Magnetit v lidském těle: biogenní vs. antropogenní

Magnetit je minerál oxidu železa, který se přirozeně vyskytuje na Zemi. Jelikož je také důležitou složkou mnoha antropogenních materiálů (např. Uhelný popílek) a syntetických produktů (např. Prášky černého toneru), může se magnetit uvolňovat do životního prostředí lidskou činností (1). V PNAS Maher et al. (2) popsat hojnou přítomnost magnetitových nanočástic v lidském mozku, z nichž některé připisují znečištění ovzduší. Toto zjištění může mít velké důsledky.

Magnetit patří do skupiny spinelů. Krystalizuje v krychlové krystalové soustavě (obr. 1) a lze ji popsat obecným vzorcem Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). Magnetit je běžná přírodní fáze vyskytující se v různých geologických prostředích, od magmatických (např. Vrstvené ultrazákladní horniny, čediče) až po sedimentární (např. Pásmové železné útvary, plážové písky) hornin, až po vysoce kvalitní metamorfované horniny (např. Břidlice). , skarns), kde může být vyroben řadou chemických reakcí. Vzhledem ke své tendenci reagovat s kyslíkem za vzniku hematitu (Fe2O3) a různých oxyhydroxidů železa (např. Ferrihydrit, goethit) lze magnetit použít jako účinný nástroj pro zkoumání koncentrací kyslíku ve skalách během geologických procesů, změn obsahu kyslíku v atmosféra (např. časná Země) a redoxní podmínky v prostředí blízkém povrchu (např. oxicko-anoxická přechodová zóna). Protože magnetit je ferimagnetický, představuje fázi nezbytnou pro paleomagnetické výzkumy, které pomáhají rekonstruovat deskovou tektoniku v historii Země.

Biogenní, chemicky čisté krystaly magnetitu se vyskytují v tělech širokého spektra organismů v královstvích Monera, Protista a Animalia (např. magnetotaktické mikroby, hmyz, měkkýši, ryby, ptáci, savci) (4). V těchto organismech tvoří magnetit základ pro jeden typ biofyzikálního mechanismu detekce magnetického pole, který usnadňuje orientaci a navigaci (5, 6). V lidském mozku se také předpokládá, že magnetit se biologicky vysráží jako součást metabolismu železa (7), ale nyní, v PNAS, Maher et al. (2) naznačují, že může pocházet z vnějšího zdroje.

Znečištění ovzduší zahrnuje nejen plyny (např. Oxidy dusíku, ozon, oxid siřičitý), ale také pevné částice, jejichž velikost se pohybuje od několika nanometrů na několik mikrometrů. Tyto částice, známé jako částice (PM), jsou generovány jak přírodními procesy, tak lidskou činností a jsou emitovány přímo do atmosféry nebo se v ní tvoří. V důsledku atmosférické cirkulace mohou být vzdušné částice v daném prostředí odvozeny z místních i vzdálených zdrojů, jako jsou suchá jezera, pouště, požáry, komíny, provoz nebo těžební provoz. Magnetit je hojnou složkou znečištění atmosférickými PM, zejména v městském prostředí (8), kde byl identifikován ve výfukových plynech nafty jako částice oděru brzdy, ve vzduchu stanic metra, podél železničních tratí, na svařovacích pracovištích a v emisích z průmyslových spalovacích procesů.

Kromě toho, že má PM ve vzduchu velké, atmosférické a ekologické dopady (8), může mít nepříznivé účinky na zdraví, akutní i chronické, protože s každým dechem milióny pevných částic, včetně magnetitu, může vstoupit do našeho dýchacího systému. Po vdechnutí mohou být hrubé částice (obecně definované jako částice s průměrem > 2,5 μm) ukládány na povrchy vodivých dýchacích cest horního dýchacího systému, zatímco menší částice (< průměr 2,5 μm, PM2,5) může migrovat do nejhlubších částí plic, kde dochází k výměně plynů (9). Ultrajemné částice (< 100 nm) nebo nanočástice mohou pronikat buněčnou tkání, která lemuje dýchací cesty, a translokují se do krevního oběhu a do mimopulmonálních orgánů, ale také čichem nervu do centrální nervové soustavy (10). V PNAS Maher et al. (2) uplatnit tento druhý mechanismus přenosu magnetitových nanočástic odvozených ze znečištění ovzduší do mozků studovaných jedinců. Tito autoři používají většinou sférické tvary magnetitu jako jeden z hlavních argumentů pro jejich hypotézu: Sférické tvary jsou typické pro částice odvozené ze spalování (např. Ve výfukových plynech nafty) na rozdíl od částic odvozených od oděru (např. Částice opotřebené brzdou) ), které jsou obvykle nepravidelně tvarované a hranaté, nebo na endogenní částice, které mají tendenci být euhedral, protože rostly in situ (např. v mozku) (7).Snímky elektronového mikroskopu prezentované Maherem a kol. (2) dokumentují, že ve studovaných mozcích jsou přítomny dva typy magnetitu, sférický a euhedral, což naznačuje, že byly odvozeny ze dvou různých zdrojů, jednoho vnějšího (ze znečištění ovzduší) a jednoho vnitřního (tj. Biogenního). Tento závěr je dále podpořen přítomností dalších nanočástic přechodného kovu, které jsou běžné ve vzduchu přenášených PM ze znečištěných oblastí.

Jednou z otázek, které vyvstávají z objevu externě odvozeného magnetitu v mozkové tkáni, je, zda nebo ne hojný přídavný magnetit nepříznivě ovlivňuje lidské zdraví. Z epidemiologických a toxikologických studií je dobře známo, že expozice PM2,5 souvisí se zvýšením úmrtnosti a hospitalizací v důsledku respiračních a kardiovaskulárních onemocnění (11). Existuje stále více důkazů, že hrubší částice mohou také mít škodlivé účinky na zdraví (12). Kromě toho, že jsou závislé na velikosti, jsou interakce ovlivňovány dalšími charakteristikami částic, včetně struktury, chemického složení, tvaru, povrchu a reaktivity, sorpčních vlastností a rozpustnosti. Mezi nepříznivé účinky na zdraví patří chronická bronchitida, exacerbace astmatu, fibróza a rakovina plic (13). Mechanismy těchto onemocnění, stejně jako jejich závislost na vlastnostech částic, jsou stále málo známé. Nejpravděpodobnější mechanismy zahrnují nadměrnou produkci volných radikálů, což může vést k oxidativnímu poškození buněčných membrán, proteinů a DNA a také k uvolňování chemických látek, které vyvolávají a udržují zánět (14, 15).

Pokud jde o účinky magnetitu na lidské zdraví, existují publikovaná data pro mozek i dýchací systém. Například přítomnost magnetitu v mozku může být spojena s několika neurodegenerativními chorobami, včetně Alzheimerovy choroby, a zdá se, že v patogenezi hraje klíčovou roli oxidační stres (16, 17). In vitro experimenty s lidskými plicními buňkami, které byly vystaveny po dobu 24 hodin různým frakcím velikosti magnetitů (včetně nanočástic) a dávkám, odhalily, že studované částice, i když jsou jen mírně cytotoxické, vedly ke zvýšené tvorbě ROS, mitochondriálnímu poškození a genotoxickým účinkům (18). Výsledky umožnily dospět k závěru, že tvorba ROS hraje důležitou roli v genotoxicitě magnetitu v plicních buňkách. Na druhou stranu mohou být magnetitové nanočástice podstatně méně toxické, pokud jsou povrchově modifikovány (tj. Potaženy) (19).

Přítomnost magnetitu u lidí má však i další potenciální důsledky, včetně možných biologických poruchy spojené se slabými magnetickými poli generovanými celulárními telefony, elektrickými vedeními a zařízeními nebo účinky nasycení vysokým polem z expozice silným magnetickým polím během procedur MRI (7). Současně jsou nanočástice magnetitu v biomedicínských vědách obzvláště zajímavé, protože mohou být použity jako nosiče pro cílené dodávání léků (20). Kromě toho lze magnetitové nanočástice využít k léčbě rakoviny založené na hypertermii, kde teplo vyvolané aplikací střídavého magnetického pole způsobuje nekrózu rakovinných buněk, ale nepoškozuje okolní normální tkáň (21). Různí vědci dále navrhli, aby endogenní magnetit mohl hrát klíčovou roli při vnímání, transdukci a dlouhodobém uchovávání informací v lidském mozku a v jiných organismech (22).

Výskyt magnetitu v buňce tkáně proto představují zajímavou dichotomii: Na jedné straně může minerál hrát klíčovou roli v magnetorecepci a navigaci, a tím i přežití různých druhů organismů, a na druhé straně může mít na člověka škodlivé účinky, zvláště když jsou vystaveny vysokým koncentracím PM ve znečištěném městském prostředí.