镁离子的生理特点及与肝硬化的关系

田慧 向平 周卫华 李学锋 彭霞

肝硬化是多种肝脏疾病的终末阶段，以结构破坏和肝纤维化为主要特征，进一步形成再生结节，具有多种多样的临床表现及并发症。纤维化早期形成期间最初发生的是肝细胞坏死，肝细胞坏死由炎症细胞产物、蛋白酶和活性氧自由基可通过大量细胞因子的连续释放而引起，细胞损伤后星状细胞活化，活化后的星状细胞受多种细胞因子的影响具有如下功能：其中一些对星状细胞有增殖作用，而另一些则促进纤维化形成。肝硬化，尤其是失代偿期肝硬化患者，常并发多种严重并发症，对社会以及家庭带来巨大的经济负担，且也严重影响着患者生活质量。肝硬化患者常伴有电解质及酸碱平衡紊乱，目前对低钠、低钾、低氯、低钙与肝硬化相关的研究相对较多。而对于低血清镁水平与肝硬化严重程度相对研究较少。镁是人体内最重要的微量元素，是人体内最丰富的细胞内离子。在许多生理功能中起到至关重要的作用，包括：调节细胞离子通道、转运体、信号、细胞能量的产生和储存；调节DNA、RNA、ATP、蛋白质、糖、脂的合成；维持细胞膜稳定性。镁具有稳定核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸的作用，以实现DNA复制、转录以及转移RNA功能。镁与肝硬化之间存在非常重要的相互作用。肝硬化患者常伴有镁离子缺乏，而镁离子缺乏亦可加重肝硬化疾病进展[1-3]。

1 镁和肝硬化

1.1 镁的含量和分布 镁是人体健康所需的矿物质，正常人体含有21～28 g镁[4]；在骨骼中大约占53%，在肌肉中占27%，在非肌肉软组织中占19%，只有 1%在细胞外液(ECF)中[5]。骨骼是体内镁最大的储存库，维持血清镁浓度平衡，从而保障体内其余组织器官的镁代谢稳定[6]。

细胞内外均存在镁离子，成人人体细胞内的镁含量约24 g，而细胞外液中的镁含量为280 mg[7]。镁主要存在于细胞内，在细胞内液镁的含量仅次于钾，其浓度约为细胞外液的10倍。大约1/4的镁分布在骨骼肌中，其余的则分布在神经系统和其他代谢率较高的器官，即肝脏、心肌、消化管、肾脏等。而在细胞内分布于细胞核，细胞质，线粒体和内质网中[1,7]。细胞内镁约90%是结合型(主要结合到蛋白、负电荷的分子和ATP等)，游离部分仅为10%[8]，这对调节细胞内的镁含量是必不可少的部分。胞外镁主要存在于血浆，血浆中所含镁的10%与小分子碱基结合(磷酸盐、碳酸氢盐、柠檬酸盐等)，30%与蛋质白结合，60%为游离态，在以上三种胞外镁的存在形式中，游离镁仍具有最大的生物活性[9]。平均血清镁浓度约为0.8 mmol/L，红细胞中的镁浓度约2.5 mmol/L[10]。

1.2 镁平衡:吸收、排泄和动态平衡 在正常人体中，镁的平衡依赖于小肠的吸收和肾脏的排泄、骨骼储存共同作用。在生理条件下，30%～50%镁主要是由小肠吸收[11]，只有小部分从结肠吸收。据报道直肠和乙状结肠能够吸收镁的能力，因为使用含有硫酸镁的药物进行直肠灌肠后发现高镁血症[12]。目前镁的吸收机制尚不明确，但大量证据表明镁的吸收主要有两种机制，包括主动的和被动的。主动转运主要在低镁情况进行被调控，被动吸收主要是电化学梯度和溶剂拖动介导的细胞间过程[13]。

在肾功能正常的情况下肾脏将镁水平控制在一个较窄的范围之内，在镁平衡中起着关键作用。每天大约有2 400 mg的镁被滤过，其中仅5%(120 mg)从尿液中排出[14]。肾脏对镁的处理主要是由肾小球滤过和肾小管重吸收共同作用的。大约70%的血浆镁在肾小球中被过滤，只有20%～30%的过滤镁在近端小管中被重吸收[4]。镁重吸收的主要部位是Henle环的近曲小管，60%镁在此处被重新吸收，且该部位重新吸收与NaCI转运密切相关。

1.3 镁的代谢 镁在细胞中具有重要的作用。参与体内300多个酶的反应以及多种代谢途径，如核酸聚合、核糖体与RNA结合、DNA的合成和降解、葡萄糖的无氧磷酸化和线粒体氧化代谢、间接参与蛋白质合成、细胞内信号、调节离子通道[15]；还参加所有与ATP形成和消耗。镁对能量产生具有非常重要的作用，因为镁的氧化磷酸化产生ATP，所有依赖于ATP的反应都需要镁来水解和转移磷酸基。除此之外，镁参与酶的合成，因为酶需要镁和ATP，而且两者之间具有很强的螯合作用，其酶活性取决于这两种辅助因子的比例。腺苷酸环化酶也需要镁产生细胞内的第二信使环磷酸腺苷[4]。镁作用于细胞膜，可改变受体的位置和调节跨膜离子运动。因为镁可作用于钠、钾、钙通道和转运酶。在镁离子缺乏时会出现细胞内钙、钠浓度升高，钾、磷浓度降低，综上所述，镁离子具有调节细胞内离子浓度的作用。镁存在于细胞内细胞核、细胞质、线粒体和内质网中。镁主要改变细胞器的钙离子浓度，或者改变线粒体膜的通透性从而影响其氧化代谢过程，最终导致ATP的产生降低[15]。

2 镁离子与肝硬化的关系

2.1 肝硬化存在镁离子缺乏 肝硬化是临床常见的各种慢性肝病的晚期阶段，疾病初期，由于肝功能尚具有较好的代偿能力，机体未显现出特殊不适症状，但在疾病晚期阶段，肝脏代偿功能较差时则表现出肝功能损害及门脉高压，并累及多个系统，晚期伴有多种并发症也是肝硬化患者发生死亡的主要原因。临床上研究发现肝硬化患者常常合并电解质紊乱，并且与患者肝功能分级及各种并发症、预后有关。因此，肝硬化患者的血清电解质紊乱情况也逐渐受到人们的重视。

研究发现肝硬化患者体内镁的含量通常较低[16]。肝硬化患者血清镁离子和细胞内镁离子水平均可下降[1]，其可能原因如下：(1)肝硬化患者失代偿期门静脉高压引起肠道淤血或肝硬化患者肠道菌群失调并发肠道感染，从而引起肠道受损，导致肠道对镁离子的吸收下降，进而导致低镁血症[17]；(2)因为肾脏是镁离子最主要的代谢器官，镁的主要重吸收部位在肾脏Henle环并且与NaCl因素有关，利尿剂会减少肾脏Henle环中NaCl重吸收从而增加镁排泄，导致低镁血症[18]；(3)肝硬化患者常出现消化功能紊乱如腹泻、呕吐，常常因门静脉高压致胃肠淤血对镁离子吸收减少，或者因门静脉高压引起食管胃底静脉曲张破裂出血而禁食，而镁离子常来源于饮食中，由此也会出现低镁血症；(4)肝硬化患者常伴有发内分泌异常，如高水平的醛固酮、生长激素和胰高血糖素，从而导致尿镁排泄增多[19]。(5)肝硬化常伴有合成功能障碍，血清白蛋白常有降低，白蛋白是循环中镁离子的重要转运蛋白，因此镁的平衡及运输可能受到干扰。

2.2 镁离子不足会加重肝硬化 多数因镁摄入不足而导致慢性疾病的特征是有慢性炎症和氧化应激的成分。研究表明，镁离子缺乏可导致炎性反应，其特征是炎性细胞因子和急性期蛋白的释放、自由基及氧化应激的过度释放，从而增加慢性病的风险，这是一种看似很合理的机制[20]。其他研究表明镁离子与血清或血浆C-反应蛋白呈负相关(CRP)，在镁缺乏的人中CRP可能会增加，这被认为是一种炎性应激的指标，增加了慢性病的风险[21]。在1930年，在缺镁的大鼠中观察到炎症的临床表现，如脾肿大、充血、红斑[21]。镁离子缺乏导致炎性反应加重，最终可能导致胶原蛋白积累，从而导致肝硬化[22]。该研究表明，肝镁的含量降低可能导致肝硬化病程进展。迄今为止尚缺乏镁离子与肝硬化相关性研究。本文将探索低镁离子水平导致肝硬化进展原因。

镁离子缺乏时的炎性反应机制尚不清楚，但可能涉及以下事件：(1)镁维持细胞膜的稳定性，且是天然的钙拮抗剂[23]，肝硬化造成镁离子缺乏，会出现细胞内高钙、高钠，钾、磷降低。细胞内钙升高从而造成炎性细胞因子、炎性神经肽、前列腺素、白三烯的释放，而该细胞因子可作为白细胞、吞噬细胞的启动剂以产生炎性反应。因此，细胞内钙升高被认为是启动炎症的信号。通过口服镁提升镁离子浓度从而达到抗炎的作用[24]；(2)肝硬化造成镁离子缺乏时会引起神经元存储区释放促炎性神经肽P物质，诱导促炎细胞因子的产生[25]；(3)激活核因子-κB (NF-κB)，这是一种负责炎症相关基因表达转录因子，因此对炎性反应的调节至关重要[26]。

镁缺乏时，会引起炎性反应，导致白细胞和吞噬细胞活化，并释放炎症细胞因子并向肝脏中募集更多炎性细胞，这种炎性反应会损害肝细胞及修复过程并加重肝纤维化而加剧肝硬化发展[27]。

镁离子缺乏与氧化应激的增加和抗氧化防御能力降低有关，其原因即炎性因子增加[28]。肝硬化出现镁离子缺乏时发生炎性反应，肝脏出现严重损伤，因此引起由肝实质细胞、炎性细胞、肝星状细胞(HSC)产生活性氧(ROS)。ROS可能在肝星状细胞向肌纤维化细胞的转化以及胶原蛋白的产生起着重要的作用，这一过程是肝纤维化的关键过程[29]。

氧化应激介导肝损伤分子机制可能如下：(1)线粒体的损伤。镁离子缺乏时造成大量活性氧(ROS)的产生，导致线粒体功能障碍及能量耗竭进而引起细胞凋亡[30]；镁存在于细胞内的线粒体中，镁离子缺乏会造成线粒体损伤，肝修复过程会导致纤维化加重。(2)氧化还原信号失调导致的炎症持续存在[29，31]。炎细胞的活化导致大量的ROS形成，从而影响还原氧化稳态失调，NF-κB被激活[32]，NF-κB具有持续炎性反应的重要作用[33]。因此给予抗氧化化合物或过量表达内源性抗氧化蛋白通常能够阻止肝硬化的发展。(3)与氧化还原信号失调相关的肝星状细胞的转化和细胞外基质(ECM)重塑。ROS可诱导HSC向肌成纤维细胞转化，导致ECM过度沉积和生成，除此之外，ROS还能刺激其他细胞的增殖。ROS可能导致基质金属蛋白酶的激活，导致ECM的重塑[34]。最终导致过度的肝纤维化[35]。

研究表明(蛋白激酶Cε)PKCε可以调节纤维蛋白原的沉积，尽管这些发现是在心脏组织中产生的，但该酶也可能调节肝脏中的纤维蛋白原的沉积。PKC是调节许多细胞蛋白功能的蛋白家族，活化的PKC易位容易导致细胞内镁离子沉积，而PKCε对镁的亲和力最高。少量的镁足以激活PKCε和使其易位。因此肝硬化低镁患者导致PKCε的活性和易位降低，从而导致镁离子进一步降低。肝细胞中的PKCε的活性和易位降低会增加纤维蛋白原和胶原蛋白的沉积从而加重肝硬化。

2.3 镁离子对肝硬化的治疗作用 由病毒、药物、乙醇和非乙醇因素引起的肝纤维化发病率高，可发展为肝硬化甚至肝癌[36]。已经明确镁离子缺乏与炎性反应、线粒体功能障碍、促纤维化反应及抗氧化系统活性降低有关。可进一步推测摄入镁可以改善这种病理状态。据研究，补充镁离子与改善炎性因子有关[37]。异甘草酸镁具有抑制炎性反应的作用，其机制是降低了促炎因子的表达。异甘草酸镁处理显著降低肝星状细胞激活标志物的表达。此外，异甘草酸镁的处理不仅能抑制活化的肝星状细胞中促炎因子的表达，还能促进抗炎因子的产生[38]。韩国也报道紫草酸镁B(MLB)抑制NF-κB产生及抑制由肝星状细胞形成的活性氧(ROS)[39]。

3 镁离子缺乏与ALD

3.1 饮酒会导致镁离子缺失 乙醇性肝病(alcoholic liver disease,ALD)仍然是美国发病率及死亡率主要原因。2/3的美国人喝酒，估计有1 400万人酗酒[40]。 >90%的酗酒者会出现脂肪堆积，但只有 30%的酗酒者会患上严重的乙醇性肝病，8%～20%的慢性乙醇中毒会发展为肝硬化，最终可能导致肝细胞癌[41]。肝脏是乙醇代谢的主要部位，也是受损最严重的器官。乙醇性肝病(ALD)是由于长期大量饮酒所致的慢性肝病。初期通常为脂肪肝，进而可发展为乙醇性肝炎、乙醇性肝纤维化和乙醇性肝硬化。这些基本病变可在同一患者中分别，同时或依次发生。乙醇滥用引起的肝损伤与乙醇代谢的有毒产物如乙醛的形成有关。虽然每种应激引起肝损伤的机制不同，但都有共同的因素，如炎症过程的激活、活性氧的过量产生、微循环障碍等。氧化应激的诱导和炎性反应的激活被认为是乙醇性肝病(ALD)病理生理学中的关键因素[42]。

ALD 是由过量饮酒引起的一类疾病，其临床表现因饮酒方式、个体对乙醇的敏感性以及肝组织损伤的严重程度而有明显差异。早期表现为脂肪肝(乙醇性脂肪变性)，其特征是肝细胞内脂质过多积聚。它是良性和可逆的，很少进展为乙醇性肝炎和肝硬化。乙醇性肝炎(乙醇性脂肪性肝炎)是一种较严重的ALD，其特征是肝细胞损伤，并伴有急性或慢性炎症。这类患者中约有40%会发展为乙醇性肝硬化。在 ALD 中，血清 AL T，AST 和α-谷氨酰转移酶(GGT)的浓度通常较高，这些酶的血清水平通常用作 ALD 诊断的标志物。

临床多次发现在ALD患者中镁离子缺乏，不仅血清镁离子缺乏，而且细胞内也缺乏镁离子，其缺乏程度与疾病的严重程度成正比[43]。根据报道，连续3周在水中消耗 6%的乙醇会导致大鼠总组织镁含量显著降低[44]。长期饮酒会导致乙醇中毒，从而降低体内镁的水平，其原因可能有如下几点：(1)镁离子来源于食物，酗酒者经常营养不良，因此，易出现低镁血症；(2)镁的主要吸收部位为小肠，患者长期饮酒因呕吐易损失肠道中的镁；(3)因为肾脏是镁离子主要的代谢器官，长期饮酒，导致有机酸和乳酸积累，有机酸与镁离子形成复合物可能并损伤了其在肾小管中的重吸收或另一个解释是乙醇或者其中间代谢产物可能直接影响肾小管膜中的镁转运蛋白者也会出现低镁血症[45]。

3.2 镁缺乏会使ALD恶化 ALD最早反应为肝细胞中脂质堆积，这是一种可逆的情况，但可能会进展为炎症和纤维化。饮酒期间甘油三酯和脂肪酸在肝脏积聚的机制涉及控制脂质合成、氧化和极低密度脂蛋白输出的调节途径。ALD患者出现镁离子缺乏，造成线粒体受损，并且脂肪酸氧化主要发生在线粒体中，因此肝细胞中的脂肪酸氧化受到影响及线粒体功能障碍和能量耗竭导致细胞死亡[46]。最后表现为三酰甘油水平显著增加和血清高密度脂蛋白(HDL)浓度降低。

随着病情进展，表现为乙醇性肝炎，出现细胞坏死并伴随急性和慢性炎症。人们认为炎性反应失调是造成肝细胞损伤和组织坏死的原因。在生理条件下，镁对抗炎细胞因子产生和释放有正向调节作用。ALD患者乙醇会破坏肠道屏障，导致肠道通透性增加，镁离子吸收部位为小肠，易出现镁离子缺乏。除此之外，肠道受损后门静脉中出现肠道细菌衍生的脂多糖(LPS)，LPS刺激肝脏的kupffer细胞[7,47]。镁离子缺乏和LPS导致白细胞和巨噬细胞在局部非常活跃，释放出许多炎性细胞因子并向肝脏周围募集更多炎性细胞，炎症在乙醇性肝病中起着关键作用，这种炎性反应会进一步加重疾病进展为肝硬化[48]。

最终进一步进展为乙醇性肝硬化。肝纤维化是慢性肝病发展为肝硬化的主要组织学特征，其特征是细胞外基质成分的沉积增加，特别是Ⅰ和Ⅲ型纤维性胶原的沉积[49]。镁离子缺乏与胶原蛋白沉积有关。HSC活化是肝纤维化形成的关键因素。ALD出现镁离子缺乏时发生炎性反应，肝脏出现严重损伤，因此引起由肝实质细胞、炎性细胞、HSC产生ROS。ROS可能在肝星状细胞向肌纤维化细胞的转化以及胶原蛋白的产生起着重要的作用，这一过程是肝纤维化的关键过程。除此之外，早期的研究表明，乙醛可以刺激肝星状细胞合成成纤维形成的胶原和细胞外基质的结构糖蛋白[50]。并且还通过上调间质胶原酶基质金属蛋白酶(MMP)-2 和下调纤维状胶原酶 MMP-1 来促进 ECM重塑，从而导致正常的 ECM 成分被硬化基质替代[50]。综上所述，ALD患者出现镁离子缺乏，镁离子缺乏与过度乙醇均可造成肝纤维化形成并进一步进展为肝硬化。

4 镁与肝性脑病

肝硬化患者镁离子含量下降加剧肝硬化疾病进展，因此肝硬化患者中镁离子缺乏进一步加重肝功能衰竭，接踵而至的是肝性脑病。肝性脑病是由急、慢性肝功能障碍或门体分流异常所引起，主要以代谢紊乱为基础伴随轻、重程度不等的神经精神异常综合征，是各种终末期的常见并发症和死亡原因之一[51]。其主要的临床特征表现为精神神经功能障碍，从性格改变、行为异常到意识障碍、昏迷。HE的发病机制十分复杂，至今尚未阐明。目前仍以经典的氨中毒学说为中心，同时炎性反应、肠道菌群、星形胶质细胞早衰、神经递质改变等毒性物质的作用日益受到重视。由于镁离子缺乏与肝性脑病时出现的精神神经系统症状有何关系,迄今尚未见论及。下面将探索镁离子与肝性脑病之间的关系。

有研究认为镁离子缺乏能使神经系统变性，从而导致代谢性脑功能障碍,主要表现在精神、椎体外系和神经肌肉方面。(1)精神症状表现在抑郁、焦虑、恐惧、定向力丧失、谵妄、幻觉等。(2)锥体外系表现在变异的不随意运动如震颤、腕趾痉挛、抽搐、面肌抽搐和肌强直。(3)神经肌肉功能障碍如四肢肌肉震颤、痛性肌痉挛等[52]。严重者可昏迷、抽搐,脑电图呈弥漫性中高幅慢波活动。上述表现在肝性脑病患者中亦不同程度的存在。由于镁离子缺乏的临床症状和体征隐匿,常被肝硬化的临床表现掩盖,而临床医生对低镁血症认识不足,往往不把血镁列为常规电解质检验项目,因此容易造成漏诊。

镁在细胞内具有重要的作用，镁具有激活细胞内各种酶系统,镁离子是各种不同ATP酶的激活剂。镁几乎和所有的生命活动有关。镁离子缺乏时,各种ATP酶的活性降低,当脑内ATP减少时,可导致脑细胞能量代谢障碍甚至凋亡。镁离子缺乏会导致肝性脑病中神经递质胆碱能系统发生改变。镁离子缺乏可使神经肌肉接头前膜诱发性乙酰胆碱酯酶活性增加，从而导致乙酰胆碱水解增加,接头后膜对乙酰胆碱的敏感性提高，这种变化与脑内血氨水平无关。因此神经肌肉出现功能障碍。

氨中毒学说其机制是血氨中毒导致脑神经传递异常，由于肝功能严重衰竭，致使肝功能不能对血氨进行鸟氨酸循环有效解毒及尿素合成能力降低[53]，门体侧枝循环的建立使得消化系统的氨未能经过肝脏解毒而直接进入体内循环，导致血氨水平升高，对神经系统产生毒性作用而引发肝性脑病。而氨需要经鸟氨酸循环清除则需要最基本的能量，而镁离子是ATP酶的激活剂，镁离子缺乏会导致脑细胞能量代谢障碍甚至凋亡，糖酵解增加导致脑内乳酸增高。

有研究表明，部分重症HE患者的严重程度与血氨水平无明显相关性，而是炎性反应有关，而镁缺乏能引起炎症，导致白细胞和吞噬细胞活化，并释放炎性因子召集更多的炎性细胞及释放ROS产生氧化应激和炎性反应[54]。因为镁离子分布在神经系统，可能会引起脑源性炎性反应，引发神经炎症，进而通过改变相应受体表达引起谷氨酸能、GABA能神经递质异常，导致认知功能障碍。炎性反应还可以破坏血脑屏障导致其通透性增高，从而氨等有毒物质和炎性因子进入脑内，引起脑实质改变和脑功能障碍进一步加重毒性作用。

镁离子浓度与肝硬化具有密切关系。肝硬化导致细胞内外的镁浓度出现差异，而镁离子缺乏又会加重肝硬化的进展。肝硬化导致镁离子缺乏主要是饮食摄入量低、血清白蛋白浓度降低、激素失活及肾脏肾小管重吸收减低造成尿镁排泄增加。相反镁离子缺乏造成肝硬化进一步进展可能是由炎性反应及氧化应激导致线粒体的损伤、氧化还原信号失调导致的炎症持续存在、与氧化还原信号失调相关的肝星状细胞的转化和ECM重构导致肝损害。补充镁可以减慢肝硬化进展并降低死亡率。尽管这些发现提供了基础，但在该领域仍需要大量研究。