pH 和 MMP-9 响应性分级微球用于部位特异性益生菌递送与氧化应激缓解

《Food Research International》：Hierarchical microspheres responsive to pH and MMP-9 for site-specific probiotic delivery and oxidative stress mitigation

　　

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  释放率通过MMP-9敏感性适应炎症严重程度。
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  确认了海藻酸壳和GelAGE核的逐步拆解。
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  多用途平台能够实现多种益生菌菌株的高效递送。

引言

近年来，口服益生菌因其能够调节肠道稳态和维持微生物平衡而受到越来越多的关注，这加速了基于益生菌的功能食品和膳食补充剂的开发（Chen等，2025；Wang, Zhang等，2024；Yin等，2024）。益生菌通过多种机制发挥有益作用，包括对病原微生物的竞争排斥和生物活性代谢产物的产生（Jia等，2022；Kang等，2024；Yu等，2024）。

然而，活性益生菌的有效口服递送仍然具有挑战性（You等，2025）。在胃肠道（GI）转运过程中，恶劣的理化条件，如胃酸、胆汁盐和消化酶，会大幅降低益生菌的活力，从而损害其功能（Ji等，2025；Sun等，2024；Wang, Guan等，2024）。此外，某些胃肠道微环境中的氧化应激和特定酶水平升高可能会进一步使益生菌不稳定并限制其持久性（Cao等，2023；Yang等，2024）。为了提高益生菌的稳定性，已开发出多种基于食品级多糖、蛋白质及其衍生物的包埋系统，以增强加工、储存和胃肠道消化过程中的保护（X. Tang等，2025；F. Zhang等，2025；H. A. Zhang等，2023；Zhao等，2024）。多糖水凝胶，特别是基于海藻酸的，因其温和的凝胶化、生物相容性和环境响应性而得到广泛应用。然而，目前大多数系统主要依赖被动物理保护，对沿胃肠道分布的理化梯度（如pH变化和酶分布）的响应性程序释放能力有限。从亲水胶体科学的角度来看，一个关键目标仍然是构建递送系统，其中可调节的多糖相互作用和网络结构能够产生顺序性和刺激响应性释放。

为解决这一问题，由食品来源组分组装了一种分层水凝胶微球系统（LAB@SGT），其中光交联明胶核和pH响应性海藻酸壳顺序作用，使释放能够由胃肠道刺激触发，具体为pH和基质金属肽酶9（MMP-9），这是一种在肠道炎症部位高表达的蛋白酶（Moore等，2011）。该系统使用海藻酸钠和烯丙基修饰明胶（GelAGE）构建。首先，通过单宁酸（TA）和Fe³⁺之间的配位在益生菌表面形成金属-酚网络（LAB@T），改善了理化稳定性和界面黏附性。随后，将LAB@T包埋在光交联GelAGE水凝胶核（LAB@GT）中，其中引入了亲脂性抗氧化剂茶多酚棕榈酸酯（TPP）以赋予抗氧化功能。最后，通过静电喷雾和离子凝胶化生成外部海藻酸钠壳，形成分层多层微球结构。金属-酚配位、共价光交联和多糖离子凝胶化的结合使该系统能够在胃肠道转运期间提供稳健保护，并在位点相关酶条件下实现刺激加速降解。

所得微球表现出明确的“胃-肠-靶点”级联释放行为，由亲水胶体层的顺序拆解控制。在酸性胃部条件下，离子交联的海藻酸壳保持致密，为包埋的益生菌提供有效保护。转移到接近中性的肠道环境后，海藻酸网络的部分解交联暴露了GelAGE水凝胶层。在MMP-9（Mei等，2023）等酶刺激下，GelAGE基质发生酶切，实现了内部LAB@T组分的可控释放。LAB@T富含羟基的表面可能通过氢键进一步增强与肠道黏液的相互作用，从而改善益生菌的暂时保留。值得注意的是，三种益生菌菌株成功被包埋在LAB@SGT结构中，表明分层亲水胶体组装对具有不同理化特性的微生物具有广泛适用性。

我们假设，将益生菌包埋在双层水凝胶递送系统中不仅可以保护益生菌免受胃肠道恶劣条件的影响，还能响应pH和MMP-9信号释放益生菌，从而将递送与肠道炎症严重程度联系起来。为验证这一假设，通过静电喷雾结合离子凝胶化制备了LAB@SGT，以展示其在模拟胃肠道条件下的生物相容性和刺激响应性释放。通过比较不同材料的流变性能研究了水凝胶在消化液中的稳定性。此外，通过监测模拟消化过程中的益生菌释放研究了LAB@SGT在不同炎症环境中的释放行为。最后，在Caco-2炎症模型中验证了ST-III@SGT对TLR4/NF-κB/MAPK信号通路的影响，为进一步了解递送平台的抗炎机制提供了洞见。

章节摘要

材料

菌株副干酪乳杆菌K56（K56）由内蒙古伊利实业集团提供，植物乳植杆菌ST-III（ST-III）由光明乳业股份有限公司提供，植物乳植杆菌605（605）在我们的实验室分离。海藻酸钠（每单体216.12 Da，M/G = 1:2）购自麦克林（上海，中国）。明胶（A型，来自猪皮，约300 g Bloom）购自Sigma-Aldrich（美国圣路易斯）。锂

ST-III@SGT的制备和GelAGE的表征

GelAGE在光照下迅速形成均一的乳白色水凝胶，证实了光引发交联的有效性（图1A）。¹H NMR波谱证实了成功的功能化，在6.01–5.86和5.38–5.22 ppm处出现的新信号归因于接枝烯丙基的乙烯基质子（图1B）。该烯丙基接枝改变了紫外吸收图谱，产生以284 nm为中心的增加带宽。与DTT进行光交联后，284 nm带消失，200 nm峰移至

结论

通过食品来源组分的组装构建了一种分层水凝胶递送系统，其中多糖为主的海藻酸壳与基于蛋白质的GelAGE核协同作用，实现了胃肠道稳定性、可控释放和氧化应激耐受性。离子交联的海藻酸壳在酸性胃部条件下赋予有效保护，而TPP增强的GelAGE核保持结构完整性并提供抗氧化

CRediT作者贡献声明

尤怡琳：撰写——初稿，正式分析，数据管理。周明哲：可视化，方法论。苏英飞：方法论。王雨希：方法论。刘震民：资源。陈启和：监督，调查。洪清：可视化，资源。施莹：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了乳生物国家实验室开放项目计划（编号：SKLDB2023-001）、浙江省自然科学基金（LY23C200008）和国家自然科学基金委（32672907）的资助。

尤怡琳|周明哲|苏英飞|王雨希|刘震民|陈启和|洪清|施莹