Magnetite ihmiskehossa: Biogeeninen vs. antropogeeni

Magnetite on rautaoksidimineraali, jota esiintyy luonnollisesti maapallolla. Koska se on myös tärkeä komponentti monille antropogeenisille materiaaleille (esim. Kivihiilen lentotuhka) ja synteettisille tuotteille (esim. Mustat väriainejauheet), magnetiitti voidaan vapauttaa ympäristöön ihmisen toiminnan kautta (1). Julkaisussa PNAS Maher et ai. (2) kuvaavat magnetiitti-nanohiukkasten runsasta läsnäoloa ihmisen aivoissa, joista osa johtuu ilmansaasteista. Tällä havainnolla voi olla merkittäviä vaikutuksia.

Magnetite kuuluu spinelliryhmään. Se kiteytyy kuutiometallijärjestelmässä (kuva 1) ja sitä voidaan kuvata yleiskaavalla Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). Magnetiitti on yleinen luonnollinen vaihe, jota esiintyy useissa geologisissa ympäristöissä, aina magmatuista (esim. Kerrostetut ultrabasaaliset kivet, basaltit) sedimenttikiviin (esim. Raidalliset rautamuodostumat, rantahiekat) ja korkealaatuisiin metamorfisiin kiviin (esim. Viilut) , skarns), jossa se voidaan tuottaa lukuisilla kemiallisilla reaktioilla. Johtuen sen taipumuksesta reagoida hapen kanssa muodostaen hematiitti (Fe2O3) ja erilaiset rautaoksyhydroksidit (esim. Ferrihydriitti, goetiitti), magnetiittia voidaan käyttää tehokkaana työkaluna kivien happipitoisuuksien tutkimiseksi geologisten prosessien aikana, ilmakehä (esim. varhainen maapallo) ja redox-olosuhteet lähellä pintaa olevissa ympäristöissä (esim. oksi-anoksinen siirtymävyöhyke). Koska magnetiitti on ferrimagneettista, se edustaa vaihetta, joka on välttämätön paleomagneettisille tutkimuksille, jotka auttavat rekonstruoimaan levytektoniikkaa maapallon historian läpi.

Biogeeninen, kemiallisesti puhtaita magnetiittikiteitä esiintyy monien organismien elimissä Moneran, Protistan ja Animalian valtakunnissa (esim. magnetotaktiset mikrobit, hyönteiset, nilviäiset, kalat, linnut, nisäkkäät) (4). Näissä organismeissa magnetiitti muodostaa perustan yhden tyyppiselle magneettikentän havaitsemisen biofysikaaliselle mekanismille, joka helpottaa suuntautumista ja navigointia (5, 6). Ihmisen aivoissa magnetiitin uskotaan myös saostuvan biologisesti osana rautametaboliaa (7), mutta nyt, PNAS, Maher et ai. (2) viittaavat siihen, että se voi olla peräisin ulkoisesta lähteestä.

Ilman pilaantuminen käsittää paitsi kaasut (esim. Typpioksidit, otsoni, rikkidioksidi) myös kiinteät hiukkaset, joiden koko vaihtelee muutamasta nanometristä. useisiin mikrometreihin. Nämä hiukkaset, jotka tunnetaan hiukkasina (PM), syntyvät sekä luonnollisten prosessien että ihmisen toiminnan kautta, ja ne päästetään suoraan ilmakehään tai muodostuvat sen sisällä. Ilmakehän kierron seurauksena tietyssä ympäristössä ilmassa olevat hiukkaset voivat olla peräisin sekä paikallisista että kaukaisista lähteistä, kuten kuivista järvistä, aavikoista, tulipaloista, savupinoista, liikenteestä tai kaivostoiminnasta. Magnetite on runsas osa ilmakehän hiukkaspäästöjä, etenkin kaupunkiympäristössä (8), jossa se on tunnistettu dieselkäyttöisissä pakokaasuissa, jarrujen hankauspartikkeleina, maanalaisten asemien ilmassa, rautatien varrella, hitsaustöissä ja teollisten polttoprosessien päästöissä.

Sen lisäksi, että ilmassa olevilla hiukkasilla on merkittäviä ilmakehään, ympäristöön ja ympäristöön kohdistuvia vaikutuksia (8), niillä voi olla sekä akuutteja että kroonisia terveysvaikutuksia, koska jokaisella hengityksellä miljoonat kiinteitä hiukkasia, mukaan lukien magnetiitti, voi päästä hengityselimiin. Hengitettynä karkeat hiukkaset (yleensä määritelty hiukkasiksi, joiden läpimitta on > 2,5 μm) voidaan kerääntyä ylempien hengitysteiden johtavien hengitysteiden pinnoille, kun taas pienemmät hiukkaset (< 2,5 μm poikki, PM2,5) voi kulkeutua keuhkojen syvimpiin osiin, joissa tapahtuu kaasunvaihto (9). Erittäin hienot hiukkaset (< 100 nm) tai nanohiukkaset voivat tunkeutua hengitysteitä ympäröivän solukudoksen läpi ja siirtyä verenkiertoon ja keuhkoputken ulkopuolisiin elimiin, mutta myös hajuaineen kautta. hermo, keskushermostoon (10). Julkaisussa PNAS Maher et ai. (2) vedota tähän jälkimmäiseen mekanismiin ilmansaasteista peräisin olevien magnetiitti-nanohiukkasten siirtämiseksi tutkittujen henkilöiden aivoihin. Nämä kirjoittajat käyttävät magnetiitin enimmäkseen pallomaisia muotoja hypoteesinsa tärkeimpinä argumentteina: Pallomuodot ovat tyypillisiä palamisperäisille hiukkasille (esim. Diesel-pakokaasuissa) toisin kuin hankauksesta peräisin olevat hiukkaset (esim. Jarrupalojen hiukkaset) ), jotka ovat tyypillisesti epäsäännöllisen muotoisia ja kulmikkaita, tai endogeenisille hiukkasille, jotka ovat yleensä euhedaalisia, koska ne kasvoivat in situ (esim. aivoissa) (7).Maher et ai. Esittivät elektronimikroskooppikuvat. (2) dokumentoi, että tutkituissa aivoissa on kahden tyyppisiä magnetiitteja, pallomaisia ja euhedrisiä, mikä viittaa siihen, että ne ovat peräisin kahdesta eri lähteestä, yhdestä ulkoisesta (ilmansaasteista) ja toisesta sisäisestä (eli biogeenisestä). Tätä johtopäätöstä tukee lisäksi muiden siirtymämetallin nanohiukkasten esiintyminen, jotka ovat yleisiä saastuneiden alueiden ilmassa olevissa hiukkasissa.

Yksi ulkoisesti johdetun magnetiitin löytämisestä aivokudoksessa nousee esiin: tai ei, että runsas lisämagneitti vaikuttaa haitallisesti ihmisten terveyteen. Epidemiologisista ja toksikologisista tutkimuksista tiedetään hyvin, että altistuminen PM2,5: lle liittyy hengitysteiden ja sydän- ja verisuonitautien aiheuttamaan kuolleisuuden lisääntymiseen ja sairaalahoitoon (11). On yhä enemmän todisteita siitä, että karkeammat hiukkaset voivat myös aiheuttaa haitallisia terveysvaikutuksia (12). Sen lisäksi, että yhteisvaikutukset ovat kooltaan riippuvaisia, vaikuttavat muut hiukkasominaisuudet, mukaan lukien rakenne, kemiallinen koostumus, muoto, pinta-ala ja reaktiivisuus, sorptio-ominaisuudet ja liukoisuus. Haitallisia terveysvaikutuksia ovat krooninen keuhkoputkentulehdus, astman paheneminen, fibroosi ja keuhkosyöpä (13). Näiden sairauksien mekanismit samoin kuin niiden riippuvuus hiukkasten ominaisuuksista ovat edelleen huonosti tunnettuja. Todennäköisimpiä mekanismeja ovat liiallinen vapaiden radikaalien tuotanto, mikä voi johtaa solukalvojen, proteiinien ja DNA: n oksidatiivisiin vaurioihin sekä tulehduksen laukaisevien ja jatkavien kemiallisten aineiden vapautumiseen (14, 15).

Magnetiitin vaikutuksista ihmisten terveyteen on julkaistu tietoa sekä aivoista että hengityselimistä. Esimerkiksi magnetiitin läsnäolo aivoissa voi liittyä useisiin neurodegeneratiivisiin sairauksiin, mukaan lukien Alzheimerin tauti, ja oksidatiivisella stressillä näyttää olevan keskeinen rooli patogeneesissä (16, 17). In vitro -tutkimukset ihmisen keuhkosoluilla, jotka altistettiin 24 tunnin ajan erilaisille magnetiittikokoisille fraktioille (mukaan lukien nanohiukkaset) ja annoksille, paljastivat, että tutkitut hiukkaset, vaikkakin vain sytotoksiset, johtivat lisääntyneeseen ROS-muodostumiseen, mitokondrioiden vaurioihin ja genotoksisiin vaikutuksiin (18). Tulosten perusteella päädyttiin siihen johtopäätökseen, että ROS: n muodostumisella on tärkeä rooli magnetiitin genotoksisuudessa keuhkosoluissa. Toisaalta, magnetiitti-nanohiukkaset saattavat olla huomattavasti vähemmän myrkyllisiä, kun niitä pintamodifioidaan (ts. Päällystetään) (19).

Magneetti-läsnäololla ihmisillä on kuitenkin myös muita mahdollisia vaikutuksia, mukaan lukien mahdolliset biologiset matkapuhelinten, sähkölinjojen ja laitteiden tuottamiin heikkoihin magneettikenttiin liittyvät häiriöt tai voimakkaille magneettikentille altistumisen aiheuttamat suuren kentän kyllästysvaikutukset MRI-toimenpiteiden aikana (7). Samanaikaisesti magnetiitin nanohiukkaset ovat erityisen kiinnostuneita biolääketieteestä, koska niitä voidaan käyttää kantajina kohdennettuun lääkeaineiden toimitukseen (20). Lisäksi magnetiitti-nanohiukkasia voidaan hyödyntää hypertermiaan perustuvassa syöpähoidossa, jossa vuorottelevan magneettikentän aiheuttama lämpö aiheuttaa syöpäsolujen nekroosia, mutta ei vahingoita ympäröivää normaalia kudosta (21). Useat tutkijat ovat myös ehdottaneet, että endogeenisellä magnetiitilla voi olla keskeinen rooli ihmisen aivoissa ja muissa organismeissa olevan tiedon havainnoinnissa, siirtämisessä ja pitkäaikaisessa varastoinnissa (22).

Magnetiitin esiintyminen solussa kudokset edustavat siis kiehtovaa kahtiajakoa: Toisaalta mineraalilla voi olla tärkeä rooli erityyppisten organismien magneettivastaanotossa ja navigoinnissa ja siten selviytymisessä, ja toisaalta se voi aiheuttaa haitallisia vaikutuksia ihmisiin, varsinkin he ovat alttiina suurille PM-pitoisuuksille saastuneissa kaupunkiympäristöissä.