Las partículas son más peligrosas de lo que se pensaba

Es bien sabido que las partículas del aire pueden suponer un peligro para la salud humana. Las partículas, con un diámetro máximo de diez micrómetros, pueden penetrar profundamente en el tejido pulmonar y depositarse en él. Contienen especies reactivas de oxígeno (ROS), también llamadas radicales de oxígeno, que pueden dañar las células de los pulmones. Cuantas más partículas haya flotando en el aire, mayor será el riesgo. Las partículas llegan al aire desde fuentes naturales como los bosques o los volcanes. Pero las actividades humanas, por ejemplo en las fábricas y el tráfico, multiplican la cantidad de modo que las concentraciones alcanzan un nivel crítico. El potencial de las partículas para llevar radicales de oxígeno a los pulmones, o para generarlos allí, ya se ha investigado en relación con diversas fuentes. Ahora los investigadores del PSI han obtenido nuevos e importantes conocimientos.

Por investigaciones anteriores se sabe que algunas ROS se forman en el cuerpo humano cuando las partículas se disuelven en el fluido superficial de las vías respiratorias. Las partículas suelen contener componentes químicos, por ejemplo, metales como el cobre y el hierro, así como determinados compuestos orgánicos. Estos intercambian átomos de oxígeno con otras moléculas y se crean compuestos altamente reactivos, como el peróxido de hidrógeno (H2O2), el hidroxilo (HO) y el hidroperoxilo (HO2), que provocan el llamado estrés oxidativo. Por ejemplo, atacan a los ácidos grasos insaturados del cuerpo, que entonces ya no pueden servir como bloques de construcción para las células. Los médicos atribuyen a estos procesos la neumonía, el asma y otras enfermedades respiratorias. Incluso el cáncer podría desencadenarse, ya que las ROS también pueden dañar el material genético ADN.

Nuevos conocimientos gracias a una combinación única de dispositivos

Hace tiempo que se sabe que ciertas especies reactivas de oxígeno ya están presentes en las partículas de la atmósfera, y que entran en nuestro cuerpo como las llamadas ROS exógenas a través del aire que respiramos, sin necesidad de formarse allí primero. Ahora resulta que los científicos aún no habían mirado con suficiente atención: "Los estudios anteriores han analizado las partículas con espectrómetros de masas para ver de qué están compuestas", explica Peter Aaron Alpert, primer autor del nuevo estudio del PSI. "Pero eso no da ninguna información sobre la estructura de las partículas individuales y lo que ocurre en su interior".

Alpert, en cambio, utilizó las posibilidades que ofrece el PSI para echar un vistazo más preciso: "Con la brillante luz de rayos X de la Swiss Light Source SLS, pudimos no sólo ver esas partículas individualmente con una resolución de menos de un micrómetro, sino incluso mirar las partículas mientras se producían reacciones en su interior". Para ello, también utilizó un nuevo tipo de célula desarrollada en el PSI, en la que se puede simular una gran variedad de condiciones ambientales atmosféricas. Puede regular con precisión la temperatura, la humedad y la exposición al gas, y tiene una fuente de luz LED ultravioleta que sustituye a la radiación solar. "En combinación con la microscopía de rayos X de alta resolución, esta célula sólo existe en un lugar del mundo", dice Alpert. Por tanto, el estudio sólo habría sido posible en el PSI. Trabajó en estrecha colaboración con el jefe del Grupo de Investigación de Química de Superficies del PSI, Markus Ammann. También recibió el apoyo de los investigadores que trabajan con los químicos atmosféricos Ulrich Krieger y Thomas Peter en la ETH de Zúrich, donde se realizaron experimentos adicionales con partículas en suspensión, así como de los expertos que trabajan con Hartmut Hermann del Instituto Leibniz de Investigación Troposférica de Leipzig.

Cómo se forman los compuestos peligrosos

Los investigadores examinaron partículas que contenían componentes orgánicos y hierro. El hierro procede de fuentes naturales, como el polvo del desierto y las cenizas volcánicas, pero también está contenido en las emisiones de la industria y el tráfico. Los componentes orgánicos también proceden de fuentes naturales y antropogénicas. En la atmósfera, estos componentes se combinan para formar complejos de hierro, que luego reaccionan a los llamados radicales cuando se exponen a la luz solar. Estos, a su vez, se unen a todo el oxígeno disponible y producen así las ERO.

Normalmente, en un día húmedo, una gran proporción de estas ROS se difunde desde las partículas al aire. En ese caso, ya no supone un peligro adicional si inhalamos las partículas, que contienen menos ROS. Sin embargo, en un día seco, estos radicales se acumulan en el interior de las partículas y consumen todo el oxígeno disponible allí en cuestión de segundos. Y esto se debe a la viscosidad: Las partículas pueden ser sólidas como la piedra o líquidas como el agua, pero dependiendo de la temperatura y la humedad, también pueden ser semifluidas como el jarabe, el chicle seco o las gotas de hierbas suizas para la garganta. "Este estado de la partícula, descubrimos, asegura que los radicales permanezcan atrapados en la partícula", dice Alpert. Y no puede entrar oxígeno adicional desde el exterior.

Resulta especialmente alarmante que las mayores concentraciones de ROS y radicales se formen a través de la interacción del hierro y los compuestos orgánicos en las condiciones meteorológicas cotidianas: con una media inferior al 60% y temperaturas en torno a los 20 grados C., condiciones también típicas de las habitaciones interiores. "Antes se pensaba que las ERO sólo se formaban en el aire -si es que se formaban- cuando las finas partículas de polvo contenían compuestos comparativamente raros, como las quinonas", afirma Alpert. Se trata de fenoles oxidados que se encuentran, por ejemplo, en los pigmentos de las plantas y los hongos. Recientemente ha quedado claro que hay muchas otras fuentes de ROS en las partículas. "Como hemos determinado ahora, estas fuentes de radicales conocidas pueden reforzarse significativamente en condiciones cotidianas completamente normales". Aproximadamente una de cada veinte partículas es orgánica y contiene hierro.

Pero eso no es todo: "Es probable que las mismas reacciones fotoquímicas tengan lugar también en otras partículas finas de polvo", afirma el director del grupo de investigación, Markus Ammann. "Incluso sospechamos que casi todas las partículas suspendidas en el aire forman radicales adicionales de esta manera", añade Alpert. "Si esto se confirma en otros estudios, tendremos que adaptar urgentemente nuestros modelos y valores críticos con respecto a la calidad del aire. Puede que hayamos encontrado un factor adicional que ayude a explicar por qué tantas personas desarrollan enfermedades respiratorias o cáncer sin ninguna causa específica."

Al menos, las ERO tienen un lado positivo -especialmente durante la pandemia de Covid-19-, como también sugiere el estudio: También atacan a las bacterias, los virus y otros patógenos presentes en los aerosoles y los vuelven inofensivos. Esta conexión podría explicar por qué el virus del SARS-CoV-2 tiene el menor tiempo de supervivencia en el aire a temperatura ambiente y humedad media.