Magnetit i människokroppen: Biogen vs antropogen

Magnetit är ett järnoxidmineral som förekommer naturligt på jorden. Eftersom det också är en viktig komponent i många antropogena material (t.ex. kolflugaska) och syntetiska produkter (t.ex. svarta tonerpulver) kan magnetit släppas ut i miljön genom mänskliga aktiviteter (1). I PNAS, Maher et al. (2) beskriv den rikliga närvaron i den mänskliga hjärnan av magnetit-nanopartiklar, varav några tillskrivs luftföroreningar. Detta resultat kan ha stora konsekvenser.

Magnetit tillhör spinelgruppen. Den kristalliserar i det kubiska kristallsystemet (fig. 1) och kan beskrivas med den allmänna formeln Fe2 + Fe3 + 2O4 (3). Magnetit är en vanlig naturlig fas, som förekommer i olika geologiska miljöer, allt från vulkaniska (t.ex. skiktade ultrabasiska bergarter, basalter) till sedimentära (t.ex. bandade järnformationer, strandsand) stenar och till högkvalitativa metamorfa bergarter (t.ex. , skarns), där det kan produceras genom en mängd kemiska reaktioner. På grund av dess tendens att reagera med syre för att bilda hematit (Fe2O3) och olika järnoxihydroxider (t.ex. ferrihydrit, goetit) kan magnetit användas som ett kraftfullt verktyg för att utforska syrekoncentrationer i bergarter under geologiska processer, förändringar i syrehalten i atmosfären (t.ex. tidig jord) och redoxförhållanden i omgivningar nära ytan (t.ex. oxisk-anoxisk övergångszon). Eftersom magnetit är ferrimagnetisk representerar den en fas som är nödvändig för paleomagnetiska undersökningar, som hjälper till att rekonstruera plåtektonik genom jordens historia.

Biogen, kemiskt rena magnetitkristaller förekommer i kropparna hos ett brett spektrum av organismer inom kungariket Monera, Protista och Animalia (t.ex. magnetotaktiska mikrober, insekter, blötdjur, fiskar, fåglar, däggdjur) (4). I dessa organismer utgör magnetit grunden för en typ av biofysisk mekanism för magnetfältdetektering, vilket underlättar orientering och navigering (5, 6). I den mänskliga hjärnan tros magnetit också fälla ut biologiskt som en del av järnmetabolismen (7), men nu, i PNAS, Maher et al. (2) föreslår att den kan komma från en extern källa.

Luftföroreningar omfattar inte bara gaser (t.ex. kväveoxider, ozon, svaveldioxid) utan även fasta partiklar, som sträcker sig i storlek från några nanometer. till flera mikrometer. Dessa partiklar, kända som partikelformiga ämnen (PM), genereras genom både naturliga processer och mänsklig aktivitet och avges direkt till eller bildas i atmosfären. Som ett resultat av atmosfärisk cirkulation kan de luftburna partiklarna i en given miljö härröra från både lokala och avlägsna källor, såsom torra sjöar, öknar, bränder, rökstaplar, trafik eller gruvdrift. Magnetit är en riklig beståndsdel av atmosfärisk PM-förorening, särskilt i stadsmiljön (8), där den har identifierats i dieselavgaser, som partiklar för bromsnötning, i luften på tunnelbanestationer, längs järnvägslinjer, vid svetsarbetsplatser och i utsläppen från industriella förbränningsprocesser.

Förutom att ha stora atmosfäriska, miljömässiga och ekologiska effekter (8), kan luftburna PM ha negativa hälsoeffekter, både akuta och kroniska, för med varje andetag, miljoner av fasta partiklar, inklusive magnetit, kan komma in i vårt andningsorgan. Efter inandning kan grova partiklar (allmänt definierade som partiklar med en diameter > 2,5 μm) avsättas på ytorna på de ledande luftvägarna i det övre andningsorganet, medan mindre partiklar (< 2,5 μm över, PM2,5) kan migrera till de djupaste delarna av lungan där gasutbytet sker (9). Ultrafina partiklar (< 100 nm), eller nanopartiklar, kan tränga igenom cellvävnaden som leder luftvägarna och translokeras till blodcirkulationen och till extrapulmonala organ, men också via luktlukan nerv, in i centrala nervsystemet (10). I PNAS, Maher et al. (2) åberopa denna senare mekanism för överföring av magnetit-nanopartiklar som härrör från luftföroreningar till hjärnorna hos de studerade individerna. Dessa författare använder magnetitens mest sfäriska former som ett av huvudargumenten för deras hypotes: Sfäriska former är typiska för förbränningsberoende partiklar (t.ex. i dieselavgaser) i motsats till nötningsberoende partiklar (t.ex. ), som vanligtvis är oregelbundet formade och vinklade, eller till endogena partiklar, som tenderar att bli euhedrala eftersom de växte in situ (t.ex. i hjärnan) (7).Elektronmikroskopbilderna presenterade av Maher et al. (2) dokumentera att två typer av magnetit, sfärisk och euhedral, finns i de studerade hjärnorna, vilket tyder på att de härstammar från två olika källor, en extern (från luftförorening) och en intern (dvs. biogen). Denna slutsats stöds ytterligare av närvaron av andra nanopartiklar av övergångsmetaller, som är vanliga i luftburna PM från förorenade områden.

En av frågorna som uppstår från upptäckten av externt härledd magnetit i hjärnvävnad är om eller inte påverkar den överflödiga ytterligare magnetiten människors hälsa negativt. Det är välkänt från epidemiologiska och toxikologiska studier att exponering för PM2.5 är kopplad till ökad dödlighet och sjukhusinläggningar på grund av andnings- och kardiovaskulära sjukdomar (11). Det finns ökande bevis för att grovare partiklar också kan ge skadliga hälsoeffekter (12). Förutom att vara beroende av storlek påverkas emellertid interaktionerna av andra partikelegenskaper, inklusive struktur, kemisk sammansättning, form, ytarea och reaktivitet, sorptiva egenskaper och löslighet. De negativa hälsoeffekterna inkluderar kronisk bronkit, förvärring av astma, fibros och lungcancer (13). Mekanismerna bakom dessa sjukdomar, liksom deras beroende av partikelegenskaper, är fortfarande dåligt kända. De mest troliga mekanismerna involverar överdriven produktion av fria radikaler, vilket kan leda till oxidativ skada på cellmembran, proteiner och DNA, samt till frisättning av kemiska ämnen som utlöser och upprätthåller inflammation (14, 15).

När det gäller de mänskliga hälsoeffekterna av magnetit finns publicerade data för både hjärnan och andningsorganen. Till exempel kan närvaron i hjärnan av magnetit vara kopplad till flera neurodegenerativa sjukdomar, inklusive Alzheimers sjukdom, och oxidativ stress verkar spela en nyckelroll i patogenesen (16, 17). In vitro-experiment med humana lungceller, som exponerades under 24 timmar för olika magnetitstorleksfraktioner (inklusive nanopartiklar) och doser, avslöjade att de studerade partiklarna, även om de bara var något cytotoxiska, ledde till ökad ROS-bildning, mitokondriell skada och gentoxiska effekter (18). Resultaten möjliggjorde slutsatsen att ROS-bildning spelar en viktig roll i magnetitens genotoxicitet i lungceller. Å andra sidan kan magnetitnanopartiklar vara betydligt mindre giftiga när de är ytmodifierade (dvs. belagda) (19).

Närvaron av magnetit hos människor har dock också andra potentiella konsekvenser, inklusive möjlig biologisk störningar kopplade till svaga magnetfält som genereras av mobiltelefoner, elektriska ledningar och apparater, eller högfältsmättnadseffekter från exponering för starka magnetfält under MR-procedurer (7). Samtidigt är nanopartiklar av magnetit av särskilt intresse för biomedicinsk vetenskap, eftersom de kan användas som bärare för riktad läkemedelsleverans (20). Dessutom kan magnetitnanopartiklar utnyttjas för hypertermi-baserad cancerterapi, där värmen som induceras genom applicering av ett alternerande magnetfält orsakar nekros av cancerceller men inte skadar den omgivande normala vävnaden (21). Olika forskare har vidare föreslagit att endogen magnetit kan spela en nyckelroll i perception, transduktion och långvarig lagring av information i människans hjärna och i andra organismer (22).

Förekomsten av magnetit i celler vävnader representerar därför en spännande dikotomi: Å ena sidan kan mineralet spela en nyckelroll i magnetoreception och navigering, och därmed överlevnad, av olika typer av organismer, och å andra sidan kan det ge skadliga effekter hos människor, särskilt när de utsätts för höga PM-koncentrationer i förorenade stadsmiljöer.