镁元素在微生物组医学中的关键作用Magnesium (Mg) - Microbiome Medicine

概述

镁（Mg）通过影响细菌生长、代谢和宿主相互作用，在微生物致病性中发挥着基本作用。作为一种丰富的阳离子，镁对多种微生物过程至关重要，如DNA复制、蛋白质合成和细胞呼吸。1 病原体依赖镁来维持各种酶和细胞结构的功能，镁的可用性会影响微生物的毒力。[3] 镁还影响宿主免疫反应，影响微生物竞争、微生物定植和毒力因子表达。4 在临床上，管理镁水平可能对控制感染和调节微生物组以增强宿主防御具有治疗意义。[6] 镁参与微生物竞争、在抗菌素耐药性（AMR）中的作用，以及通过直接或间接机制影响微生物致病性的能力，使其成为旨在减轻感染和改善患者预后的临床策略的宝贵靶点。[7]

宿主不同生态位中的镁化学形态

据估计，人体中约有一半的镁存在于骨骼中。[8] 不同宿主生态位中的镁化学形态受到pH值、离子强度和配体存在等因素的影响。在唾液、血液和尿液等体液中，镁主要以游离Mg²⁺离子形式存在，但它也可以与白蛋白和球蛋白等蛋白质结合，或与柠檬酸盐和磷酸盐等有机分子形成复合物。[9] 在胃腔中，由于酸性pH值，镁主要以游离离子形式存在，这增强了其对微生物摄取的可用性。[10] 然而，在小肠中，磷酸盐等配体的存在降低了游离Mg²⁺浓度，从而限制了其对病原体的生物可利用性。[11] 在结肠中，镁以较高浓度存在，可以通过促进需要镁的病原体生长同时调节微生物竞争来影响肠道微生物组。[12] 这些在不同身体部位中镁化学形态的变化决定了病原体获取镁的能力，这对它们的生存和毒力至关重要。[13] 镁化学形态与微生物系统之间的这种动态相互作用强调了金属稳态在宿主防御和微生物致病性中的重要性。

微生物获取、调控与营养工具包

病原体中的镁获取是一个高度调控的过程，确保了对生存和毒力必要的最佳细胞内浓度。[14] 病原体利用多种机制获取镁，包括在大肠杆菌（Escherichia coli）中的高亲和力转运蛋白MgtA和MgtB，这些转运蛋白在镁受限条件下被激活。[15] 这些转运蛋白促进从宿主环境中摄取Mg²⁺，而宿主金属螯合蛋白会导致镁的可用性变化。除了转运系统外，病原体还利用金属载体，这些是螯合镁并协助从细胞外环境摄取的小分子。[16] 进入细胞后，镁水平由特定的金属调控蛋白严格调控，如沙门氏菌（Salmonella）中的MgtR，它能感知细胞内镁并调节基因表达以确保适当的稳态。[17] 此外，病原体依靠外排系统排出过量镁，防止毒性积累。[18] 镁转运蛋白、储存蛋白和外排系统之间的相互作用对于微生物在各种环境条件下的生存至关重要，这也凸显了镁在细菌生理学中的核心作用。

镁获取与调控工具包

组件类别 | 典型系统

----------- |------------

转运蛋白 | MgtA、MgtB，在低Mg²⁺条件下激活，促进镁摄取。[19]

金属载体 | 铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中的镁特异性铁载体从宿主组织捕获Mg²⁺。[20]

调控因子 | 沙门氏菌（Salmonella）中的Mg²⁺敏感调控因子MgtR，调节转运蛋白表达。[21]

外排系统 | CorB、CorC或CorD。[22]

免疫与宿主螯合

镁在宿主体内受到严格调控，各种宿主蛋白通过螯合镁来限制微生物获取。参与镁螯合的关键宿主蛋白包括钙卫蛋白（calprotectin）、乳铁蛋白（lactoferrin）和转铁蛋白（transferrin），它们结合镁并阻止其被微生物病原体利用。特别是钙卫蛋白，作为重要的宿主因子，它在细胞外液中结合镁，尤其是在炎症反应期间，限制了病原体获取这种必需金属的能力。乳铁蛋白和转铁蛋白也在黏膜表面和血液中发挥关键作用，通过螯合镁来阻止细菌生长和定植。宿主蛋白对镁的螯合破坏了镁依赖性微生物酶的功能，如幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）中的脲酶或金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）中的ATP酶，这些酶对微生物生存至关重要。因此，通过宿主螯合限制镁的可用性，作为一种直接的抗菌机制，阻碍了细菌生长和毒力因子的产生。

宿主螯合对病原体的影响

宿主因子 | 对金属依赖性酶或生长的微生物影响

----------- |------------

钙卫蛋白 | 通过结合Mg²⁺限制沙门氏菌生长，影响镁依赖性酶

乳铁蛋白 | 抑制幽门螺杆菌脲酶活性，减少定植

转铁蛋白 | 通过结合Mg²⁺减少金黄色葡萄球菌生长，限制镁的可用性

金属载体与群落竞争

镁结合金属载体由病原体分泌，用于从宿主和其他微生物物种中捕获镁。这些金属载体是细菌生存和毒力工具包的一部分，因为它们使细菌能够在镁供应有限时获取镁。像铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）等病原体利用类似铁载体的系统从宿主组织和周围环境中捕获镁。这种对镁的竞争可以塑造微生物群落动态，特别是在多微生物感染中，多个物种为有限资源而竞争。炎症反应进一步影响金属载体的产生，因为宿主免疫信号可以增加镁结合分子的分泌，增强依赖镁进行生长和毒力的病原体的竞争优势。这些机制强调了金属竞争在塑造微生物群落和影响感染结果中的重要性。

金属载体及其生态影响

金属载体或配体复合物 | 捕获系统与生态效应

----------- |------------

铜绿假单胞菌铁载体 | 结合游离Mg²⁺，增强病原体在宿主组织中对镁的竞争

链球菌金属载体 | 从宿主捕获Mg²⁺，增加毒力和在竞争环境中的生存能力

葡萄球菌Mg结合蛋白 | 通过从宿主螯合镁来增强毒力，影响微生物竞争

错误金属化与跨金属交叉对话

错误金属化是指镁取代微生物酶中的其他金属离子（如锌或铁），导致酶功能障碍。在镁含量丰富的环境中，过量镁的存在可能会特别成问题，因为过量的镁会取代对酶正常功能至关重要的锌或铁等金属。例如，在大肠杆菌（Escherichia coli）中，过量镁会干扰碱性磷酸酶等锌依赖性酶的功能，导致活性丧失。当镁浓度波动时，错误金属化的风险增加，特别是在感染期间或金属可用性可变的情况下。这种错误结合可以改变参与微生物代谢和毒力的关键酶的活性，这对针对金属稳态的治疗干预具有影响。通过操纵镁浓度，临床医生可能能够诱导错误金属化，损害微生物功能并降低病原体存活率。

错误金属化的风险与影响

易受影响的酶类别 | 可能的错误金属结果与临床注意事项

----------- |------------

锌依赖性酶 | 过量镁取代锌，降低酶活性，损害微生物代谢

铁依赖性酶 | 镁过量取代铁，导致铁相关过程功能障碍，影响微生物毒力

毒力通路图谱

镁对许多病原体的毒力至关重要，它激活参与宿主入侵和免疫逃避的关键酶和过程。在肠沙门氏菌（Salmonella enterica）中，镁对III型分泌系统（T3SS）的激活至关重要，该系统负责将细菌效应蛋白注入宿主细胞，促进入侵。同样，在金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）中，镁对细胞外毒素的激活是必需的，这些毒素有助于组织损伤和免疫系统逃避。通过调控这些镁依赖性毒力因子，病原体可以建立和维持感染。针对镁获取途径的靶向，如抑制镁转运蛋白或金属载体系统，提供了潜在的治疗策略，以降低这些生物体的致病性。

可靶向的毒力节点与潜在干预

可靶向节点 | 微生物组靶向干预（MBTI）概念及其对致病性的预期影响

----------- |------------

III型分泌系统 | 抑制镁摄取可降低病原体入侵效率和免疫逃避能力

S. aureus中的细胞外毒素 | 镁螯合减少毒素产生，防止组织损伤和免疫抑制

镁暴露与微生物组结果

镁对微生物组组成和功能有着深远影响，其可用性的变化影响微生物多样性和活性。镁影响共生和致病微生物的生长，需要镁的病原体如艰难梭菌（Clostridium difficile）在富含镁的环境中繁盛。另一方面，镁缺乏可导致生态失调，表现为有益微生物减少和致病物种过度生长。镁还影响肠道微生物群产生代谢物（如短链脂肪酸SCFAs）的能力，这对维持肠道屏障完整性至关重要。此外，肠道中的镁水平影响微生物组的抗性组（resistome），即微生物可以相互转移的耐药基因集合，可能促进抗菌素耐药性（AMR）。宿主体内镁的可用性因此是塑造微生物组动态的关键决定因素，不仅影响微生物群落结构，还影响宿主-微生物相互作用、免疫反应和感染结果。

镁暴露对微生物组选择信号的影响

暴露或浓度范围 | 观察到的或预测的微生物组选择信号

----------- |------------

50-100 μM Mg²⁺ | 肠道微生物群中艰难梭菌生长增强，可能导致生态失调

10-20 μM Mg²⁺ | 抑制病原物种生物膜形成，可能促进有益微生物生长

低Mg²⁺（缺乏） | 肠道通透性增加和微生物失衡，可能导致慢性疾病

抗菌素耐药性共同选择

镁暴露与抗菌素耐药性（AMR）密切相关，因为许多参与镁转运的金属外排系统也负责抗生素的排出。暴露于高水平镁的病原体可能由于金属和药物耐药通路的交叉调控而对某些抗生素产生耐药性。例如，铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）用于管理过量镁的外排泵也负责排出四环素等抗生素。由于调控金属离子稳态的遗传通路经常与参与抗生素耐药性的通路重叠，因此出现了共耐药和共同选择现象。因此，长期暴露于高镁水平可能导致对金属和抗生素都有抗性的微生物菌株被选择，加剧AMR危机。在临床环境中监测镁水平和金属外排活性对于理解和减轻微生物群落中AMR共同选择的风险至关重要。

AMR共同选择信号

金属暴露环境 | 共同选择的耐药表型或调控子

----------- |------------

伤口中长期高镁 | 由于共享外排泵机制，对四环素产生耐药性

饮食中镁升高 | 通过常见的金属外排通路，对β-内酰胺类和大环内酯类抗生素产生共同选择

医院环境中的镁 | 在铜绿假单胞菌和葡萄球菌中观察到对多种抗生素的共同耐药性

检测与决策应用

测量生物标本中镁水平的实用检测方法包括血液、尿液和粪便样本，这些可为宿主的镁状态及其对微生物感染的影响提供宝贵见解。血镁检测有助于临床医生评估全身镁水平，这些水平可能在感染、炎症或其他疾病状态下发生变化。特别是尿镁水平对于诊断由依赖镁的病原体（如金黄色葡萄球菌和沙门氏菌）引起的感染很有用，因为这些病原体严重依赖镁来发挥毒力。粪便镁检测可用于研究镁对肠道微生物组组成和微生物代谢物产生的影响。这些检测为临床医生提供了监测感染进展和镁在调节微生物行为中作用的重要诊断工具。此外，它们可以指导将镁补充或螯合疗法作为微生物感染综合治疗策略的一部分。

检测与决策应用

检测方法与标本 | 决策应用与解释说明

----------- |------------

血镁检测 | 水平升高可能表明病原体的镁驱动毒力，有助于诊断感染和炎症

尿镁检测 | 高排泄表明由金黄色葡萄球菌或沙门氏菌等依赖镁的病原体引起的感染

粪便镁检测 | 粪便中镁的测量可提供关于肠道微生物组变化和镁对微生物多样性影响的见解

生物地理学与身体部位相互作用

镁与微生物种群的相互作用因身体部位及其相关微环境而异。在胃肠道中，镁在调节微生物生长方面发挥关键作用，特别是影响依赖镁生存的病原体。肠道中镁水平升高可促进艰难梭菌的生长，这是一种在富含镁条件下繁盛的病原体。在伤口中，镁是激活微生物毒力因子的关键因素，如金黄色葡萄球菌产生的毒力因子，其中镁的可用性增强毒素产生和形成生物膜的能力。在全身性感染中，镁水平可以影响细菌定植和免疫反应，根据病原体和感染部位，可能促进或抑制感染。因此，临床医生必须监测不同身体部位的镁浓度，以更好地了解微生物行为并指导治疗策略。

身体部位与相互作用

身体部位 | 主要的金属-微生物相互作用与可操作提示

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肠道 | 镁促进艰难梭菌生长；镁缺乏或过量可能导致生态失调

伤口 | 镁激活金黄色葡萄球菌的毒力因子；镁补充可能增强感染抵抗力

血液 | 镁调节免疫反应和细菌黏附，影响全身感染

尿液 | 镁水平升高表明由依赖镁的病原体引起的感染；镁检测可指导诊断

微生物组靶向干预与临床策略

调节镁水平的微生物组靶向干预（MBTIs） 可作为控制微生物感染的治疗策略的一部分。一种潜在策略是镁螯合，通过限制镁的可用性，可降低金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等病原体的毒力。相反，镁补充可能促进有益肠道微生物群的生长，改善肠道屏障功能并降低感染易感性。这些策略可以与其他针对微生物金属稳态的治疗方法（如抗生素或益生菌）结合使用，以优化感染控制并减少病原体定植。通过靶向微生物镁工具包——无论是通过抑制镁转运蛋白还是调节金属载体产生——临床医生可以定制治疗方案，以破坏病原体生长并增强宿主防御机制。

干预与预期微生物效果

干预措施 | 预期的微生物或宿主-微环境效果与注意事项

----------- |------------

镁螯合 | 降低金黄色葡萄球菌和沙门氏菌的微生物毒力；注意镁缺乏患者的状况

镁补充 | 增强肠道屏障功能并恢复微生物多样性；监测已有疾病的患者是否出现生态失调

与抗生素结合 | 可能协同减少病原体负荷；注意抗菌素耐药性的共同选择风险

知识空白与优先事项

尽管在理解镁在微生物致病性中的作用方面取得了重大进展，但仍有几个关键的不确定性阻碍了基于镁的疗法的临床应用。首先，镁如何调控微生物毒力的精确机制仍未完全了解，特别是在多微生物感染中。需要更深入的研究来了解镁如何与宿主中的其他金属相互作用，以及这种跨金属调控如何影响病原体行为和治疗结果。其次，虽然镁在免疫调节和微生物组动态中的作用已被认可，但其对微生物组结构、功能和抗菌素耐药性影响的全部范围仍不明确。特别是，镁水平与病原体中AMR发展的关系需要进一步研究。第三，镁对微生物组内微生物竞争的影响及其在操纵微生物群落方面的潜在治疗应用需要更全面地探索。为解决这些知识空白，未来研究应侧重于不同身体部位镁浓度的定量研究、其对微生物酶活性的影响，以及测量镁对宿主和病原体影响的检测方法的开发。解决这些空白将有助于设计调节镁水平的靶向疗法，以优化感染管理和微生物组健康。

更新历史

所有更新

2026-01-26 18:12:51

镁（Mg）主要发布

参考文献

1. 镁的重要性：关于其在健康和疾病中关键作用的全面综述。Fatima, G., Dzupina, A., Alhmadi, H. B., Magomedova, A., Siddiqui, Z., Mehdi, A., & Hadi, N. (2024). (Cureus, 16(10), e71392.)
2. 镁：生化、营养、检测以及与其缺乏相关疾病的社交影响。Fiorentini, D.; Cappadone, C.; Farruggia, G.; Prata, C. (Nutrients 2021, 13, 1136.)
3. 细菌Mg2+稳态、转运和毒力。Groisman, E. A., Hollands, K., Kriner, M. A., Lee, E. J., Park, S. Y., & Pontes, M. H. (2013). (Annual Review of Genetics, 47, 625.)
4. 了解矿物质如何促进最佳免疫功能。Stefanache, A., Lungu, I. I., Butnariu, I. A., Calin, G., Gutu, C., Marcu, C., Grierosu, C., Bogdan Goroftei, E. R., Duceac, L. D., Dabija, M. G., Popa, F., & Damir, D. (2023). (Journal of Immunology Research, 2023(1), 3355733.)
5. 镁感应调节肠出血性大肠杆菌O157:H7的肠道定植。Liu, Y., Han, R., Wang, J., Yang, P., Wang, F., & Yang, B. (2020). (MBio, 11(6), e02470-20.)
6. 了解矿物质如何促进最佳免疫功能。Stefanache, A., Lungu, I. I., Butnariu, I. A., Calin, G., Gutu, C., Marcu, C., Grierosu, C., Bogdan Goroftei, E. R., Duceac, L. D., Dabija, M. G., Popa, F., & Damir, D. (2023). (Journal of Immunology Research, 2023(1), 3355733.)
7. 镁的抗菌特性为开发更健康食品提供了机会。Demishtein, K., Reifen, R., & Shemesh, M. (2019). (Nutrients, 11(10), 2363.)
8. 镁：生化、营养、检测以及与其缺乏相关疾病的社交影响。Fiorentini, D.; Cappadone, C.; Farruggia, G.; Prata, C. (Nutrients 2021, 13, 1136.)
9. 镁失衡的实验室和临床视角。Ab Rahim, S. N., Nordin, N., Azwanee Wan Omar, W. F., Zulkarnain, S., Kumar, S., Sinha, S., & Haque, M. (2023). (Cureus, 15(12), e49835.)
10. 小肠镁吸收调控的最新观点。Chamniansawat, S., Suksridechacin, N., & Thongon, N. (2023). (World Journal of Gastroenterology, 29(2), 332.)
11. 小肠镁吸收调控的最新观点。Chamniansawat, S., Suksridechacin, N., & Thongon, N. (2023). (World Journal of Gastroenterology, 29(2), 332.)
12. 镁感应调节肠出血性大肠杆菌O157:H7的肠道定植。Liu, Y., Han, R., Wang, J., Yang, P., Wang, F., & Yang, B. (2020). (MBio, 11(6), e02470-20.)
13. 病原体如何感知并克服宿主组织中的镁限制。Blanc-Potard, A. B., & Groisman, E. A. (2020). (Trends in Microbiology, 29(2), 98.)
14. 病原体如何感知并克服宿主组织中的镁限制。Blanc-Potard, A. B., & Groisman, E. A. (2020). (Trends in Microbiology, 29(2), 98.)
15. 镁转运蛋白A通过心磷脂激活，并对体外游离镁高度敏感。Subramani, S., Perdreau-Dahl, H., & Morth, J. P. (2016). (ELife, 5, e11407.)
16. 铜绿假单胞菌镁转运蛋白MgtE通过刺激rsmYZ转录抑制III型分泌系统基因表达。Chakravarty, S., Melton, C. N., Bailin, A., Yahr, T. L., & Anderson, G. G. (2017). (Journal of Bacteriology, 199(23), e00268-17.)
17. MgtR调控肽负向控制沙门氏菌肠炎血清型中MgtA Mg2+转运蛋白的表达。Choi, E., Lee, K., & Shin, D. (2012). (Biochemical and Biophysical Research Communications, 417(1), 318-323.)
18. 金黄色葡萄球菌高Mg2+耐受性的必要因子。Armitano, J., Redder, P., Guimarães, V. A., & Linder, P. (2016). (Frontiers in Microbiology, 7, 227221.)
19. 镁转运蛋白A通过心磷脂激活，并对体外游离镁高度敏感。Subramani, S., Perdreau-Dahl, H., & Morth, J. P. (2016). (ELife, 5, e11407.)
20. 铜绿假单胞菌镁转运蛋白MgtE通过刺激rsmYZ转录抑制III型分泌系统基因表达。Chakravarty, S., Melton, C. N., Bailin, A., Yahr, T. L., & Anderson, G. G. (2017). (Journal of Bacteriology, 199(23), e00268-17.)
21. MgtR调控肽负向控制沙门氏菌肠炎血清型中MgtA Mg2+转运蛋白的表达。Choi, E., Lee, K., & Shin, D. (2012). (Biochemical and Biophysical Research Communications, 417(1), 318-323.)
22. 金黄色葡萄球菌高Mg2+耐受性的必要因子。Armitano, J., Redder, P., Guimarães, V. A., & Linder, P. (2016). (Frontiers in Microbiology, 7, 227221.)

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