综述：用于靶向肠道递送的纳米抗生素增强型益生菌：机制、治疗应用与转化挑战

《International Journal of Nanomedicine》：Nanobiotic-Enhanced Probiotics for Targeted Gut Delivery: Mechanisms, Therapeutic Applications, and Translational Challenges

　　

肠道微生物群通过影响消化、免疫调节和代谢等生理过程，在维持人体健康中发挥着关键作用。然而，肠道微生物平衡的破坏（即菌群失调）与多种疾病相关。益生菌已成为潜在的治疗剂，但其疗效受到胃肠道（GI）转运过程中存活率低、定植能力差以及缺乏靶向递送等挑战的限制。近年来，纳米技术通过提高益生菌的稳定性、活性和功能，为解决这些局限性提供了有前景的方案。为了提供一个更新的视角，本文在PRISMA指导的文献检索和筛选过程的基础上，提出了一份结构化的叙述性综述。本研究确定了2021年至2025年间在PubMed、Scopus、IEEE Xplore和Google Scholar上发表的相关研究，并通过叙述性综合的方法，对纳米包封策略、混合纳米抗生素系统、智能递送平台、治疗应用和转化障碍进行了研究。纳米包封技术、混合纳米抗生素系统和智能递送平台处于益生菌增强技术的前沿。这些系统提高了对益生菌在严酷胃部环境下的保护，并使其能够在胃肠道的特定区域内实现靶向释放，从而提高定植效率和治疗潜力。此外，纳米抗生素在调节肠道微生物群组成、增强免疫反应以及为胃肠道疾病、代谢性疾病和免疫相关疾病的管理开辟新的治疗途径方面展现出前景。尽管取得了这些进展，但与安全性、可扩展性和监管批准相关的挑战仍然是临床转化的重大障碍。本综述综合了纳米抗生素增强型益生菌的最新进展，评估了其治疗应用，并讨论了精准微生物组治疗的关键挑战和未来方向。

研究背景与方法

本研究采用了一项以PRISMA 2020原则为指导的结构化叙述性综述。文献检索涵盖了2021年至2025年间在PubMed、Scopus、IEEE Xplore和Google Scholar四大数据库上发表的文献。纳入了关注经纳米技术、纳米包封或纳米载体方法增强的益生菌、益生菌衍生物系统或益生菌递送平台的研究。筛选过程包括标题摘要筛选和全文评估。初始识别了1524条记录，经过重复项剔除和筛选，最终有222项研究被纳入叙述性综合。数据提取使用了结构化表格，涉及研究类型、益生菌菌株、纳米载体类型、递送机制、应用领域、生存/释放结果、定植、微生物群效应、免疫/屏障效应、安全性观察以及关键转化意义等变量。鉴于纳入研究的异质性，研究结果采用叙述性综合而非荟萃分析的方式进行整合。

背景：益生菌与肠道健康

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  益生菌的概念与机制
  益生菌是“活的微生物，当给予足够量时，可赋予宿主健康益处”。常见益生菌属包括乳杆菌（Lactobacillus）、双歧杆菌（Bifidobacterium）和芽孢杆菌（Bacillus）。它们通过多种机制在维持肠道健康中发挥核心作用：1) 免疫调节：通过刺激抗炎细胞因子（如白细胞介素-10（IL-10））的产生，并降低促炎细胞因子（如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6））的水平，增强局部免疫力，维持肠道稳态。2) 病原体抑制：通过竞争性排斥（争夺营养和定植位点）和产生抗菌肽来抑制病原体。3) 增强肠道屏障完整性：通过促进黏蛋白的产生，增强保护性黏液层。4) 代谢调节：通过产生短链脂肪酸（SCFAs）等有益代谢物，影响葡萄糖、脂质和胆固醇的代谢，在管理2型糖尿病（T2DM）和肥胖中发挥潜在作用。
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  传统益生菌递送的局限性
  传统益生菌的临床应用受到其递送和稳定性方面的显著挑战。主要限制包括：1) 胃酸环境下的低生存率：胃部极端酸性（pH 1.5-3.5）可导致大量益生菌在到达肠道前失活，降低定植所需的菌落形成单位（CFUs）。2) 胆汁盐和消化酶：小肠中的胆汁盐和消化酶进一步降低益生菌存活率和后续定植能力。3) 定植效率低：肠道内存在竞争激烈的本地微生物群，限制新引入益生菌的附着和稳定定植，许多益生菌只是短暂存在。4) 临床疗效不一致：上述挑战导致益生菌活性降低、递送控制性差，使其在许多临床试验中疗效不一，阻碍了其作为主流治疗手段的广泛采用。

纳米抗生素与益生菌增强

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  什么是纳米抗生素？
  纳米抗生素（Nanobiotics）是指将纳米技术与生物制剂相结合，以提高其稳定性、递送和治疗性能的新兴跨学科方法。在益生菌背景下，纳米抗生素涉及利用纳米级载体系统（粒径通常在纳米尺度）来封装、保护和运输有益微生物，与常规制剂相比，控制性更强。其载体可由聚合物、脂质、蛋白质或无机材料制成，具有可调理化特性（如粒径、表面电荷、渗透性、释放行为），从而实现更精确的递送和功能调控。
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  在益生菌中应用纳米技术的原理
  纳米技术为改善益生菌递送提供了理论依据，因为纳米尺度的材料具有高比表面积、可调表面化学性质以及可控的生物环境相互作用等独特物理化学性质。其优势主要体现在：1) 增强保护：提供物理屏障，保护益生菌免受胃酸、胆汁盐和消化酶的损害，提高胃肠道存活率。2) 靶向和控释：可设计成响应生理刺激（如pH梯度、酶活性），实现益生菌在结肠等特定部位的位点特异性释放，提高治疗效率。3) 增强黏膜粘附：使用壳聚糖、果胶等具有黏膜粘附性的材料，可延长益生菌在肠道黏膜表面的滞留时间，增强与上皮组织的相互作用。4) 多功能共递送：可共同封装益生元、生物活性化合物或抗菌分子，实现协同治疗效应。这些特性使纳米载体系统成为开发下一代益生菌策略的有吸引力的平台。

纳米抗生素递送系统

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  纳米包封方法
  纳米包封技术是纳米抗生素递送系统的核心，通过将益生菌封装在纳米尺度的载体中，提供物理保护并优化其治疗潜力。主要方法包括：
  1. 1.
     聚合物纳米颗粒：使用可生物降解、生物相容的聚合物（如壳聚糖、海藻酸盐、果胶、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA））形成纳米颗粒。它们提供控释能力，并保护益生菌免受消化酶、胃酸和胆汁盐的损害。例如，壳聚糖具有良好的黏膜粘附性，可延长益生菌在肠黏膜的滞留时间。
  2. 2.
     脂质体和纳米乳剂：脂质体是磷脂双分子层囊泡，能将益生菌包裹在其水性内核中，提供针对环境应激的保护。纳米乳剂是油水分散体系，在保护益生菌免受氧化应激方面尤为有效。两者都能改善益生菌的肠道粘附，提高定植效率。
  3. 3.
     核壳涂层：益生菌被封装在中心核内，外部由聚合物或脂质层构成的壳包裹。这种设计提供额外保护层，并可设计成响应特定刺激（如pH、酶、温度）而降解，从而在目标肠道位置实现可控释放。
  4. 4.
     新兴载体平台：包括外泌体/细胞外囊泡基载体和金属有机框架（MOFs）基载体。外泌体基系统（如乳源外泌体）具有高生物相容性和与肠道表面良好的相互作用。MOFs则具有高度可调的孔隙率和大的比表面积，可实现保护性和刺激响应性封装。这些新兴系统目前仍处于临床前早期阶段。
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  递送机制
  不同纳米载体的保护机制具有共同特点：
  1. 1.
     pH响应释放：使用壳聚糖、海藻酸盐等材料，在胃部酸性条件下保持稳定，但在肠道中性或碱性pH下降解或渗透性增加，实现益生菌在结肠的靶向释放。
  2. 2.
     黏膜粘附特性：载体材料与肠黏膜黏液层的黏附，延长益生菌在靶部位的滞留时间，促进更好的定植和局部免疫调节。
  3. 3.
     单细胞纳米包封：也称为细胞壳技术，即在单个益生菌细胞上包裹超薄保护壳，为每个细胞提供独立保护，并可实现更高精度的触发式释放，增强治疗特异性。
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  生物利用度与靶向释放
  纳米包封和靶向递送系统通过分阶段保护显著提高了益生菌的生物利用度：在胃部，纳米包封屏障保护益生菌免受胃酸损害；在小肠，纳米载体保持结构完整性，增强黏膜粘附，延长滞留时间；到达结肠后，pH触发或酶触发的释放机制，实现益生菌在病灶部位的受控释放。与游离益生菌相比，纳米抗生素系统通常能实现更高的定植效率、更好的微生物群恢复和更强的治疗效应。

与肠道的功能相互作用

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  对微生物群的调节
  纳米抗生素增强型益生菌能更有效地重塑肠道微生物群的组成和多样性，这主要归功于递送系统的改善，使更多活的微生物能够到达肠道。研究表明，纳米保护的益生菌可以增加有益类群（如双歧杆菌、乳杆菌、真杆菌）的丰度，同时减少致病属（如肠球菌、梭杆菌、假单胞菌）的相对丰度。这些变化与改善的微生物多样性和平衡相关，这对于长期的宿主健康，特别是代谢和炎症相关疾病的管理至关重要。
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  免疫调节
  纳米抗生素载体不仅能增强益生菌的递送，还能调节其与宿主免疫系统的相互作用能力，可能导致更强大和平衡的免疫反应。通过提高益生菌在肠道环境中的存活率和在肠上皮表面的粘附效率，纳米技术可以放大益生菌与肠道相关淋巴组织（GALT）的免疫信号通路相互作用。研究表明，纳米抗生素制剂可以减少过度的炎症信号（如通过Toll样受体4/核因子κB（TLR4/NF-κB）通路），促进抗炎细胞因子的产生，并减轻促炎介质的水平。刺激响应性纳米载体可以在炎症部位响应局部炎症信号释放益生菌，从而在炎症性肠病（IBD）等疾病中增强局部免疫调节。
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  肠道屏障保护
  肠道屏障的结构和功能完整性（包括上皮细胞、黏液层和紧密连接蛋白）对于防止病原体易位至关重要。纳米抗生素制剂通过增强保护和靶向释放，增加了到达肠道的活细胞数量。这些活细胞通过与上皮受体的粘附介导的信号传导，刺激杯状细胞产生黏蛋白，增强紧密连接蛋白（如ZO-1、闭合蛋白、闭合蛋白-1）的表达，并减少上皮通透性。研究表明，在结肠炎等动物模型中，纳米保护的益生菌比游离益生菌更能有效降低疾病活动度、减轻组织病理损伤，并增强黏膜屏障相关基因的表达，从而更强地恢复黏液层和紧密连接屏障。

治疗应用

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  炎症性肠病与肠易激综合征
  纳米抗生素增强型益生菌在溃疡性结肠炎（UC）、克罗恩病（CD）和肠易激综合征（IBS）中作为辅助或替代疗法受到研究。纳米递送系统可实现结肠定向递送、延长黏膜滞留，并在肠道损伤或炎症部位产生更强的局部免疫调节作用。研究表明，纳米包封的益生菌在临床前模型中可以增强黏膜相互作用，调节炎症信号，并比游离益生菌更有效地降低疾病严重程度。例如，通过壳聚糖纳米载体递送的鼠李糖乳杆菌，在化学性诱导的结肠炎模型中比游离细胞更能改善疾病活动评分。尽管临床证据多为临床前，但现有发现支持纳米抗生素在IBD和IBS管理中的潜力。
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  胃肠道感染
  针对细菌、病毒和真菌病原体引起的胃肠道感染，纳米抗生素增强型益生菌作为有前景的辅助策略出现，可用于改善局部益生菌活性、加强病原体抑制和支持感染黏膜部位的微生物平衡恢复。在细菌性胃肠炎中，纳米包封的益生菌表现出比游离细胞更强的抗菌活性，可增强竞争性排斥和抗菌物质（如细菌素）的产生。在幽门螺杆菌（H. pylori）感染中，脂质体等纳米保护制剂可提高益生菌在酸性胃环境下的存活率，增强与幽门螺杆菌的竞争性相互作用，并有助于减轻黏膜损伤。然而，针对病毒和真菌肠道感染的直接证据有限，仍需更多临床研究。
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  代谢健康
  代谢紊乱与肠道菌群失调和全身性炎症密切相关。传统益生菌在调节代谢风险因素方面显示出一定益处，但效果有限。纳米抗生素递送系统通过提高益生菌在胃肠道转运过程中的存活率，并实现向肠道远端部位（宿主-微生物组代谢相互作用最相关的区域）的靶向递送，来增强这些效应。研究表明，纳米载体包封的益生菌在实验模型中可更有效地调节代谢过程，例如减少体重增加和肥胖、改善胰岛素敏感性和葡萄糖代谢、降低肝脏脂肪积累和改善肝脏组织学。这些效应涉及对微生物群组成、短链脂肪酸（SCFAs）产生、胆汁酸代谢和炎症信号的调节。饮食、生活方式等因素也会影响纳米抗生素的定植效率和代谢效果。
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  肠-脑轴与神经行为健康
  肠-脑轴是一个复杂的通讯网络，通过神经、内分泌和免疫途径将胃肠道及其微生物群与中枢神经系统联系起来。纳米抗生素增强型益生菌通过提高存活率、保护胃肠道转运以及增强与宿主神经和免疫信号通路的相互作用，有潜力加强肠-脑轴相关的效应。研究表明，纳米包封的益生菌在动物模型中显示出更强的减轻焦虑样行为和调节应激反应的能力。这可能源于益生菌产生或影响神经活性化合物（如γ-氨基丁酸（GABA）、血清素、多巴胺）的能力增强，以及对下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴活动的调节。此外，纳米抗生素益生菌可能通过减少神经炎症、增强血脑屏障（BBB）完整性来影响认知功能。尽管临床证据仍然有限，但这些早期发现支持了纳米抗生素益生菌在管理由肠-脑轴功能障碍引起的情绪、认知和应激相关疾病中的潜在作用。