Физиология обмена магния и применение магнезии в интенсивной терапии (литературный обзор с результатами собственных наблюдений, часть 1)
Курсов С.В., Никонов В.В., Белецкий А.В., Федец О.И., Хоменко В.А.
Харьковская медицинская академия последипломного образования,
г. Харьков, Украина
КНП «Харьковская клиническая больница скорой и неотложной помощи им. проф. А.И. Мещанинова» Харьковского городского совета,
г. Харьков, Украина
ЧП «Медицинская лаборатория «Аналитика», г. Харьков, Украина
Резюме. В первой части обзора представлены данные о содержании магния в органах и тканях организма человека, описана роль магния в реализации множественных функций, особенности поступления и выведения его из организма. Значительная часть обзора посвящена методам определения концентрации магния в биологических жидкостях организма человека. Представлены преимущества, недостатки и ограничения применения различных методов. Наиболее распространенными методами изучения концентрации магния в биологических жидкостях организма, которые используются в клинической медицине, во всем мире остаются фотометрические методы с использованием красителей. Роль в организме фракции ионизированного магния, содержание которого определяется электрохимически, до сих пор остается неопределенной. Исследования содержания магния в клетках чрезвычайно сложны и трудоемки. Клетки разных органов и тканей содержат в норме очень разное количество магния. Не представляется возможным судить о наличии дефицита магния в организме по его концентрации в плазме или сыворотке крови. Для выявления снижения содержания магния в тканях применяются тесты с магниевой нагрузкой и последующим наблюдением за темпом выведения его из организма. Причины развития гипомагниемии чрезвычайно многочисленны. Главные среди них: любой тяжелый стресс, ограничение поступления магния в организм, увеличение его потерь через желудочно-кишечный тракт и через почки при различных патологических состояниях. Формированию гипомагниемии способствует терапия многочисленными медикаментами, которые очень широко используются в клинической практике, и особенно в практике интенсивной терапии. Исследования, посвященные изучению распределения магния в организме после его внутривенного введения, показали, что, несмотря на большие размеры гидратированных ионов магния, они не только могут парадоксально быстро распространяться в объеме внеклеточного водного пространства, но и, скорее всего, способны быстро проникать через клеточные мембраны, распространяясь во внутриклеточном водном компартменте.
Ключевые слова: магний; водно-электролитный обмен; гипомагниемия; интенсивная терапия; магнезиальная терапия
Введение. Магний, 12-й элемент периодической системы, был впервые получен в 1809 г. путем электролиза одним из основателей электрохимии английским ученым Humphry Davy (Хамфри Деви), который дал ему название, происходящее от французского слова «magnifique», что значит «чудесный». Замечательные свойства магния, широко используемые в фотографии, пиротехнике, оптике, металлургии, самолето- и автомобилестроении, проявляются также и в биологических объектах [1, 2].
Целью работы является оценка роли магния в физиологических и патологических процессах и перспективы его использования в интенсивной терапии.
Материалы и методы. Детально проанализированы результаты современных клинических исследований, посвященных изучению роли магния в организме человека и животных, особенностей обмена магния, влияния магния на течение патологических процессов и возможности интенсивной терапии с использованием препаратов магния. Анализ проведен на основании изучения и систематизации последней информации, представленной в Интернете на специализированных сайтах для профессионалов в области медицины.
Результаты и обсуждение. Магний -- жизненно важный элемент, четвертый по распространенности металл в человеческом организме после кальция, натрия и калия. Он является вторым по распространенности после калия внутриклеточным катионом. В организме большинства животных магний содержится в количестве около 0,4 г/кг массы [3]. На человека с массой тела 70 кг в среднем приходится 25--28 г магния (немногим более 1000 ммоль). Примерно половина его количества (50--53 %) находится в костях, 27--28 % -- в мышцах, 19--20 % -- в других мягких тканях; около 0,5 % всего магния организма содержат эритроциты, и 0,3--0,4 % магния находится в плазме крови. Кости обеспечивают большой обменный пул, который сглаживает резкие изменения концентрации магния в плазме крови. В целом одна треть скелетного магния является обменной, служа резервуаром для поддержания физиологического уровня внеклеточного магния. Примерно половина магния плазмы крови находится в свободном состоянии, а другая половина связана с альбумином и анионами слабых органических кислот [4--6]. Магний в качестве кофактора участвует в функционировании более 300 ферментных систем и требуется для таких фундаментальных процессов, как производство энергии и синтез нуклеиновых кислот. Роль магния в энергопродукции включает: превращение аденозинтрифосфата (АТФ) в циклический аде- нозинмонофосфат (цАМФ) через работу аденилатци- клазы, участие в окислительном фосфорилировании и реакциях гликолиза. Магний необходим для синтеза РНК и ДНК. Внутриклеточные запасы магния обнаруживаются в высоких концентрациях в митохондриях, где этот элемент играет ключевую роль в синтезе АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата. Более 3500 протеинов организма человека связываются с магнием [7--9]. Ферментные системы, которые функционируют благодаря магнию, обеспечивают: синтез белка, сокращение мышц, функцию нервной ткани, контроль гликемии, связывание гормонов с их рецепторами, возбудимость сердечной мышцы, трансмембранный ионный поток, закрытие кальциевых каналов [4, 7, 8].
Гомеостаз магния поддерживается кишечником, костями и почками. Магний, как и кальций, всасывается в кишечнике и хранится в костных минералах, а избыток магния выводится почками и кишечником. Магний в основном всасывается в тонком кишечнике, хотя некоторое количество также поступает через толстый кишечник. Известны две транспортные системы для магния в кишечнике. Большая часть магния всасывается в тонком кишечнике посредством пассивного параклеточного механизма, который управляется электрохимическим градиентом. Незначительная, но важная регуляторная фракция магния транспортируется через трансцеллюлярные переносчики транзиентных (непостоянных) потенциалзависимых каналов, которые также играют важную роль в абсорбции кальция в кишечнике. Из общего количества магния, потребляемого с пищей, только около 24--76 % всасывается в кишечнике, а остальная часть выводится с фекалиями. Примечательно, что всасывание в кишечнике не прямо пропорционально потреблению магния, а зависит главным образом от насыщения организма магнием. Чем ниже уровень магния в организме, тем больше этого элемента всасывается в кишечнике, поэтому относительное поглощение магния будет высоким при низком потреблении и наоборот. Когда концентрация магния в кишечнике низкая, преобладает активный трансцеллюлярный транспорт, в первую очередь в дистальных отделах тонкой и толстой кишки. Нулевой магниевый баланс, например, устанавливается, если в среднем в течение суток перорально в организм поступает около 360 мг магния и при отсутствии потребностей в его задержке в организме около 260 мг магния выделяется из организма через кишечник, а еще около 100 мг -- через почки. Первичный захват магния происходит в основном клетками крови. Биологический период полувыведения магния из организма составляет около 1000 часов (42 дня) [9--11].
Методы определения концентрации магния в биологических жидкостях
Первый количественный метод был разработан Mendel и Benedict (1909), которые исследовали выведение магния с мочой. После удаления кальция путем его осаждения в составе оксалата магний осаждался фосфатом аммония в щелочном растворе. Полученный осадок, содержащий пирофосфат магния, прокаливали и взвешивали. Методика была длительной, так как после удаления кальция оценка могла быть завершена только через 3,5 часа. Однако метод был достаточно точным и использовался в течение почти 50 лет.
Ускоренный метод Hoffman (1937) заключался в осаждении магния путем добавления 8-гидроксихинолина в щелочном растворе. Затем 8-гидроксихинолин магния определялся колориметрически. Но легковесность осадка затрудняла его полное отделение центрифугированием, что вносило ошибки в результаты оценки.
Метод с титановым желтым был наиболее широко цитируемым и вместе с тем наиболее подвергавшимся критике. Титановый желтый -- это соединение с формулой C28H19N5Na2O6S4, которое никакого титана не содержит. Это триазен, краситель, используемый в микроскопии. Также используется в качестве реагента для обнаружения магния. Как кислотно-щелочной индикатор, он меняет цвет с желтого на красный в диапазоне pH от 12 до 13. Метод понравился из-за относительной простоты: магний осаждают гидроксидом натрия в присутствии титанового желтого. Краситель адсорбируется гидроксидом магния, и изменение цвета происходит от желтого к красному. Но желтый цвет иногда присутствует в плазме или при заборе крови с легким гемолизом, что затрудняет точность определения. Любые излишки красителя разбавляют красный цвет. Другие элементы -- кальций, железо могут мешать точному определению концентрации магния.
Более поздний метод -- титрование раствора магния этилендиаминтетраацетатом (ЭДТА) (Carr и Frank, 1956). ЭДТА образует хелатное соединение с магнием при щелочном pH. Кроме того, магний образует комплекс с красителем эриохромом черным Т. Краситель добавляется к раствору, содержащему магний, с образованием комплекса вишнево-красного цвета. При добавлении ЭДТА из бюретки ионы магния удаляются с индикатора до тех пор, пока свободный индикатор не появится в растворе, о чем свидетельствует изменение цвета раствора на синий. При использовании микроколичеств конечная точка постепенно приближается, но конечную точку одной капли трудно обнаружить. Еще одна трудность заключается в том, что эриохром черный Т аналогичным образом реагирует с кальцием. Это требует либо предварительного удаления кальция из раствора, либо оценки содержания кальция с помощью кальциевого специфического индикатора, с последующим определением (кальций + магний); магний тогда определяется по разнице (Wilkinson, 1957). Ввиду того что концентрация кальция, например, в плазме намного больше, чем магния, этот метод нежелателен. Все описанные методы включают в себя несколько этапов. Отделение кальция часто необходимо. И все эти методы требуют забора не менее 2 мл плазмы крови [12--14].
Тем не менее, в настоящее время наиболее часто используемыми в обычных клинических лабораториях методами для определения содержания магния являются именно фотометрические, поскольку их легко автоматизировать. В недавнем обзоре проверки квалификации в области химии, проведенном Коллегией американских патологов, 99,8 % клинических лабораторий использовали фотометрические методы со связыванием красителей. К наиболее популярным методам связывания красителя для магния относятся методы связывания красителя с помощью кальмагита и магона (ксилидилового синего). Последний метод получил особенно широкое распространение. Кальмагит, обладающий высоким молярным светопоглощением (около 20 000 при pH = 10), является чувствительным индикатором для обнаружения тех ионов металлов, с которыми он реагирует. Растворы магния в присутствии этого индикатора приобретают отчетливую красную окраску [15].
Фотометрический тест с ксилидиловым синим основан на том, что в щелочной среде ионы магния образуют с ксилидиловым синим комплекс пурпурного цвета. В присутствии гликольэфирдиаминтетраацетата или ЭДТА, связывающих ионы кальция, реакция специфична и интенсивность пурпурной окраски пропорциональна концентрации магния. Оптическую плотность измеряют при длине волны 520 нм. Тест разработан для определения концентраций магния в диапазоне измерения от 0,05 до 5 г/дл (0,02--2,05 ммоль/л). Если значение превосходит верхнюю границу диапазона, образец должен быть разведен 1 + 4 изотоническим раствором натрия хлорида и полученный результат должен быть умножен на 5. Аскорбиновая кислота в концентрации до 30 мг/дл, билирубин в концентрации до 40 мг/дл (684 мкмоль/л), кальций в концентрации до 25 мг/дл (6,25 ммоль/л) и липемия с содержанием триглицеридов до 2000 мг/дл не влияют на точность анализа. Гемолиз мешает определению, так как из эритроцитов высвобождается магний [13, 15, 16].
Развитие пламенной спектрофотометрии (аналогичные термины -- «атомно-абсорбционная спектроскопия [спектрофотометрия]», «пламенная фотометрия») сделало возможным использование всего 0,1 мл плазмы для определения концентрации в ней магния. Атомно-абсорбционный метод анализа основан на поглощении излучения оптического диапазона свободными атомами, поскольку в оптическом диапазоне, соответствующем энергиям валентных электронов, свободные атомы и многоатомные частицы дают различные спектры. Основой метода атомно-абсорбционной спектрометрии является перевод определяемого вещества в атомный пар. Для этого используется источник высокой температуры -- атомизатор. Пламенная атомизация характеризуется тем, что источником высокой температуры служит пламя. Атомизатор представляет собой горелку, в которую непрерывно подаются горючие газы в смеси с окислителями. В атомизатор с помощью форсунки-распылителя вводится анализируемый раствор. Пламенная спектрофотометрия используется для определения концентрации магния в других биологических жидкостях. Еще одно преимущество спектрофотометрического метода определения концентрации электролитов (Alcock, MacIntyre, Radde, 1960) заключается в том, что кальций можно определить в той же жидкости, что и магний. Как кальций, так и магний можно определить в 20 образцах плазмы в течение 2 часов. Поскольку магний излучает свет в ультрафиолетовой части спектра (285,2 нм), количество энергии, необходимое для возбуждения его атомов, велико по сравнению с такими элементами, как натрий, калий и кальций. Поэтому для получения достаточной энергии необходимо особенно горячее пламя, для чего сжигается оксиацетилен, что создает температуру пламени приблизительно 3000 °С. Присутствие натрия в пробе обусловливает ошибку измерения, которая не превышает 2 %. Именно атомно-абсорбционная спектрофотометрия является референтным методом для определения концентрации металлов в биологических жидкостях, и состоятельность других методов исследования оценивается по соответствию их результатов данным, полученным с помощью атомно-абсорбционной спектрофотометрии [13, 17, 18].