Magnetitt i menneskekroppen: Biogene vs. antropogene

Magnetitt er et jernoksydmineral som forekommer naturlig på jorden. Fordi det også er en viktig komponent i mange menneskeskapte materialer (f.eks. Kullflyveaske) og syntetiske produkter (f.eks. Svarte tonerpulver), kan magnetitt frigjøres til miljøet gjennom menneskelige aktiviteter (1). I PNAS, Maher et al. (2) beskrive den store tilstedeværelsen i den menneskelige hjerne av magnetitt-nanopartikler, hvorav noen tilskrives luftforurensning. Dette funnet kan ha store implikasjoner.

Magnetitt tilhører spinellgruppen. Den krystalliserer seg i det kubiske krystallsystemet (fig. 1) og kan beskrives med den generelle formelen Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). Magnetitt er en vanlig naturlig fase, som forekommer i forskjellige geologiske miljøer, alt fra stikkende (f.eks. Lagdekkede ultrabasiske bergarter, basalter) til sedimentære (f.eks. Båndede jernformasjoner, strandsand) bergarter og til høyverdig metamorfe bergarter (f.eks. Skifer) , skarns), der det kan produseres gjennom en rekke kjemiske reaksjoner. På grunn av sin tendens til å reagere med oksygen for å danne hematitt (Fe2O3) og forskjellige jernoksyhydroksider (f.eks. Ferrihydritt, goetitt), kan magnetitt brukes som et kraftig verktøy for å utforske oksygenkonsentrasjoner i bergarter under geologiske prosesser, endringer i oksygeninnholdet i atmosfæren (f.eks. tidlig jord) og redoksforhold i omgivelser nær overflaten (f.eks. oksisk-anoksisk overgangssone). Fordi magnetitt er ferrimagnetisk, representerer den en fase som er viktig for paleomagnetiske undersøkelser, som hjelper til med å rekonstruere platetektonikk gjennom jordens historie.

Biogene, kjemisk rene magnetittkrystaller forekommer i kroppene til et bredt spekter av organismer i kongedømmene Monera, Protista og Animalia (f.eks. magnetotaktiske mikrober, insekter, bløtdyr, fisk, fugler, pattedyr) (4). I disse organismer danner magnetitt grunnlaget for en type biofysisk mekanisme for magnetfeltdeteksjon, som letter orientering og navigering (5, 6). I den menneskelige hjerne antas magnetitt også å utfelle biologisk som en del av jernmetabolismen (7), men nå, i PNAS, Maher et al. (2) antyder at den kan stamme fra en ekstern kilde.

Luftforurensning omfatter ikke bare gasser (f.eks. Nitrogenoksider, ozon, svoveldioksid), men også faste partikler, som varierer i størrelse fra noen få nanometer. til flere mikrometer. Disse partiklene, kjent som partikler (PM), genereres gjennom både naturlige prosesser og menneskelig aktivitet og sendes direkte ut i eller dannes i atmosfæren. Som et resultat av atmosfærisk sirkulasjon kan de luftbårne partiklene i et gitt miljø være avledet fra både lokale og fjerne kilder, som tørre innsjøer, ørkener, branner, røykstabler, trafikk eller gruvedrift. Magnetitt er en rikelig bestanddel av atmosfærisk PM-forurensning, spesielt i bymiljøet (8), der det er blitt identifisert i dieseleksos, som bremseslipende partikler, i luften på underjordiske stasjoner, langs jernbanelinjer, på sveisearbeidsplasser og i utslippene fra industrielle forbrenningsprosesser.

I tillegg til å ha store atmosfæriske, miljømessige og økologiske påvirkninger (8), kan luftbåren PM ha skadelige helseeffekter, både akutte og kroniske, fordi med hvert pust, millioner av faste partikler, inkludert magnetitt, kan komme inn i luftveiene. Når de er inhalert, kan grove partikler (generelt definert som partikler med en diameter > 2,5 mikrometer) avsettes på overflatene av de ledende luftveiene i det øvre luftveiene, mens mindre partikler (< 2,5 μm over, PM2,5) kan migrere til de dypeste delene av lungen der gassutvekslingen finner sted (9). Ultrafine partikler (< 100 nm), eller nanopartikler, kan trenge gjennom cellevevet som leder luftveiene og overføres til blodsirkulasjonen og til ekstrapulmonale organer, men også via olfaktorien nerve, inn i sentralnervesystemet (10). I PNAS, Maher et al. (2) påkalle denne sistnevnte mekanismen for overføring av magnetitt nanopartikler avledet av luftforurensning til hjernen til de studerte individene. Disse forfatterne bruker magnetisens hovedsakelig sfæriske former som et av hovedargumentene for hypotesen deres: Sfæriske former er typiske for forbrenningsavledede partikler (f.eks. I dieseleksos) i motsetning til slitasjeavledede partikler (f.eks. ), som vanligvis er uregelmessig formede og vinklede, eller til endogene partikler, som har en tendens til å bli euhedral fordi de vokste in situ (f.eks. i hjernen) (7).Elektronmikroskopbildene presentert av Maher et al. (2) dokumentere at to typer magnetitt, sfærisk og euhedral, er til stede i hjernene som studeres, noe som tyder på at de stammer fra to forskjellige kilder, en ekstern (fra luftforurensning) og en intern (dvs. biogen). Denne konklusjonen støttes videre av tilstedeværelsen av andre overgangsmetall-nanopartikler, som er vanlige i luftbåren PM fra forurensede områder.

Et av spørsmålene som oppstår fra oppdagelsen av eksternt avledet magnetitt i hjernevev er om eller ikke den overflødige ekstra magnetitten påvirker menneskers helse negativt. Det er kjent fra epidemiologiske og toksikologiske studier at eksponering for PM2.5 er knyttet til økning i dødelighet og innleggelser på sykehus på grunn av luftveis- og kardiovaskulære sykdommer (11). Det er økende bevis for at grovere partikler også kan gi skadelige helseeffekter (12). I tillegg til å være avhengig av størrelse, påvirkes imidlertid interaksjonene av andre partikkelegenskaper, inkludert struktur, kjemisk sammensetning, form, overflateareal og reaktivitet, sorptive egenskaper og løselighet. De skadelige helseeffektene inkluderer kronisk bronkitt, forverring av astma, fibrose og lungekreft (13). Mekanismene bak disse sykdommene, samt deres avhengighet av partikkelegenskaper, er fremdeles dårlig kjent. De mest sannsynlige mekanismene involverer overdreven produksjon av frie radikaler, noe som kan føre til oksidativ skade på cellemembraner, proteiner og DNA, samt til frigjøring av kjemiske stoffer som utløser og vedvarer betennelse (14, 15).

Når det gjelder menneskers helseeffekter av magnetitt, finnes publiserte data for både hjernen og luftveiene. For eksempel kan tilstedeværelsen i hjernen av magnetitt være knyttet til flere nevrodegenerative sykdommer, inkludert Alzheimers sykdom, og oksidativt stress ser ut til å spille en nøkkelrolle i patogenesen (16, 17). In vitro eksperimenter med humane lungeceller, som ble eksponert i 24 timer for forskjellige magnetittestørrelsesfraksjoner (inkludert nanopartikler) og doser, avslørte at de studerte partiklene, selv om de bare var litt cytotoksiske, førte til økt ROS-dannelse, mitokondriell skade og genotoksiske effekter (18). Resultatene tillot konklusjonen om at ROS-dannelse spiller en viktig rolle i magnetisk genotoksisitet i lungeceller. På den annen side kan magnetittnanopartikler være betydelig mindre giftige når de blir overflatemodifisert (dvs. belagt) (19).

Tilstedeværelsen av magnetitt hos mennesker har imidlertid også andre potensielle implikasjoner, inkludert mulig biologisk lidelser knyttet til de svake magnetfeltene generert av mobiltelefoner, elektriske ledninger og apparater, eller høyfeltmetningseffekter fra eksponering for sterke magnetfelt under MR-prosedyrer (7). Samtidig er nanopartikler av magnetitt av spesiell interesse for biomedisinsk vitenskap, fordi de kan brukes som bærere for målrettet legemiddelleveranse (20). Videre kan magnetitt-nanopartikler utnyttes til hypertermi-basert kreftterapi, der varmen indusert ved påføring av et vekslende magnetfelt forårsaker nekrose av kreftceller, men ikke skader det omkringliggende normale vevet (21). Ulike forskere har videre foreslått at endogen magnetitt kan spille en nøkkelrolle i persepsjon, transduksjon og langsiktig lagring av informasjon i den menneskelige hjerne og i andre organismer (22).

Forekomst av magnetitt i celle vev representerer derfor en spennende dikotomi: På den ene siden kan mineralet spille en nøkkelrolle i magnetoresept og navigering, og dermed overlevelse, av forskjellige typer organismer, og på den andre siden kan det gi skadelige effekter hos mennesker, spesielt når de er utsatt for høye PM-konsentrasjoner i forurensede urbane miljøer.