Magnetit im menschlichen Körper: Biogen vs. anthropogen

Magnetit ist ein Eisenoxidmineral, das auf der Erde natürlich vorkommt. Da es auch ein wichtiger Bestandteil vieler anthropogener Materialien (z. B. Flugasche) und synthetischer Produkte (z. B. schwarzer Tonerpulver) ist, kann Magnetit durch menschliche Aktivitäten an die Umwelt freigesetzt werden (1). In PNAS haben Maher et al. (2) beschreiben das häufige Vorhandensein von Magnetit-Nanopartikeln im menschlichen Gehirn, von denen einige auf Luftverschmutzung zurückzuführen sind. Dieser Befund könnte erhebliche Auswirkungen haben.

Magnetit gehört zur Spinellgruppe. Es kristallisiert im kubischen Kristallsystem (Abb. 1) und kann durch die allgemeine Formel Fe2 + Fe3 + 2O4 (3) beschrieben werden. Magnetit ist eine häufige natürliche Phase, die in verschiedenen geologischen Umgebungen auftritt und von magmatischen (z. B. geschichteten ultrabasischen Gesteinen, Basalten) über sedimentäre (z. B. gebänderte Eisenformationen, Strandsand) bis hin zu hochgradigen metamorphen Gesteinen (z. B. Schiefer) reicht , Skarns), wo es durch eine Vielzahl chemischer Reaktionen hergestellt werden kann. Aufgrund seiner Tendenz, mit Sauerstoff unter Bildung von Hämatit (Fe2O3) und verschiedenen Eisenoxyhydroxiden (z. B. Ferrihydrit, Goethit) zu reagieren, kann Magnetit als leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung der Sauerstoffkonzentration in Gesteinen während geologischer Prozesse und Änderungen des Sauerstoffgehalts von verwendet werden die Atmosphäre (z. B. frühe Erde) und Redoxbedingungen in oberflächennahen Umgebungen (z. B. oxisch-anoxische Übergangszone). Da Magnetit ferrimagnetisch ist, stellt es eine Phase dar, die für paläomagnetische Untersuchungen wesentlich ist, die bei der Rekonstruktion der Plattentektonik durch die Erdgeschichte helfen.

Biogen, Chemisch reine Magnetitkristalle kommen in den Körpern einer Vielzahl von Organismen in den Königreichen Monera, Protista und Animalia vor (z. B. magnetotaktische Mikroben, Insekten, Weichtiere, Fische, Vögel, Säugetiere) (4). In diesen Organismen bildet Magnetit die Grundlage für eine Art von biophysikalischem Mechanismus der Magnetfelddetektion, der die Orientierung und Navigation erleichtert (5, 6). Es wird auch angenommen, dass Magnetit im menschlichen Gehirn als Teil des Eisenstoffwechsels biologisch ausfällt (7). In PNAS haben Maher et al. (2) legen nahe, dass es von einer externen Quelle stammen kann.

Die Luftverschmutzung umfasst nicht nur Gase (z. B. Stickoxide, Ozon, Schwefeldioxid), sondern auch feste Partikel, deren Größe von einigen Nanometern reicht auf mehrere Mikrometer. Diese Partikel, bekannt als Partikel (PM), werden sowohl durch natürliche Prozesse als auch durch menschliche Aktivitäten erzeugt und direkt in die Atmosphäre abgegeben oder in dieser gebildet. Aufgrund der atmosphärischen Zirkulation können die in der Luft befindlichen Partikel in einer bestimmten Umgebung sowohl aus lokalen als auch aus entfernten Quellen stammen, z. B. aus trockenen Seen, Wüsten, Bränden, Schornsteinen, Verkehr oder Bergbaubetrieben. Magnetit ist ein häufiger Bestandteil der atmosphärischen PM-Verschmutzung, insbesondere in der städtischen Umgebung (8), wo es in Dieselabgasen als Bremsabriebpartikel in der Luft von U-Bahn-Stationen, entlang von Eisenbahnstrecken, an Schweißarbeitsplätzen und identifiziert wurde

Zusätzlich zu den großen atmosphärischen, ökologischen und ökologischen Auswirkungen (8) kann PM in der Luft akute und chronische gesundheitsschädliche Auswirkungen haben, da mit jedem Atemzug Millionen Menschen betroffen sind von festen Partikeln, einschließlich Magnetit, kann in unser Atmungssystem gelangen. Nach dem Einatmen können sich grobe Partikel (im Allgemeinen definiert als Partikel mit einem Durchmesser > 2,5 μm) auf den Oberflächen der leitenden Atemwege der oberen Atemwege ablagern, während kleinere Partikel (< 2,5 μm Durchmesser, PM2,5) kann in die tiefsten Teile der Lunge wandern, in denen der Gasaustausch stattfindet (9). Ultrafeine Partikel (< 100 nm) oder Nanopartikel können durch das Zellgewebe, das die Atemwege auskleidet, eindringen und in den Blutkreislauf und in extrapulmonale Organe, aber auch über den Riechstoff gelangen Nerv, in das Zentralnervensystem (10). In PNAS haben Maher et al. (2) berufen sich auf diesen letzteren Mechanismus für die Übertragung von Magnetit-Nanopartikeln aus der Luftverschmutzung auf das Gehirn der untersuchten Personen. Diese Autoren verwenden die meist kugelförmigen Formen des Magnetits als eines der Hauptargumente für ihre Hypothese: Sphärische Formen sind typisch für von Verbrennung abgeleitete Partikel (z. B. in Dieselabgasen) im Gegensatz zu von Abrieb abgeleiteten Partikeln (z. B. Bremsverschleißpartikel) ), die typischerweise unregelmäßig geformt und eckig sind, oder zu endogenen Partikeln, die dazu neigen, euhedrisch zu sein, weil sie in situ (z. B. im Gehirn) gewachsen sind (7).Die elektronenmikroskopischen Bilder von Maher et al. (2) dokumentieren, dass zwei Arten von Magnetit, kugelförmig und euhedrisch, in den untersuchten Gehirnen vorhanden sind, was darauf hindeutet, dass sie aus zwei verschiedenen Quellen stammen, einer externen (durch Luftverschmutzung) und einer internen (d. H. Biogen). Diese Schlussfolgerung wird weiter durch das Vorhandensein anderer Übergangsmetall-Nanopartikel gestützt, die in luftgetragenen PM aus verschmutzten Gebieten häufig vorkommen.

Eine der Fragen, die sich aus der Entdeckung von extern abgeleitetem Magnetit im Gehirngewebe ergibt, ist, ob oder nicht, der reichlich vorhandene zusätzliche Magnetit beeinträchtigt die menschliche Gesundheit. Aus epidemiologischen und toxikologischen Studien ist bekannt, dass die Exposition gegenüber PM2.5 mit einem Anstieg der Mortalität und der Krankenhauseinweisungen aufgrund von Atemwegserkrankungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verbunden ist (11). Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass gröbere Partikel auch gesundheitsschädliche Auswirkungen haben können (12). Die Wechselwirkungen sind jedoch nicht nur von der Größe abhängig, sondern werden auch von anderen Partikeleigenschaften beeinflusst, einschließlich Struktur, chemischer Zusammensetzung, Form, Oberfläche und Reaktivität, sorptiven Eigenschaften und Löslichkeit. Zu den nachteiligen Auswirkungen auf die Gesundheit zählen chronische Bronchitis, Verschlimmerung von Asthma, Fibrose und Lungenkrebs (13). Die Mechanismen hinter diesen Krankheiten sowie ihre Abhängigkeit von Partikeleigenschaften sind noch wenig bekannt. Die wahrscheinlichsten Mechanismen sind die übermäßige Produktion freier Radikale, die zu oxidativen Schäden an Zellmembranen, Proteinen und DNA sowie zur Freisetzung chemischer Substanzen führen können, die Entzündungen auslösen und aufrechterhalten (14, 15). P. >

In Bezug auf die Auswirkungen von Magnetit auf die menschliche Gesundheit liegen veröffentlichte Daten sowohl für das Gehirn als auch für die Atemwege vor. Beispielsweise kann das Vorhandensein von Magnetit im Gehirn mit mehreren neurodegenerativen Erkrankungen, einschließlich der Alzheimer-Krankheit, verbunden sein, und oxidativer Stress scheint eine Schlüsselrolle bei der Pathogenese zu spielen (16, 17). In-vitro-Experimente mit menschlichen Lungenzellen, die 24 Stunden lang unterschiedlichen Magnetitgrößenfraktionen (einschließlich Nanopartikeln) und Dosen ausgesetzt waren, zeigten, dass die untersuchten Partikel, obwohl sie nur geringfügig zytotoxisch waren, zu einer erhöhten ROS-Bildung, mitochondrialen Schädigung und genotoxischen Wirkungen führten (18). Die Ergebnisse ließen den Schluss zu, dass die ROS-Bildung eine wichtige Rolle bei der Genotoxizität von Magnetit in Lungenzellen spielt. Andererseits können Magnetit-Nanopartikel erheblich weniger toxisch sein, wenn sie oberflächenmodifiziert (dh beschichtet) sind (19).

Das Vorhandensein von Magnetit beim Menschen hat jedoch auch andere potenzielle Auswirkungen, einschließlich möglicher biologischer Störungen im Zusammenhang mit schwachen Magnetfeldern, die von Mobiltelefonen, Stromleitungen und Geräten erzeugt werden, oder Hochfeldsättigungseffekten durch Exposition gegenüber starken Magnetfeldern während MRT-Verfahren (7). Gleichzeitig sind Magnetit-Nanopartikel in den biomedizinischen Wissenschaften von besonderem Interesse, da sie als Träger für eine gezielte Arzneimittelabgabe verwendet werden können (20). Darüber hinaus können Magnetit-Nanopartikel für eine auf Hyperthermie basierende Krebstherapie genutzt werden, bei der die durch Anlegen eines magnetischen Wechselfelds induzierte Wärme eine Nekrose von Krebszellen verursacht, das umgebende normale Gewebe jedoch nicht schädigt (21). Verschiedene Forscher haben ferner vorgeschlagen, dass endogener Magnetit eine Schlüsselrolle bei der Wahrnehmung, Transduktion und Langzeitspeicherung von Informationen im menschlichen Gehirn und in anderen Organismen spielen könnte (22).

Das Auftreten von Magnetit in Zellen Gewebe stellt daher eine faszinierende Zweiteilung dar: Einerseits kann das Mineral eine Schlüsselrolle bei der Magnetorezeption und Navigation und damit beim Überleben verschiedener Arten von Organismen spielen, und andererseits kann es beim Menschen schädliche Wirkungen haben, insbesondere wenn Sie sind in verschmutzten städtischen Umgebungen hohen PM-Konzentrationen ausgesetzt.