空气污染或增加罹患阿兹海默风险 | PNAS 论文推荐

本文转载自公众号X一MOL资讯（ID：X-molNews）

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提到磁铁（magnetite）或 Fe₃O₄我们都不陌生，小时候玩过吸铁石，中学做过细铁丝在氧气中燃烧的实验，然后还学过炼铁的化学原理。所以磁铁存在于矿山或钢铁相关企业中理所当然，但你会相信它也会出现在了人的大脑中吗？这又意味着什么呢？

近日，英国兰卡斯特大学的 Barbara A Maher 教授等人采用高分辨透射电子显微镜 HRTEM、电子能量损失谱 EELS 和能量色散 X 射线谱 EDX 等技术，分析了墨西哥城（29例，3-85岁，2名女性）和英国曼彻斯特（8例，62-92岁，5名女性，大部分患有AD）两地37份人大脑组织，发现其中存在磁铁纳米颗粒，而且含量高达到0.2-12 ppm。（论文信息见文末）

Maher教授。图片来源：University of Lancaster

已有研究表明，大脑中存在的纳米磁铁颗粒会引发细胞对外界磁场响应，此外纳米磁铁颗粒还与衰老、神经退行性疾病相关，特别是阿尔兹海默氏症（Alzheimer’s disease，AD）。AD 是以进行性认知功能障碍和记忆损害为特征的神经退行性疾病，俗称老年痴呆症。它的特征为大脑组织出现老年斑（senile plague），主要成分为 β 淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）、神经原纤维缠结（neurofibrillary tangle，NFT）和基底前脑胆碱能神经元（basal forebrain cholinergic neurons）丢失。

AD老年斑和β-淀粉样蛋白。图片来源：alz.org

β-淀粉样蛋白能响应氧化还原性的过渡态金属离子如 Fe²⁺离子，产生破坏性的活性氧 ROS 损伤大脑。在 AD 老年斑和和神经纤维缠结中均发现了纳米磁铁颗粒。体外实验还发现纳米磁铁颗粒增强 β-淀粉样蛋白的毒性。虽然20几年前科学家就发现大脑中含有纳米磁铁颗粒，但当时认为是一些生物信号的起源。Maher 的研究发现人类大脑中的磁铁颗粒来自外界，而不是自身的内源性物质。她将脑组织中的纳米磁铁提取出来进行表征，从形态分析来看，这些纳米磁铁颗粒的表面纹理、粒径、粒径分布，不像是由生物作用生成的，而与高温生成的铁磁性微球更类似。它们大部分呈圆形或球形，直径在10-150nm之间。

左：曼彻斯特的脑组织提取物 右：兰卡斯特街道空气中的纳米磁铁颗粒 图片来源：PNAS

现在问题来了，这些外源性纳米磁铁颗粒怎么进入大脑组织的呢？要知道血脑屏障通常很难跨越。研究发现，大脑中的纳米磁铁颗粒主要来源于无处不在的空气污染物细微颗粒（particulate matter，PM），其中大家经常提到的PM2.5指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 μm的颗粒物，也称细颗粒物、可入肺颗粒物。以作者所在的兰卡斯特为例，路边空气中含有约2.01 X 108/m3个50 nm 大小的磁铁颗粒。空气污染中的细颗粒物，尺寸分布更广从小于5 nm到大于1 μm，其中小于200 nm的纳米磁铁微粒可以突破受损的嗅觉单元沿着嗅神经直接进入大脑。这样也和 Maher 分析的人体大脑组织相符，在这37例样品中，虽然英国老年人的纳米磁铁颗粒含量普遍较高，但含量和跟年龄相关性不大，倒与生活环境密切相关，样品中含量最高的是墨西哥城一名32岁的男性，而墨西哥城的 PM2.5年均浓度大于25 μg/m3。现在还不清楚阿尔兹海默症的发病起因，仅有不到5%与遗传相关，这就意味着环境因素或基因/环境相互作用在诱发或促进阿尔兹海默症。Jung 等曾经发现在台湾地区PM2.5含量为4.34 μg/m³的环境中生活9年，AD的发病率增加138%。

生活中的纳米磁铁颗粒来源于工业生产和交通运输，特别是柴油发动机；室内污染来自于打印机、壁炉和烹饪中使用的炊具。

尽管如此，佛罗里达大学的 Jon Dobson 仍提醒大家，“磁铁或者其他含铁化合物现在还没有和阿尔兹海默症建立必然因果联系。”

1. http://www.pnas.org/content/early/2016/08/31/1605941113

2. http://cen.acs.org/articles/94/i36/Air-pollution-derived-magnetic-nanoparticles.html

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论文基本信息

题目 Magnetite pollution nanoparticles in the human brain

作者 Barbara A. Mahera,1, Imad A. M. Ahmedb, Vassil Karloukovskia, Donald A. MacLarenc, Penelope G. Fouldsd, David Allsopd, David M. A. Manne, Ricardo Torres-Jardónf, and Lilian Calderon-Garciduenasg,h

Author Affiliations

发表日期 July 25, 2016

doi: 10.1073/pnas.1605941113

摘要 We identify the abundant presence in the human brain of magnetite nanoparticles that match precisely the high-temperature magnetite nanospheres, formed by combustion and/or friction-derived heating, which are prolific in urban, airborne particulate matter (PM). Because many of the airborne magnetite pollution particles are <200 nm in diameter, they can enter the brain directly through the olfactory nerve and by crossing the damaged olfactory unit. This discovery is important because nanoscale magnetite can respond to external magnetic fields, and is toxic to the brain, being implicated in production of damaging reactive oxygen species (ROS). Because enhanced ROS production is causally linked to neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease, exposure to such airborne PM-derived magnetite nanoparticles might need to be examined as a possible hazard to human health.

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