磁铁的用途及作用图片

　　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，所以磁铁存在于矿山或钢铁相关企业中理所当然。铁也广泛分布于人体中，也是人体生命能量转化的关键酶---血红素酶复合体中起电子传递作用的金属元素。但绝大部分体内的铁以血红素形式，存在于血红蛋白、肌红蛋白、血红素酶类、辅助因子等。

　　铁在大脑中主要以铁蛋白存在于大脑白质，基底核中含量最高，包括苍白球、尾状核、豆状核和黑质，但如果一些单质的游离态纳米磁性铁颗粒出现在了人的大脑中，你会相信吗？这会给人体的健康带来什么影响呢？

　　一直以来，神经学家认为它们——这些微小的磁性铁颗粒卷入了一些神经系统疾病的致病机理中。就在不久前，科学家们找到了确切的证据，证明这种极具活性的磁铁颗粒像幽灵般存在于病患的脑中。

　　磁铁颗粒与老年痴呆

　　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

　　其实之前已有研究显示，在阿尔茨海默症患者的脑中，磁铁颗粒的含量是比正常人高很多的，因此科学家怀疑阿兹海默的致病机理与磁铁颗粒有关。那么这些磁铁颗粒从哪里来的呢？我们怀疑它们也许存在于被污染的空气中，然后经呼吸道吸入到人体中来。

　　在被污染的城市空气中，富含由磁铁颗粒构成的微小的球状的微粒——也被称为磁性纳米微球。它们产生于高温的条件下，然后当其中富含铁元素的液滴冷却后，铁元素开始聚集起来形成磁性纳米微球。

　　微球的直径尺寸在5nm到100nm以上不等。作为比较，HIV艾滋病毒的直径尺寸为120nm左右，大家可以感受一下。另外，这些微球也不甘寂寞，它们往往和由其他金属元素构成的纳米颗粒在一起。

　　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。（Magnetite pollution nanoparticles in the human brain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2016, DOI: 10.1073/pnas.1605941113）

　　Maher教授

　　进入大脑的磁性纳米微球能触发一系列大脑区域的功能紊乱，而最终有可能导致神经变性病。其实，磁铁中包含有两种铁原子，三价铁和二价铁，大家还记得初中的第一次化学实验么，铁在纯氧中燃烧得到四氧化三铁，而这也就是磁铁的化学式：Fe3O4。

　　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

　　另一方面，在阿兹海默综合症中有一个关键节点，那就是老年斑的形成，这其实是在神经细胞中出现的一些异常蛋白的肿块。而磁性纳米微球能够直接影响老年斑的形成，并能增强老年斑中蛋白质的毒性。

　　磁铁颗粒从何而来？

　　现在问题来了，不是人体自身的内源性物质，这些纳米此帖微球是哪来的呢？城市中，可以产生高温，随后又冷却的地方是哪里呢？是的，最常见的就是我们驾驶的汽车，这就是产生磁性纳米微球的最主要的源头。具体而言，磁性纳米微球可能产生于燃料的燃烧、发动机缸体的铁元素脱落还有刹车片产生摩擦高热。另外，一些特殊的职业环境下也可能产生磁性纳米微球，在室内一些明火灶和密封性能不好的烤箱或者考虑都可能是这些微球的源头。

　　可是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2.5μm的颗粒物，也称细颗粒物、可入肺颗粒物。大的磁性纳米微球的直径可达10微米，这样就和云端的水滴一样大了。它们大多来自工业生产，例如火电站。不过不用担心，只有200nm以下的颗粒可以直接吸入并进入大脑。它们就像精灵般灵巧，能从嗅觉细胞中穿梭过来。

　　对于大多数的有害物质，我们体内由保护性细胞构成的血脑屏障都能帮我们抵挡住，但是这种直接从鼻腔进入的微小纳米颗粒，它们也无能无力。鼻腔就像两条高速公路，磁性纳米微球这样的纳米颗粒能直通大脑，到达大脑的很多区域，比如海马体和大脑皮层，而这些都是阿尔茨海默症患者脑中的受损区域。

　　很不幸，暂无检测方法

　　那么如何探测我们的大脑中是否混入了磁性纳米微球呢？迄今貌似没有特别靠谱的方法，只能等你死了，然后用显微设备查看你的大脑样本。通过使用具有磁性检测功能的电子显微仪器和其他技术检测了37份脑部样本，这些样本来自生前居住在墨西哥城和曼彻斯特城中的已故居民，他们去世的年龄从3岁到92岁不等。

　　结果发现，这些大脑样本中，富含磁性纳米微球的一般都是居住在墨西哥城中40岁以下的人群，他们遭受了严重的空气污染。富含磁性纳米微球的大脑样本中还发现了许多65岁以上在曼彻斯特死去的老人，他们几乎都患有中重度的阿尔茨海默症。

　　以研究人员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%。

　　这些大脑样品中，大多数的磁性纳米颗粒都是球状的，而且大小和形状的差异不大，而正常存在于动物脑中的磁性纳米颗粒却与之有较大的差异。磁性纳米颗粒的大小一般在5nm到150nm不等，它们还常常含有一些其他的金属元素，例如铂、镍、钴，这些重金属元素都不会自然存在于脑中。

　　为了研究这些磁性纳米颗粒，可以利用某种酶将它们从大脑中提取了出来。并不是将磁性纳米颗粒溶解了从而提取出来，而是将大脑溶解，然后再用磁铁将这些颗粒提取出来。然后我们将从大脑提取出来的磁性纳米颗粒和空气中发现的磁性纳米颗粒做了详细的分析和对比，发现这两者惊人的相似。这也从侧面说明，磁性纳米颗粒只是以催化剂的角色参与了脑部疾病的发病流程。

　　由于只有不到5%的阿尔茨海默症是直接遗传的，那么后天环境对于该症的影响不言而喻。正是由于它们百变的结合、对大脑有害的特性、以及常见于空气污染物之列，我们真的需要将磁性纳米颗粒列入脑部疾病的检测标准中。

　　假如我们发现磁性纳米颗粒会对人的健康造成更加直观的影响，那么此时出台控制空气污染中磁性纳米颗粒含量的相关法律，就是一件势在必行的事了。

　　文章来源：新材汇

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