近日，中国农业大学食品科学与营养工程学院李媛教授课题组在国际材料领域顶刊《先进材料》（Advanced Materials）在线发表研究性论文（Research Article）《基于拓扑几何结构调控与力学响应的益生菌肠道分区精准递送系统》（Geometry-Mediated Microgel Structure-Mechanics for Intestinal Region-Specific Probiotic Delivery），为解决益生菌体内存活率低的产业瓶颈提供了理论指导。

该研究利用玉米芯改性纤维素的几何结构调控微凝胶的拓扑结构和力学性能，实现了不同种类益生菌在回肠或结肠的生理靶点更加精确地发挥精准营养干预作用，实现了不同功能益生菌的量身定植和精准抵达。

李媛教授为唯一通讯作者，食品学院博士生陈莎男、尚伟为共同第一作者。

图1 纳米纤维素微凝胶构建及肠道分区递送机制示意图

我国益生菌消费市场占比全球第一，但货架期和体内存活率低是制约我国益生菌产业发展的瓶颈。良好的益生菌递送系统需要解决益生菌在消化道的耐受性，提升其肠道黏附定植存活率。但现有益生菌递送系统缺乏对小肠与结肠微环境差异的敏感识别，导致菌株在非靶向区域出现提前释放或滞后。这种释放位点与生理靶点的时空错位，使得体内活菌数量和预期的健康干预效果大打折扣。

针对现有载体难以肠道分区精准递送的问题，该论文创新性地构建了球形纳米纤维素微凝胶（CNSM）和棒状纳米纤维素微凝胶（CNRM）。两类载体由于构筑单元几何形态不同，形成了不同的内部拓扑结构和力学性能。CNSM网络更易在小肠环境中溶胀和解体，而CNRM形成的互锁网络具有更高的结构稳定性，可进一步到达结肠后解体（图1）。

该论文巧妙设计了一种无需剧烈化学反应，只通过物理结构响应不同肠道微环境实现时空分区递送，更加环保经济安全。进一步通过计算机分子动力学模拟揭示分区释放机制。球形构筑单元组成的团簇在模拟环境中更易膨胀和松散，易在回肠先释放；而高长径比纳米棒之间形成的空间交错和拓扑互锁可限制构筑单元迁移和取向变化，从而提高网络抵抗渗透溶胀的能力，易在结肠后释放。该研究由此建立了“几何形态-拓扑结构-力学响应-分区解体动力学”之间的关联（图2）。

图2 几何形态对微凝胶结构稳定性的分子动力学模拟示意图

肠道不同区域的化学环境及营养梯度决定了微生物分布及其功能的异质性。回肠部位益生菌在维持糖脂代谢平衡和免疫稳态中发挥核心调节作用，结肠部位益生菌通过无氧发酵膳食纤维产生短链脂肪酸等代谢产物，调节结肠菌群平衡和屏障稳态作用。

该论文设计的肠道分区递送系统分别将两种不同功能益生菌精准投递至回肠或结肠精确发挥作用（图3）。CNSM可将具有胆盐水解酶活性的Lactiplantibacillus plantarum WCFS1主要递送至回肠，促进胆汁酸和胆固醇排泄，并改善高胆固醇饮食诱导的血脂异常和肝脏脂质沉积；CNRM则将免疫调节型Lacticaseibacillus rhamnosus GG（LGG）递送至结肠，在DSS诱导的结肠炎模型中改善结肠损伤和炎症反应，并促进肠屏障修复。该研究结果为开发新一代的益生菌精准营养食品提供新思路。

图3 几何拓扑调控微凝胶肠道分区递送益生菌的实验结果

该研究得到国家自然科学基金（32172345）、北京市科技新星计划学科交叉项目（20240484677）以及拼多多-中国农业大学研究基金（PC2023B01007）等项目资助。该工作也得了荷兰瓦赫宁根大学的Jasper Landman、新西兰皇家农科院Caroline Thum、以色列理工学院Yoav D. Livney、北京大学第一医院张月苗教授和中国农业大学郝彦玲教授和翟征远副教授等合作者的大力支持。