原子精度Mn12团簇的结构和催化性质及其在结肠炎中的应用

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结肠炎(IBD)是一种难以治愈且反复发作的慢性肠道炎症,且IBD会导致炎症细胞的氧化爆发,产生多种自由基,进一步加重IBD的进展。已有研究表明,具有催化活性和类酶活性的纳米粒子(NPs)可以通过清除自由基应用于IBD治疗,但仍存在诸多缺陷,如大多数NPs的催化选择性差、尺寸大于5.5 nm的NPs难以通过肾排泄等。针对以上缺陷,本论文开发了一种可天然靶向结肠的原子精度的Mn12团簇,且通过掺杂Ag原子对其进行结构优化,旨在进一步提升类酶活性和催化活性,并应用于IBD治疗和肠道菌群调节。具体研究内容为:(1)采用结晶法合成了具有良好的水溶性和电催化活性的Mn12团簇。通过对Mn12团簇催化性能的调控,进一步设计合成了Ag原子掺杂的Mn12团簇。首先采用多种表征手段对其结构进行分析,结果表明团簇的精确结构为Mn11Ag1。其次采用化学手段对团簇的催化活性进行测试,结果表明Mn11Ag1团簇的电化学析氧(OER)活性、类过氧化氢酶(CAT)活性、和类过氧化物酶(POD)的活性分别比纯Mn12团簇高出5.3、4.3和5.3倍,且羟自由基(·OH)的清除能力比纯Mn12团簇高出1.45倍。此外,它们还展示了同样高效的类谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性、类超氧化物歧化酶(SOD)活性以及总抗氧化能力。以上说明Mn11Ag1团簇在体外有高效的催化活性和清除自由基能力。(2)通过建立IBD小鼠模型来评估尾静脉注射Mn11Ag1团簇对IBD的治疗效果。通过检测相应的临床指标,我们发现Mn11Ag1能够缓解IBD小鼠的体重下降、结肠缩短、结肠便血和免疫细胞浸润等现象。同时Mn11Ag1不仅能够降低促炎症因子的水平,还能调节氧化应激标志物的平衡。以上说明Mn11Ag1团簇介导的高效自由基清除能力不仅能够恢复结肠损伤,还能抑制炎症的进展和氧化应激损伤。(3)进一步对Mn11Ag1治疗IBD的相关机理进行研究。首先通过实施肠靶向实验,发现Mn11Ag1团簇可以靶向正常小鼠和结肠炎小鼠的结肠部位。其次通过评估小鼠粪便的菌群变化,发现Mn11Ag1团簇能够维持菌群的多样性和丰富度,以及增加短链脂肪酸产生菌和发挥抗炎效应的有益菌的含量。以上说明Mn11Ag1团簇不仅可以天然靶向结肠,还能调节肠道菌群。
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