Magnetit i menneskekroppen: Biogen vs. antropogen

Magnetit er et jernoxidmineral, der forekommer naturligt på jorden. Fordi det også er en vigtig komponent i mange menneskeskabte materialer (fx kulflyveaske) og syntetiske produkter (fx sorte tonerpulvere), kan magnetit frigives til miljøet gennem menneskelige aktiviteter (1). I PNAS, Maher et al. (2) beskriver den rigelige tilstedeværelse i den menneskelige hjerne af magnetit-nanopartikler, hvoraf nogle tilskrives luftforurening. Dette fund kunne have store implikationer.

Magnetit tilhører spinelgruppen. Det krystalliserer i det kubiske krystalsystem (fig. 1) og kan beskrives ved den generelle formel Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). Magnetit er en almindelig naturlig fase, der forekommer i forskellige geologiske miljøer, der spænder fra vulkanske (fx lagdelte ultrabasiske klipper, basalter) til sedimentære klipper (f.eks. Båndede jernformationer, strandsand) og til højgradige metamorfe klipper , skarns), hvor det kan produceres gennem en lang række kemiske reaktioner. På grund af dens tendens til at reagere med ilt til dannelse af hæmatit (Fe2O3) og forskellige jernoxyhydroxider (fx ferrihydrit, goethit), kan magnetit bruges som et kraftfuldt værktøj til at udforske iltkoncentrationer i klipper under geologiske processer, ændringer i iltindholdet i atmosfæren (f.eks. tidlig jord) og redoxbetingelser i omgivelser nær overfladen (f.eks. oxisk-anoxisk overgangszone). Fordi magnetit er ferrimagnetisk, repræsenterer den en fase, der er afgørende for paleomagnetiske undersøgelser, som hjælper med at rekonstruere pladetektonik gennem Jordens historie.

Biogene, kemisk rene magnetitkrystaller forekommer i legeme af en bred vifte af organismer inden i Monera, Protista og Animalia (f.eks. magnetotaktiske mikrober, insekter, bløddyr, fisk, fugle, pattedyr) (4). I disse organismer danner magnetit grundlaget for en type biofysisk mekanisme til magnetfeltdetektion, som letter orientering og navigation (5, 6). I den menneskelige hjerne antages magnetit også at udfældes biologisk som en del af jernmetabolismen (7), men nu, i PNAS, Maher et al. (2) antyder, at den kan stamme fra en ekstern kilde.

Luftforurening omfatter ikke kun gasser (f.eks. Nitrogenoxider, ozon, svovldioxid), men også faste partikler, der varierer i størrelse fra nogle få nanometer til flere mikrometer. Disse partikler, kendt som partikulært stof (PM), genereres gennem både naturlige processer og menneskelig aktivitet og udsendes direkte i eller dannes i atmosfæren. Som et resultat af atmosfærisk cirkulation kan de luftbårne partikler i et givet miljø stamme fra både lokale og fjerne kilder, såsom tørre søer, ørkener, brande, røgstabler, trafik eller minedrift. Magnetit er en rigelig bestanddel af atmosfærisk PM-forurening, især i bymiljøet (8), hvor det er identificeret i dieseludstødning, som bremseslidpartikler, i luften på underjordiske stationer langs jernbanelinjer, på svejsearbejdspladser og i emissionerne fra industrielle forbrændingsprocesser.

Ud over at have store atmosfæriske, miljømæssige og økologiske påvirkninger (8) kan luftbåren PM have skadelige helbredseffekter, både akutte og kroniske, fordi med hvert åndedrag millioner af faste partikler, inklusive magnetit, kan komme ind i vores åndedrætssystem. Når de er inhaleret, kan grove partikler (generelt defineret som partikler med en diameter > 2,5 um) blive afsat på overfladerne af de ledende luftveje i det øvre åndedrætssystem, mens mindre partikler (< 2,5 μm på tværs, PM2.5) kan migrere til de dybeste dele af lungen, hvor gasudvekslingen finder sted (9). Ultrafine partikler (< 100 nm) eller nanopartikler kan trænge igennem cellevævet, der leder luftvejene og translokeres til blodcirkulationen og til ekstrapulmonale organer, men også via olfaktorien nerve, ind i centralnervesystemet (10). I PNAS, Maher et al. (2) påberåber denne sidstnævnte mekanisme til overførsel af magnetit-nanopartikler afledt af luftforurening til hjernen hos de studerede individer. Disse forfattere bruger de mest sfæriske former af magnetitten som et af de vigtigste argumenter for deres hypotese: Sfæriske former er typiske for forbrændingsafledte partikler (fx i dieseludstødning) i modsætning til slidafledte partikler (f.eks. Bremsebærende partikler ), som typisk er uregelmæssigt formede og vinklede, eller til endogene partikler, som har tendens til at være euhedral, fordi de voksede in situ (fx i hjernen) (7).Elektronmikroskopbillederne præsenteret af Maher et al. (2) dokumenterer, at to typer magnetit, sfærisk og euhedral, er til stede i de undersøgte hjerner, hvilket antyder, at de stammer fra to forskellige kilder, en ekstern (fra luftforurening) og en intern (dvs. biogen). Denne konklusion understøttes yderligere af tilstedeværelsen af andre overgangsmetal-nanopartikler, som er almindelige i luftbåren PM fra forurenede områder.

Et af de spørgsmål, der opstår ved opdagelsen af eksternt afledt magnetit i hjernevæv er, om eller ikke påvirker den rigelige ekstra magnetit menneskers sundhed negativt. Det er velkendt fra epidemiologiske og toksikologiske undersøgelser, at eksponering for PM2.5 er forbundet med stigninger i dødelighed og hospitalsindlæggelser på grund af åndedræts- og hjerte-kar-sygdomme (11). Der er stigende bevis for, at grovere partikler også kan medføre skadelige helbredseffekter (12). Ud over at være afhængig af størrelse påvirkes interaktionerne imidlertid af andre partikelegenskaber, herunder struktur, kemisk sammensætning, form, overfladeareal og reaktivitet, sorptive egenskaber og opløselighed. De skadelige helbredseffekter inkluderer kronisk bronkitis, forværring af astma, fibrose og lungekræft (13). Mekanismerne bag disse sygdomme såvel som deres afhængighed af partikelegenskaber er stadig dårligt kendte. De mest sandsynlige mekanismer involverer overdreven produktion af frie radikaler, som kan føre til oxidativ skade på cellemembraner, proteiner og DNA samt frigivelse af kemiske stoffer, der udløser og vedvarer inflammation (14, 15).

Med hensyn til menneskers helbredseffekter af magnetit findes der offentliggjorte data for både hjernen og åndedrætssystemet. For eksempel kan tilstedeværelsen i hjernen af magnetit være forbundet med flere neurodegenerative sygdomme, herunder Alzheimers sygdom, og oxidativ stress ser ud til at spille en nøglerolle i patogenesen (16, 17). In vitro-eksperimenter med humane lungeceller, som blev eksponeret i 24 timer for forskellige magnetitestørrelsesfraktioner (inklusive nanopartikler) og doser, afslørede, at de undersøgte partikler, skønt de kun var let cytotoksiske, førte til øget ROS-dannelse, mitokondriel skade og genotoksiske effekter (18). Resultaterne tillod den konklusion, at ROS-dannelse spiller en vigtig rolle i magnetitens genotoksicitet i lungeceller. På den anden side kan magnetit-nanopartikler være betydeligt mindre giftige, når de overflademodificeres (dvs. belagt) (19).

Tilstedeværelsen af magnetit hos mennesker har dog også andre potentielle implikationer, herunder mulig biologisk lidelser forbundet med de svage magnetfelter genereret af mobiltelefoner, elektriske ledninger og apparater eller høje feltmætningseffekter fra eksponering for stærke magnetfelter under MR-procedurer (7). Samtidig er nanopartikler af magnetit af særlig interesse i de biomedicinske videnskaber, fordi de kan bruges som bærere til målrettet lægemiddelafgivelse (20). Desuden kan magnetit-nanopartikler udnyttes til hypertermi-baseret kræftbehandling, hvor varmen induceret ved anvendelse af et skiftende magnetfelt forårsager nekrose af kræftceller, men ikke beskadiger det omgivende normale væv (21). Forskellige forskere har yderligere foreslået, at endogen magnetit kan spille en nøglerolle i opfattelse, transduktion og langvarig lagring af information i den menneskelige hjerne og i andre organismer (22).

Forekomsten af magnetit i celle væv repræsenterer derfor en spændende dikotomi: På den ene side kan mineralet spille en nøglerolle i magnetoreception og navigation og dermed overlevelse af forskellige typer organismer, og på den anden side kan det give skadelige virkninger hos mennesker, især når de udsættes for høje PM-koncentrationer i forurenede bymiljøer.