《Food Hydrocolloids》：Mutualistic symbiosis between coated probiotics and astaxanthin liposomes conferred extreme resilience against oxidative stress
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摘要传统的共递送系统由于缺乏内在的机制协同作用，往往无法在恶劣的生理环境中存活。受自然界共生关系的启发，本研究评估了一种将虾青素脂质体与包被益生菌结合的互惠共生体系，以研究其在过氧化氢诱导的氧化应激条件下的防御能力。在氧化应激模型中，该体系展现出强大的表型保护作用，显著保持了益生
摘要
传统的共递送系统由于缺乏内在的机制协同作用，往往无法在恶劣的生理环境中存活。受自然界共生关系的启发，本研究评估了一种将虾青素脂质体与包被益生菌结合的互惠共生体系，以研究其在过氧化氢诱导的氧化应激条件下的防御能力。在氧化应激模型中，该体系展现出强大的表型保护作用，显著保持了益生菌的存活率，并减轻了生物分子和结构上的损伤，这一效果体现在膜脂过氧化、蛋白质羰基化以及乳酸脱氢酶泄漏程度的降低上。界面热力学和光谱分析表明，氧化应激引发的熵主导模式决定了虾青素脂质体在细菌表面的动态富集与稳定锚定，进而使得虾青素的抗氧化作用能够集中在特定区域，有效中和包括羟基自由基在内的有害活性氧。此外，高分辨率质谱分析揭示了这种互惠共生体系的双向协同防御特性，表明通过建立氧化拦截与微环境化学防护的平衡网络，各组分共同构成了具有高度抗逆性的复合体。总体而言，本研究为开发具有优异环境适应性的先进益生菌递送平台提供了有力的理论和策略支持。
引言
肠道内自然存在着庞大而复杂的微生物群落，它们形成了一个精妙的生态系统，对宿主的生理稳态及多种功能有着重要影响（Gao等，2021）。作为调节肠道微生物群的直接策略，口服益生菌在促进胃肠道健康以及作为辅助治疗手段缓解多种疾病方面展现出巨大潜力（Chu等，2023；Ji等，2025a，Ji等，2025b；Zhang等，2023）。然而，口服益生菌的实际应用面临着诸多生理屏障带来的严峻挑战（Wang等，2024）。除了胃酸和胆盐等常规的物理化学障碍外，病变部位活性氧异常积累所引发的严重氧化应激也是另一个致命障碍，最终会导致益生菌细胞发生凋亡并无法在肠道定植（Zhang等，2025）。所有这些障碍共同限制了益生菌在促进人类健康方面的预期效果。
近年来，功能性表面涂层的应用彻底改变了工程化益生菌递送系统的设计与制造方式。这些涂层材料作为物理屏障，提升了益生菌的环境耐受性，为其在肠道内的存活提供了基本保障（Li等，2023；Liu等，2023）。然而，传统的物理涂层无法有效阻止活性氧的渗透。一旦活性氧穿透聚合物基质，就会引发严重的细胞内脂质过氧化和DNA损伤，最终导致细胞代谢停滞（Yue等，2025）。为了解决这一问题，将功能化载体与益生菌一同递送成为一种有效的策略。先前的定量研究已经确定了相关性能标准，表明先进的共递送系统可以实现50%到70%的多组分封装效率（Ma等，2024）。此外，通过逐层组装构建的结构体能够使益生菌在消化后的存活率保持在70%以上，这一数值远远高于未经处理的自由细胞组（Sun等，2025a，Sun等，2025b）。尽管在保持细胞存活方面取得了进展，但这些递送平台往往难以对载体与细胞之间的界面进行精确的分子级控制。缺乏特定的界面锚定会导致热力学不稳定，从而使胃肠道的剪切力引发相分离，使得生物活性因子在空间分布上变得无序（Qiu等，2023）。此外，当这些功能组件暴露在复杂的肠道环境中时，会迅速消耗殆尽。尤其是肠道腔内pH值的突然变化常常会导致载体基质过早分解，使得生物活性因子极易受到酶解作用的影响。最终，这种过早的空间分离会破坏生物活性因子与益生菌各自的生理功能，从而削弱二者本应产生的生化协同效应（Ji等，2025a，Ji等，2025b；Pan等，2025）。因此，基于界面工程策略的开发对于在功能化载体与益生菌之间建立牢固的物理耦合和生化协同作用至关重要。
在自然界中，珊瑚与虫黄藻之间的互惠共生关系是一种高效的范例，二者通过细胞间的空间锚定和代谢交换，能够协同抵御环境压力因素带来的严重氧化损伤（Shu等，2026；Weiler等，2026）。受这一自然模式的启发，本研究提出的共生体系利用纳米载体与益生菌之间的物理互锁和功能互补作用，实现了多层面的保护（Zhang等，2024）。在直接的界面耦合作用下，该共生体系能够在炎症条件下触发双重防御机制。一方面，功能化载体可作为外源清除剂，在局部中和活性氧，从而构建起强大的抗氧化屏障，保护益生菌免受氧化应激的伤害；另一方面，经过功能化处理的细菌表面则充当了坚固的结构基础，提供了稳定的界面锚定点，有效抵抗机械性冲刷力，防止功能化载体在传输过程中被过早清除（Hu等，2024）。
遵循这一自然模式，构建互惠共生体系需要对其组成模块进行合理的筛选和精确的组合。依托我们之前的研究基础，本研究选择了虾青素脂质体与包被益生菌作为核心的共生模块。虾青素脂质体作为一种高效的载体，具有已证实的肠道渗透性和持续释放能力，能够将虾青素输送到目标部位以调节局部的氧化应激，其保护作用已在我们的早期模型中得到验证（Si等，2026a，Si等，2026b）。与此同时，包被益生菌在该体系中发挥着双重功能。它不仅能够作为坚固的物理屏障，保护细菌免受恶劣肠道环境的侵蚀，其功能化涂层还为脂质体在界面处的锚定和稳定提供了结构稳定的仿生基底（Si等，2026a，Si等，2026b）。因此，虾青素脂质体与包被益生菌在微观界面上的空间耦合与协同作用，为该递送平台从传统的被动封装转变为相互依存的防护网络奠定了坚实的生物物理基础。
为了解决传统共递送平台的功能局限性，本研究评估了虾青素脂质体与包被益生菌相结合的互惠共生体系在氧化应激条件下的协同防御能力。首先，设计了该互惠共生体系，随后建立了过氧化氢诱导的氧化应激模型，用以评估该体系的保护效果。在明确了其抗氧化表型及虾青素释放特性之后，研究重点转向了对微观界面处虾青素脂质体与包被益生菌的生物物理结合热力学转变以及动态空间防御行为的跨尺度分析。此外，还采用了非靶向的高分辨率质谱分析技术，旨在了解体系内的局部化学变化和代谢组学差异，进而探究外源抗氧化屏障与益生菌内源性应激反应之间的关系。最终，本研究提出了一种从界面结构稳定到微环境化学缓冲的协同防御框架，为提升活体生物治疗产品在恶劣微环境中的存活率和功能耐受性提供了合理的策略。
章节节选
材料
Lactiplantibacillus plantarum 21804（L. plantarum）由中国工业文化中心提供。生物聚合物材料海藻酸钠（粘度为50?mPa?s；分子量为50?kDa；M/G比为1:2）和瓜尔胶（粘度为5000?mPa?s；分子量为90?kDa）分别来自上海麦克林生化有限公司和上海源恩生化有限公司。荧光染料和探针包括荧光素5-异硫氰酸酯、尼罗红以及DiBAC4(3)荧光探针，
互惠共生体系的构建与优化
通过将功能成分与益生菌相结合来构建互惠共生体系，是增强微生物在环境压力下存活能力的关键策略。鉴于虾青素脂质体具有强大的抗炎和抗氧化作用，本研究选择它作为功能模块，与包被益生菌共同构建具有协同作用的体系（Sun等，2021）。为了评估虾青素脂质体与包被益生菌之间的生物相容性，并确定二者在复合体系中的最佳比例，
结论
综上所述，本研究评估了由包被益生菌与虾青素脂质体组成的互惠共生体系在氧化应激条件下的多重防御机制。多层面的生理学分析表明，该体系能够有效减少细胞内活性氧的积累，从而保持细胞形态并维持细菌的存活率。界面热力学分析以及空间定位研究显示，氧化条件会促使体系呈现出更强的疏水性特征
CRediT作者贡献说明
Jingyu Si：数据整理、实验研究、软件分析、初稿撰写。Changhu Xue：论文审阅与编辑。Qingrong Huang：论文审阅与编辑。Zihao Wei：概念设计、资金获取、方法设计、项目管理、资源协调、软件应用、研究指导、论文审阅与编辑。
利益冲突声明
作者们声明不存在任何利益冲突或竞争性财务利益。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：32402292）的支持，同时亦获得了中国海洋大学食品科学与工程学院青年交叉创新研究计划（项目编号：2024102）的资助。共聚焦激光扫描显微镜、等温滴定量热法、流式细胞术、拉曼光谱以及UPLC-IMS-QTOF分析数据均来自中国海洋大学食品科学与工程学院分析测试中心的相关设备。
Jingyu Si|Changhu Xue|Qingrong Huang|Zihao Wei
中国海洋大学食品科学与工程学院海洋食品加工与安全控制国家重点实验室，青岛，266404，中国
