一种铁单原子催化剂及其制备方法和应用

1.本发明涉及纳米医学技术领域，具体是一种铁单原子催化剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.银屑病是一种炎症性皮肤病，全球发病率在0.09％-5.1％之间，其特征是界限清晰、表皮增生、红斑形成。持续炎症导致的角质细胞异常增殖是银屑病的主要发病机制。虽然目前的治疗方法可以控制银屑病炎症，但长期的免疫抑制会增加人体对感染和皮肤癌的易感性。
3.除银屑病炎症外，银屑病治疗的又一临床挑战是停药后症状复发(约90％)。目前还没有针对复发问题有效的干预方式。
4.活性氧(ros)，例如超氧阴离子(o2·-)和过氧化氢(h2o2)，是炎症的调节剂，可以刺激炎性因子的释放，从而刺激角质形成细胞的增殖。因此，下调病灶部位的ros水平对银屑病的治疗非常可取。然而，通过使用抗氧化剂，如胆红素和富马酸单甲酯，不能持续清除ros。进一步研究发现，为平衡ros，机体存在天然的抗氧化系统，主要由过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等抗氧化酶组成，能通过催化反应清除ros以维持体内氧化还原平衡。然而，这些抗氧化酶在银屑病患者中表达不足。
5.因此，这里提出一种新的治疗方式——银屑病催化疗法，即利用催化反应恢复病灶处的氧化还原稳态，从而改善炎症微环境和角质细胞的过度增殖。然而，天然抗氧化酶因为单一催化活性、低渗透性和高成本等弊端，导致使其在临床应用中受到极大限制。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种铁单原子催化剂及其制备方法和应用。所述铁单原子催化剂具有与天然抗氧化酶类似的结构和活性，通过持续的清除活性氧，改善银屑病炎症与防止复发，可以作为一种安全高效的具有临床应用价值的新型纳米催化药物。
7.为达此目的，本发明提供如下的技术方案：
8.本发明的第一个方面，提供了一种铁单原子催化剂，所述铁单原子催化剂的化学式为fe-sacs，透射电镜下，粒径直径为5-2000nm，且表面富含孔结构。
9.优选的，所述铁单原子催化剂作用核心靶点为雌激素受体1(esr1)。
10.本发明的第二个方面，提供了一种铁单原子催化剂的应用，所述应用包括：在
11.a)清除超氧阴离子；
12.b)清除过氧化氢；
13.c)清除活性氧；
14.d)改善银屑病皮损；
15.e)防止银屑病皮损的复发；
16.的药物、组合物、护肤品中的应用。
17.优选的，所述铁单原子催化剂的化学式为fe-sacs，透射电镜下，粒径直径为5-2000nm，且表面富含孔结构。
18.优选的，所述药物、组合物、护肤品的使用方式包括：外涂。
19.优选的，所述药物的核心作用靶点为雌激素受体1(esr1)。
20.本发明的第三个方面，提供了一种铁单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：
21.s1、将六水合硝酸锌、九水合硝酸铁的甲醇溶液与2-甲基咪唑的甲醇溶液混合，室温搅拌后，将混合液转入水热反应釜中进行溶剂热反应，反应后离心、洗涤、干燥获取fe-mof；
22.s2、将fe-mof置于管式炉高温煅烧，煅烧后收集粉末，经硫酸酸洗、离心、洗涤、干燥后，得到铁单原子催化剂。
23.优选的，步骤s1中，搅拌的时间为0.1-108h。
24.优选的，步骤s1中，2-甲基咪唑、六水合硝酸锌与九水合硝酸铁与的摩尔比为：70-190：9-29：1。
25.优选的，步骤s1中，溶剂热反应的温度为50-300℃，反应时间为0.5-72h。
26.优选的，步骤s2中，高温煅烧温度为500-1500℃，时间为0.5-24h，加热速率为1-20℃/min。
27.优选的，步骤s2中，所述硫酸的浓度为0.1-15m，酸洗温度为20-200℃；进一步优选的，时间为1-108h。
28.优选的，步骤s1和s2中，离心转速为8000-20000rpm，洗涤次数为2-4次，干燥温度为50-100℃。
29.与现有技术相比，应用本发明的技术方案的有益效果及显著进步在于：
30.1、本发明的铁单原子催化剂具有持续且优异的ros清除性能，在动物模型上，相比临床药物钙泊三醇，能更有效的下调炎症因子水平与抑制角质细胞增殖，进而有效治疗银屑病样皮损。
31.2、本发明的铁单原子催化剂能有效地改善银屑病复发。
32.3、本发明设计合成的铁单原子催化剂具有潜在的其它炎性皮肤疾病的催化治疗应用。
附图说明
33.为更清楚地说明本发明的技术方案，以下将对本发明的实施例使用的附图进行简单介绍。
34.图1为本发明实施例提供的铁单原子催化剂(fe-sacs)合成示意图。
35.图2是本发明实施例1提供的铁单原子催化剂的透射电子显微镜图。
36.图3是本发明实施例1中的铁单原子催化剂的球差电镜图。
37.图4是本发明实施例2中的铁单原子催化剂和天然超氧化物歧化酶(sod)清除超氧阴离子的电子自旋共振(esr)谱，其中x代表黄嘌呤，xo代表黄嘌呤氧化酶。
38.图5是本发明实施例3中的铁单原子催化剂清除过氧化氢(h2o2)的紫外光谱：(a)变化h2o2浓度固定铁单原子催化剂浓度；(b)变化铁单原子催化剂浓度固定h2o2浓度。
39.图6是本发明实施例4中的在m5(il-22、il-17a、il-1α、tnf-α和oncostatin m的炎
sacs有类sod样活性。
56.实施例3铁单原子催化剂的类过氧化氢酶活性验证
57.过氧化氢酶活性可通过测量过氧化氢(h2o2)在240nm(39.4m-1
cm-1
)的吸光度下降来验证。
58.在本实施例中，将fe-sacs加入到含h2o2的pbs缓冲液(ph＝7.4)中，在固定240nm波长下，进行动力学测试。通过在固定浓度的铁单原子催化剂(125μg/ml)下改变h2o2的浓度(0-10mm)，以及在固定浓度的h2o2(10mm)下改变fe-sacs浓度(0-125μg/ml)，对fe-sacs清除过氧化氢的能力进行分析。
59.结果如图5所示，在固定fe-sacs浓度变化h2o2浓度下，h2o2的吸光度明显随时间和浓度依赖性降低；同时，在固定h2o2浓度变化fe-sacs浓度下也观察到类似结论。
60.实施例4细胞层面铁单原子催化剂清除活性氧
61.使用ros探针dcfh-da检测hacat细胞的ros水平。以1
×
105的密度在6孔板中接种细胞，用blank、fe-sacs(5μg/ml)、m5(il-22、il-17a、il-1α、tnf-α和oncostatin m的炎症因子混合物，每种10ng/ml)、m5+fe-sacs(1:500)和m5+钙泊三醇(cal，一种临床治疗药物，25μg/ml)分别处理不同组的细胞48h。用无血清培养基以1:1000的比例稀释dcfh-da，使其终浓度为10μm，每孔加入1ml，在37℃黑暗中孵育20min。用流式细胞仪检测细胞中的活性氧含量。
62.结果如图6所示，使用m5处理hacat细胞后，明显观察到细胞中活性氧的大量产生，加入fe-sacs或cal后，活性氧的水平降低，且fe-sacs的效果更好。
63.实施例5动物层面铁单原子催化剂改善银屑病皮损
64.将咪喹莫特(imq)涂抹于balb/c小鼠(62.5mg/小鼠)用于构建银屑病样小鼠模型。为了评价fe-sacs的疗效，将小鼠随机排分成四组：对照组(pbs)、imq组、fe-sacs组和cal组。记录小鼠耳朵厚度，pasi评分，记录8天。之后，取各组小鼠皮损部位检测炎症因子表达情况。
65.结果如图7、8所示。图7中，fe-sacs治疗比cal更有效地缓解了imq诱导的鳞状斑块，并且更有效地降低耳朵厚度和牛皮癣面积和严重程度指数(pasi)评分；此外，图8结果显示，经fe-sacs处理后，促炎因子il-17a、tnf-α、il-12和il-23的mrna水平大大下调，类似cal组。表明铁单原子催化剂能有效改善银屑病皮损。
66.实施例6：铁单原子催化剂作用的核心靶点验证
67.如图9所示，利用rna测序与生信分析找到fe-sacs作用的核心靶点为esr1。通过用shrna沉默esr1(shesr1)，在m5诱导的牛皮癣样体外模型中观察到加重的细胞增殖和炎症(图9a-c)，此外，与ros相关的枢纽基因上调；施用fe-sacs后(m5+fe-sacs)，很大程度上下调了ros相关基因的相对mrna水平，从而缓解了炎症(图9d)。然而，esr1表达降低(m5+fe-sacs+shesr1)再次逆转了fe-sacs治疗对过度增殖，过度炎症和ros生成的改善作用(图9b-d)。综上，fe-sacs通过上调esr1在银屑病控制、过度增殖抑制、炎症抑制和ros降低方面有效。
68.实施例7铁单原子催化剂的防复发能力验证
69.为了评估fe-sacs在减少复发方面的效果，上述实施例5中的小鼠在8天治疗后恢复12天，然后再连续10天用imq(20.8mg/小鼠)构建银屑病复发模型。
70.结果如图10所示，使用低剂量imq再刺激10天后，pbs和cal预处理的小鼠出现明显的红斑鳞状斑块，表皮厚度增加，炎症因子水平上调(il-17a、tnf-α、il-12、il-23)。相比之下，此前经fe-sacs处理的小鼠与pbs/cal，在第二次刺激后大大改善了imq诱导的表皮增厚和炎症浸润。因此，银屑病催化疗法是一种有效的治疗方式，可以防止银屑病样皮损的复发。
71.申请人声明，在上述说明书的描述过程中：
72.术语“本实施例”、“本发明实施例”、“如
……
所示”、“进一步的”、“进一步改进的技术分方案”等的描述，意指该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中；在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例，而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点等可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合或组合；此外，在不产生矛盾的前提下，本领域的普通技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合或组合。
73.最后应说明的是：
74.以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制；
75.尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种铁单原子催化剂，其特征在于，所述铁单原子催化剂的化学式为fe-sacs，透射电镜下，粒径直径为5-2000nm，且表面富含孔结构。2.如权利要求1所述的一种铁单原子催化剂，其特征在于，所述铁单原子催化剂作用核心靶点为雌激素受体1。3.一种铁单原子催化剂的应用，其特征在于，所述应用包括：在a)清除超氧阴离子；b)清除过氧化氢；c)清除活性氧；d)改善银屑病皮损；e)防止银屑病皮损的复发；的药物、组合物、护肤品中的应用。4.如权利要求3所述的一种铁单原子催化剂的应用，其特征在于，所述铁单原子催化剂的化学式为fe-sacs，透射电镜下，粒径直径为5-2000nm，且表面富含孔结构。5.如权利要求3所述的一种铁单原子催化剂的应用，其特征在于，所述药物、组合物、护肤品的使用方式包括：外涂。6.一种铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将六水合硝酸锌、九水合硝酸铁的甲醇溶液与2-甲基咪唑的甲醇溶液混合，室温搅拌后，将混合液转入水热反应釜中进行溶剂热反应，反应后离心、洗涤、干燥获取fe-mof；s2、将fe-mof置于管式炉高温煅烧，煅烧后收集粉末，经硫酸酸洗、离心、洗涤、干燥后，得到铁单原子催化剂。7.如权利要求6所述的一种铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，2-甲基咪唑、六水合硝酸锌与九水合硝酸铁与的摩尔比为：(70-190)：(9-29)：1。8.如权利要求6所述的一种铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，溶剂热反应的温度为50-300℃，反应时间为0.5-72h。9.如权利要求6所述的一种铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s2中，高温煅烧温度为500-1500℃，时间为0.5-24h，加热速率为1-20℃/min。10.如权利要求6所述的一种铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述硫酸的浓度为0.1-15m，酸洗温度为20-200℃。

技术总结
本发明公开了铁单原子催化剂及其制备方法和应用，催化剂为Fe-SACs，透射电镜下，粒径直径为5-2000nm；应用包括在A)清除超氧阴离子；B)清除过氧化氢；C)清除活性氧；D)改善银屑病皮损；E)防止银屑病皮损的复发；的药物、组合物、护肤品中的应用。方法包括S1、将六水合硝酸锌、九水合硝酸铁的甲醇溶液与2-甲基咪唑的甲醇溶液混合，室温搅拌后，将混合液转入水热反应釜中进行溶剂热反应，反应后离心、洗涤、干燥获取Fe-MOF；S2、将Fe-MOF置于管式炉高温煅烧，煅烧后收集粉末，经硫酸酸洗、离心、洗涤、干燥；本发明将铁单原子催化剂引入新的银屑病治疗模式，即银屑病催化治疗，通过在病灶部位持续的清除ROS，改善银屑病炎症与防止疾病复发。改善银屑病炎症与防止疾病复发。改善银屑病炎症与防止疾病复发。


技术研发人员：逯向雨 黄芳 施剑林
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/9