针对上述问题，浙江大学爱丁堡大学联合学院/浙江大学鄂尔多斯鄂托克生物医药联合研究中心周民教授、钟丹妮博士团队巧妙利用菌藻共生系统原理，经过大量前期研究，筛选出系列可口服的螺旋藻-益生菌复合药物。该系统结合口服食品螺旋藻以及临床应用的益生菌超高安全性优势，利用螺旋藻和益生菌之间互利共生的特点，极大地提供了益生菌在体内有效定植的能力，实现了肠道炎症等疾病显著的缓解作用。该文章于2024 年 6 月 25 日以《Breaking barriers: bacterial-microalgae symbiotic systems as a probiotic delivery system》为题发表于《Journal of Nanobiotechnology》（DOI: 10.1186/s12951-024-02647-6）。

（1）核心理念：仿生共生，构建天然益生菌递送系统

本研究受自然界中细菌与微藻共生关系的启发，旨在开发一种安全、高效、仿生的口服益生菌递送策略。团队选用天然微藻螺旋藻（SP）作为载体，负载益生菌EcN，构建了细菌-微藻共生系统（EcN-SP）。该系统的设计旨在模拟共生关系，利用SP的益生元特性促进EcN增殖，并利用其独特的物理化学性质保护EcN通过胃酸环境，增强其在肠道的滞留与定植，最终协同调节肠道菌群并缓解结肠炎。

图1 细菌-微藻共生系统（EcN-SP）用于高效EcN递送和治疗炎症性肠病的示意图。 (i) 在胃中，EcN与SP紧密结合，口服后EcN-SP快速通过胃部。(ii) 在肠道中，具有螺旋形态的EcN-SP易于被肠绒毛捕获并长期滞留。(iii) EcN-SP在肠道中逐渐降解，释放EcN并促进其定植。该共生系统通过下调促炎因子水平减轻肠道炎症，并通过促进益生菌丰度、减少有害菌丰度来维持肠道菌群平衡，从而有效治疗结肠炎。

（2）系统构建：一步法简易构建高效负载的EcN-SP共生体

构建方法极其简便，仅需将培养好的EcN与SP悬浮液按等体积混合，即可通过静电等相互作用形成稳定的共生系统。扫描电镜（SEM）图像清晰显示，大量EcN紧密附着在具有标准螺旋形态的SP表面，证实了二者良好的结合能力（如图2A-C所示）。该构建方法成本低、易于规模化，具有良好的转化前景。

图2 EcN-SP的构建与表征。(A) SP的明场和SEM图像（比例尺：20 μm）。(B) 革兰氏染色EcN的明场图像（比例尺：20 μm）和EcN的SEM图像（比例尺：500 nm）。(C) SP和EcN-SP样品的照片（左视图）及EcN-SP的伪彩色SEM图像（右视图）。绿色代表SP，红色代表EcN（比例尺：2 μm）。(L) EcN和SP在pH 2.0和7.0下的Zeta电位。数据显示为平均值±SD (n=3)。(M) EcN-SP在pH 2.0和7.0下的伪彩色SEM图像。绿色代表SP，红色代表EcN（比例尺：100 μm）。

（3）胃酸保护与肠道定植增强：SP载体发挥多重递送优势

促进益生菌增殖： 共培养实验证明，SP及其超声分解产物（SP-Ex）能显著促进EcN在无营养环境中的增殖（如图2D-K所示），且该作用不依赖于光照条件，表明SP可作为益生元。

抵御胃酸损伤： Zeta电位分析表明，在模拟胃酸环境（pH 2.0）中，带正电的EcN与带负电的SP结合更紧密（如图2L所示）。SEM观察证实，这种紧密结合有效减少了EcN在胃部的损失（如图2M所示）。

延长肠道滞留： 得益于SP的螺旋形态和运动能力，EcN-SP能更有效地被肠道绒毛捕获并附着于肠壁。小鼠活体荧光成像显示，与游离EcN相比，EcN-SP在胃肠道（尤其是盲肠和结肠）的荧光信号滞留时间显著延长（可达24小时）（如图3A所示）。组织切片也显示，EcN-SP组小鼠回肠和结肠中有更多EcN聚集（如图3B所示）。

图3 体内生物分布。(A) 口服EcN和EcN-SP后1、2、4、6、8和24小时收集的胃肠道及主要器官（脑、心、肝、脾、肺、肾、膀胱）的离体荧光图像。GFP通道：激发488 nm，发射505–550 nm；叶绿素通道：激发605 nm，发射615–665 nm。(B) 口服EcN和EcN-SP后1小时回肠和4小时结肠冰冻切片的荧光显微镜图像（蓝色：DAPI；绿色：GFP；红色：叶绿素）（比例尺：左100 μm，右50 μm）。

（4）SP载体的抗炎与生物安全性

体外细胞实验表明，SP及其提取物对正常肠上皮细胞（IEC-6）无显著毒性（如图4A所示）。在脂多糖（LPS）诱导的肠上皮炎症模型中，SP和SP-Ex能有效清除活性氧（ROS），表现出良好的抗炎和抗氧化活性（如图4C-F所示），这为其与益生菌的协同治疗提供了基础。

图4 SP和SP-Ex的抗炎作用。(A)IEC-6细胞与不同浓度SP或SP-Ex分别孵育24小时后的细胞活力。(C) IEC-6细胞与50 μg/mL LPS及50 μg/mL SP或SP-Ex孵育12小时后，DCFH-DA染色显示ROS生成情况（比例尺：100 μm）。(D) 不同处理后生成ROS的荧光强度定量分析。数据显示为平均值±SD。P值通过Student’s t检验确定显著性 (n=4, *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001)。

（5）高效治疗结肠炎：EcN-SP展现协同疗效

在葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的小鼠结肠炎模型中，口服EcN-SP表现出最佳的治疗效果（如图5A所示）：

缓解疾病症状： 显著逆转了DSS引起的体重下降和疾病活动指数（DAI）升高（如图5B-C所示）。

改善结肠病理： 减轻了结肠缩短（如图5D所示），通过H&E染色可见结肠上皮和隐窝结构得到更好保护（如图5E所示）。

抑制炎症反应： 免疫组化显示，EcN-SP治疗显著降低了结肠组织中促炎因子TNF-α和IL-6的表达（如图5E-F所示）。

图5 EcN-SP在DSS诱导的结肠炎小鼠模型中的治疗效果。(A) DSS诱导结肠炎小鼠模型的构建与治疗示意图。(B) 实验期间各组小鼠的体重变化。数据显示为平均值±SD。第14天的P值通过Student’s t检验确定显著性 (n=6, ns P > 0.05, ***P < 0.001)。(C) 实验期间各组小鼠的疾病活动指数（DAI）评分。数据显示为平均值±SD。第14天的P值通过Student’s t检验确定显著性 (n=6, ns P > 0.05, ***P < 0.001)。(D) 各组结肠外观照片。(E) 第15天各组结肠的代表性H&E、TNF-α和IL-6染色图像（比例尺：100 μm）。

（6）调节肠道菌群：恢复微生态平衡

通过对小鼠粪便进行16S rRNA测序分析，发现EcN-SP能有效逆转DSS引起的肠道菌群失调：

恢复菌群结构： 使紊乱的菌群结构（β-多样性）向健康对照组靠近（如图6B所示）。

优化菌群组成： 显著降低IBD相关标志物——拟杆菌门/厚壁菌门（B/F）的比值（如图6D所示）；增加有益菌的相对丰度，减少有害菌（如图6C, E-F所示）。

预测功能恢复： COG和KEGG功能预测分析表明，EcN-SP处理有助于恢复被DSS破坏的肠道菌群基因功能，特别是在代谢途径方面。

图6 EcN-SP调节肠道菌群的16S rRNA测序分析。(A)Chao1指数和Shannon指数分别显示群落的丰富度和多样性。数据显示为平均值±SD。P值通过Student’s t检验确定显著性 (n=6, ns P > 0.05, *P < 0.05, **P < 0.01)。(B) 非度量多维尺度分析（NMDS）和主坐标分析（PCoA）显示不同组的细菌群落结构（n=6，虚线圆圈代表95%置信区间）。(C) 不同组在门水平上的细菌群落相对丰度。(D) 不同组的拟杆菌门/厚壁菌门比值。数据显示为平均值±SD。P值通过Student’s t检验确定显著性 (n=6, ns P > 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001)。

（7）良好的长期口服生物安全性

长期（30天）口服安全性评估表明，连续给予EcN、SP或EcN-SP对小鼠的体重（如图7A所示）、主要脏器系数（如图7B所示）、血常规、血生化指标（如图7C所示）均无显著不良影响，主要脏器也未出现炎性病变（如图7D所示），证明该共生系统具有良好的口服安全性。

图7 EcN-SP的长期口服生物安全性。实验期间各组小鼠的体重。数据显示为平均值±SD (n=6)。(B) 每三天给予PBS、EcN、SP和EcN-SP连续30天后，小鼠的脏器系数（肝、脾、肾）。数据显示为平均值±SD (n=6)。(C) 长期给药后的血液学和生化分析。数据显示为平均值±SD (n=6)。(D) 长期给药后主要器官（脑、心、肝、脾、肺、肾）的代表性H&E染色图像 (n=6)。