综述：基于碳水化合物聚合物的纳米装甲系统在益生菌胃肠递送中的应用：策略、应用与前景

《Carbohydrate Polymers》：Carbohydrate polymer-based nanoarmor systems for probiotic gastrointestinal delivery: Strategies, applications, and perspectives

　　

摘要

益生菌在促进人类健康方面展现出巨大潜力。然而，由于胃肠道环境的恶劣条件（如胃酸、胆盐和消化酶），它们的存活率在通过胃肠道的过程中会降低。最近，基于纳米防护层的封装技术因能够保护益生菌并将其定向输送而受到广泛关注。特别是，碳水化合物聚合物及其复合物系统已成为构建生物相容性和对胃肠道环境有响应的益生菌纳米防护层的重要构件。以往的综述主要关注传统的益生菌封装方法、基于水凝胶的输送系统以及活性生物治疗系统。本综述重点探讨了直接在益生菌表面构建的复合纳米防护层，尤其是基于壳聚糖、纤维素衍生物、透明质酸和β-葡聚糖的系统。此外，还系统地讨论了基于碳水化合物聚合物的纳米防护层在保护作用、靶向释放、功能调控方面的作用。同时，这些纳米防护层的制备策略、代表性应用及关键研究进展也得到了系统的总结与比较。研究结果表明，聚合物的化学结构、分子量、电荷密度、交联程度和可降解性等因素影响着其界面组装、胃肠道稳定性、物质传递能力、黏膜黏附性以及涂层的分解过程。研究表明，纳米防护层的设计需要兼顾益生菌的保护、存活率与释放效果，而不仅仅是追求涂层本身的稳定性。最后，本文还概述了该领域面临的挑战及未来发展方向。

引言

根据世界卫生组织和联合国粮农组织的定义，益生菌是指“在适量摄入时对宿主健康有益的活微生物”（Cook等人，2012年；Guarner等人，2024年；Hill等人，2014年；Xiong & Sun，2024年）。这些公认的健康促进微生物在调节肠道微生物群平衡和改善代谢稳态方面具有巨大潜力，并已被广泛应用于食品生产、医疗保健和畜牧业领域（Sánchez等人，2017年；Yoha等人，2022年）。肠道微生物群构成了肠道微生态系统，其中包含大约100万亿个细菌（Ley等人，2008年；Round & Mazmanian，2009年）。当功能优秀的益生菌成功定植于肠道时，它们有助于免疫系统的稳态、肠道上皮细胞的发育以及黏膜的完整性，这些对于维持宿主的整体健康至关重要（Cheng等人，2020年；Zhong等人，2025年）。

从商业角度来看，益生菌主要通过营养补充剂、功能性食品和药品的形式口服给药（Centurion等人，2021年）。然而，这种给药方式存在三个关键问题：首先，作为对环境敏感的生物制剂，益生菌在工业加工和储存过程中容易因pH值、温度和湿度的变化而失去活性（Zhao等人，2024年）；其次，益生菌必须能够经受胃酸、胆盐和消化酶的作用（Gao等人，2023年；Yuan等人，2024年）；最后，在肠道传输过程中存活下来的益生菌仍需与原有的肠道微生物群竞争营养和生态位，这可能限制它们的定植和持久性（Maldonado-Gómez等人，2016年）。个体间的生理和病理条件差异可能会进一步影响益生菌的口服给药效果（Xiong & Sun，2024年）。

益生菌的封装技术为解决这些问题提供了有效的解决方案（Centurion等人，2021年；Vidhyalakshmi等人，2009年；Xiao等人，2020年；Zhang、Gao等人，2023年）。传统的微胶囊化方法通常涉及将多个益生菌细胞嵌入保护性基质中（Centurion等人，2021年），这种策略可以提高益生菌的存活率并促进其在肠道内的定植（Rodrigues等人，2020年；Singh等人，2018年；Yang等人，2025年）。然而，传统微胶囊也存在一些局限性，例如尺寸均匀性差、存活率保持不佳、生物利用度低以及难以精准靶向病变组织（如肿瘤）（Round & Mazmanian，2009年；Zhang等人，2015年）。近年来，纳米技术的进步为益生菌的纳米级封装系统提供了新的设计思路（Pan等人，2022年）。本文所述的纳米防护层增强型益生菌输送技术是指通过物理、化学或生物相互作用直接在益生菌表面构建一层符合其形状的纳米级涂层，尤其是利用碳水化合物聚合物及其复合物材料（Lu等人，2024年）。在传统封装系统中，碳水化合物聚合物通常形成微观级别的胶囊、珠粒或的大体积水凝胶基质来包裹益生菌细胞；而在纳米防护层系统中，这些材料则直接在细胞与基质界面处组装形成薄层保护层（Jia等人，2025年）。这种界面组织方式使碳水化合物聚合物能够提供即时表面保护，并作为黏附作用、靶向释放、生物成像及刺激响应释放等功能的基础（Wang等人，2026年）。

用于构建纳米防护层的碳水化合物聚合物主要包括多糖（如壳聚糖、纤维素衍生物、β-葡聚糖、透明质酸、菊粉和魔芋葡甘露聚糖）（Centurion等人，2022年）。由于其生物相容性、丰富的官能团、对胃肠道环境的响应性以及潜在的食物级适用性，这些材料非常适合用于构建益生菌纳米防护层（Gao等人，2025年；Jia等人，2025年；Li等人，2024年；Wang等人，2024年）。在这些系统中，碳水化合物聚合物可以充当保护性基质、黏附界面、pH值或酶响应层、益生元底物以及混合功能组分的锚定模块。最近的研究还展示了多功能益生菌纳米防护层在靶向治疗和调节宿主-微生物群平衡方面的应用潜力（Dou等人，2026年）。不过，以往的综述主要关注的是载有水凝胶的益生菌治疗系统，例如Zheng等人研究了水凝胶载药系统的设计策略（Zheng等人，2023年），Liu等人总结了不同微胶囊化技术对细菌存活的影响及其相应的保护机制（Liu等人，2019年），同时也有关于单细胞封装和防护层改性益生菌的最新进展（Zhao等人，2024年）。然而，从材料科学的角度，碳水化合物聚合物的具体作用尚未得到充分总结（Han等人，2024年）。此外，聚合物的物理化学性质和组装机制如何影响纳米防护层的结构，进而影响益生菌的存活率、保留性和释放控制机制，目前仍不够清楚（Zhao等人，2024年）。

因此，本文系统总结了基于碳水化合物聚合物及其复合材料的纳米防护层增强型益生菌的最新进展（见图1）。首先，总结了纳米防护层的制备策略（如直接非共价吸附和胶体组装、逐层逐步组装、共价表面结合、原位界面涂层形成以及离子交联和矿物辅助的复合组装），并讨论了其在肠道健康调控、疾病干预和益生菌追踪等领域的应用前景。此外，还进一步探讨了该领域的当前研究热点（如刺激响应释放、靶向能力的提升和生物活性评估）。最后，本文概述了该领域面临的挑战及未来发展方向，为基于碳水化合物聚合物的纳米防护层系统的合理设计和实际应用提供了指导。

章节片段

近年来，由于纳米防护层在增强益生菌的保护性、输送效果和辅助定植方面的优势，相关研究日益增多（Sahoo等人，2025年；Xu等人，2022年）。显然，纳米防护层通常是通过物理、化学或生物相互作用直接在益生菌表面构建的（Huang等人，2025年）。然而，其构建过程往往涉及多种分子间相互作用和有序的涂层形成。

纳米防护层增强型益生菌由于具有更好的胃肠道耐受性、更强的定植能力和刺激响应释放特性，展现了广泛的应用潜力（Dzutsev等人，2015年）。因此，这些系统的应用可以归结为三个方面：给药前的活性损失、胃肠道传输过程中的存活率下降以及功能作用受限等问题（参见相关研究）。

除了制备策略和应用场景外，纳米防护层增强型益生菌的输送效果和治疗性能还受到三个关键因素的制约：响应性释放、靶向能力的提升以及生物活性和安全性的评估（Chen等人，2025年；Zheng等人，2025年）。响应性释放取决于由胃肠道环境或疾病相关刺激引发的纳米防护层结构变化（如pH值变化、酶的作用等）。

益生菌是人体内的有益微生物，有助于维持身体健康和调节肠道菌群，还在预防肠炎、癌症、抑郁症等疾病方面显示出显著潜力（Zhao等人，2025年）。这使得益生菌在全球市场上受到关注，消费者对其的需求也在稳步增长。然而，益生菌在口服给药过程中容易受到胃肠道恶劣环境的影响，从而降低其存活率。

益生菌因其能够调节肠道微生物群并支持宿主健康而受到越来越多的关注。然而，在胃肠道传输过程中，它们的存活率和功能性可能会大幅降低。因此，在益生菌表面构建纳米防护层是一种改善其胃肠道保护和输送效果的潜在策略。纳米防护层还可以结合响应性释放、肠道滞留以及具有益生菌功能的其他治疗成分。

Zhuan Song：负责初稿撰写和概念设计。Yina Zhao：负责监督和调查工作。Xiaofeng Hu：负责监督。Xiaorong Liu：负责监督。Mingshuang Sun：负责监督。Yuhang Tian：负责监督。Bo Qu：负责监督。Xianlong Zhang：负责撰写、审稿和监督。Yujun Jiang：负责撰写、审稿和监督。

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

本项研究得到了黑龙江省重大科技成果产业化项目（项目编号：CG24042）的资助。

Zhuan Song|Yina Zhao|Xiaofeng Hu|Xiaorong Liu|Mingshuang Sun|Yuhang Tian|Bo Qu|Xianlong Zhang|Yujun Jiang

中国东北 Agricultural University食品科学系，乳品科学重点实验室，哈尔滨，150030