《Biomaterials Advances》：From bench to gut: Translational horizons in probiotic nanoencapsulation for enhanced host-microbiome synergy
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益生菌纳米封装技术通过利用纳米材料的高比表面积、刺激响应特性及功能化表面修饰，有效解决传统封装工艺的稳定性、靶向性和规模化生产难题，实现胃酸、胆汁等环境因素的防护，同时促进短链脂肪酸等代谢产物的协同作用，为精准肠道菌群调控提供新策略。
作者：Khushbu、Sumistha Das、Nitai Debanth
印度哈里亚纳邦古鲁格拉姆阿米蒂大学阿米蒂生物技术研究所，邮编122413
摘要
由于胃肠道内的恶劣物理化学条件以及加工和储存过程中的稳定性有限，将活性的益生菌递送到胃肠道仍然是一个挑战。传统的微胶囊化技术（如喷雾干燥、冻干和乳化）虽然可以提高益生菌的存活率，但存在可扩展性和效率方面的限制。新兴的纳米结构递送平台通过利用纳米材料的独特物理化学性质（如高表面积、增强的溶解性和刺激响应性释放）克服了这些障碍。功能化的纳米载体能够实现靶向粘附、全身递送和延长在黏膜上的停留时间，从而提高治疗效果并减少脱靶效应。本文重点介绍了将益生菌与微生物代谢物、益生元碳水化合物和多酚化合物共同封装在生物聚合物基质中的潜力，这可以显著提升益生菌的临床应用效果并优化传统的微胶囊化策略。
本综述总结了益生菌纳米胶囊化的最新进展，强调了设计多功能基质的重要性，这些基质能够保持微生物的完整性、延长保质期并优化宿主-微生物组的相互作用。通过阐明纳米颗粒与益生菌之间的界面动力学，为开发具有更高疗效和临床转化潜力的下一代益生菌疗法奠定了基础。
引言
益生菌是活的微生物，主要是共生且有益的细菌菌株，它们定植于胃肠道，并通过调节肠道微生物群、增强黏膜屏障完整性和影响免疫反应来对宿主生理产生有益作用[1]。根据世界卫生组织（WHO）的定义，益生菌是指“在足够剂量下能够在宿主体内产生有益生理或免疫效应的活性微生物实体”[2]。益生菌的摄入可以调节宿主免疫力[3]，通过重塑微生物群落结构来维持肠道稳态[4]，并产生具有抗炎和化学预防作用的生物活性代谢物；某些菌株还能通过竞争性排斥机制提供定植保护。尽管胃肠道条件多样，口服给药仍然是首选方式[5]。有效的递送系统必须满足以下要求：(i) 在胃肠道传输和储存过程中保持益生菌的活性；(ii) 增强黏附性以延长在上皮的停留时间；(iii) 将足够的活性剂量递送到目标部位；(iv) 释放后能够快速恢复微生物的代谢活性；(v) 实现定植和重新定植；(vi) 使用可生物降解的载体以避免在组织中积累[6]。
传统的微胶囊化方法（如喷雾干燥、冻干、挤出和乳化）可以提高益生菌对热、氧化、渗透压和胃肠道压力的抵抗力，但这些方法存在固有的局限性，限制了其工业化的可扩展性，因此需要探索混合或新型的聚合物策略[7]、[8]。嵌入技术可以在加工、储存、运输和胃肠道传输过程中保护益生菌细胞，但其性能取决于菌株选择、环境条件、材料和应用技术[9]。合理设计下一代多模式递送平台需要深入研究特定技术的物理化学过程、材料-细胞相互作用和抗应力效果[10]。
将益生菌封装在纳米结构基质中可以在胃肠道传输过程中保持其活性和功能。纳米材料的微观尺寸使其具有高比表面积、小颗粒尺寸、改变的电子和载体动力学特性，以及在某些系统中出现的宏观量子隧穿效应，从而赋予其独特的功能特性[11]。适当设计的纳米载体可以穿越肠道屏障，并在需要全身吸收的情况下实现靶向递送，提高益生菌的生物利用度和治疗效果[12]。纳米载体的小颗粒尺寸和高比表面积有助于提高溶解度和表面介导的相互作用，改善分散稳定性及表观溶解度；这种物理化学优化减少了有机助溶剂的依赖性，从而降低了相关不良反应[13]。用特定的靶向配体对负载益生菌的纳米载体进行表面功能化，可以使其选择性地粘附于肠道细胞类型，从而将有效载荷集中在所需的黏膜或黏膜下部位，降低所需剂量并减少脱靶不良反应[14]、[15]。纳米载体封装可以保护益生菌免受胃酸、胆盐和蛋白酶的破坏，使其能够顺利通过胃肠道并增强黏膜递送、腔内和全身的生物利用度以及宿主-微生物组的调节作用。小颗粒尺寸和高比表面积还有助于改善分散性和黏膜接触；表面功能化还能提高治疗效果并缩短治疗时间[16]、[17]。图1展示了纳米封装策略及其对益生菌的影响。
本综述总结了益生菌纳米胶囊化的各种方法和基质，对比了传统方法与纳米结构系统，后者能够提高微生物的活性、延长保质期并实现靶向控制释放。文章探讨了递送机制，并通过体外和体内胃肠道模型进行了功能评估，强调了整合材料科学与宿主-微生物组分析的协同封装策略，以应对规模化挑战并推动微生物组调节疗法的发展。
喷雾干燥
喷雾干燥是一种基于雾化的可扩展封装工艺，其中液体原料被分散到加热的干燥室中；快速溶剂蒸发产生干燥的颗粒粉末，实现质量和体积的有效减少，具有高重现性，并能将热稳定的生物活性成分包裹在多种载体基质中[18]、[19]。生物活性成分在含有包封剂的载体中溶解/乳化，均匀后雾化进入加热室，并通过快速溶剂蒸发过程完成封装。
多糖中的封装
多糖具有较高的物理化学稳定性、较低的免疫原性和广泛的可用性，但同时也存在机械脆性、反应性官能团和明显的吸湿性[117]。
海藻酸水凝胶是由1→4连接的α-L-古洛糖酸和β-D-甘露糖酸形成的线性共聚物[118]，其羧基通过二价阳离子介导的离子交联形成稳定的微胶囊[119]，这些微胶囊制备迅速且成本低廉，能够有效保护益生菌。
纳米封装益生菌的调控递送机制
纳米封装可以保护益生菌免受胃酸、胆盐和酶的降解；生物聚合物、脂质和混合基质可以实现可控的、靶向的、时间调节的肠道释放，从而最大化生物利用度和宿主-微生物的相互作用；而刺激响应性纳米载体则允许对释放动力学和保护功能进行程序化调节，最新的研究重点在于实现持续、可控、定向的释放。
评估封装基质中益生菌活性和功能活性的分析方法
益生菌递送系统的进步需要从四个关键维度进行严格评估：微生物活性、封装体的完整性、物理化学特性和功能活性。体内动物模型可以提供关于宿主-微生物相互作用、黏膜粘附和定植效率的临床转化信息，而体外胃肠道模拟则可以提供关于活性和释放动力学的高通量数据。
协同封装策略作为提升传统益生菌纳米胶囊化效果的现代机制
将益生菌与微生物代谢物、益生元碳水化合物和多酚共同封装在生物聚合物基质中，可以生成多功能载体，这些载体能够保护细胞免受环境压力并维持其代谢韧性。短链脂肪酸、氨基酸衍生物、寡糖和多酚的整合可以为益生菌提供替代底物，调节氧化还原平衡，并稳定基质以延长其在加工和储存过程中的活性；空间上的共定位有助于实现更好的效果。
控制封装与释放的物理化学机制
益生菌封装和释放的物理化学机制存在差异：不同研究条件下报道的藻酸、壳聚糖、蛋白质和脂质壁的封装效率不可比，且体外胃肠道模型与体内实验结果之间的释放动力学也存在差异，这影响了预测的准确性[302]。这种差异源于缺乏标准化的封装和释放协议、菌株特定的表面疏水性以及应激耐受性的差异。
结论与未来方向
认识到肠道微生物组是调节宿主生理的核心因素，推动了精准益生菌递送技术的发展；刺激响应性聚合物、脂质纳米载体和仿生水凝胶在保护益生菌免受胃酸、胆盐和黏膜屏障影响方面取得了进展，但临床转化受到封装体坚固性、大规模生产难度、缺乏标准化临床验证、干燥过程中的活性损失以及严格的GMP标准等因素的限制。
作者贡献声明
Khushbu：撰写初稿。
Sumistha Das：撰写、审稿和编辑，负责资金申请。
Nitai Debanth：撰写、审稿和编辑，负责概念构思。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写手稿期间，作者使用了Microsoft Copilot和QuillBot进行语言编辑、语法校正和改写。使用这些工具后，作者对所有AI辅助的内容进行了彻底审查、验证和修改，以确保内容的准确性和原创性。部分模板来自“BioRender”；所有图像都经过了严格审核以确保科学准确性。作者对发表文章的完整性和最终内容负全责。
致谢
我们感谢印度政府的
科学技术部（DST）提供的资助（项目编号：CRG/2022/002730、YSS/2015/000152、DST/NM/NS/2018/27），以及印度政府的
生物技术部（DBT）提供的资助（项目编号：BT/INF/2022/SP45072/2022）。
未引用参考文献
作者声明
作者声明不存在任何利益冲突。
