Magnetiet in het menselijk lichaam: biogeen vs. antropogeen

Magnetiet is een ijzeroxide-mineraal dat van nature op aarde voorkomt. Omdat het ook een belangrijk onderdeel is van veel antropogene materialen (bijv. Koolvliegas) en synthetische producten (bijv. Zwarte tonerpoeders), kan magnetiet door menselijke activiteiten in het milieu vrijkomen (1). In PNAS, Maher et al. (2) de overvloedige aanwezigheid in het menselijk brein van magnetietnanodeeltjes beschrijven, waarvan sommige toeschrijven aan luchtverontreiniging. Deze bevinding kan grote implicaties hebben.

Magnetiet behoort tot de spinelgroep. Het kristalliseert in het kubische kristalsysteem (Fig. 1) en kan worden beschreven met de algemene formule Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). Magnetiet is een veel voorkomende natuurlijke fase die voorkomt in verschillende geologische omgevingen, variërend van stollingsgesteenten (bijv. Gelaagde ultrabasische rotsen, basalt) tot sedimentaire (bijv. Gestreepte ijzerformaties, strandzand) rotsen en tot hoogwaardige metamorfe rotsen (bijv. Leisteen , skarns), waar het kan worden geproduceerd door een groot aantal chemische reacties. Vanwege de neiging om te reageren met zuurstof om hematiet (Fe2O3) en verschillende ijzeroxyhydroxiden te vormen (bijv. Ferrihydriet, goethiet), kan magnetiet worden gebruikt als een krachtig hulpmiddel om zuurstofconcentraties in gesteenten te onderzoeken tijdens geologische processen, veranderingen in het zuurstofgehalte van de atmosfeer (bijv. vroege aarde) en redoxcondities in omgevingen dichtbij het oppervlak (bijv. oxisch-anoxische overgangszone). Omdat magnetiet ferrimagnetisch is, vertegenwoordigt het een fase die essentieel is voor paleomagnetisch onderzoek, dat helpt bij het reconstrueren van platentektoniek door de geschiedenis van de aarde.

Biogeen, chemisch zuivere magnetietkristallen komen voor in de lichamen van een breed scala aan organismen binnen de koninkrijken van de Monera, Protista en Animalia (bijv. magnetotactische microben, insecten, weekdieren, vissen, vogels, zoogdieren) (4). In deze organismen vormt magnetiet de basis voor één type biofysisch mechanisme van magnetische velddetectie, dat oriëntatie en navigatie vergemakkelijkt (5, 6). In de menselijke hersenen wordt aangenomen dat magnetiet ook biologisch neerslaat als onderdeel van het ijzermetabolisme (7), maar nu, in PNAS, Maher et al. (2) suggereren dat het afkomstig kan zijn van een externe bron.

Luchtverontreiniging omvat niet alleen gassen (bijv. Stikstofoxiden, ozon, zwaveldioxide) maar ook vaste deeltjes, die in grootte variëren van enkele nanometers tot enkele micrometers. Deze deeltjes, bekend als fijnstof (PM), worden gegenereerd door zowel natuurlijke processen als menselijke activiteit en worden rechtstreeks in de atmosfeer uitgestoten of gevormd. Als gevolg van atmosferische circulatie kunnen de in de lucht zwevende deeltjes in een bepaalde omgeving worden afgeleid uit zowel lokale als verre bronnen, zoals droge meren, woestijnen, branden, rookschoorstenen, verkeer of mijnbouwactiviteiten. Magnetiet is een overvloedig bestanddeel van atmosferische PM-vervuiling, vooral in de stedelijke omgeving (8), waar het in dieseluitlaatgassen is geïdentificeerd als remschurende deeltjes, in de lucht van ondergrondse stations, langs spoorlijnen, op laswerkplekken, en in de emissies van industriële verbrandingsprocessen.

Behalve dat het grote atmosferische, ecologische en ecologische effecten heeft (8), kunnen PM-deeltjes in de lucht nadelige gezondheidseffecten hebben, zowel acuut als chronisch, omdat bij elke ademhaling miljoenen van vaste deeltjes, waaronder magnetiet, kunnen ons ademhalingssysteem binnendringen. Na inademing kunnen grove deeltjes (doorgaans gedefinieerd als deeltjes met een diameter > 2,5 μm) worden afgezet op de oppervlakken van de geleidende luchtwegen van de bovenste luchtwegen, terwijl kleinere deeltjes (< 2,5 μm doorsnede, PM2,5) kunnen migreren naar de diepste delen van de long waar de gasuitwisseling plaatsvindt (9). Ultrafijne deeltjes (< 100 nm), of nanodeeltjes, kunnen doordringen door het celweefsel dat de luchtwegen bekleedt en in de bloedcirculatie terechtkomen en naar extrapulmonale organen, maar ook via de olfactorische zenuw, in het centrale zenuwstelsel (10). In PNAS, Maher et al. (2) beroep doen op dit laatste mechanisme voor de overdracht van van luchtverontreiniging afkomstige magnetiet nanodeeltjes naar de hersenen van de bestudeerde individuen. Deze auteurs gebruiken de meestal bolvormige vormen van het magnetiet als een van de belangrijkste argumenten voor hun hypothese: bolvormen zijn typisch voor verbrandingsdeeltjes (bijv. In dieseluitlaatgassen) in tegenstelling tot van slijtage afkomstige deeltjes (bijv. Remslijtagedeeltjes). ), die typisch onregelmatig gevormd en hoekig zijn, of endogene deeltjes, die de neiging hebben euhedraal te zijn omdat ze in situ groeiden (bijv. in de hersenen) (7).De elektronenmicroscoopbeelden gepresenteerd door Maher et al. (2) documenteren dat twee soorten magnetiet, bolvormig en euhedraal, aanwezig zijn in de bestudeerde hersenen, wat suggereert dat ze afkomstig zijn van twee verschillende bronnen, een externe (van luchtvervuiling) en een interne (d.w.z. biogene). Deze conclusie wordt verder ondersteund door de aanwezigheid van andere overgangsmetaal nanodeeltjes, die veel voorkomen in PM uit vervuilde gebieden in de lucht.

Een van de vragen die opkomt bij de ontdekking van extern afgeleid magnetiet in hersenweefsel is of of niet het overvloedige extra magnetiet heeft een nadelige invloed op de menselijke gezondheid. Uit epidemiologische en toxicologische onderzoeken is bekend dat blootstelling aan PM2,5 verband houdt met een toename van sterfte en ziekenhuisopnames als gevolg van ademhalings- en cardiovasculaire aandoeningen (11). Er zijn steeds meer aanwijzingen dat grovere deeltjes ook schadelijke gevolgen voor de gezondheid kunnen hebben (12). De interacties zijn niet alleen afhankelijk van de grootte, maar worden ook beïnvloed door andere deeltjeskarakteristieken, waaronder structuur, chemische samenstelling, vorm, oppervlak en reactiviteit, sorptieve eigenschappen en oplosbaarheid. De nadelige gezondheidseffecten omvatten chronische bronchitis, verergering van astma, fibrose en longkanker (13). De mechanismen achter deze ziekten, evenals hun afhankelijkheid van deeltjeseigenschappen, zijn nog steeds slecht bekend. De meest waarschijnlijke mechanismen zijn de overmatige productie van vrije radicalen, wat kan leiden tot oxidatieve schade aan celmembranen, eiwitten en DNA, evenals tot het vrijkomen van chemische stoffen die ontstekingen veroorzaken en in stand houden (14, 15).

Met betrekking tot de effecten van magnetiet op de menselijke gezondheid zijn er gepubliceerde gegevens voor zowel de hersenen als het ademhalingssysteem. De aanwezigheid van magnetiet in de hersenen kan bijvoorbeeld verband houden met verschillende neurodegeneratieve ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer, en oxidatieve stress lijkt een sleutelrol te spelen bij de pathogenese (16, 17). In vitro experimenten met menselijke longcellen, die gedurende 24 uur werden blootgesteld aan fracties van verschillende afmetingen van magnetiet (inclusief nanodeeltjes) en doses, toonden aan dat de bestudeerde deeltjes, hoewel ze slechts in geringe mate cytotoxisch waren, leidden tot verhoogde ROS-vorming, mitochondriale schade en genotoxische effecten. (18). De resultaten lieten de conclusie toe dat ROS-vorming een belangrijke rol speelt bij de genotoxiciteit van magnetiet in longcellen. Aan de andere kant kunnen nanodeeltjes van magnetiet aanzienlijk minder toxisch zijn wanneer ze aan het oppervlak worden gemodificeerd (dwz gecoat) (19).

De aanwezigheid van magnetiet bij mensen heeft echter ook andere mogelijke implicaties, waaronder mogelijke biologische aandoeningen die verband houden met de zwakke magnetische velden die worden gegenereerd door mobiele telefoons, elektrische leidingen en apparaten, of hoge-veldverzadigingseffecten door blootstelling aan sterke magnetische velden tijdens MRI-procedures (7). Tegelijkertijd zijn nanodeeltjes van magnetiet van bijzonder belang in de biomedische wetenschappen, omdat ze kunnen worden gebruikt als dragers voor gerichte medicijnafgifte (20). Bovendien kunnen magnetietnanodeeltjes worden gebruikt voor op hyperthermie gebaseerde kankertherapie, waarbij de warmte die wordt geïnduceerd door de toepassing van een wisselend magnetisch veld necrose van kankercellen veroorzaakt, maar het omliggende normale weefsel niet beschadigt (21). Verschillende onderzoekers hebben verder voorgesteld dat endogeen magnetiet een sleutelrol zou kunnen spelen bij de perceptie, transductie en langdurige opslag van informatie in de menselijke hersenen en in andere organismen (22).

Het voorkomen van magnetiet in cellen weefsels vertegenwoordigt daarom een intrigerende tweedeling: enerzijds kan het mineraal een sleutelrol spelen bij magnetoreceptie en navigatie, en dus overleving, van verschillende soorten organismen, en anderzijds kan het schadelijke effecten op mensen hebben, vooral wanneer ze worden blootgesteld aan hoge PM-concentraties in vervuilde stedelijke omgevingen.