基于益生菌孢子的口服生物杂化系统高效缓解鼠伤寒沙门氏菌诱导结肠炎的研究

为解决抗生素治疗鼠伤寒沙门氏菌(S.Tm)感染时靶向性差、疗效不佳的问题，研究人员开发了一种基于凝结芽孢杆菌孢子(BCs)的口服生物杂化递送系统(BCs@PME-Au)。该系统通过一锅法金属沉积技术将多粘菌素E(PME)修饰的金纳米颗粒(PME-Au NPs)锚定在孢子表面，经口服后能有效穿透胃酸屏障，在肠道靶向释放抗菌成分。研究证实该系统通过阻断TLR4/MyD88/NF-κB炎症通路显著抑制S.Tm感染，同时调节肠道菌群平衡，为细菌性结肠炎治疗提供了新策略。

　　

在抗生素耐药性日益严峻的今天，鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella Typhimurium, S.Tm)引发的侵袭性细菌性疾病治疗面临重大挑战。这种革兰氏阴性致病菌不仅会导致严重腹泻，更可通过破坏肠道屏障功能引发全身性感染。传统抗生素治疗存在两大痛点：一方面难以精准靶向致病菌，另一方面会破坏肠道微生态平衡。更令人担忧的是，某些曾被寄予厚望的益生菌如Akkermansia muciniphila(AKK)近期被发现可能加剧S.Tm感染。如何开发既能精准杀菌又能维护肠道稳态的治疗方案，成为当前微生物治疗领域亟待突破的科学难题。

针对这一关键问题，郑州大学的研究团队创新性地将微生物疗法与纳米技术相结合，开发出基于凝结芽孢杆菌孢子(Bacillus coagulans spores, BCs)的口服生物杂化递送系统BCs@PME-Au。这项发表于《Journal of Nanobiotechnology》的研究，通过巧妙的"微生物-无机"杂化设计，实现了抗菌药物的精准递送与协同治疗。研究人员利用多粘菌素E(Polymyxin E, PME)的双重功能——既作为金纳米颗粒的还原剂又作为抗菌肽，构建出具有革兰氏阴性菌特异靶向性的PME-Au NPs，再通过Au-S和Au-N键将其锚定在BCs表面。该系统不仅解决了PME胃肠道稳定性差的问题，更通过孢子独特的生物学特性实现了结肠靶向递送。

研究主要采用了以下关键技术：1)一锅法金属沉积合成PME-Au NPs；2)孢子表面修饰与表征技术(TEM/SEM/XPS等)；3)体外模拟胃肠液稳定性测试；4)细菌竞争性共培养实验；5)TLR4/MyD88/NF-κB信号通路分析(Western blot/免疫荧光)；6)16S rDNA测序的肠道菌群分析；7)鼠伤寒沙门氏菌结肠炎模型构建。所有动物实验均经郑州大学动物伦理委员会批准。

制备与表征BCs@PME-Au
研究团队创新性地利用PME的还原性羟基，在温和条件下将HAuCl₄还原为粒径10±2.2 nm的PME-Au NPs。透射电镜(TEM)显示这些纳米颗粒表面光滑、分散均匀，X射线衍射(XRD)证实其晶体结构为典型的金元素特征峰。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)观察到PME特征峰位移，证实了PME参与还原反应并包覆在纳米颗粒表面。将PME-Au NPs锚定至BCs表面后，zeta电位从BCs的-31.2 mV变为-9.4 mV，紫外可见光谱在520 nm处出现特征吸收峰，高效液相色谱(HPLC)测得PME装载效率达72.1%。这些结果充分证实了生物杂化系统的成功构建。

生物学活性与LPS中和能力
研究证实BCs@PME-Au在模拟胃液(SGF)中保持结构完整，在模拟肠液(SIF)中能正常萌发为活性凝结芽孢杆菌(BC)，OD₆₀₀和菌落计数显示合成过程未影响孢子活性。特别值得注意的是，PME-Au NPs表现出显著的脂多糖(LPS)中和能力：当浓度达25 μg/mL时，其中和率提升至74.7%，显著优于游离PME(48.7%)。TEM观察发现PME-Au NPs能在细菌膜上形成聚集簇，这为其抗菌机制提供了直观证据。

体外抗菌效应
微量肉汤稀释法测定显示PME-Au NPs对S.Tm和E.coli的最小抑菌浓度(MIC)低至0.5 μg/mL，而对凝结芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的MIC>64 μg/mL，证实其对革兰氏阴性菌的特异性。杀菌动力学曲线显示，8 μg/mL PME-Au NPs能在6小时内清除99%的S.Tm。活-死细菌染色和扫描电镜(SEM)进一步显示，PME-Au NPs通过破坏细菌膜结构发挥杀菌作用。此外，BCs展现出显著的竞争性定植能力，与S.Tm共培养16小时后可使病原菌数量降低2个数量级。

体内分布与抗菌效果
近红外染料IR780标记实验揭示BCs@PME-Au口服后能在结肠持续滞留24小时以上，而游离染料12小时后即显著减少。在S.Tm诱导的结肠炎模型中，BCs@PME-Au治疗组小鼠体重恢复最快，结肠长度接近正常组。组织菌落计数显示，该系统使结肠、粪便、肝脏和脾脏中的S.Tm载量分别降低99.8%、99.6%、99.2%和98.7%，显著优于游离PME和PME-Au NPs。髓过氧化物酶(MPO)活性检测证实BCs@PME-Au能最有效缓解肠道炎症。

抗炎机制与肠道菌群调节
免疫荧光和Western blot分析揭示BCs@PME-Au通过显著下调TLR4、MyD88和NF-κB p65蛋白表达，阻断LPS诱导的炎症级联反应。ELISA检测显示其使促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β水平恢复正常。16S测序分析表明，BCs@PME-Au能重建肠道菌群平衡：使有益菌如乳酸杆菌(Lactobacillus)和瘤胃球菌(Ruminococcus)显著增加，同时降低S.Tm等病原菌比例。三元素相图显示其菌群结构与健康组最为接近。

生物安全性评估
血液学参数和生化指标检测显示，BCs@PME-Au对肝肾功能、血常规指标均无显著影响。主要脏器H&E染色未发现病理改变，证实该系统的良好生物相容性。这种安全性源于BCs作为CFDA批准益生菌的固有特性，以及金纳米颗粒在治疗剂量下的低毒性。

这项研究开创性地将益生菌孢子与功能化纳米材料相结合，解决了抗菌肽口服递送的多重瓶颈。其科学价值主要体现在三个方面：首先，通过PME-Au NPs的精准抗菌和BCs的生物靶向，实现了"物理杀菌-生物拮抗-免疫调节"的多维协同治疗；其次，利用孢子耐酸特性突破了口服递送的生理屏障；最后，通过调节TLR4/MyD88/NF-κB通路和肠道微生态，实现了"杀菌-抗炎-稳态重建"的一体化治疗。相比传统抗生素，该系统不仅能更有效地清除S.Tm感染，还可避免菌群失调导致的二次感染风险，为耐药菌感染治疗提供了新范式。未来通过优化孢子载体和纳米颗粒组成，这种生物杂化策略有望拓展至其他胃肠道疾病的治疗领域。