La magnétite dans le corps humain: biogénique vs anthropique

La magnétite est un minéral doxyde de fer présent naturellement sur Terre. Comme il sagit également dun composant important de nombreux matériaux anthropiques (par exemple, les cendres volantes de charbon) et de produits synthétiques (par exemple, les poudres de toner noir), la magnétite peut être rejetée dans lenvironnement par les activités humaines (1). Dans PNAS, Maher et al. (2) décrivent la présence abondante dans le cerveau humain de nanoparticules de magnétite, dont certaines attribuent à la pollution de lair. Cette découverte pourrait avoir des implications majeures.

La magnétite appartient au groupe spinelle. Il cristallise dans le système cristallin cubique (Fig. 1) et peut être décrit par la formule générale Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). La magnétite est une phase naturelle courante, se produisant dans divers environnements géologiques, allant des roches ignées (p. Ex., Roches ultrabasiques stratifiées, basaltes) aux roches sédimentaires (p. Ex., Formations de fer en bandes, sables de plage) et aux roches métamorphiques à haute teneur (p. Ex., Schistes). , skarns), où il peut être produit par une multitude de réactions chimiques. En raison de sa tendance à réagir avec loxygène pour former de lhématite (Fe2O3) et divers oxyhydroxydes de fer (par exemple, ferrihydrite, goethite), la magnétite peut être utilisée comme un outil puissant pour explorer les concentrations doxygène dans les roches pendant les processus géologiques, les changements de la teneur en oxygène de latmosphère (p. ex., la Terre primitive) et les conditions redox dans les environnements proches de la surface (p. ex., zone de transition oxique-anoxique). La magnétite étant ferrimagnétique, elle représente une phase essentielle pour les investigations paléomagnétiques, qui aident à reconstruire la tectonique des plaques à travers lhistoire de la Terre.

Biogénique, des cristaux de magnétite chimiquement purs se trouvent dans les corps dun large éventail dorganismes des royaumes de la Monera, du Protista et de lAnimalia (par exemple, microbes magnétotactiques, insectes, mollusques, poissons, oiseaux, mammifères) (4). Dans ces organismes, la magnétite constitue la base dun type de mécanisme biophysique de détection de champ magnétique, qui facilite lorientation et la navigation (5, 6). Dans le cerveau humain, on pense également que la magnétite précipite biologiquement dans le cadre du métabolisme du fer (7), mais maintenant, dans PNAS, Maher et al. (2) suggèrent quil peut provenir dune source externe.

La pollution de lair comprend non seulement des gaz (par exemple, oxydes dazote, ozone, dioxyde de soufre) mais aussi des particules solides, dont la taille varie de quelques nanomètres à plusieurs micromètres. Ces particules, appelées matières particulaires (PM), sont générées à la fois par des processus naturels et par lactivité humaine, et sont émises directement dans latmosphère ou formées dans latmosphère. En raison de la circulation atmosphérique, les particules en suspension dans un environnement donné peuvent provenir de sources locales et éloignées, telles que les lacs asséchés, les déserts, les incendies, les cheminées de fumée, le trafic ou les opérations minières. La magnétite est un constituant abondant de la pollution atmosphérique par les particules, en particulier en milieu urbain (8), où elle a été identifiée dans les gaz déchappement des moteurs diesel, en tant que particules dabrasion des freins, dans lair des stations souterraines, le long des voies ferrées, sur les postes de soudage, et dans les émissions des processus de combustion industriels.

En plus davoir des impacts atmosphériques, environnementaux et écologiques majeurs (8), les particules en suspension dans lair peuvent avoir des effets néfastes sur la santé, aigus et chroniques, car à chaque respiration, des millions des particules solides, y compris la magnétite, peuvent pénétrer dans notre système respiratoire. Une fois inhalées, des particules grossières (généralement définies comme des particules dun diamètre > 2,5 μm) peuvent se déposer sur les surfaces des voies respiratoires conductrices du système respiratoire supérieur, tandis que des particules plus petites (< 2,5 μm de diamètre, PM2,5) peuvent migrer vers les parties les plus profondes du poumon où léchange gazeux a lieu (9). Les particules ultrafines (< 100 nm), ou nanoparticules, peuvent pénétrer à travers le tissu cellulaire qui tapisse les voies respiratoires et se déplacer dans la circulation sanguine et dans les organes extrapulmonaires, mais aussi, via lolfaction nerf, dans le système nerveux central (10). Dans PNAS, Maher et al. (2) invoquent ce dernier mécanisme pour le transfert de nanoparticules de magnétite issues de la pollution atmosphérique vers le cerveau des individus étudiés. Ces auteurs utilisent les formes principalement sphériques de la magnétite comme lun des principaux arguments pour leur hypothèse: les formes sphériques sont typiques des particules dérivées de la combustion (par exemple, dans les gaz déchappement des moteurs diesel) par opposition aux particules dérivées de labrasion (par exemple, les particules dusure des freins). ), qui sont généralement de forme irrégulière et angulaire, ou à des particules endogènes, qui ont tendance à être euhédriques parce quelles se sont développées in situ (par exemple, dans le cerveau) (7).Les images au microscope électronique présentées par Maher et al. (2) documentent que deux types de magnétite, sphérique et euhédrique, sont présents dans les cerveaux étudiés, suggérant quils proviennent de deux sources différentes, une externe (due à la pollution de lair) et une interne (cest-à-dire biogénique). Cette conclusion est en outre étayée par la présence dautres nanoparticules de métaux de transition, qui sont courantes dans les particules en suspension dans lair provenant de zones polluées.

Lune des questions soulevées par la découverte de magnétite dorigine externe dans les tissus cérébraux est de savoir si ou non, la magnétite additionnelle abondante affecte la santé humaine. Daprès les études épidémiologiques et toxicologiques, il est bien connu que lexposition aux PM2,5 est liée à une augmentation de la mortalité et des hospitalisations dues à des maladies respiratoires et cardiovasculaires (11). Il y a de plus en plus de preuves que des particules plus grossières peuvent également produire des effets délétères sur la santé (12). En plus de dépendre de la taille, les interactions sont toutefois influencées par dautres caractéristiques des particules, notamment la structure, la composition chimique, la forme, la surface et la réactivité, les propriétés de sorption et la solubilité. Les effets néfastes sur la santé comprennent la bronchite chronique, lexacerbation de lasthme, la fibrose et le cancer du poumon (13). Les mécanismes à lorigine de ces maladies, ainsi que leur dépendance aux propriétés des particules, sont encore mal connus. Les mécanismes les plus probables impliquent la production excessive de radicaux libres, ce qui peut entraîner des dommages oxydatifs aux membranes cellulaires, aux protéines et à lADN, ainsi que la libération de substances chimiques qui déclenchent et perpétuent linflammation (14, 15).

En ce qui concerne les effets de la magnétite sur la santé humaine, des données publiées existent pour le cerveau et le système respiratoire. Par exemple, la présence dans le cerveau de magnétite peut être liée à plusieurs maladies neurodégénératives, dont la maladie dAlzheimer, et le stress oxydatif semble jouer un rôle clé dans la pathogenèse (16, 17). Des expériences in vitro avec des cellules pulmonaires humaines, qui ont été exposées pendant 24 h à différentes fractions de taille de magnétite (y compris des nanoparticules) et à des doses, ont révélé que les particules étudiées, bien que légèrement cytotoxiques, entraînaient une augmentation de la formation de ROS, des dommages mitochondriaux et des effets génotoxiques. (18). Les résultats ont permis de conclure que la formation de ROS joue un rôle important dans la génotoxicité de la magnétite dans les cellules pulmonaires. Dun autre côté, les nanoparticules de magnétite peuvent être considérablement moins toxiques lorsquelles sont modifiées en surface (cest-à-dire revêtues) (19).

La présence de magnétite chez lhomme, cependant, a également dautres implications potentielles, y compris déventuelles les troubles liés aux faibles champs magnétiques générés par les téléphones cellulaires, les lignes électriques et les appareils, ou les effets de saturation à champ élevé dus à lexposition à des champs magnétiques puissants pendant les procédures dIRM (7). Dans le même temps, les nanoparticules de magnétite présentent un intérêt particulier dans les sciences biomédicales, car elles peuvent être utilisées comme supports pour ladministration ciblée de médicaments (20). De plus, les nanoparticules de magnétite peuvent être exploitées pour la thérapie anticancéreuse basée sur lhyperthermie, où la chaleur induite par lapplication dun champ magnétique alternatif provoque la nécrose des cellules cancéreuses mais nendommage pas les tissus normaux environnants (21). Divers chercheurs ont en outre proposé que la magnétite endogène pourrait jouer un rôle clé dans la perception, la transduction et le stockage à long terme des informations dans le cerveau humain et dans dautres organismes (22).

Lapparition de la magnétite dans les cellules tissus représente donc une dichotomie intrigante: dune part, le minéral peut jouer un rôle clé dans la magnétoréception et la navigation, et donc la survie, de divers types dorganismes, et dautre part, il peut avoir des effets délétères chez lhomme, en particulier lorsque ils sont exposés à des concentrations élevées de PM dans des environnements urbains pollués.