Magnetite nel corpo umano: biogenica vs. antropica

La magnetite è un minerale di ossido di ferro che si trova naturalmente sulla Terra. Poiché è anche un componente importante di molti materiali antropici (ad esempio, ceneri volanti di carbone) e prodotti sintetici (ad esempio, polveri di toner nero), la magnetite può essere rilasciata nellambiente attraverso le attività umane (1). In PNAS, Maher et al. (2) descrivono labbondante presenza nel cervello umano di nanoparticelle di magnetite, alcune delle quali attribuiscono allinquinamento atmosferico. Questa scoperta potrebbe avere importanti implicazioni.

La magnetite appartiene al gruppo degli spinelli. Cristallizza nel sistema cristallino cubico (Fig. 1) e può essere descritto dalla formula generale Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). La magnetite è una fase naturale comune, che si verifica in vari ambienti geologici, che vanno da rocce ignee (p. Es., Rocce ultrabasiche stratificate, basalti) a rocce sedimentarie (p. Es., Formazioni di ferro a bande, sabbie di spiaggia) e rocce metamorfiche di alto grado (p. Es., Scisti , skarns), dove può essere prodotto attraverso una moltitudine di reazioni chimiche. A causa della sua tendenza a reagire con lossigeno per formare ematite (Fe2O3) e vari ossidrossidi di ferro (p. Es., Ferriidrite, goethite), la magnetite può essere utilizzata come un potente strumento per esplorare le concentrazioni di ossigeno nelle rocce durante i processi geologici, i cambiamenti nel contenuto di ossigeno di latmosfera (ad esempio, la Terra primordiale) e le condizioni redox in ambienti vicini alla superficie (ad esempio, zona di transizione ossico-anossica). Poiché la magnetite è ferrimagnetica, rappresenta una fase essenziale per le indagini paleomagnetiche, che aiutano a ricostruire la tettonica delle placche attraverso la storia della Terra.

Biogenico, cristalli di magnetite chimicamente puri si trovano nei corpi di unampia gamma di organismi allinterno dei regni di Monera, Protista e Animalia (p. es., microbi magnetotattici, insetti, molluschi, pesci, uccelli, mammiferi) (4). In questi organismi, la magnetite costituisce la base per un tipo di meccanismo biofisico di rilevamento del campo magnetico, che facilita lorientamento e la navigazione (5, 6). Nel cervello umano si ritiene che anche la magnetite precipiti biologicamente come parte del metabolismo del ferro (7), ma ora, in PNAS, Maher et al. (2) suggeriscono che può provenire da una fonte esterna.

Linquinamento atmosferico comprende non solo i gas (ad es. Ossidi di azoto, ozono, anidride solforosa) ma anche particelle solide, di dimensioni variabili da pochi nanometri a diversi micrometri. Queste particelle, note come particolato (PM), vengono generate attraverso processi naturali e attività umana e vengono emesse direttamente nellatmosfera o si formano allinterno. Come risultato della circolazione atmosferica, le particelle sospese nellaria in un dato ambiente possono essere derivate da fonti sia locali che lontane, come laghi asciutti, deserti, incendi, fumaioli, traffico o operazioni minerarie. La magnetite è un abbondante costituente dellinquinamento atmosferico da PM, soprattutto nellambiente urbano (8), dove è stata identificata negli scarichi diesel, come particelle di abrasione dei freni, nellaria delle stazioni sotterranee, lungo le linee ferroviarie, nei luoghi di lavoro di saldatura e nelle emissioni da processi di combustione industriale.

Oltre ad avere importanti impatti atmosferici, ambientali ed ecologici (8), il particolato atmosferico può avere effetti negativi sulla salute, sia acuti che cronici, perché ad ogni respiro, milioni di particelle solide, inclusa la magnetite, possono entrare nel nostro sistema respiratorio. Una volta inalate, particelle grossolane (generalmente definite come particelle con un diametro > 2,5 μm) possono essere depositate sulle superfici delle vie aeree conduttrici del sistema respiratorio superiore, mentre particelle più piccole (< 2,5 μm di diametro, PM2,5) può migrare verso le parti più profonde del polmone dove avviene lo scambio di gas (9). Le particelle ultrafini (< 100 nm), o nanoparticelle, possono penetrare attraverso il tessuto cellulare che riveste il tratto respiratorio e traslocare nella circolazione sanguigna e negli organi extrapolmonari, ma anche attraverso lolfatto nervo, nel sistema nervoso centrale (10). In PNAS, Maher et al. (2) invocano questultimo meccanismo per il trasferimento di nanoparticelle di magnetite derivate dallinquinamento atmosferico al cervello degli individui studiati. Questi autori usano le forme per lo più sferiche della magnetite come uno degli argomenti principali per la loro ipotesi: le forme sferiche sono tipiche delle particelle derivate dalla combustione (p. Es., Nello scarico diesel) in contrasto con le particelle derivate dallabrasione (p. Es., Particelle di usura dei freni ), che sono tipicamente di forma irregolare e angolari, oppure a particelle endogene, che tendono ad essere eedrali perché sono cresciute in situ (p. es., allinterno del cervello) (7).Le immagini al microscopio elettronico presentate da Maher et al. (2) documentano che due tipi di magnetite, sferica ed eedrica, sono presenti nei cervelli studiati, suggerendo che fossero derivati da due diverse fonti, una esterna (dallinquinamento atmosferico) e una interna (cioè biogenica). Questa conclusione è ulteriormente supportata dalla presenza di altre nanoparticelle di metalli di transizione, comuni nel PM trasportato dallaria da aree inquinate.

Una delle domande che sorge dalla scoperta della magnetite derivata esternamente nel tessuto cerebrale è se oppure non labbondante magnetite aggiuntiva influisce negativamente sulla salute umana. È ben noto da studi epidemiologici e tossicologici che lesposizione al PM2,5 è collegata ad aumenti della mortalità e dei ricoveri ospedalieri dovuti a malattie respiratorie e cardiovascolari (11). Vi sono prove crescenti che le particelle più grossolane possono anche produrre effetti deleteri sulla salute (12). Oltre a dipendere dalle dimensioni, tuttavia, le interazioni sono influenzate da altre caratteristiche delle particelle, tra cui struttura, composizione chimica, forma, area superficiale e reattività, proprietà di assorbimento e solubilità. Gli effetti avversi sulla salute includono bronchite cronica, esacerbazione dellasma, fibrosi e cancro ai polmoni (13). I meccanismi alla base di queste malattie, così come la loro dipendenza dalle proprietà delle particelle, sono ancora poco conosciuti. I meccanismi più probabili comportano leccessiva produzione di radicali liberi, che può portare a danni ossidativi alle membrane cellulari, alle proteine e al DNA, nonché al rilascio di sostanze chimiche che innescano e perpetuano linfiammazione (14, 15).

Per quanto riguarda gli effetti sulla salute umana della magnetite, esistono dati pubblicati sia per il cervello che per il sistema respiratorio. Ad esempio, la presenza nel cervello di magnetite può essere collegata a diverse malattie neurodegenerative, tra cui il morbo di Alzheimer, e lo stress ossidativo sembra giocare un ruolo chiave nella patogenesi (16, 17). Esperimenti in vitro con cellule polmonari umane, che sono state esposte per 24 ore a diverse frazioni di dimensioni di magnetite (comprese nanoparticelle) e dosi, hanno rivelato che le particelle studiate, sebbene fossero solo leggermente citotossiche, hanno portato ad un aumento della formazione di ROS, danno mitocondriale ed effetti genotossici (18). I risultati hanno permesso di concludere che la formazione di ROS gioca un ruolo importante nella genotossicità della magnetite nelle cellule polmonari. Daltra parte, le nanoparticelle di magnetite potrebbero essere considerevolmente meno tossiche se modificate in superficie (cioè rivestite) (19).

La presenza di magnetite negli esseri umani, tuttavia, ha anche altre potenziali implicazioni, comprese possibili biologiche disturbi legati ai deboli campi magnetici generati da telefoni cellulari, linee elettriche e apparecchi, o effetti di saturazione ad alto campo dovuti allesposizione a forti campi magnetici durante le procedure di risonanza magnetica (7). Allo stesso tempo, le nanoparticelle di magnetite sono di particolare interesse per le scienze biomediche, perché possono essere utilizzate come vettori per la somministrazione mirata di farmaci (20). Inoltre, le nanoparticelle di magnetite possono essere sfruttate per la terapia del cancro basata sullipertermia, dove il calore indotto dallapplicazione di un campo magnetico alternato provoca la necrosi delle cellule tumorali ma non danneggia il tessuto normale circostante (21). Vari ricercatori hanno inoltre proposto che la magnetite endogena potrebbe svolgere un ruolo chiave nella percezione, trasduzione e memorizzazione a lungo termine delle informazioni nel cervello umano e in altri organismi (22).

La presenza di magnetite nelle cellule tessuti rappresenta quindi una dicotomia intrigante: da un lato, il minerale può svolgere un ruolo chiave nella magnetoricezione e navigazione, e quindi sopravvivenza, di vari tipi di organismi, e dallaltro può impartire effetti deleteri nelluomo, soprattutto quando sono esposti ad alte concentrazioni di PM in ambienti urbani inquinati.