Magnetyt w ludzkim ciele: biogenny a antropogeniczny

Magnetyt to minerał tlenku żelaza, który naturalnie występuje na Ziemi. Ponieważ jest również ważnym składnikiem wielu materiałów antropogenicznych (np. Popioły lotne z węgla) i produktów syntetycznych (np. Proszki czarnego tonera), magnetyt może być uwalniany do środowiska w wyniku działalności człowieka (1). W PNAS Maher i wsp. (2) opisują obfitą obecność w ludzkim mózgu nanocząstek magnetytu, z których część przypisuje się zanieczyszczeniu powietrza. To odkrycie może mieć poważne konsekwencje.

Magnetyt należy do grupy spineli. Krystalizuje w sześciennym układzie kryształów (rys. 1) i można go opisać ogólnym wzorem Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). Magnetyt jest powszechną fazą naturalną, występującą w różnych środowiskach geologicznych, od magmowych (np. Warstwowe skały ultrazasadowe, bazalty) do skał osadowych (np. Pasmowe formacje żelaza, piaski plażowe) i do wysokiej jakości skał metamorficznych (np. Łupki) , skarny), gdzie może powstać w wyniku wielu reakcji chemicznych. Ze względu na tendencję do reagowania z tlenem z wytworzeniem hematytu (Fe2O3) i różnych tlenowodorotlenków żelaza (np. Ferrihydryt, getyt), magnetyt może być używany jako potężne narzędzie do badania stężenia tlenu w skałach podczas procesów geologicznych, zmian zawartości tlenu w atmosfera (np. wczesna Ziemia) i warunki redoks w środowiskach przypowierzchniowych (np. strefa przejściowa tlenowo-anoksyczna). Ponieważ magnetyt jest ferrimagnetyczny, reprezentuje fazę, która jest niezbędna do badań paleomagnetycznych, które pomagają w rekonstrukcji tektoniki płyt w historii Ziemi.

Biogenny, chemicznie czyste kryształy magnetytu występują w ciałach wielu różnych organizmów w królestwach Monera, Protista i Animalia (np. mikroby magnetotaktyczne, owady, mięczaki, ryby, ptaki, ssaki) (4). W organizmach tych magnetyt stanowi podstawę jednego rodzaju biofizycznego mechanizmu wykrywania pola magnetycznego, ułatwiającego orientację i nawigację (5, 6). Uważa się, że w ludzkim mózgu magnetyt wytrąca się biologicznie jako część metabolizmu żelaza (7), ale teraz w PNAS, Maher i in. (2) sugerują, że może pochodzić ze źródła zewnętrznego.

Zanieczyszczenie powietrza obejmuje nie tylko gazy (np. Tlenki azotu, ozon, dwutlenek siarki), ale także cząstki stałe, których wielkość waha się od kilku nanometrów do kilku mikrometrów. Cząsteczki te, znane jako cząstki stałe (PM), są wytwarzane zarówno w wyniku naturalnych procesów, jak i działalności człowieka i są emitowane bezpośrednio do atmosfery lub formowane w niej. W wyniku cyrkulacji atmosferycznej cząstki unoszące się w powietrzu w danym środowisku mogą pochodzić zarówno ze źródeł lokalnych, jak i odległych, takich jak suche jeziora, pustynie, pożary, kominy, ruch uliczny lub operacje górnicze. Magnetyt jest częstym składnikiem atmosferycznego zanieczyszczenia PM, zwłaszcza w środowisku miejskim (8), gdzie został zidentyfikowany w spalinach z silników Diesla jako cząstki ścierające hamulce w powietrzu na stacjach metra, wzdłuż linii kolejowych, na stanowiskach spawalniczych oraz w emisjach z przemysłowych procesów spalania.

Oprócz poważnego wpływu na atmosferę, środowisko i środowisko (8), PM zawieszone w powietrzu mogą mieć niekorzystne skutki zdrowotne, zarówno ostre, jak i przewlekłe, ponieważ z każdym oddechem miliony cząstek stałych, w tym magnetytu, może dostać się do naszego układu oddechowego. Po wdychaniu gruboziarniste cząstki (ogólnie definiowane jako cząstki o średnicy > 2,5 μm) mogą osadzać się na powierzchniach przewodzących dróg oddechowych górnych dróg oddechowych, natomiast mniejsze cząstki (< 2,5 μm średnicy, PM2,5) może migrować do najgłębszych części płuc, gdzie zachodzi wymiana gazowa (9). Ultradrobne cząsteczki (< 100 nm) lub nanocząsteczki mogą przenikać przez tkankę komórkową wyściełającą drogi oddechowe i przemieszczać się do krwiobiegu i narządów pozapłucnych, ale także nerw do ośrodkowego układu nerwowego (10). W PNAS Maher i wsp. (2) odwołują się do tego ostatniego mechanizmu przenoszenia nanocząstek magnetytu pochodzących z zanieczyszczeń powietrza do mózgów badanych osób. Autorzy ci używają przeważnie kulistych kształtów magnetytu jako jednego z głównych argumentów dla swojej hipotezy: Sferyczne kształty są typowe dla cząstek pochodzących ze spalania (np. W spalinach silnika wysokoprężnego) w przeciwieństwie do cząstek pochodzących ze ścierania (np. ), które mają zwykle nieregularne kształty i są kanciaste, lub endogenne cząstki, które mają tendencję do euedrycznej, ponieważ rosły in situ (np. w mózgu) (7).Obrazy z mikroskopu elektronowego przedstawione przez Mahera i wsp. (2) udokumentowano, że w badanych mózgach występują dwa typy magnetytu, kulisty i euedryczny, co sugeruje, że pochodzą one z dwóch różnych źródeł, jednego zewnętrznego (z zanieczyszczenia powietrza) i jednego wewnętrznego (tj. Biogennego). Ten wniosek jest dodatkowo poparty obecnością innych nanocząsteczek metali przejściowych, które są powszechne w zawieszonych w powietrzu cząsteczkach stałych z zanieczyszczonych obszarów.

Jednym z pytań, które nasuwa się po odkryciu magnetytu pochodzenia zewnętrznego w tkance mózgowej, jest to, czy lub nie, obfity dodatkowy magnetyt ma negatywny wpływ na zdrowie ludzi. Z badań epidemiologicznych i toksykologicznych dobrze wiadomo, że narażenie na PM2,5 wiąże się ze wzrostem śmiertelności i hospitalizacji z powodu chorób układu oddechowego i sercowo-naczyniowego (11). Istnieje coraz więcej dowodów na to, że grubsze cząstki mogą również mieć szkodliwy wpływ na zdrowie (12). Jednak oprócz tego, że są zależne od rozmiaru, na interakcje wpływają jednak inne właściwości cząstek, w tym struktura, skład chemiczny, kształt, pole powierzchni i reaktywność, właściwości sorpcyjne i rozpuszczalność. Negatywne skutki zdrowotne obejmują przewlekłe zapalenie oskrzeli, zaostrzenie astmy, zwłóknienie i raka płuc (13). Mechanizmy stojące za tymi chorobami, a także ich zależność od właściwości cząstek, są nadal słabo poznane. Najbardziej prawdopodobne mechanizmy obejmują nadmierną produkcję wolnych rodników, która może prowadzić do oksydacyjnego uszkodzenia błon komórkowych, białek i DNA, a także do uwalniania substancji chemicznych, które wyzwalają i utrwalają stan zapalny (14, 15).

W odniesieniu do wpływu magnetytu na zdrowie ludzi istnieją opublikowane dane dotyczące mózgu i układu oddechowego. Na przykład obecność magnetytu w mózgu może być związana z kilkoma chorobami neurodegeneracyjnymi, w tym chorobą Alzheimera, a stres oksydacyjny wydaje się odgrywać kluczową rolę w patogenezie (16, 17). Eksperymenty in vitro z ludzkimi komórkami płuc, które przez 24 godziny były narażone na działanie różnych frakcji magnetytu (w tym nanocząstek) i różnych dawkach, wykazały, że badane cząstki, choć są tylko nieznacznie cytotoksyczne, prowadzą do zwiększonego tworzenia RFT, uszkodzeń mitochondriów i efektów genotoksycznych (18). Uzyskane wyniki pozwoliły stwierdzić, że powstawanie RFT odgrywa ważną rolę w genotoksyczności magnetytu w komórkach płuc. Z drugiej strony, nanocząstki magnetytu mogą być znacznie mniej toksyczne, gdy są modyfikowane powierzchniowo (tj. Powlekane) (19).

Obecność magnetytu u ludzi ma jednak również inne potencjalne konsekwencje, w tym możliwe biologiczne zaburzenia związane ze słabymi polami magnetycznymi wytwarzanymi przez telefony komórkowe, linie elektroenergetyczne i urządzenia lub skutki nasycenia wysokiego pola wynikające z ekspozycji na silne pola magnetyczne podczas zabiegów MRI (7). Jednocześnie nanocząsteczki magnetytu są przedmiotem szczególnego zainteresowania nauk biomedycznych, ponieważ mogą być wykorzystywane jako nośniki do ukierunkowanego dostarczania leków (20). Ponadto nanocząsteczki magnetytu można wykorzystać do hipertermii w terapii raka, gdzie ciepło wywołane przez zastosowanie zmiennego pola magnetycznego powoduje martwicę komórek nowotworowych, ale nie uszkadza otaczającej normalnej tkanki (21). Różni badacze następnie sugerowali, że endogenny magnetyt może odgrywać kluczową rolę w percepcji, transdukcji i długotrwałym przechowywaniu informacji w ludzkim mózgu i innych organizmach (22).

Występowanie magnetytu w komórce tkanki reprezentują zatem intrygującą dychotomię: z jednej strony minerał może odgrywać kluczową rolę w magnetorecepcji i nawigacji, a tym samym w przetrwaniu różnych typów organizmów, az drugiej strony może wywierać szkodliwy wpływ na ludzi, zwłaszcza gdy są narażone na wysokie stężenia cząstek stałych w zanieczyszczonych środowiskach miejskich.