Magnetita no corpo humano: biogênica vs. antropogênica

A magnetita é um mineral de óxido de ferro que ocorre naturalmente na Terra. Porque também é um componente importante de muitos materiais antropogênicos (por exemplo, cinzas volantes de carvão) e produtos sintéticos (por exemplo, pó de toner preto), a magnetita pode ser liberada para o meio ambiente por meio de atividades humanas (1). Em PNAS, Maher et al. (2) descreve a presença abundante no cérebro humano de nanopartículas de magnetita, algumas das quais atribuem à poluição do ar. Este achado pode ter implicações importantes.

A magnetita pertence ao grupo espinélio. Ele se cristaliza no sistema de cristal cúbico (Fig. 1) e pode ser descrito pela fórmula geral Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). A magnetita é uma fase natural comum, ocorrendo em vários ambientes geológicos, variando de rochas ígneas (por exemplo, rochas ultrabásicas em camadas, basaltos) a sedimentares (por exemplo, formações ferríferas em faixas, areias de praia) e rochas metamórficas de alto grau (por exemplo, xistos , skarns), onde pode ser produzido por meio de uma infinidade de reações químicas. Devido à sua tendência de reagir com o oxigênio para formar hematita (Fe2O3) e vários oxihidróxidos de ferro (por exemplo, ferridrita, goethita), a magnetita pode ser usada como uma ferramenta poderosa para explorar as concentrações de oxigênio em rochas durante processos geológicos, mudanças no conteúdo de oxigênio a atmosfera (por exemplo, a Terra primitiva) e as condições redox em ambientes próximos à superfície (por exemplo, zona de transição óxico-anóxica). Como a magnetita é ferrimagnética, ela representa uma fase essencial para investigações paleomagnéticas, que ajudam na reconstrução das placas tectônicas ao longo da história da Terra.

Biogênica, cristais de magnetita quimicamente puros ocorrem nos corpos de uma ampla gama de organismos dentro dos reinos de Monera, Protista e Animalia (por exemplo, micróbios magnetotáticos, insetos, moluscos, peixes, pássaros, mamíferos) (4). Nesses organismos, a magnetita forma a base de um tipo de mecanismo biofísico de detecção de campo magnético, que facilita a orientação e a navegação (5, 6). No cérebro humano, acredita-se que a magnetita também precipita biologicamente como parte do metabolismo do ferro (7), mas agora, em PNAS, Maher et al. (2) sugerem que pode se originar de uma fonte externa.

A poluição do ar compreende não apenas gases (por exemplo, óxidos de nitrogênio, ozônio, dióxido de enxofre), mas também partículas sólidas, que variam em tamanho de alguns nanômetros a vários micrômetros. Essas partículas, conhecidas como partículas (PM), são geradas por meio de processos naturais e da atividade humana, e são emitidas diretamente ou formadas na atmosfera. Como resultado da circulação atmosférica, as partículas transportadas pelo ar em um determinado ambiente podem ser derivadas de fontes locais e distantes, como lagos secos, desertos, incêndios, chaminés, tráfego ou operações de mineração. A magnetita é um constituinte abundante da poluição atmosférica por PM, especialmente no ambiente urbano (8), onde foi identificada na exaustão de diesel, como partículas abrasivas de freio, no ar de estações subterrâneas, ao longo de linhas ferroviárias, em locais de trabalho de soldagem nas emissões de processos de combustão industrial.

Além de ter grandes impactos atmosféricos, ambientais e ecológicos (8), o PM aerado pode ter efeitos adversos à saúde, tanto agudos quanto crônicos, porque a cada respiração, milhões de partículas sólidas, incluindo magnetita, podem entrar em nosso sistema respiratório. Uma vez inaladas, as partículas grossas (geralmente definidas como partículas com um diâmetro > 2,5 μm) podem ser depositadas nas superfícies das vias aéreas condutoras do sistema respiratório superior, enquanto as partículas menores (< 2,5 μm de diâmetro, PM2,5) pode migrar para as partes mais profundas do pulmão onde ocorre a troca gasosa (9). Partículas ultrafinas (< 100 nm), ou nanopartículas, podem penetrar através do tecido celular que reveste o trato respiratório e translocar para a circulação sanguínea e para os órgãos extrapulmonares, mas também, através do olfatório nervo, no sistema nervoso central (10). Em PNAS, Maher et al. (2) invocar este último mecanismo para a transferência de nanopartículas de magnetita derivadas da poluição do ar para os cérebros dos indivíduos estudados. Esses autores usam as formas principalmente esféricas da magnetita como um dos principais argumentos para sua hipótese: formas esféricas são típicas de partículas derivadas da combustão (por exemplo, no escapamento de diesel) em contraste com as partículas derivadas da abrasão (por exemplo, partículas de desgaste do freio ), que são tipicamente de formato irregular e angular, ou a partículas endógenas, que tendem a ser euédricas porque cresceram in situ (por exemplo, dentro do cérebro) (7).As imagens do microscópio eletrônico apresentadas por Maher et al. (2) documentar que dois tipos de magnetita, esférica e euédrica, estão presentes nos cérebros estudados, sugerindo que eles foram derivados de duas fontes diferentes, uma externa (da poluição do ar) e uma interna (ou seja, biogênica). Esta conclusão é ainda apoiada pela presença de outras nanopartículas de metal de transição, que são comuns em PM transportado pelo ar de áreas poluídas.

Uma das questões que surge da descoberta de magnetita derivada externamente no tecido cerebral é se ou não a magnetita adicional abundante afeta adversamente a saúde humana. É bem conhecido por estudos epidemiológicos e toxicológicos que a exposição ao PM2,5 está associada a aumentos na mortalidade e internações hospitalares por doenças respiratórias e cardiovasculares (11). Há evidências crescentes de que partículas mais grossas também podem produzir efeitos deletérios à saúde (12). Além de serem dependentes do tamanho, no entanto, as interações são influenciadas por outras características das partículas, incluindo estrutura, composição química, forma, área de superfície e reatividade, propriedades de sorção e solubilidade. Os efeitos adversos à saúde incluem bronquite crônica, exacerbação da asma, fibrose e câncer de pulmão (13). Os mecanismos por trás dessas doenças, bem como sua dependência das propriedades das partículas, ainda são pouco conhecidos. Os mecanismos mais prováveis envolvem a produção excessiva de radicais livres, que podem levar a danos oxidativos às membranas celulares, proteínas e DNA, bem como à liberação de substâncias químicas que desencadeiam e perpetuam a inflamação (14, 15).

No que diz respeito aos efeitos da magnetita na saúde humana, existem dados publicados para o cérebro e o sistema respiratório. Por exemplo, a presença de magnetita no cérebro pode estar ligada a várias doenças neurodegenerativas, incluindo a doença de Alzheimer, e o estresse oxidativo parece desempenhar um papel fundamental na patogênese (16, 17). Experimentos in vitro com células de pulmão humano, que foram expostas por 24 horas a diferentes frações de tamanho de magnetita (incluindo nanopartículas) e doses, revelaram que as partículas estudadas, embora fossem apenas ligeiramente citotóxicas, levaram à formação aumentada de ROS, dano mitocondrial e efeitos genotóxicos (18). Os resultados permitiram concluir que a formação de ROS desempenha um papel importante na genotoxicidade da magnetita em células pulmonares. Por outro lado, as nanopartículas de magnetita podem ser consideravelmente menos tóxicas quando modificadas de superfície (ou seja, revestidas) (19).

A presença de magnetita em humanos, no entanto, também tem outras implicações potenciais, incluindo possíveis biológicas distúrbios ligados a campos magnéticos fracos gerados por telefones celulares, linhas de energia elétrica e aparelhos, ou efeitos de saturação de alto campo da exposição a campos magnéticos fortes durante procedimentos de ressonância magnética (7). Ao mesmo tempo, as nanopartículas de magnetita são de especial interesse nas ciências biomédicas, pois podem ser utilizadas como carreadores para a liberação direcionada de fármacos (20). Além disso, nanopartículas de magnetita podem ser exploradas para terapia de câncer baseada em hipertermia, onde o calor induzido pela aplicação de um campo magnético alternado causa necrose das células cancerosas, mas não danifica o tecido normal circundante (21). Vários pesquisadores propuseram ainda que a magnetita endógena pode desempenhar um papel fundamental na percepção, transdução e armazenamento de longo prazo de informações no cérebro humano e em outros organismos (22).

A ocorrência de magnetita na célula tecidos, portanto, representam uma dicotomia intrigante: por um lado, o mineral pode desempenhar um papel fundamental na magneto-recepção e navegação e, portanto, na sobrevivência de vários tipos de organismos e, por outro lado, pode causar efeitos deletérios em humanos, especialmente quando eles estão expostos a altas concentrações de PM em ambientes urbanos poluídos.