口服递送表达抗氧化酶的工程化乳酸乳球菌微胶囊治疗炎症性肠病：肠道屏障修复与菌群调控机制

《Materials Today Bio》：Oral delivery of engineered Lactococcus lactis microcapsules expressing antioxidant enzymes for inflammatory bowel disease: Mechanisms of intestinal barrier repair and microbiota modulation

为解决炎症性肠病（IBD）中活性氧（ROS）水平升高、肠道屏障受损及菌群失调等问题，研究人员利用基因工程构建了能共表达超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的工程益生菌，并通过壳聚糖-海藻酸钠（CS-SA）纳米复合涂层对其进行包封，显著提升了其在模拟胃肠环境中的存活率。该研究证实，所获的LL-SC-C2A2能在细胞和动物模型中有效清除ROS、降低促炎因子、修复肠道屏障并恢复菌群稳态，为IBD治疗提供了一种创新的口服益生菌递送策略，论文发表在《Materials Today Bio》上。

想象一下，肠道内一场无休止的“火灾”正在肆虐。这种被称为炎症性肠病（IBD）的慢性炎症性疾病，伴随着活性氧（ROS）的爆发性升高、肠道屏障的“墙体”破损以及有益菌与有害菌生态平衡的崩溃。尽管治疗药物不断涌现，但许多患者仍面临疗效不佳或反复发作的困境。口服具有治疗功能的酶，如能清除ROS的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT），听起来是个好主意。然而，这些“救援队”在抵达肠道“火灾”现场前，往往就在胃酸的“酸雨”和消化酶的“攻击”下“阵亡”，或者无法精准驻留。那么，能否打造一支既自带“灭火”（抗氧化）能力，又能抵御恶劣环境、直达病灶的“特种部队”呢？

这正是Yue Meng、Yujun Jiang、Yu Zhang等研究人员在发表于《Materials Today Bio》上的研究所致力解决的核心问题。他们选择将安全的食品级微生物——乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）作为底盘，通过基因工程将其改造为能够同时表达SOD和CAT的“工程益生菌”（Engineered Probiotics）。但这还不够，为了护送这支“特种部队”安全通过胃部，他们又给细菌穿上了一件由壳聚糖（Chitosan, CS）和海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）通过层层自组装（LBL）技术编织的“纳米防护服”。这种被命名为LL-SC-C₂A₂的新型微胶囊，不仅大幅提升了细菌在模拟胃酸中的存活率，还能利用壳聚糖的黏膜粘附特性延长其在肠道的作用时间。研究团队随后在过氧化氢（H₂O₂）刺激的肠上皮细胞模型和葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的小鼠结肠炎模型中，全面验证了LL-SC-C₂A₂通过清除ROS、抑制炎症、修复肠道紧密连接、促进黏液分泌以及调节肠道菌群向健康状态恢复等多重机制，有效缓解结肠炎症状。这项研究不仅开发了一种创新的口服活菌治疗递送平台，也为IBD的协同治疗提供了包含抗氧化、抗炎、屏障修复和微生态调节在内的全新策略。

为开展此项研究，作者主要应用了以下关键技术方法：利用基因工程构建能表达SOD-CAT融合蛋白的工程化乳酸乳球菌（LL-SC）；采用基于静电作用的层层自组装（LBL）技术，以壳聚糖和海藻酸钠为材料对工程菌进行纳米包封，制备LL-SC-C₂A₂；通过模拟胃肠液实验评估包封后细菌的存活率；使用透射电子显微镜（TEM）表征细菌形态与包封效果。在功能验证方面，建立了H₂O₂刺激的Caco-2肠上皮细胞氧化应激模型，以及DSS诱导的C57BL/6小鼠结肠炎模型，并进行了全面的体内外功效与机制评价。

研究结果：

3.1. LL-SC的构建与验证

研究人员成功将SOD和CAT的融合基因整合到乳酸乳球菌中，构建了工程菌株LL-SC。蛋白质印迹（Western blot）分析证实，在诱导剂Nisin存在下，LL-SC能够表达出预期大小的融合蛋白（84 kDa）。生长曲线显示，表达外源蛋白对工程菌的生长代谢负担很小。

3.2. LL-SC-C₂A₂的制备与表征

通过监测zeta电位和粒径的变化，证实了壳聚糖（带正电）和海藻酸钠（带负电）在LL-SC表面成功地进行了交替包覆，形成了LL-SC-C₂A₂。透射电镜（TEM）图像直观显示，包封后的细菌表面被一层光滑、连续的聚合物涂层所覆盖，而未包封的细菌表面则较为粗糙。包封过程未影响工程菌的SOD和CAT酶活性。

3.3. LL-SC-C₂A₂的抗氧化能力与胃肠道耐受性

在模拟胃液和肠液的实验中，包封后的LL-SC-C₂A₂存活率显著高于未包封的LL-SC，提高了约1.4倍，证明纳米涂层有效保护了细菌免受胃酸和胆盐的侵害。

3.4. LL-SC-C₂A₂的生物安全性评估

急性毒性实验表明，口服LL-SC-C₂A₂的小鼠在血液学参数、肝肾功能指标以及主要器官（肝、脾、肾、结肠）的组织病理学切片上均未显示异常，初步证明了该制剂具有良好的生物相容性。

3.5. LL-SC-C₂A₂在Caco-2细胞中的体外抗氧化功能验证

在H₂O₂诱导的Caco-2细胞氧化损伤模型中，LL-SC-C₂A₂表现出最强的细胞保护作用和ROS清除能力，其效果显著优于空载体对照组和未包封的工程菌组，且包封未减弱其抗氧化功能。

3.6. LL-SC-C₂A₂对DSS诱导的结肠炎模型的缓解作用

在DSS诱导的小鼠结肠炎模型中，口服LL-SC-C₂A₂显著改善了疾病症状：减轻了体重下降，降低了疾病活动指数（DAI）评分，增加了结肠长度，并降低了肠道通透性。更重要的是，LL-SC-C₂A₂治疗显著降低了结肠组织中的ROS水平，并提升了内源性抗氧化酶（SOD、CAT、谷胱甘肽过氧化物酶GSH-Px）的活性，同时降低了脂质过氧化产物丙二醛（MDA）的含量。

3.7. LL-SC-C₂A₂减轻炎症

组织病理学分析显示，LL-SC-C₂A₂治疗有效修复了DSS导致的结肠组织结构破坏，减少了炎症细胞浸润，并恢复了杯状细胞数量。酶联免疫吸附测定（ELISA）结果显示，LL-SC-C₂A₂能显著降低促炎细胞因子（如IL-6、IL-1β、TNF-α）的水平，提升抗炎细胞因子IL-10的水平，并抑制髓过氧化物酶（MPO）的活性。

3.8. LL-SC-C₂A₂修复肠道屏障功能

免疫组化与实时定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）分析表明，LL-SC-C₂A₂能显著上调紧密连接蛋白（Claudin-1、Occludin-1、ZO-1）和黏蛋白MUC-2的表达，从蛋白和基因水平修复肠道物理屏障和化学屏障。机制探索发现，LL-SC-C₂A₂可能通过调控Nrf2-Keap1信号通路（一个关键的抗氧化应激通路）来发挥其屏障修复和抗氧化作用。

3.9. LL-SC-C₂A₂对肠道菌群的调节作用

通过对小鼠肠道内容物进行16S rDNA测序分析，发现DSS诱导导致了肠道菌群α多样性下降和结构紊乱（如有益菌阿克曼氏菌Akkermansia减少，致病菌埃希氏菌-志贺氏菌Escherichia_Shigella增多）。LL-SC-C₂A₂治疗能有效逆转这些变化，恢复菌群多样性和有益菌丰度，并显著提升结肠内容物中多种短链脂肪酸（SCFAs）的水平，这些SCFAs与肠道健康密切相关。

研究结论与讨论：

本研究成功构建了一种集基因工程与纳米包封技术于一体的新型口服益生菌治疗平台——LL-SC-C₂A₂。其核心创新在于“双重功能设计”：工程菌本身持续产生SOD和CAT，直接中和病灶处的ROS；而CS-SA纳米涂层则作为“防护盾”和“定位器”，大幅提高活菌的口服递送效率，并延长其在肠道炎症部位的驻留时间。

在DSS诱导的小鼠结肠炎模型中，LL-SC-C₂A₂展现了卓越的多机制协同治疗效果。它不仅通过源头清除ROS打破了氧化应激的恶性循环，还通过抑制促炎反应、修复肠道屏障（包括紧密连接和黏液层）以及重塑健康的肠道微生物生态系统，从多个层面协同遏制了IBD的病理进程。与未包封的工程菌相比，包封版本展现出显著增强的保护效果，凸显了纳米包封策略对于实现活菌生物制剂有效递送的关键意义。

尽管该研究在急性结肠炎模型中证明了概念的有效性，并初步评估了安全性，但作者也指出了研究的局限性，例如尚未在慢性或其他类型的IBD模型（如TNBS诱导的结肠炎）中验证，缺乏与一线临床药物的直接疗效比较，对Nrf2通路激活的验证停留在转录水平，以及对工程菌体内定植动力学和蛋白纯化性质的深入研究有待开展。未来的转化研究需要聚焦于生产工艺的规模化、更全面的长期生物安全性评价，并在更广泛的临床前模型中验证其治疗潜力。

总之，这项工作超越了单一疗法思路，通过巧妙的生物工程学设计，整合了抗氧化、抗炎、物理屏障修复和生态调节等多种治疗机制，为开发下一代用于IBD及其他肠道疾病的口服活体生物治疗产品（Live Biotherapeutic Products）提供了富有前景的新策略和坚实的实验依据。