Magnetita en el cuerpo humano: biogénica vs. antropogénica

La magnetita es un mineral de óxido de hierro que se encuentra naturalmente en la Tierra. Debido a que también es un componente importante de muchos materiales antropogénicos (por ejemplo, cenizas volantes de carbón) y productos sintéticos (por ejemplo, polvos de tóner negro), la magnetita puede liberarse al medio ambiente a través de actividades humanas (1). En PNAS, Maher et al. (2) describen la abundante presencia en el cerebro humano de nanopartículas de magnetita, algunas de las cuales atribuyen a la contaminación del aire. Este hallazgo podría tener implicaciones importantes.

La magnetita pertenece al grupo de la espinela. Cristaliza en el sistema cristalino cúbico (Fig. 1) y se puede describir mediante la fórmula general Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). La magnetita es una fase natural común, que ocurre en varios ambientes geológicos, que van desde rocas ígneas (p. Ej., Rocas ultrabásicas estratificadas, basaltos) a rocas sedimentarias (p. Ej., Formaciones de hierro en bandas, arenas de playa) y rocas metamórficas de alto grado (p. Ej., Esquistos) , skarns), donde se puede producir a través de una multitud de reacciones químicas. Debido a su tendencia a reaccionar con el oxígeno para formar hematita (Fe2O3) y varios oxihidróxidos de hierro (por ejemplo, ferrihidrita, goethita), la magnetita se puede utilizar como una herramienta poderosa para explorar las concentraciones de oxígeno en las rocas durante los procesos geológicos, cambios en el contenido de oxígeno de la atmósfera (p. ej., la Tierra primitiva) y las condiciones redox en entornos cercanos a la superficie (p. ej., zona de transición óxico-anóxica). Debido a que la magnetita es ferrimagnética, representa una fase que es esencial para las investigaciones paleomagnéticas, que ayudan a reconstruir la tectónica de placas a través de la historia de la Tierra.

Biogénico, Los cristales de magnetita químicamente puros se encuentran en los cuerpos de una amplia gama de organismos dentro de los reinos de Monera, Protista y Animalia (por ejemplo, microbios magnetotácticos, insectos, moluscos, peces, pájaros, mamíferos) (4). En estos organismos, la magnetita forma la base de un tipo de mecanismo biofísico de detección de campo magnético, que facilita la orientación y la navegación (5, 6). En el cerebro humano, también se cree que la magnetita se precipita biológicamente como parte del metabolismo del hierro (7), pero ahora, en PNAS, Maher et al. (2) sugieren que puede provenir de una fuente externa.

La contaminación del aire comprende no solo gases (por ejemplo, óxidos de nitrógeno, ozono, dióxido de azufre) sino también partículas sólidas, que varían en tamaño desde unos pocos nanómetros a varios micrómetros. Estas partículas, conocidas como materia particulada (PM), se generan tanto a través de procesos naturales como de la actividad humana, y se emiten directamente a la atmósfera o se forman dentro de ella. Como resultado de la circulación atmosférica, las partículas en el aire en un ambiente dado pueden derivarse de fuentes tanto locales como distantes, como lagos secos, desiertos, incendios, chimeneas, tráfico u operaciones mineras. La magnetita es un componente abundante de la contaminación atmosférica por partículas, especialmente en el entorno urbano (8), donde se ha identificado en los gases de escape de diesel, como partículas de abrasión de los frenos, en el aire de las estaciones subterráneas, a lo largo de las líneas ferroviarias, en los lugares de trabajo de soldadura, y en las emisiones de los procesos de combustión industrial.

Además de tener importantes impactos atmosféricos, ambientales y ecológicos (8), las PM en el aire pueden tener efectos adversos para la salud, tanto agudos como crónicos, porque con cada respiración, millones de partículas sólidas, incluida la magnetita, pueden ingresar a nuestro sistema respiratorio. Una vez inhaladas, las partículas gruesas (generalmente definidas como partículas con un diámetro > 2,5 μm) pueden depositarse en las superficies de las vías respiratorias conductoras del sistema respiratorio superior, mientras que las partículas más pequeñas (< 2,5 μm de diámetro, PM2,5) pueden migrar a las partes más profundas del pulmón donde tiene lugar el intercambio de gases (9). Las partículas ultrafinas (< 100 nm), o nanopartículas, pueden penetrar a través del tejido celular que recubre el tracto respiratorio y trasladarse a la circulación sanguínea y a los órganos extrapulmonares, pero también a través del olfato. nervio, en el sistema nervioso central (10). En PNAS, Maher et al. (2) invocan este último mecanismo para la transferencia de nanopartículas de magnetita derivadas de la contaminación del aire al cerebro de los individuos estudiados. Estos autores utilizan las formas en su mayoría esféricas de la magnetita como uno de los principales argumentos de su hipótesis: las formas esféricas son típicas de las partículas derivadas de la combustión (por ejemplo, en el escape de diesel) en contraste con las partículas derivadas de la abrasión (por ejemplo, partículas de desgaste de los frenos). ), que son típicamente de forma irregular y angular, o partículas endógenas, que tienden a ser euédricas porque crecieron in situ (por ejemplo, dentro del cerebro) (7).Las imágenes de microscopio electrónico presentadas por Maher et al. (2) documentan que dos tipos de magnetita, esférica y euédrica, están presentes en los cerebros estudiados, lo que sugiere que se derivaron de dos fuentes diferentes, una externa (por contaminación del aire) y otra interna (es decir, biogénica). Esta conclusión está respaldada por la presencia de otras nanopartículas de metales de transición, que son comunes en las partículas suspendidas en el aire de áreas contaminadas.

Una de las preguntas que surge del descubrimiento de magnetita derivada externamente en el tejido cerebral es si o no, la magnetita adicional abundante afecta negativamente a la salud humana. Es bien sabido a partir de estudios epidemiológicos y toxicológicos que la exposición a PM2.5 está relacionada con aumentos en la mortalidad y los ingresos hospitalarios por enfermedades respiratorias y cardiovasculares (11). Existe una creciente evidencia de que las partículas más gruesas también pueden producir efectos nocivos para la salud (12). Sin embargo, además de depender del tamaño, las interacciones están influenciadas por otras características de las partículas, incluida la estructura, la composición química, la forma, el área de superficie y la reactividad, las propiedades de absorción y la solubilidad. Los efectos adversos para la salud incluyen bronquitis crónica, exacerbación del asma, fibrosis y cáncer de pulmón (13). Los mecanismos detrás de estas enfermedades, así como su dependencia de las propiedades de las partículas, aún son poco conocidos. Los mecanismos más probables involucran la producción excesiva de radicales libres, que pueden conducir a daño oxidativo en membranas celulares, proteínas y ADN, así como a la liberación de sustancias químicas que desencadenan y perpetúan la inflamación (14, 15).

Con respecto a los efectos de la magnetita en la salud humana, existen datos publicados tanto para el cerebro como para el sistema respiratorio. Por ejemplo, la presencia de magnetita en el cerebro puede estar relacionada con varias enfermedades neurodegenerativas, incluida la enfermedad de Alzheimer, y el estrés oxidativo parece jugar un papel clave en la patogénesis (16, 17). Los experimentos in vitro con células pulmonares humanas, que fueron expuestas durante 24 horas a diferentes fracciones de tamaño de magnetita (incluidas las nanopartículas) y dosis, revelaron que las partículas estudiadas, aunque son solo ligeramente citotóxicas, condujeron a una mayor formación de ROS, daño mitocondrial y efectos genotóxicos. (18). Los resultados permitieron concluir que la formación de ROS juega un papel importante en la genotoxicidad de la magnetita en las células pulmonares. Por otro lado, las nanopartículas de magnetita pueden ser considerablemente menos tóxicas cuando se modifican en la superficie (es decir, se recubren) (19).

La presencia de magnetita en humanos, sin embargo, también tiene otras implicaciones potenciales, incluyendo posibles efectos biológicos. trastornos relacionados con los campos magnéticos débiles generados por teléfonos móviles, líneas eléctricas y aparatos, o efectos de saturación de campo alto por exposición a campos magnéticos fuertes durante procedimientos de resonancia magnética (7). Al mismo tiempo, las nanopartículas de magnetita son de especial interés en las ciencias biomédicas, porque pueden usarse como vehículos para la administración de fármacos dirigida (20). Además, las nanopartículas de magnetita se pueden aprovechar para la terapia del cáncer basada en la hipertermia, donde el calor inducido por la aplicación de un campo magnético alterno causa necrosis de las células cancerosas pero no daña el tejido normal circundante (21). Varios investigadores han propuesto además que la magnetita endógena podría desempeñar un papel clave en la percepción, la transducción y el almacenamiento a largo plazo de información en el cerebro humano y en otros organismos (22).

La aparición de magnetita en la célula Por lo tanto, los tejidos representan una dicotomía intrigante: por un lado, el mineral puede desempeñar un papel clave en la magnetorrecepción y navegación, y por lo tanto en la supervivencia, de varios tipos de organismos, y por otro lado, puede impartir efectos deletéreos en humanos, especialmente cuando están expuestos a altas concentraciones de PM en entornos urbanos contaminados.