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离子镁测量在生理学和医学中的重要性和离子选择电极的必要性

伯顿M Altura1 - 6 *贝拉T Altura1 - 6

1纽约州立大学下州医学中心生理学和药理学部，布鲁克林，美国纽约
2纽约州立大学医学中心，布鲁克林，纽约，美国纽约州立大学医学系
3.纽约州立大学医学中心，布鲁克林，纽约，纽约州立大学心血管和肌肉研究中心
4分子和细胞科学研究生院，纽约州立大学下州医学中心，布鲁克林，美国纽约
5生物防御系统公司，洛克维尔中心，纽约，美国
6东方Biomedica，埃斯特罗，佛罗里达州，美国

*通讯作者:Burton M Altura，生理学，药理学和医学系，纽约州立大学，Downstate Medical Center, Brooklyn 11203, USA, Tel: 718-270-2194;电子邮件:baltura@downstate.edu


抽象的

Mg是500多种酶系统的辅助因子，是细胞内第二丰富的阳离子，仅次于钾。它在许多生理、细胞和生化功能和系统中都是至关重要的，从激素受体结合、阳离子和阴离子的跨膜通量、肌肉收缩、神经传导、心脏功能和稳定性、血管舒缩张力的控制和血液流动的分布等等。血清总镁的测定表明，在许多类型的住院病人中，它是耗尽的。通常的食物制备方法(如煮、炸等)和加工过程中会消耗镁。自1900年以来，Mg的日摄入量一直在下降，从500-600 Mg /天降至150-225 Mg /天。令人惊讶的是，包括人类在内的大多数哺乳动物的血清镁含量都差不多。总的来说，这表明血清或血浆中的总镁含量并不是敏感的血液变量或分析物，不能反映细胞和亚细胞水平上可能发生的情况。此外，已知Mg至少以三种形式存在:游离或电离、络合和蛋白质结合。此外，在我们的研究之前，还没有方法测量在急诊室和手术室快速分析所需的全血标本上的电离Mg。在这份报告中，我们回顾了在Mg的使用方面取得的许多进步２＋离子选择电极，它们的准确性，以及它们在许多人类疾病、病理生理状态和动物中的应用。我们的论点是，Mg的使用２＋离子选择电极在许多疾病的诊断和治疗中应该被证明是无价的。这些维生素e在临床上也很有用，可以用来确定体内的镁平衡以及从饮食中摄取的镁是否能提供足够的镁。

关键字

血镁水平;糖尿病;心脏疾病;终末期肾脏疾病;偏头痛

缩写

毫克２＋:电离镁;缺血性心脏病;31P-NMR：磷-11核磁共振光谱;niddm：非胰岛素依赖性糖尿病;Hemo：血液透析;CAPD：连续的动态腹膜透析;ISE：离子选择性电极;RBC：红细胞。

介绍

邻近钾，镁（Mg）是第二个最丰富的细胞内阳离子和体内第四次阳离子。Mg是涉及500多种细胞酶的共同因子：细胞能量产生（和利用），膜功能，如各种受体，激素受体结合，钙通道的栅，阳离子和阴离子的跨膜通量，腺苷的调节环酶，DNA和RNA分子结构，肌肉收缩和细胞内Ca的控制２＋-CA.２＋释放。此外,毫克２＋具有稳定细胞膜、调节细胞生长和繁殖的作用，具有天然钙的功能２＋拮抗剂，从而调节肌肉收缩、放松和神经递质释放。二价阳离子的减少会导致炎症、心脏病发作、高血压、中风、哮喘发作、心脏猝死、心绞痛、腿抽筋、偏头痛和许多其他疾病。毫克２＋，因此，在控制平滑肌、心脏和骨骼肌的活动和功能、心脏兴奋性、神经肌肉传输、大脑和周围神经传导通路、血管舒张张力、血流分布(大脑和周围循环)等方面起着主要和多重作用。最近,毫克２＋[1]在控制细胞凋亡(细胞死亡)中起着非常重要的作用。

过去100多年来世界范围内膳食镁摄入量的逐渐下降

过去100年来，北美、欧洲、非洲、亚洲、澳大利亚和南美洲的多种流行病学数据表明，Mg的膳食摄入量从大约450-600 Mg /天下降到这些摄入量的35-75%，导致100-400 Mg /天的不足，这取决于地理区域[2-7]。许多因素会增加我们对镁的需求，高于正常水平。高钙、磷酸盐、维生素D的饮食摄入量，甚至高蛋白饮食，将导致更大的每日镁需求，以保持正的镁平衡[6,7]。此外，环境压力以及高脂肪或高碳水化合物饮食将增加对高于正常每日Mg摄入量的需求[6,7]。

食物制备的类型会导致镁的缺乏

镁的膳食摄入可以改变镁的组织和血液水平，特别是如果食物首次在吃之前煮熟。沸腾最自然的Mg的食物将导致其Mg含量的大量损失，这反过来可能导致组织数量不足和细胞外水平的离子Mg２＋．许多食品的精制和/或加工将导致Mg含量的大量损失(例如，78-99%)，因此，膳食摄入可能被证明是不充分的[2,6,7]。

住院患者血清Mg水平下降

当进行适当的测试时，镁平衡中的干扰现在被认为是相当普遍的。据观察，住院患者的低镁血症发生率通常在7 - 65%之间[2,8,9]。精明的临床医生经常会给低镁血症和正常镁血症患者服用镁盐，以治疗他们的抗心律失常、血管舒缩和神经元活动，以及表现出子痫前期、心肌梗死和缺血性心脏病的患者。由于高或低的血清镁浓度都可能危及生命，因此能够评估和监测电离镁的准确水平非常重要２＋在我们看来，在全血、血浆或血清中的任何一种情况下，生理活性Mg。

酒精，药物和化学疗法诱导的Mg水平降低

临床医生和急诊室的工作人员必须时刻注意酒精和药物引起的体内镁储备的流失。虽然酒精是人体Mg[2]最大的药物浪费者，但可卡因、海洛因、PCP和其他滥用药物也是人体Mg的最大浪费者，不幸的是，它们通常被临床医生忽视，被视为潜在的因果因素。许多癌症化疗药物(如顺铂)以及用于预防烧心的药物(如质子泵抑制剂)、利尿剂(如噻嗪类、呋塞米)、某些知名的心脏药物(如洋地黄)和某些抗生素(如，阿奇霉素(阿奇霉素)也是身体镁的浪费者，通常也被忽视为心血管问题的病因，特别是。

在大多数哺乳动物的血清中类似Mg的相似水平，包括人类

尽管包括人类在内的哺乳动物对Mg的每日摄入量有不同的需求，但从非常小的哺乳动物(如大鼠或小鼠)到非常大的哺乳动物(如羊、牛、大猩猩或大象)，血液中Mg的总浓度似乎没有差异。，范围从0.7- 1.15毫米/升)[10]。这可能表明，血清或血浆中的总镁含量并不能反映出体内可能发生的情况。人体内只有0.3%的镁存在于细胞外液或血腔中[6,7]。根据大多数教科书和研究人员的说法，一般来说，血液中的总镁含量并不是身体中镁储量的反映。然而，直到我们在过去20年的研究中，还没有关于血液中游离的、电离的Mg浓度的准确信息。理想情况下，在急诊室或手术室中，快速测量电离Mg是必不可少的。现在需要准确测量全血中游离的、电离的Mg发展的必要条件．由于Mg在血液中以不同的形式出现(如总Mg、电离Mg和络合Mg)[2,10-13]，对全血测量的需求显然变得至关重要。

总镁，超滤镁和离子选择电极镁测量技术

目前临床实验室采用的技术一般限于测量总镁水平。然而，镁的游离或电离形式(如上所述)是具有生理活性的形式。直到大约20年前，以前对这些水平的估计都依赖于繁琐的无蛋白超滤液总Mg的测量，需要几个小时才能完成[12,13]。此外，除了时间因素外，这个过程需要相对较大的样本量，不适合自动化。

此外，通过分析超滤液来估计血清或血浆中的离子镁含量有些不令人满意，不能在全血上进行。此外，这些方法不能区分真正的电离形式与Mg２＋与有机和无机阴离子以及脂肪酸结合。由于这些部分的水平在许多病理状态下可以显著变化，因此非常需要直接、准确地测量在复杂基质(如全血)中电离的Mg水平。

已经设计了新的离子选择性电极（ISE），采用离子载体和中性载体膜，其设计成在存在离子化的钙水平和正常和患病患者和动物的血液中发现的潜在阳离子干扰[14-17]。

电离Mg的测量２＋在正常和患病的人类受试者和动物中具有独特的特征:与细胞内游离Mg的对应２＋

在过去的25年里，我们的实验室使用新型电极对Mg进行了研究，在人类实验对象和各种动物(包括亚人类灵长类动物)中率先使用了这些电极[1,11,14-52]。用新颖的锂离子对Mg进行处理２＋在我们的研究中，我们已经证明了对人类受试者全血、血浆和血清的分析清楚地表明，电离Mg几乎没有差异２＋，无论是全血、血浆还是血清[11,14-17]。此外,最重要的是,我们的数据获得超过750例表明自由电离Mg在人类血液的浓度约为600微摩尔/升,约相当于测量细胞的哺乳动物细胞类型(独家的大脑),如心脏和血管平滑肌细胞,内皮细胞和上皮细胞[1,11,14- 17,21,24,27-29]，未发表的研究结果。

基于数百名健康人类受试者的数据表明，尽管血液中总Mg的范围约为300微臼齿(0.7-1.00 mM/L)，但正常电离Mg的范围２＋约为130微臼齿(0.54-0.67 mM/L)的差异。此外，我们的定量测量表明，血液中64-72%的Mg是游离的或具有生物活性的[11,14-17]。相比之下，我们组对钙的数据表明，总钙和电离钙的参考范围比总钙和电离镁的参考范围大50%左右[11,14-17]。我们强烈地感觉到电离的Mg的参考范围更窄更紧２＋提供了更好的区分正常和异常患者或分析患者随时间的变化。然而，这非常依赖于实验室在最严格的条件下进行精确的测量，并在整个血液样本检测过程中使用多种标准，正如我们之前所说的[11,14-17]。

毫克２＋不同类型糖尿病患者血液和细胞的测量

对血液和细胞内游离镁进行精确细致的测量２＋在几种类型的疾病和紊乱中，血液和细胞值之间显示出良好的对应关系[21,24-29]。在这方面，使用ISEs测量游离Mg２＋在禁食受试者中，没有2型糖尿病（NIDDM）和31p-核磁共振光谱，以测量自由mg２＋在红细胞中，我们发现Mg２＋与非糖尿病患者相比，糖尿病患者的水平显著降低[21,24,26,27]。血清Mg之间的关系非常密切２＋细胞内游离Mg２＋(r = 0.725, p < 0.001)。

研究在怀孕期间开发糖尿病（妊娠期糖尿病）的女性，我们已经报告了与2型糖尿病患者的类似数据[29]。使用外蛋白夹紧的NiddM胰岛素抗性与胰岛素敏感的受试者一起使用，我们注意到MG的逆相关性２＋(细胞外和细胞内)水平仅与许多胰岛素抵抗患者的动脉血压和血脂水平有关[11,27]。

毫克２＋终末期肾病(ESRD)患者的测量

如果血液和细胞中缺乏Mg２＋在ESRD中发现的广泛的动脉粥样硬化发生和高血压病的病因学中存在因果关系，那么我们应该期待观察到细胞外和细胞内Mg２＋．研究血液透析患者(HEMO)和持续流动腹膜透析患者(CAPD)透析约12个月(HEMO)和48个月(CAPD)，我们确实发现血清和RBC Mg显著降低(例如，5-25%)２＋用是和31p-nmr [20]。总Mg值（额外和细胞内）之间没有对应关系。

毫克２＋缺血性心脏病变化程度的患者的测量

根据纽约心脏协会的标准(I-IV期)，我们研究了不同程度IHD的患者，发现心脏损害程度越大，Mg水平越低２＋在血液和RBC中[24,26,27]。没有通信只能看几兆元级别。

毫克２＋偏头痛患者的测量-用Mg治疗２＋

在1981年，我们提出许多偏头痛的发作与血镁的下降有关２＋大脑中Mg含量的缺失２＋随着头痛和疼痛加剧。对两千多名偏头痛患者的检查表明，这些头痛患者中超过50%的人血清中镁含量显著降低２＋同时细胞内游离红细胞Mg２＋．在对总Mg水平的检查中没有发现这种对应[48- 52]。利用这些数据，我们假设静脉注射硫酸镁可以缓解或降低偏头痛的强度２＋．我们在几百名偏头痛患者身上证实了这一假设[50-52]。

结论

现在可以使用新型离子选择性电极，其可以测量全血，血浆和血清中的“真实”电离Mg。这些含量可以在pH自变的条件下准确地测量Mg，并且存在重金属或脂质的情况下。

我们相信，当在严格控制的实验室条件下使用这些ISEs时，在Mg摄入量变化不定的环境下，以及在许多临床综合征(包括糖尿病、IHD、中风、先兆子痫、新生儿应激状况、对一些药物的毒性反应和偏头痛患者)中，这些都将证明是无价的。

确认

本文中提出的一些原始研究部分得到了国家心肺和血液研究所、国家药物滥用研究所、国家心理健康研究所和国家酒精中毒和酒精滥用研究所的研究基金的支持。

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引用:Altura BM, Altura BT(2016)离子镁测量在生理学和医学中的重要性和离子选择电极的需要。临床病例Stu 1(2): doi http://dx.doi。org/10.16966/2471 - 4925.111

版权:©2016 Altura BM等。这是一篇开放获取的文章，在知识共享署名许可协议的条款下发布，该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制，前提是注明原作者和来源。

出版的历史:

  • 收到日期:2016年1月30日

  • 接受日期:2016年3月18日

  • 发表日期:2016年3月23日