鎂離子的生理特點及與肝硬化的關系

田慧 向平 周衛華 李學鋒 彭霞

肝硬化是多種肝臟疾病的終末階段，以結構破壞和肝纖維化為主要特征，進一步形成再生結節，具有多種多樣的臨床表現及并發癥。纖維化早期形成期間最初發生的是肝細胞壞死，肝細胞壞死由炎癥細胞產物、蛋白酶和活性氧自由基可通過大量細胞因子的連續釋放而引起，細胞損傷后星狀細胞活化，活化后的星狀細胞受多種細胞因子的影響具有如下功能：其中一些對星狀細胞有增殖作用，而另一些則促進纖維化形成。肝硬化，尤其是失代償期肝硬化患者，常并發多種嚴重并發癥，對社會以及家庭帶來巨大的經濟負擔，且也嚴重影響著患者生活質量。肝硬化患者常伴有電解質及酸堿平衡紊亂，目前對低鈉、低鉀、低氯、低鈣與肝硬化相關的研究相對較多。而對于低血清鎂水平與肝硬化嚴重程度相對研究較少。鎂是人體內最重要的微量元素，是人體內最豐富的細胞內離子。在許多生理功能中起到至關重要的作用，包括：調節細胞離子通道、轉運體、信號、細胞能量的產生和儲存；調節DNA、RNA、ATP、蛋白質、糖、脂的合成；維持細胞膜穩定性。鎂具有穩定核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸的作用，以實現DNA復制、轉錄以及轉移RNA功能。鎂與肝硬化之間存在非常重要的相互作用。肝硬化患者常伴有鎂離子缺乏，而鎂離子缺乏亦可加重肝硬化疾病進展[1-3]。

1 鎂和肝硬化

1.1 鎂的含量和分布 鎂是人體健康所需的礦物質，正常人體含有21～28 g鎂[4]；在骨骼中大約占53%，在肌肉中占27%，在非肌肉軟組織中占19%，只有 1%在細胞外液(ECF)中[5]。骨骼是體內鎂最大的儲存庫，維持血清鎂濃度平衡，從而保障體內其余組織器官的鎂代謝穩定[6]。

細胞內外均存在鎂離子，成人人體細胞內的鎂含量約24 g，而細胞外液中的鎂含量為280 mg[7]。鎂主要存在于細胞內，在細胞內液鎂的含量僅次于鉀，其濃度約為細胞外液的10倍。大約1/4的鎂分布在骨骼肌中，其余的則分布在神經系統和其他代謝率較高的器官，即肝臟、心肌、消化管、腎臟等。而在細胞內分布于細胞核，細胞質，線粒體和內質網中[1,7]。細胞內鎂約90%是結合型(主要結合到蛋白、負電荷的分子和ATP等)，游離部分僅為10%[8]，這對調節細胞內的鎂含量是必不可少的部分。胞外鎂主要存在于血漿，血漿中所含鎂的10%與小分子堿基結合(磷酸鹽、碳酸氫鹽、檸檬酸鹽等)，30%與蛋質白結合，60%為游離態，在以上三種胞外鎂的存在形式中，游離鎂仍具有最大的生物活性[9]。平均血清鎂濃度約為0.8 mmol/L，紅細胞中的鎂濃度約2.5 mmol/L[10]。

1.2 鎂平衡:吸收、排泄和動態平衡 在正常人體中，鎂的平衡依賴于小腸的吸收和腎臟的排泄、骨骼儲存共同作用。在生理條件下，30%～50%鎂主要是由小腸吸收[11]，只有小部分從結腸吸收。據報道直腸和乙狀結腸能夠吸收鎂的能力，因為使用含有硫酸鎂的藥物進行直腸灌腸后發現高鎂血癥[12]。目前鎂的吸收機制尚不明確，但大量證據表明鎂的吸收主要有兩種機制，包括主動的和被動的。主動轉運主要在低鎂情況進行被調控，被動吸收主要是電化學梯度和溶劑拖動介導的細胞間過程[13]。

在腎功能正常的情況下腎臟將鎂水平控制在一個較窄的范圍之內，在鎂平衡中起著關鍵作用。每天大約有2 400 mg的鎂被濾過，其中僅5%(120 mg)從尿液中排出[14]。腎臟對鎂的處理主要是由腎小球濾過和腎小管重吸收共同作用的。大約70%的血漿鎂在腎小球中被過濾，只有20%～30%的過濾鎂在近端小管中被重吸收[4]。鎂重吸收的主要部位是Henle環的近曲小管，60%鎂在此處被重新吸收，且該部位重新吸收與NaCI轉運密切相關。

1.3 鎂的代謝 鎂在細胞中具有重要的作用。參與體內300多個酶的反應以及多種代謝途徑，如核酸聚合、核糖體與RNA結合、DNA的合成和降解、葡萄糖的無氧磷酸化和線粒體氧化代謝、間接參與蛋白質合成、細胞內信號、調節離子通道[15]；還參加所有與ATP形成和消耗。鎂對能量產生具有非常重要的作用，因為鎂的氧化磷酸化產生ATP，所有依賴于ATP的反應都需要鎂來水解和轉移磷酸基。除此之外，鎂參與酶的合成，因為酶需要鎂和ATP，而且兩者之間具有很強的螯合作用，其酶活性取決于這兩種輔助因子的比例。腺苷酸環化酶也需要鎂產生細胞內的第二信使環磷酸腺苷[4]。鎂作用于細胞膜，可改變受體的位置和調節跨膜離子運動。因為鎂可作用于鈉、鉀、鈣通道和轉運酶。在鎂離子缺乏時會出現細胞內鈣、鈉濃度升高，鉀、磷濃度降低，綜上所述，鎂離子具有調節細胞內離子濃度的作用。鎂存在于細胞內細胞核、細胞質、線粒體和內質網中。鎂主要改變細胞器的鈣離子濃度，或者改變線粒體膜的通透性從而影響其氧化代謝過程，最終導致ATP的產生降低[15]。

2 鎂離子與肝硬化的關系

2.1 肝硬化存在鎂離子缺乏 肝硬化是臨床常見的各種慢性肝病的晚期階段，疾病初期，由于肝功能尚具有較好的代償能力，機體未顯現出特殊不適癥狀，但在疾病晚期階段，肝臟代償功能較差時則表現出肝功能損害及門脈高壓，并累及多個系統，晚期伴有多種并發癥也是肝硬化患者發生死亡的主要原因。臨床上研究發現肝硬化患者常常合并電解質紊亂，并且與患者肝功能分級及各種并發癥、預后有關。因此，肝硬化患者的血清電解質紊亂情況也逐漸受到人們的重視。

研究發現肝硬化患者體內鎂的含量通常較低[16]。肝硬化患者血清鎂離子和細胞內鎂離子水平均可下降[1]，其可能原因如下：(1)肝硬化患者失代償期門靜脈高壓引起腸道淤血或肝硬化患者腸道菌群失調并發腸道感染，從而引起腸道受損，導致腸道對鎂離子的吸收下降，進而導致低鎂血癥[17]；(2)因為腎臟是鎂離子最主要的代謝器官，鎂的主要重吸收部位在腎臟Henle環并且與NaCl因素有關，利尿劑會減少腎臟Henle環中NaCl重吸收從而增加鎂排泄，導致低鎂血癥[18]；(3)肝硬化患者常出現消化功能紊亂如腹瀉、嘔吐，常常因門靜脈高壓致胃腸淤血對鎂離子吸收減少，或者因門靜脈高壓引起食管胃底靜脈曲張破裂出血而禁食，而鎂離子常來源于飲食中，由此也會出現低鎂血癥；(4)肝硬化患者常伴有發內分泌異常，如高水平的醛固酮、生長激素和胰高血糖素，從而導致尿鎂排泄增多[19]。(5)肝硬化常伴有合成功能障礙，血清白蛋白常有降低，白蛋白是循環中鎂離子的重要轉運蛋白，因此鎂的平衡及運輸可能受到干擾。

2.2 鎂離子不足會加重肝硬化 多數因鎂攝入不足而導致慢性疾病的特征是有慢性炎癥和氧化應激的成分。研究表明，鎂離子缺乏可導致炎性反應，其特征是炎性細胞因子和急性期蛋白的釋放、自由基及氧化應激的過度釋放，從而增加慢性病的風險，這是一種看似很合理的機制[20]。其他研究表明鎂離子與血清或血漿C-反應蛋白呈負相關(CRP)，在鎂缺乏的人中CRP可能會增加，這被認為是一種炎性應激的指標，增加了慢性病的風險[21]。在1930年，在缺鎂的大鼠中觀察到炎癥的臨床表現，如脾腫大、充血、紅斑[21]。鎂離子缺乏導致炎性反應加重，最終可能導致膠原蛋白積累，從而導致肝硬化[22]。該研究表明，肝鎂的含量降低可能導致肝硬化病程進展。迄今為止尚缺乏鎂離子與肝硬化相關性研究。本文將探索低鎂離子水平導致肝硬化進展原因。

鎂離子缺乏時的炎性反應機制尚不清楚，但可能涉及以下事件：(1)鎂維持細胞膜的穩定性，且是天然的鈣拮抗劑[23]，肝硬化造成鎂離子缺乏，會出現細胞內高鈣、高鈉，鉀、磷降低。細胞內鈣升高從而造成炎性細胞因子、炎性神經肽、前列腺素、白三烯的釋放，而該細胞因子可作為白細胞、吞噬細胞的啟動劑以產生炎性反應。因此，細胞內鈣升高被認為是啟動炎癥的信號。通過口服鎂提升鎂離子濃度從而達到抗炎的作用[24]；(2)肝硬化造成鎂離子缺乏時會引起神經元存儲區釋放促炎性神經肽P物質，誘導促炎細胞因子的產生[25]；(3)激活核因子-κB (NF-κB)，這是一種負責炎癥相關基因表達轉錄因子，因此對炎性反應的調節至關重要[26]。

鎂缺乏時，會引起炎性反應，導致白細胞和吞噬細胞活化，并釋放炎癥細胞因子并向肝臟中募集更多炎性細胞，這種炎性反應會損害肝細胞及修復過程并加重肝纖維化而加劇肝硬化發展[27]。

鎂離子缺乏與氧化應激的增加和抗氧化防御能力降低有關，其原因即炎性因子增加[28]。肝硬化出現鎂離子缺乏時發生炎性反應，肝臟出現嚴重損傷，因此引起由肝實質細胞、炎性細胞、肝星狀細胞(HSC)產生活性氧(ROS)。ROS可能在肝星狀細胞向肌纖維化細胞的轉化以及膠原蛋白的產生起著重要的作用，這一過程是肝纖維化的關鍵過程[29]。

氧化應激介導肝損傷分子機制可能如下：(1)線粒體的損傷。鎂離子缺乏時造成大量活性氧(ROS)的產生，導致線粒體功能障礙及能量耗竭進而引起細胞凋亡[30]；鎂存在于細胞內的線粒體中，鎂離子缺乏會造成線粒體損傷，肝修復過程會導致纖維化加重。(2)氧化還原信號失調導致的炎癥持續存在[29，31]。炎細胞的活化導致大量的ROS形成，從而影響還原氧化穩態失調，NF-κB被激活[32]，NF-κB具有持續炎性反應的重要作用[33]。因此給予抗氧化化合物或過量表達內源性抗氧化蛋白通常能夠阻止肝硬化的發展。(3)與氧化還原信號失調相關的肝星狀細胞的轉化和細胞外基質(ECM)重塑。ROS可誘導HSC向肌成纖維細胞轉化，導致ECM過度沉積和生成，除此之外，ROS還能刺激其他細胞的增殖。ROS可能導致基質金屬蛋白酶的激活，導致ECM的重塑[34]。最終導致過度的肝纖維化[35]。

研究表明(蛋白激酶Cε)PKCε可以調節纖維蛋白原的沉積，盡管這些發現是在心臟組織中產生的，但該酶也可能調節肝臟中的纖維蛋白原的沉積。PKC是調節許多細胞蛋白功能的蛋白家族，活化的PKC易位容易導致細胞內鎂離子沉積，而PKCε對鎂的親和力最高。少量的鎂足以激活PKCε和使其易位。因此肝硬化低鎂患者導致PKCε的活性和易位降低，從而導致鎂離子進一步降低。肝細胞中的PKCε的活性和易位降低會增加纖維蛋白原和膠原蛋白的沉積從而加重肝硬化。

2.3 鎂離子對肝硬化的治療作用 由病毒、藥物、乙醇和非乙醇因素引起的肝纖維化發病率高，可發展為肝硬化甚至肝癌[36]。已經明確鎂離子缺乏與炎性反應、線粒體功能障礙、促纖維化反應及抗氧化系統活性降低有關。可進一步推測攝入鎂可以改善這種病理狀態。據研究，補充鎂離子與改善炎性因子有關[37]。異甘草酸鎂具有抑制炎性反應的作用，其機制是降低了促炎因子的表達。異甘草酸鎂處理顯著降低肝星狀細胞激活標志物的表達。此外，異甘草酸鎂的處理不僅能抑制活化的肝星狀細胞中促炎因子的表達，還能促進抗炎因子的產生[38]。韓國也報道紫草酸鎂B(MLB)抑制NF-κB產生及抑制由肝星狀細胞形成的活性氧(ROS)[39]。

3 鎂離子缺乏與ALD

3.1 飲酒會導致鎂離子缺失 乙醇性肝病(alcoholic liver disease,ALD)仍然是美國發病率及死亡率主要原因。2/3的美國人喝酒，估計有1 400萬人酗酒[40]。 >90%的酗酒者會出現脂肪堆積，但只有 30%的酗酒者會患上嚴重的乙醇性肝病，8%～20%的慢性乙醇中毒會發展為肝硬化，最終可能導致肝細胞癌[41]。肝臟是乙醇代謝的主要部位，也是受損最嚴重的器官。乙醇性肝病(ALD)是由于長期大量飲酒所致的慢性肝病。初期通常為脂肪肝，進而可發展為乙醇性肝炎、乙醇性肝纖維化和乙醇性肝硬化。這些基本病變可在同一患者中分別，同時或依次發生。乙醇濫用引起的肝損傷與乙醇代謝的有毒產物如乙醛的形成有關。雖然每種應激引起肝損傷的機制不同，但都有共同的因素，如炎癥過程的激活、活性氧的過量產生、微循環障礙等。氧化應激的誘導和炎性反應的激活被認為是乙醇性肝病(ALD)病理生理學中的關鍵因素[42]。

ALD 是由過量飲酒引起的一類疾病，其臨床表現因飲酒方式、個體對乙醇的敏感性以及肝組織損傷的嚴重程度而有明顯差異。早期表現為脂肪肝(乙醇性脂肪變性)，其特征是肝細胞內脂質過多積聚。它是良性和可逆的，很少進展為乙醇性肝炎和肝硬化。乙醇性肝炎(乙醇性脂肪性肝炎)是一種較嚴重的ALD，其特征是肝細胞損傷，并伴有急性或慢性炎癥。這類患者中約有40%會發展為乙醇性肝硬化。在 ALD 中，血清 AL T，AST 和α-谷氨酰轉移酶(GGT)的濃度通常較高，這些酶的血清水平通常用作 ALD 診斷的標志物。

臨床多次發現在ALD患者中鎂離子缺乏，不僅血清鎂離子缺乏，而且細胞內也缺乏鎂離子，其缺乏程度與疾病的嚴重程度成正比[43]。根據報道，連續3周在水中消耗 6%的乙醇會導致大鼠總組織鎂含量顯著降低[44]。長期飲酒會導致乙醇中毒，從而降低體內鎂的水平，其原因可能有如下幾點：(1)鎂離子來源于食物，酗酒者經常營養不良，因此，易出現低鎂血癥；(2)鎂的主要吸收部位為小腸，患者長期飲酒因嘔吐易損失腸道中的鎂；(3)因為腎臟是鎂離子主要的代謝器官，長期飲酒，導致有機酸和乳酸積累，有機酸與鎂離子形成復合物可能并損傷了其在腎小管中的重吸收或另一個解釋是乙醇或者其中間代謝產物可能直接影響腎小管膜中的鎂轉運蛋白者也會出現低鎂血癥[45]。

3.2 鎂缺乏會使ALD惡化 ALD最早反應為肝細胞中脂質堆積，這是一種可逆的情況，但可能會進展為炎癥和纖維化。飲酒期間甘油三酯和脂肪酸在肝臟積聚的機制涉及控制脂質合成、氧化和極低密度脂蛋白輸出的調節途徑。ALD患者出現鎂離子缺乏，造成線粒體受損，并且脂肪酸氧化主要發生在線粒體中，因此肝細胞中的脂肪酸氧化受到影響及線粒體功能障礙和能量耗竭導致細胞死亡[46]。最后表現為三酰甘油水平顯著增加和血清高密度脂蛋白(HDL)濃度降低。

隨著病情進展，表現為乙醇性肝炎，出現細胞壞死并伴隨急性和慢性炎癥。人們認為炎性反應失調是造成肝細胞損傷和組織壞死的原因。在生理條件下，鎂對抗炎細胞因子產生和釋放有正向調節作用。ALD患者乙醇會破壞腸道屏障，導致腸道通透性增加，鎂離子吸收部位為小腸，易出現鎂離子缺乏。除此之外，腸道受損后門靜脈中出現腸道細菌衍生的脂多糖(LPS)，LPS刺激肝臟的kupffer細胞[7,47]。鎂離子缺乏和LPS導致白細胞和巨噬細胞在局部非常活躍，釋放出許多炎性細胞因子并向肝臟周圍募集更多炎性細胞，炎癥在乙醇性肝病中起著關鍵作用，這種炎性反應會進一步加重疾病進展為肝硬化[48]。

最終進一步進展為乙醇性肝硬化。肝纖維化是慢性肝病發展為肝硬化的主要組織學特征，其特征是細胞外基質成分的沉積增加，特別是Ⅰ和Ⅲ型纖維性膠原的沉積[49]。鎂離子缺乏與膠原蛋白沉積有關。HSC活化是肝纖維化形成的關鍵因素。ALD出現鎂離子缺乏時發生炎性反應，肝臟出現嚴重損傷，因此引起由肝實質細胞、炎性細胞、HSC產生ROS。ROS可能在肝星狀細胞向肌纖維化細胞的轉化以及膠原蛋白的產生起著重要的作用，這一過程是肝纖維化的關鍵過程。除此之外，早期的研究表明，乙醛可以刺激肝星狀細胞合成成纖維形成的膠原和細胞外基質的結構糖蛋白[50]。并且還通過上調間質膠原酶基質金屬蛋白酶(MMP)-2 和下調纖維狀膠原酶 MMP-1 來促進 ECM重塑，從而導致正常的 ECM 成分被硬化基質替代[50]。綜上所述，ALD患者出現鎂離子缺乏，鎂離子缺乏與過度乙醇均可造成肝纖維化形成并進一步進展為肝硬化。

4 鎂與肝性腦病

肝硬化患者鎂離子含量下降加劇肝硬化疾病進展，因此肝硬化患者中鎂離子缺乏進一步加重肝功能衰竭，接踵而至的是肝性腦病。肝性腦病是由急、慢性肝功能障礙或門體分流異常所引起，主要以代謝紊亂為基礎伴隨輕、重程度不等的神經精神異常綜合征，是各種終末期的常見并發癥和死亡原因之一[51]。其主要的臨床特征表現為精神神經功能障礙，從性格改變、行為異常到意識障礙、昏迷。HE的發病機制十分復雜，至今尚未闡明。目前仍以經典的氨中毒學說為中心，同時炎性反應、腸道菌群、星形膠質細胞早衰、神經遞質改變等毒性物質的作用日益受到重視。由于鎂離子缺乏與肝性腦病時出現的精神神經系統癥狀有何關系,迄今尚未見論及。下面將探索鎂離子與肝性腦病之間的關系。

有研究認為鎂離子缺乏能使神經系統變性，從而導致代謝性腦功能障礙,主要表現在精神、椎體外系和神經肌肉方面。(1)精神癥狀表現在抑郁、焦慮、恐懼、定向力喪失、譫妄、幻覺等。(2)錐體外系表現在變異的不隨意運動如震顫、腕趾痙攣、抽搐、面肌抽搐和肌強直。(3)神經肌肉功能障礙如四肢肌肉震顫、痛性肌痙攣等[52]。嚴重者可昏迷、抽搐,腦電圖呈彌漫性中高幅慢波活動。上述表現在肝性腦病患者中亦不同程度的存在。由于鎂離子缺乏的臨床癥狀和體征隱匿,常被肝硬化的臨床表現掩蓋,而臨床醫生對低鎂血癥認識不足,往往不把血鎂列為常規電解質檢驗項目,因此容易造成漏診。

鎂在細胞內具有重要的作用，鎂具有激活細胞內各種酶系統,鎂離子是各種不同ATP酶的激活劑。鎂幾乎和所有的生命活動有關。鎂離子缺乏時,各種ATP酶的活性降低,當腦內ATP減少時,可導致腦細胞能量代謝障礙甚至凋亡。鎂離子缺乏會導致肝性腦病中神經遞質膽堿能系統發生改變。鎂離子缺乏可使神經肌肉接頭前膜誘發性乙酰膽堿酯酶活性增加，從而導致乙酰膽堿水解增加,接頭后膜對乙酰膽堿的敏感性提高，這種變化與腦內血氨水平無關。因此神經肌肉出現功能障礙。

氨中毒學說其機制是血氨中毒導致腦神經傳遞異常，由于肝功能嚴重衰竭，致使肝功能不能對血氨進行鳥氨酸循環有效解毒及尿素合成能力降低[53]，門體側枝循環的建立使得消化系統的氨未能經過肝臟解毒而直接進入體內循環，導致血氨水平升高，對神經系統產生毒性作用而引發肝性腦病。而氨需要經鳥氨酸循環清除則需要最基本的能量，而鎂離子是ATP酶的激活劑，鎂離子缺乏會導致腦細胞能量代謝障礙甚至凋亡，糖酵解增加導致腦內乳酸增高。

有研究表明，部分重癥HE患者的嚴重程度與血氨水平無明顯相關性，而是炎性反應有關，而鎂缺乏能引起炎癥，導致白細胞和吞噬細胞活化，并釋放炎性因子召集更多的炎性細胞及釋放ROS產生氧化應激和炎性反應[54]。因為鎂離子分布在神經系統，可能會引起腦源性炎性反應，引發神經炎癥，進而通過改變相應受體表達引起谷氨酸能、GABA能神經遞質異常，導致認知功能障礙。炎性反應還可以破壞血腦屏障導致其通透性增高，從而氨等有毒物質和炎性因子進入腦內，引起腦實質改變和腦功能障礙進一步加重毒性作用。

鎂離子濃度與肝硬化具有密切關系。肝硬化導致細胞內外的鎂濃度出現差異，而鎂離子缺乏又會加重肝硬化的進展。肝硬化導致鎂離子缺乏主要是飲食攝入量低、血清白蛋白濃度降低、激素失活及腎臟腎小管重吸收減低造成尿鎂排泄增加。相反鎂離子缺乏造成肝硬化進一步進展可能是由炎性反應及氧化應激導致線粒體的損傷、氧化還原信號失調導致的炎癥持續存在、與氧化還原信號失調相關的肝星狀細胞的轉化和ECM重構導致肝損害。補充鎂可以減慢肝硬化進展并降低死亡率。盡管這些發現提供了基礎，但在該領域仍需要大量研究。