Magnetitul în corpul uman: Biogen vs. antropogen

Magnetitul este un mineral oxid de fier care apare în mod natural pe Pământ. Deoarece este, de asemenea, o componentă importantă a multor materiale antropogene (de exemplu, cenușă zburătoare de cărbune) și produse sintetice (de exemplu, pulberi de toner negru), magnetitul poate fi eliberat în mediu prin activități umane (1). În PNAS, Maher și colab. (2) descrie prezența abundentă în creierul uman a nanoparticulelor de magnetit, dintre care unele le atribuie poluării aerului. Această constatare ar putea avea implicații majore.

Magnetita aparține grupului spinel. Acesta cristalizează în sistemul de cristale cubice (Fig. 1) și poate fi descris prin formula generală Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). Magnetitul este o fază naturală obișnuită, care apare în diferite medii geologice, variind de la roci ignee (de exemplu, roci ultrabazice stratificate, bazalturi) până la roci sedimentare (de exemplu, formațiuni de fier bandate, nisipuri de plajă) și până la roci metamorfice de înaltă calitate (de exemplu, șisturi , skarns), unde poate fi produs printr-o multitudine de reacții chimice. Datorită tendinței sale de a reacționa cu oxigenul pentru a forma hematit (Fe2O3) și diferiți oxizi hidroxizi de fier (de exemplu, ferrihidrit, goethit), magnetitul poate fi folosit ca un instrument puternic pentru explorarea concentrațiilor de oxigen din roci în timpul proceselor geologice, modificări ale conținutului de oxigen al atmosfera (de exemplu, Pământul timpuriu) și condițiile redox în medii aproape de suprafață (de exemplu, zona de tranziție oxic-anoxică). Deoarece magnetitul este ferimagnetic, acesta reprezintă o fază esențială pentru investigațiile paleomagnetice, care ajută la reconstrucția tectonicii plăcilor prin istoria Pământului.

Biogen, cristalele de magnetit chimic pure apar în corpurile unei game largi de organisme din regatele Monera, Protista și Animalia (de exemplu, microbi magnetotactici, insecte, moluște, pești, păsări, mamifere) (4). În aceste organisme, magnetitul constituie baza pentru un tip de mecanism biofizic de detectare a câmpului magnetic, care facilitează orientarea și navigația (5, 6). În creierul uman, se crede că magnetitul precipită biologic ca parte a metabolismului fierului (7), dar acum, în PNAS, Maher și colab. (2) sugerează că poate proveni dintr-o sursă externă.

Poluarea aerului cuprinde nu numai gaze (de exemplu, oxizi de azot, ozon, dioxid de sulf), ci și particule solide, care au dimensiuni de la câțiva nanometri la mai mulți micrometri. Aceste particule, cunoscute sub numele de particule (PM), sunt generate atât prin procese naturale, cât și prin activitatea umană și sunt emise direct în atmosferă sau formate în interiorul acesteia. Ca rezultat al circulației atmosferice, particulele aeriene dintr-un mediu dat pot fi derivate atât din surse locale, cât și din surse îndepărtate, precum lacuri uscate, deșerturi, incendii, stive de fum, trafic sau operațiuni miniere. Magnetitul este un component abundent al poluării atmosferice cu PM, în special în mediul urban (8), unde a fost identificat în gazele de eșapament, ca particule de frânare-abraziune, în aerul stațiilor subterane, de-a lungul liniilor ferate, la locurile de muncă de sudură și în emisiile provenite din procesele de ardere industrială.

Pe lângă impactul atmosferic, ecologic și ecologic major (8), PM în aer poate avea efecte negative asupra sănătății, atât acute, cât și cronice, deoarece la fiecare respirație, milioane de particule solide, inclusiv magnetită, pot pătrunde în sistemul nostru respirator. Odată inhalate, particulele grosiere (definite în general ca particule cu un diametru > 2,5 μm) pot fi depuse pe suprafețele căilor respiratorii conductoare ale sistemului respirator superior, în timp ce particulele mai mici (< 2,5 μm lățime, PM2,5) poate migra către cele mai adânci părți ale plămânului unde are loc schimbul de gaze (9). Particulele ultrafine (< 100 nm), sau nanoparticule, pot pătrunde prin țesutul celular care acoperă căile respiratorii și se translocează în circulația sângelui și în organele extrapulmonare, dar și prin intermediul olfactivului nervos, în sistemul nervos central (10). În PNAS, Maher și colab. (2) invocă acest ultim mecanism pentru transferul nanoparticulelor magnetite derivate din poluarea aerului în creierul indivizilor studiați. Acești autori folosesc formele în cea mai mare parte sferice ale magnetitei ca unul dintre principalele argumente pentru ipoteza lor: Formele sferice sunt tipice particulelor derivate din combustie (de exemplu, în gazele de eșapament), spre deosebire de particulele derivate din abraziune (de exemplu, particulele de uzură a frânelor) ), care sunt de obicei de formă neregulată și unghiulară, sau cu particule endogene, care tind să fie euedrice deoarece au crescut in situ (de exemplu, în creier) (7).Imaginile microscopului electronic prezentate de Maher și colab. (2) documentează că două tipuri de magnetită, sferică și euedrică, sunt prezente în creierele studiate, sugerând că acestea au fost derivate din două surse diferite, una externă (din poluarea aerului) și una internă (adică biogenă). Această concluzie este susținută și de prezența altor nanoparticule de metal de tranziție, care sunt frecvente în PM în aer din zone poluate.

Una dintre întrebările care se ridică din descoperirea magnetitului derivat extern în țesutul cerebral este dacă sau nu, magnetita suplimentară abundentă afectează negativ sănătatea umană. Din studii epidemiologice și toxicologice se știe că expunerea la PM2.5 este legată de creșterea mortalității și a internărilor în spital din cauza bolilor respiratorii și cardiovasculare (11). Există dovezi din ce în ce mai mari că particulele mai aspre pot produce, de asemenea, efecte dăunătoare asupra sănătății (12). Pe lângă faptul că sunt dependente de mărime, cu toate acestea, interacțiunile sunt influențate de alte caracteristici ale particulelor, inclusiv structura, compoziția chimică, forma, suprafața și reactivitatea, proprietățile de absorbție și solubilitatea. Efectele adverse asupra sănătății includ bronșita cronică, exacerbarea astmului, fibroza și cancerul pulmonar (13). Mecanismele din spatele acestor boli, precum și dependența lor de proprietățile particulelor, sunt încă puțin cunoscute. Cele mai probabile mecanisme implică producerea excesivă de radicali liberi, care poate duce la deteriorarea oxidativă a membranelor celulare, a proteinelor și a ADN-ului, precum și la eliberarea de substanțe chimice care declanșează și perpetuează inflamația (14, 15).

În ceea ce privește efectele magnetitei asupra sănătății umane, există date publicate atât pentru creier, cât și pentru sistemul respirator. De exemplu, prezența magnetitei în creier poate fi legată de mai multe boli neurodegenerative, inclusiv boala Alzheimer, iar stresul oxidativ pare să joace un rol cheie în patogenie (16, 17). Experimentele in vitro cu celule pulmonare umane, care au fost expuse timp de 24 de ore la diferite fracțiuni de mărime a magnetitei (inclusiv nanoparticule) și la doze, au arătat că particulele studiate, deși fiind doar ușor citotoxice, au dus la creșterea formării ROS, leziuni mitocondriale și efecte genotoxice (18). Rezultatele au permis concluzia că formarea ROS joacă un rol important în genotoxicitatea magnetitului din celulele pulmonare. Pe de altă parte, nanoparticulele de magnetit ar putea fi considerabil mai puțin toxice atunci când sunt modificate la suprafață (adică acoperite) (19).

Prezența magnetitei la om are însă și alte implicații potențiale, inclusiv posibile tulburări legate de câmpurile magnetice slabe generate de telefoanele celulare, liniile electrice și aparatele sau efectele de saturație în câmp ridicat de la expunerea la câmpuri magnetice puternice în timpul procedurilor RMN (7). În același timp, nanoparticulele de magnetit prezintă un interes special în științele biomedicale, deoarece pot fi utilizate ca purtători pentru eliberarea țintită a medicamentelor (20). Mai mult, nanoparticulele magnetite pot fi exploatate pentru terapia cancerului pe bază de hipertermie, unde căldura indusă prin aplicarea unui câmp magnetic alternativ provoacă necroză a celulelor canceroase, dar nu afectează țesutul normal din jur (21). Mai mulți cercetători au propus în continuare că magnetitul endogen ar putea juca un rol cheie în percepția, transducția și stocarea pe termen lung a informațiilor în creierul uman și în alte organisme (22).

Apariția magnetitului în celule Prin urmare, țesuturile reprezintă o dihotomie interesantă: pe de o parte, mineralul poate juca un rol cheie în magnetorecepție și navigație și, prin urmare, în supraviețuirea diferitelor tipuri de organisme și, pe de altă parte, poate conferi efecte dăunătoare la oameni, mai ales atunci când sunt expuși la concentrații mari de PM în medii urbane poluate.