得到解决。AFGF装载组的绒毛高度明显高于对照组和VF装载组（图5B）。AFGF组也表现出更好的黏膜愈合性能，为100%，而VF组和对照组分别为60%和42%（图5C）。此外，通过CD31和α-SMA的免疫组化染色来评估新生血管和平滑肌密度（图5D，E），结果提示AFGF装载组的新生血管密度最大（图5F），平滑肌细胞密度最大（图5G）。

图5. 水凝胶封堵器治疗增强了猪胃穿孔伤口的细胞增殖和血管生成。

6、猪的水凝胶装置的无创内窥镜输送

在活检钳和内窥镜的辅助下，该水凝胶装置可经过食道释放到胃穿孔部位封堵穿孔（图6A）。在手术过程中，首先用电刀和活检钳在胃壁上做一个直径约10 mm的穿孔（图6B）。之后，将由活检钳固定的水凝胶装置送入伤口部位并释放。在喷洒一些水后，水凝胶装置在5分钟内完全膨胀，以完全填充装置和伤口之间的空隙，并封堵穿孔（图6C，D）。在接下来的随访中，使用磁控胶囊机器人来观察伤口愈合情况（图6E）。结果发现，术后96小时，水凝胶的胃内端断裂，但其余的水凝胶仍然粘附在穿孔部位，这证明了封堵有效（图6F）。这种内镜可递送性归功于水凝胶的韧性、可压缩性和快速溶胀的特性，可以减少手术创伤和镇痛要求。

图6. 在内窥镜下的无创递送水凝胶装置。

该研究的最大意义在于，研发了一种基于水凝胶的具有良好力学特性、溶胀性能和缓释药物功能的蘑菇帽状封堵器，具有内镜下递送、及时有效封堵、抑制胃酸分泌、促进组织愈合、可降解、组织相容性好等优点，为急性胃穿孔的临床治疗提供了一种新的手段。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c05247

作者介绍：

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第一作者：

刘爽，陆军军医大学第二附属医院消化内科研究生，研究方向为仿生纳米材料的构建及其应用研究。以第一或共同第一作者在ACS Nano、Biomaterials Research、Chemical Engineering Journal、Frontiers in Cellular and Infection Microbiology、Pharmacological Research等期刊发表SCI论文5篇。

通讯作者：

杨仕明，陆军军医大学第二附属医院消化内科主任，主任医师、教授、博士生导师。先后获评国家百千万人才工程人选、国家有突出贡献中青年专家、重庆英才创新领军人才、重庆首批医学领军人才、总后科技新星、重庆市十大杰出青年等荣誉；现任中华医学会消化病学分会委员、重庆市医学会消化病学分会主任委员、全军消化病学专委会常委；主持国家科技部重点研发专项1项、国家自然科学基金重点以及国际合作项目各1项、国家自然科学基金面上项目8项、重庆市自然科学重点项目及重点公关项目4项以及校级临床重点课题1项，发表包括Gut、Mol Cancer（2篇）、Microbiome（2篇）、Nature Commun、Cancer Res（3篇）、Oncogene（3篇）、JAMA Network Open、Theranostics、Bioactive Mat、Chem Eng J、Adv Healthcare Mat、Adv Sci、Acs Nano等SCI论文100余篇，主审专著2部，主编、副主编专著各1部，获中华医学科技一等奖1项以及省部级二等奖4项；培养博硕士研究生45名，其中获省部级优秀博士/硕士学位论文7篇。

樊超强，陆军军医大学第二附属医院消化内科副主任，主任医师，副教授，硕士生导师。主研领域：消化道早期癌内镜下微创诊治、内镜新技术研发及应用和生物仿生材料的内镜领域开发及应用。团队开展了10余项新材料开发和内镜应用研究。以第一或通讯作者在Bioactive Materials, Chem. Eng. J, Endoscopy, Am J Gastroenterol等国内、外杂志发表论文20余篇。

邢孟秋，加拿大工程院院士，曼尼托巴大学工学院教授，陆军军医大学第二附属医院兼职教授。主要从事聚合物水凝胶和纳米材料的相关研究及其在组织工程、肿瘤治疗和3D生物打印的应用，同时也研究基于改性聚合物的可穿戴式和可以移植到体内的柔性电子传感器。发表SCI论文180多篇，包括Nature Biomedical Engineering, Science Advances, ACS Nano, Advanced （Functional/Healthcare） Materials, JMCA, Biomaterials等；申请60多项专利，其中授权30多项。