電解質:マグネシウム【Mg2+】の役割について

今回は以前に公開させていただいた「活動電位」について、Na⁺、K⁺、Ca²⁺が主役として執筆させていただきました。

今回のテーマは「Mg²⁺」です

どの参考書を読んでもCl^–やMg²⁺について記載されているところをあまり見かけません。
しかし、Mg²⁺についてはイオン濃度としてよく表に掲載されていて、血中濃度的にも主要な電解質として存在しているにも関わらず、活動電位の項では触れられることはほとんどありません。

また、血ガスや採血データにおいても、Na⁺、K⁺、Ca²⁺などがどうしても重視され、Cl^–やMg²⁺を軽視しがちです。

筆者としてもCl^–やMg²⁺についてどのような役割があるのか気になったのでまとめることにしました。
今回はMg²⁺についてまとめており、別記事でCl^–についてまとめております。

膜電位に関わるイオン

以前に執筆した記事では、静止膜電位や活動電位に関連するイオンは、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl^–の4種類を掲載しました。ここで、細胞内外の上記イオンの濃度を確認しておきます。

細胞内のイオン濃度は、普段の採血で見るデータと全然異なることに注目ですね。

Mg²⁺の単位換算

まず手始めにMg²⁺の単位換算をします。

資料を見渡すとMg²⁺の濃度は、[mg/dL]、[mEq/L]、[mmol/L]でバラバラに表記されており非常に比較しにくいです。下記がMg²⁺の濃度１[mｍol/L]を基準とした変換式です。

1[mmol] = 2[mEq/L] = 2.4[mg/dL]

Mg²⁺の基準値

血清Mg²⁺の基準値は

0.74～1.07[mmol/L] = 1.48～2.14[mEq/L] = 1.78～2.57[mg/dL]

となっています。

しかし、蛋白結合などをしていない遊離Mg²⁺は総Mgの64%程度であるため、イオンとしては

0.47～0.68[mmol/L] = 0.94～1.36[mEq/L] = 1.13～1.63[mg/dL]

です。

Mg²⁺の役割

Mgは体内に存在する電解質の1つですが、その血液中の大半がタンパク質と結合していたり、骨内に貯蔵されています。

体内のMgの半数は骨内に存在します。

血液内のMgは微量ではありますが、骨や歯の形成、300種類以上もの酵素の活性化、神経情報の伝達、筋収縮、体温や血圧の調整、CaやKの代謝、鬱、長期記憶などMgの役割は多岐に渡ります。

特にMg欠乏は細胞内外のNa⁺、K⁺、Ca²⁺のバランスが崩れて心機能に影響をもたらします。

ちなみに、Mgは腎排出ですので、腎疾患では血中Mg濃度が高くなることがあります。

マグミットのような薬のように、サプリや薬剤でのMg過剰摂取では下痢の症状が引き起こされることがあります。

Mg²⁺異常値での病態

低Mg²⁺

低Mg²⁺　原因

• 大量飲酒 → 排泄量が増加
• 下痢 → 排泄量が増加
• アルドステロン症
• バソプレシン（抗利尿ホルモン）高値
• 甲状腺ホルモン高値 → 甲状腺機能亢進症
• 利尿薬、抗真菌薬のアムホテリシンB、化学療法薬のシスプラチンなどの薬剤
• プロトンポンプ阻害薬
• 授乳
• 慢性腎盂腎炎

低Mg²⁺　症状

• 吐き気
• 嘔吐
• 眠気
• 脱力
• 人格の変化（抑うつ、幻覚、認知機能の低下、見当識障害）
• 筋肉のけいれん
• 振戦
• 食欲不振
• けいれん発作（特に小児）

高Mg²⁺

高Mg²⁺　原因

• 腎不全
• 尿崩症
• アジソン病
• 甲状腺機能低下症
• 組織崩壊
• Mg過剰投与
• リチウム投与

高Mg²⁺　症状

• 筋力低下
• 低血圧
• 呼吸障害
• 昏睡
• 心電図変化（PR延長、QRS延長、QT延長）
• 心停止

木村琢磨：JIM 18(11), 2008、川村祐一郎：臨床医 31(6)、2005

Mg²⁺の電解質としての役割

さて、ここが本記事のメインとなると筆者は思っています。
なんせ、参考書には記載がほとんど無い内容でしたので・・・。

Mg²⁺の腸管吸収、尿細管再吸収

経口摂取されたMg²⁺は腸管で吸収され、腎臓で排泄されます。

Jeroen H. F. de Baaij et al. Clin Kidney J.2012 Feb;5(Suppl 1):i15-i24.doi: 10.1093/ndtplus/sfr164.
「Regulation of magnesium balance: lessons learned from human genetic disease」

腸管では単純拡散（simple diffusion）及びTRPM6（Transient Receptor Potential Cation Channel Subfamily M Member 6）、TRPM7（略）という陽イオンチャネルによって細胞内へ能動輸送されています。

Jeroen H. F. de Baaij et al. Clin Kidney J.2012 Feb;5(Suppl 1):i15-i24.doi: 10.1093/ndtplus/sfr164.
「Regulation of magnesium balance: lessons learned from human genetic disease」

そして、血中Mg²⁺は糸球体で濾過され一旦尿中に排泄されますが、ほとんどがヘンレループ尿細管で再吸収されることになります。

Jeroen H. F. de Baaij et al. Clin Kidney J.2012 Feb;5(Suppl 1):i15-i24.doi: 10.1093/ndtplus/sfr164.
「Regulation of magnesium balance: lessons learned from human genetic disease」

Mg²⁺による他の電解質異常への相互作用

Mg²⁺の変化が他の電解質異常への原因となり得ることがあります。
ここでは、Mg²⁺が低下した際のCa²⁺とK⁺への影響をご紹介したいと思います。

周術期とMg²⁺の関係

周術期には様々なストレスによりカテコラミン分泌上昇、脂質加水分解促進をしますが、カテコラミン濃度上昇と脂質加水分解促進により以下の作用が働きます。

次に血中Mg²⁺が低下した後のCa²⁺とK⁺の変化は以下の通りです。

周術期患者と低Mg²⁺

低Mg血症はICU患者で65%、一般入院患者でも20%以上に達するという報告があり（Noronha JL, Matuschak GM. Magnesium in critical illness:metabolism, assessment, and treatment. Intensive Care Med 2002;28:667-679.）、少し古いですが別の報告でもICU患者で60%、一般入院患者で11%に達すると報告されています（Am J Clin Pathol. 1983 Mar;79(3):348-52.）。

上記のようにICU患者ではかなりの確率で低Mg血症がみられ、低Mg血症が無い患者と比較しても致死率は高いとされています。しかし、日常的にMgの測定は行われいないために低Mg血症が見逃されている場合も多々あることでしょう。

その上、血清Mg濃度、遊離Mg²⁺濃度は体内の総Mg量を必ずしも反映しているわけでもなく、血清Mg濃度や遊離Mg²⁺濃度が正常であったとしても体内総Mg量が欠乏していることもあります。

Mg²⁺に関わるイオンチャネル

前項にてMg²⁺が低下することでK⁺とCa²⁺が低下すると説明しました。
本項では、Mg²⁺に関わるイオンチャネルの話を絡めて、もう少し詳しく説明します。

Mg²⁺とK⁺

低Mg血症患者では低K血症を引き起こすということを先述しましたが、実は低Mg血症患者では40～60%程度の確率で低K血症を合併（JAMA. 1990;263(22):3063「Frequency of Hypomagnesemia and Hypermagnesemia」）、低K血症患者では50%程度で低Mg血症を合併している（J Am Soc Nephrol 18:2649–2652,2007「Mechanism of hypokalemia in magnesium deficiency」）と報告されており、Mg²⁺とK⁺は密接に関係性があるのです。

Mg²⁺とK⁺が関わるイオンチャネルが存在しています。
主にヘンレループ尿細管に発現している陽イオンチャネルで、ROMKチャネル（Renal outer medullary potassium channel）と呼ばれています。

ROMKチャネルは細胞内からK⁺を排泄する機能があるのですが、細胞内のMg²⁺はROMKチャネルの抑制因子であり、ROMKチャネルと結合することにより細胞外へのK⁺排泄を抑制します。

逆に言えば、細胞内のMg²⁺が減少・・・つまりは低Mg血症になるとROMKチャネルの抑制が解除されて、K⁺排泄が亢進されます。これにより尿中へK⁺排泄され低K血症が進行するのです。

細胞膜にはNa⁺/K⁺ATPseとNKCC2が存在するので、細胞内へのK⁺供給は途絶えません。
Mg²⁺による抑制がなければ、ROMKチャネルによってどんどんK⁺は排泄されることになります。

低Mg²⁺を是正させない限り、K⁺を補充してもK⁺が改善されない治療抵抗性低K血症となることでしょう。

Jeroen H. F. de Baaij et al. Clin Kidney J.2012 Feb;5(Suppl 1):i15-i24.doi: 10.1093/ndtplus/sfr164.
「Regulation of magnesium balance: lessons learned from human genetic disease」

Mg²⁺とCa²⁺

次にCa²⁺についてです。

血清Ca²⁺の40%はアルブミン（ALB）などの蛋白と、10%はリン酸、クエン酸、HCO₃^–と結合しています。残りの50%がCa²⁺イオンとして血中にて存在しています。

生体内ではイオン化状態での存在が重要で、副甲状腺ホルモン（PTH）とカルシトリオール（1,25-(OH)2VD3）すなわちビタミンDの骨、腸管、腎臓への作用によって調節されています。

Mg²⁺とCa²⁺が関わるイオンチャネルや受容体を見ていきましょう。

Mg²⁺とCa²⁺のいずれかが関わる機構として、カルシウム感知受容体（CaSR：calcium sensing receptor）、Na⁺/Ca²⁺交換体（NCX：Na⁺/Ca²⁺exchanger）、Ca²⁺ATPaseなどがあります。

カルシウム感知受容体（CaSR：calcium sensing receptor）

血中Ca²⁺を感知する受容体。Mg²⁺がこのCaSRを活性化している。
また、副甲状腺細胞にも存在し、PTH分泌を調整している。
CaSRの活性化でPTH分泌抑制、ROMKチャネルの抑制をする。

Na⁺/Ca²⁺交換体（NCX：Na⁺/Ca²⁺exchanger）

細胞内へNa⁺を、細胞外へCa²⁺を移動させている。

Ca²⁺ATPase

ATPとMg²⁺の存在下で細胞内へH⁺を、細胞外へCa²⁺を移動させている。

電圧依存性Ca²⁺チャネル（VDCC：Voltage-dependent calcium channel）

膜電位依存でCa²⁺を細胞内へ取り込むが、Mg²⁺により競合的阻害される。

Yago MD manas J Singh j front biosci 5:D602-618,2000

志水英明, 藤田芳郎, 伊藤恭彦, 松尾清一,日腎会誌 2008;50(2):91-96.「カルシウム，マグネシウム代謝の考え方」

高Mg血症であっても、低Mg血症であっても低Ca血症が引き起こされます。

高Mg血症の場合、CaSRと結合して活性化することでPTH分泌が抑制されて低Ca血症が引き起こされます。

低Mg血症の場合、PTHの合成は行われているものの分泌不全状態となっているようですCa²⁺を細胞外から細胞内へ取り込むチャネルとして、電圧依存性Ca²⁺チャネル（VDCC：Voltage-dependent calcium channel）が存在します。
このCa²⁺チャネルは通常、Mg²⁺により競合的阻害されますが、Mg²⁺が枯渇してくることによってCa²⁺が細胞内へ取り込まれ、CaSRと結合することになるので、恒常的にCaSRが活性化することになります。
そのためにPTH分泌が抑制され、さらに骨の PTH に対する反応性が低下することによって低Ca血症が引き起こされます。

さいごに

以上でMg²⁺に関する内容でした。
TRPM6やTRPM7、MgtEなどを含めたMg²⁺チャネルについての話もしようとしたのですが、内容が非常に難しくなる予感がして、「この記事どこに向かってるんだ？」となりそうだったのでここまでとしました。

ただ、Mg²⁺は活動電位での役割、心筋保護液での役割、血管の石灰化への影響などに関わってくるため取り扱いたかったのですが、1つの記事で説明できるものではないですし、plegiaに関して語るにも勉強不足ですので、今回は断念させていただきました。