《Redox Biology》：Controlled release of coated antioxidants inhibits
Citrobacter rodentium colonization in the colon of rats by reducing gut redox potential
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本研究针对肠道氧化还原电位调控病原菌定植的难题，开发了包被抗氧化剂（EQ/FA）的结肠靶向递送系统。结果表明包被FA能更有效降低肠道氧化还原电位，通过富集Lactobacillus reuteri、抑制Enterobacteriaceae生物膜形成并增强Muc2表达，显著减轻Citrobacter rodentium感染引起的体重下降和肠道炎症。该研究为微生态调控抗病原菌策略提供了新思路。
肠道是人体最大的免疫器官，其中栖息着数以万亿计的微生物，它们与宿主形成复杂的共生关系。肠道氧化还原电位（Redox Potential）作为反映肠道微环境动态特征的核心物理化学参数，深刻影响着微生物的代谢活性和肠道健康。然而，当病原菌如Citrobacter rodentium（C. rodentium）入侵时，它们能通过多层次的氧化还原适应机制在宿主肠道内定植，引发感染性腹泻等疾病，这对公共卫生和畜牧业发展构成持续威胁。目前，尽管膳食补充抗氧化剂（如乙氧基喹啉EQ和阿魏酸FA）被证明可调节肠道氧化还原状态，但天然抗氧化剂存在提取效率低、生产规模受限以及在消化过程中易降解等问题，限制了其应用效果。因此，开发一种能精准靶向结肠释放的抗氧化剂递送系统，以持续维持较低的肠道氧化还原电位，从而抑制病原菌定植，成为当前研究的重要方向。
为了回答这一科学问题，南京农业大学动物科技学院胃肠道微生物学实验室的研究团队在《Redox Biology》上发表了题为“Controlled release of coated antioxidants inhibits Citrobacter rodentium colonization in the colon of rats by reducing gut redox potential”的研究论文。该研究成功构建了包被抗氧化剂（包括化学合成的EQ和天然的FA）的控释系统，并深入探讨了其在较低氧化还原电位下对肠道健康的作用及机制。
研究人员主要采用了流体化床包被技术制备结肠靶向递送颗粒，通过体外抗氧化活性测定（DPPH和FRAP法）、大鼠体内干预实验（包括C. rodentium攻毒模型）、肠道氧化还原电位和pH值动态监测、粪便微生物16S rRNA和宏基因组测序、结肠黏液层厚度测量和免疫荧光染色、实时荧光定量PCR检测病原菌负荷及相关基因表达、以及体外细菌共培养系统模拟不同氧化还原环境等关键技术方法。这些方法共同支撑了从材料表征、体内功效到机制探索的全链条研究。
3.1. 包被EQ和FA靶向调控肠道氧化还原电位
研究团队利用流体化床包被技术成功制备了EQ和FA的包被颗粒（EQC和FAC）。表征结果显示，包被后的颗粒粒径均匀（约252.3 nm），并且在模拟胃酸条件下，FAC表现出近乎中性的Zeta电位，有利于其pH响应性在结肠释放。尽管包被后抗氧化活性有所变化（EQC保留了EQ 89.4%的DPPH自由基清除能力，FAC则为FA的62.3%），但体内动物实验表明，无论是低浓度还是高浓度的FAC，在整个干预期间都能有效降低肠道氧化还原电位，且效果优于未包被的抗氧化剂，证实了结肠靶向递送系统通过控释机制有效调节肠道氧化还原电位的可行性。
3.2. 维持低肠道氧化还原电位并降低C. rodentium负荷
在C. rodentium攻毒实验中，重复测量方差分析显示时间对氧化还原电位有显著主效应。高浓度FAC组（FAC-H-Cr）的氧化还原电位下降速率最快（-5.94/天），显著优于其他组。包被抗氧化剂，特别是FAC，在攻毒后对肠道氧化还原电位表现出显著的调节作用，并伴随肠道pH值的波动。重要的是，低浓度FAC组（FAC-L-Cr）有效逆转了C. rodentium感染引起的体重下降。在攻毒后第10天和第12天，FAC-L-Cr、FAC-H-Cr以及EQC-H-Cr组均显著降低了粪便中的C. rodentium负荷，证明包被抗氧化剂能通过降低氧化还原电位来抵消病原菌感染导致的生长性能损害。
3.3. 包被EQ和FA一致改变肠道微生物结构
在10天的治疗期内，FAC-Cr和EQC-Cr对粪便微生物的α多样性（如Chao1和Shannon指数）无显著影响，但到了第14天，EQC-Cr显著降低了微生物的丰富度和多样性，而FAC-Cr组的微生物结构则更接近未感染的对照组。主坐标分析显示，包被抗氧化剂处理组的微生物群落结构与对照组和攻毒对照组存在明显分离。通过UpSet图分析发现，与Con-Cr组相比，各处理组 consistently增加了9个菌属（如Streptococcus, Turicibacter, Romboutsia, Limosilactobacillus），减少了13个菌属。Mantel检验进一步表明，增加的Limosilactobacillus、Romboutsia和Sarcina等菌属与C. rodentium负荷呈显著负相关，提示这些有益菌可能通过生态位竞争或代谢相互作用抑制病原菌。
3.4. 包被FA有效减弱C. rodentium定植及炎症反应
在比较包被与未包被抗氧化剂的实验中，FAC-Cr比FA-Cr能更显著地降低肠道氧化还原电位，并逆转病原菌诱导的体重下降。在干预第10至14天，FAC-Cr组肠道C. rodentium负荷显著降低且保持稳定。终点分析显示，FAC-Cr显著降低了血清C反应蛋白（Crp）和白细胞介素-6（IL-6）水平，同时结肠内容物中FA含量显著升高，表明FAC具有优异的结肠靶向释放效果。结肠氧化还原电位测量也证实FAC-Cr的降低效果优于FA-Cr。
3.5. 包被FA特异性保护黏液屏障完整性
对结肠组织的分析发现，FAC-Cr组大鼠的结肠黏液层保持完整且厚度显著增加，而Con-Cr组的黏液层结构松散、厚度减少。免疫荧光染色显示，FAC-Cr组结肠组织中的Muc2荧光信号显著强于Con-Cr组。基因表达分析表明，FAC-Cr显著上调了肠道Muc2基因的表达，同时下调了Tff1基因的表达，而对Tff3和Muc5ac基因的表达无显著影响。这表明FAC通过选择性调节黏液相关基因来维持黏液稳态。
3.6. 包被FA在不同生态位增加有益菌并减少Enterobacteriaceae
对结肠内容物和黏膜微生物的分析显示，在内容物样本中，FAC-Cr组的Chao1指数和Shannon指数显著降低。主坐标分析表明，内容物和黏膜的微生物结构沿PC1轴明显分离。在属水平上，FAC-Cr组内容物中的Lactobacillus和Limosilactobacillus丰度显著高于对照组和攻毒对照组。值得注意的是，Enterobacteriaceae在FAC-Cr组的内容物和黏膜中均受到抑制，且在内容物中的抑制效果更为明显。在物种水平，L. reuteri和L. reuteri TD1在FAC-Cr组中显著富集。
3.7. 包被FA通过改变肠道微生物功能抑制Enterobacteriaceae定植
宏基因组学KEGG Orthology分析揭示，Enterobacteriaceae的功能基因富集于ABC转运蛋白、短链脂肪酸相关通路、群体感应和生物膜形成等途径。FAC-Cr干预抑制了Enterobacteriaceae的硫代谢相关基因簇（如CysA, CysP, CysU）和多离子跨膜转运通道，同时通过上调铁载体系统（如FecB, FepB, FhuD）促进游离铁离子的捕获。更重要的是，FAC-Cr重塑了Escherichia coli的生物膜形成通路，显著下调了关键基因（如AdrA, BcsA, CsgA, PgaA-D）的表达，从而削弱了生物膜的结构稳定性。此外，FAC-Cr还抑制了糖原生物合成基因（GlgA, GlgC）和荚膜输出蛋白（Wza），有效阻断了细胞外聚合物的形成。
3.8. 较低氧化还原电位进一步驱动L. reuteri与C. rodentium的竞争并降低后者毒力
体外共培养实验模拟了高、低两种氧化还原电位环境。在共培养体系中，L. reuteri能显著抑制C. rodentium的生长，且在低氧化还原电位条件下，这种抑制作用进一步增强。与高氧化还原电位相比，低氧化还原电位环境显著下调了C. rodentium毒力基因ler和tir的表达，表明其致病潜力被减弱。这验证了动物实验的结果，即低氧化还原电位环境赋予L. reuteri竞争优势，并能抑制病原菌毒力基因的表达。
研究结论与意义
本研究首次系统提出并验证了一种通过包被抗氧化剂控释调控肠道氧化还原电位以限制病原菌定植的新策略。研究结果表明，具有保护层的包被FA能显著降低肠道氧化还原电位水平，从而破坏Enterobacteriaceae的生态位适应能力。其潜在机制包括抑制生物膜形成、抑制ABC转运系统功能表达，以及通过富集L. reuteri、增强Muc2表达和黏液屏障完整性，共同约束病原菌的定植和增殖能力。该研究不仅阐明了氧化还原电位在调控肠道微生物相互作用中的核心作用，而且为开发通过维持较低氧化还原电位来抑制病原菌定植的控释策略提供了重要的理论依据和实践方向，对维护肠道微生态平衡和防控感染性疾病具有重要意义。
