综述：玉米醇溶蛋白纳米颗粒作为肠道微生物组新兴调节剂：机制、生物医学潜力与转化挑战

《Materials Today Advances》：Zein nanoparticles as emerging moderators of the gut microbiome: Mechanisms, biomedical potentials and translational challenges

　　

玉米醇溶蛋白（Zein），一种源自玉米的疏水性醇溶蛋白（prolamin），因其生物可降解性、生物相容性以及能自发自组装形成稳定的纳米颗粒（NPs），已成为一种可持续的口服纳米载体设计材料。本综述批判性地审视了玉米醇溶蛋白纳米颗粒（ZNPs）的合成策略、理化行为及生物学性能，并特别强调其在胃肠道递送和微生物组相关结局方面的作用。现有证据表明，ZNPs主要充当保护性和运输基质：其固有特性决定了胃肠道耐受性、黏液相互作用和可控的肠道释放，从而提高了包封化合物的稳定性及生物利用度。该综述深入探讨了载体介导的暴露框架内的微生物组途径，以关联报告的由递送的生物活性物质（例如药物、多酚或益生菌）所引起的微生物组成、代谢产物产生以及宿主生理变化中归因于ZNPs的因果关系。此外，本研究详细阐述了制备方法的进步，包括去溶剂化（desolvation）、电喷雾（electrospraying）、闪式纳米沉淀（flash nanoprecipitation）和微流体微混合（microfluidic micromixing），这些方法提高了颗粒的均匀性和可扩展性，支持了其在药品和营养品递送中的应用。多项研究证实，在炎症和代谢性疾病模型中，ZNPs能增强肠道靶向性、延长滞留时间并降低全身毒性。然而，转化应用仍受限于载体-货物-微生物组相互作用机制图谱的不完整、缺乏标准化的大规模生产方案以及重复口服暴露下长期安全性评估的不足。未来的进展将需要整合空载体对照、纵向微生物组分析、协调的生产标准和纳米特异性监管评估框架。建立这些标准将有助于理性设计基于玉米醇溶蛋白的平台作为可控口服递送系统，而非假定其具有固有的微生物组调节活性。

本文综述了玉米醇溶蛋白纳米颗粒作为新兴口服递送载体及其对肠道微生物组潜在调节作用的研究进展。玉米醇溶蛋白（Zein）作为一种源自玉米的疏水性醇溶蛋白（prolamin），因其生物可降解性、生物相容性及自组装特性，在口服纳米载体设计中备受关注。该综述系统探讨了ZNPs的合成策略、理化行为及生物学性能，重点聚焦于其在胃肠道递送中的应用及对微生物组的潜在影响。

在“引言”部分，文章首先强调了肠道微生物组（Gut Microbiome, GM）作为宿主代谢与健康核心调节者的重要性，指出维持微生物平衡、保护有益菌群以及通过恶劣胃肠道环境高效递送生物活性化合物仍面临巨大挑战。当前，微/纳米技术递送系统虽取得进展，但在炎症性肠病等疾病中实现位点特异性释放依然复杂。玉米醇溶蛋白纳米颗粒（ZNPs）因其生物相容性、稳定性和靶向递送潜力，成为克服这些障碍的有前景策略。与壳聚糖纳米颗粒和聚（乳酸-羟基乙酸共聚物）（PLGA）纳米颗粒等常用纳米生物材料相比，ZNPs具有源于植物、可再生、固有疏水结构域有利于自组装、持续释放以及在胃肠道条件下稳定性更佳等独特优势。其农业来源和作为生物燃料生产或玉米加工副产品的回收特性，进一步将其定位为绿色纳米技术领域中的可持续材料。

在“结构和性质”部分，详细描述了玉米醇溶蛋白的分子特性。玉米醇溶蛋白约占玉米总蛋白的45-50%，分子量在25-40 kDa之间，主要分为α、β、γ和δ四种亚型，其中α-玉米醇溶蛋白最为丰富且疏水性最强。这些亚型在分子量、溶解度、丰度和氨基酸组成上的差异决定了其结构和功能。玉米醇溶蛋白在醇水溶液中的溶解度受乙醇浓度影响，其固有的异质性构成了其独特的理化特性。研究表明，ZNPs的粒径范围通常在50-350 nm，其形貌（如球状、棒状或丝状网络）受加工参数（如喷嘴几何结构、CO₂流速）影响。表征技术包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）等。例如，利用反溶剂沉淀法制备的玉米醇溶蛋白-大豆多糖复合纳米颗粒（ZPS）能有效包封枯草芽孢杆菌，并显著提高益生菌存活率。玉米醇溶蛋白的等电点（pI）约为6.8，这一特性对调控不同pH条件下的药物释放至关重要。

在“ZNPs的合成”部分，系统回顾了从化学交联法发展至今的多种制备技术。早期利用戊二醛等交联剂制备微球的方法存在毒性残留风险。当前主流策略分为去溶剂化（Desolvating）、分散（Dispersing）和微混合（Micromixing）三大类。去溶剂化策略包括：1）溶剂/非溶剂法（乙醇-水系统），通过降低溶解度诱导自组装，可制备高载药量、表面光滑的纳米颗粒；2）凝聚法，通过控制溶剂成分触发相分离，但简单凝聚常产生微米级聚集体，需通过复合凝聚（如与多糖、蛋白质复合）来提高稳定性；3）pH驱动法，利用玉米醇溶蛋白在碱性条件下溶解、酸性条件下沉淀的特性，避免了有机溶剂的使用；4）透析法，通过溶剂扩散形成纳米颗粒，内建超声透析过程可减小粒径并避免后续溶剂去除步骤。分散策略旨在解决纳米颗粒干燥过程中的团聚问题，包括：1）液-液分散法，通过高速均质将乙醇相分散于水相，形成纳米颗粒；2）喷雾干燥法，可进行工业规模生产，但通常得到微米级颗粒；3）超临界反溶剂（SAS）法，利用超临界CO₂作为反溶剂，操作温度低、环保，但工艺参数复杂；4）电喷雾法，利用电场分散液滴，可获得高包封率的纳米颗粒；5）雾化/反溶剂沉淀（AAP）法，结合喷雾与反溶剂组装，可制备核壳结构纳米颗粒。微混合策略提供小体积、连续操作和精确控制，包括：1）闪式纳米沉淀（FNP），利用受限撞击射流混合器实现快速混合，产生窄分布的小颗粒；2）微流体技术，通过微通道内的层流实现均匀混合，具有高重现性，但通量有限。文章最后对不同合成策略进行了比较评估，指出颗粒粒径和多分散性主要受过饱和动力学和混合效率控制，不同方法在包封率、可扩展性以及与胃肠道稳定性、微生物组暴露的直接关联方面存在差异。

在“对肠道微生物群的作用机制”部分，深入探讨了ZNPs可能影响的四个相互关联的微生物代谢轴。1）短链脂肪酸（SCFAs）途径：微生物发酵膳食纤维产生的乙酸、丙酸和丁酸，通过G蛋白偶联受体（GPCR）等途径影响宿主能量代谢、免疫调节和肠道屏障功能。虽然理论上ZNPs可通过调节微生物组成影响SCFA产生，但目前针对ZNPs的研究主要报告微生物组成和炎症终点变化，尚未系统定量分析SCFA水平。2）犬尿氨酸（Kynurenine）途径：该途径代谢约90%的膳食色氨酸，产生神经活性、免疫调节和代谢功能的代谢物。肠道微生物通过调节色氨酸可用性和吲哚胺2,3-双加氧酶-1（IDO-1）活性影响该途径。ZNPs作为口服载体，可能通过部分消化产生生物活性肽，与上皮和微生物群落相互作用，间接影响色氨酸代谢。例如，玉米醇溶蛋白-多糖复合纳米颗粒可调节肠道菌群（如增加乳杆菌和双歧杆菌），这些菌群能代谢色氨酸生成吲哚衍生物，激活芳香烃受体（AhR）信号，从而可能抑制IDO-1和犬尿氨酸途径过度激活。3）胆汁酸（Bile Acid, BA）途径：初级胆汁酸在肝脏合成，分泌到肠道后，大部分被重吸收，少部分进入结肠被微生物转化（去结合、差向异构化、7α-脱羟基），生成次级胆汁酸。这些转化产物作为信号分子，通过法尼醇X受体（FXR）和Takeda G蛋白偶联受体5（TGR5）调节宿主代谢和免疫。研究表明，ZNPs可直接与结合型胆汁盐（如牛磺胆酸钠）相互作用，形成结构重排的复合物。微生物来源的胆盐水解酶（BSH）和7α-脱羟基酶活性对决定胆汁酸组成至关重要，任何影响这些菌群的纳米颗粒都可能间接影响宿主胆汁酸稳态，但目前缺乏ZNPs口服暴露后的胆汁酸谱系系统研究。4）胆碱（Choline）途径：膳食胆碱可被肠道微生物代谢为三甲胺（TMA），再被肝脏黄素单加氧酶3（FMO3）氧化为三甲胺-N-氧化物（TMAO），后者与心血管疾病等风险相关。肠道微生物编码的cutC基因编码胆碱TMA裂解酶。口服递送的蛋白质基纳米颗粒（如ZNPs）可经历部分酶消化并与肠道微生物群动态相互作用，理论上可能通过改变微生物群落结构和功能基因（如cutC）表达来调节胆碱-TMAO轴，但尚无研究直接证实ZNPs对此轴的影响。

在“ZNPs的胃肠道命运”部分，分析了ZNPs在胃肠道中面临的挑战。胃部的低pH和胃蛋白酶活性会导致蛋白质载体（包括玉米醇溶蛋白）部分蛋白水解，可能引发包封物质的过早释放。进入小肠后，胆汁盐可插入疏水结构域，破坏纳米颗粒结构。ZNPs与黏蛋白层的相互作用（通过疏水和静电作用）可延长滞留时间，但也可能将其捕获在黏液网中。pH和离子强度梯度影响聚集行为。这些因素共同决定了ZNPs的释放位置、生物利用度以及与微生物组的潜在相互作用。

在“载体本身与载荷效应的区别”部分，强调了区分空载体固有效应与载荷驱动效应的重要性。空ZNPs理论上可通过尺寸相关的黏液相互作用或表面疏水性影响肠道微环境，但直接证据有限。大多数报道的微生物组改变主要归因于包封的活性物质（如多酚、益生菌）的固有生物学效应。ZNPs主要作为保护性和生物利用度增强平台发挥作用。为准确归因，实验需包含空ZNPs、游离载荷和未处理对照组。

在“ZNPs的理化性质如何调节微生物生态和代谢”部分，指出颗粒粒径、表面电荷、疏水性和表面涂层等理化参数强烈决定了ZNPs与黏液、上皮细胞和微生物细胞表面的相互作用，从而影响其扩散、黏附和生物降解。例如，纳米尺寸（约50-200 nm）有利于黏液渗透和微生物接触；适度阳离子电荷（如壳聚糖修饰）可增强静电结合；固有疏水性促进膜关联；多糖涂层可形成pH响应复合物。这些特性定义了ZNPs与肠道微生物组相互作用的机制界面。

在“生物医学和制药应用”部分，综述了体内和体外研究。体内研究显示，ZNPs作为口服递送系统在多种疾病模型中表现良好。例如，玉米醇溶蛋白-大豆多糖复合纳米颗粒（ZPS）包封枯草芽孢杆菌，可显著增加大鼠肠道中厚壁菌门（如芽孢杆菌、乳杆菌）的丰度，减少变形菌门。玉米醇溶蛋白/酪蛋白纳米颗粒（ISL@NPs）用于结肠靶向递送异甘草素（ISL），在DSS诱导的溃疡性结肠炎模型中能有效减轻炎症和免疫细胞浸润。叶酸修饰的玉米醇溶蛋白纳米颗粒包封甘草酸（GA@Pec-FA-ZNPs）在结肠炎小鼠模型中也能减轻症状。玉米醇溶蛋白纳米颗粒负载胰岛素（I-NP-PEG）能实现口服降血糖效果。果胶-玉米醇溶蛋白纳米颗粒负载IPA（Pec-Zein-IPA NPs）在脊髓损伤模型中能改善运动功能、调节肠道菌群和降低神经炎症。体外研究证实，ZNPs可保护益生菌耐受热处理和胃肠道模拟环境，增强细胞摄取（如异甘草素），实现pH依赖性控释（如美沙拉嗪、糠酸莫米松），并在多种细胞系中显示良好的生物相容性。然而，大多数研究仅评估急性毒性或短期疗效，关于长期安全性（如慢性口服暴露、免疫原性、组织蓄积和持续微生物组扰动）的数据有限。

在“ZNPs的其他应用”部分，简述了其在食品包装（作为可持续涂层保护食品）、化妆品（包封香料、活性成分，提供头发保护）以及诊疗一体化（作为荧光成像和靶向递送的平台，如量子点-玉米醇溶蛋白纳米颗粒）方面的潜力。

最后，在“结论”部分，总结ZNPs作为口服递送和微生物组靶向治疗策略的多功能平台已展现出临床前疗效，但在转化为临床应用前，仍需在可重复的规模化生产、长期安全评估（包括免疫原性、组织分布和微生物组影响）以及纳米特异性监管框架等方面取得突破。需要严谨的机制验证、标准化的生产协议和多学科协作来应对剩余的生物学和监管不确定性。