Intracellular magnesium concentration in healthy horses and horses with insulin dysregulation

Abstract

Magnesium metabolism is closely connected with insulin, glucose homeostasis and the diseases metabolic syndrome and diabetes mellitus in humans. Especially the free intracellular magnesium concentration [Mg2+]i is of interest in these patients, as it resembles the status in the tissue and is more reliable than the serum magnesium concentration. The equine metabolic syndrome is an important and widespread disease that shows many similarities to human diabetes mellitus. Human diabetes mellitus patients often display a magnesium deficit in the serum or at the cellular level and benefit from magnesium supplementation. Reasons for these deficits are versatile and include a low magnesium content in the diet, renal losses due to hyperglycemic glycosuria and magnesium shifts resulting in an intracellular magnesium deficit. Horses’ diets typically contain high amounts of magnesium and baseline hyperglycemia with glycosuria and urinary losses of magnesium rarely occur. A whole body magnesium deficit is therefore unlikely to develop. However, shifts from the intracellular to the extracellular compartment are reasonable and studies comparable to those in human medicine have not been performed in horses yet. To establish reference ranges in healthy horses, the free intracellular magnesium concentration was measured by mag-fura 2 spectrophotometry in blood lymphocytes in 12 non-obese horses at 9 a.m., 12 a.m. and 4 p.m. according to a protocol designed for human blood lymphocytes. Additionally, the serum magnesium concentration was measured. In all horses, the total serum magnesium concentration was within the reference range. The mean free magnesium concentration in blood lymphocytes of all horses was 0.291 ± 0.067 mmol/L with no significant difference among the time points. The reference range for the free intracellular magnesium concentration in equine lymphocytes was set at 0.16–0.42 mmol/L. The established values are slightly lower than those in healthy humans. The second part of the study included 38 obese horses with insulin dysregulation, diagnosed by a positive combined glucose insulin tolerance test (CGIT) and phenotypic signs of equine metabolic syndrome. [Mg2+]i was significantly lower in horses with EMS (P=0.015) than in healthy horses, but still within the established reference range. We further demonstrated a positive correlation between the intracellular magnesium concentration and the proxy MIRG (modified insulin-to glucose ratio). The multivariate model revealed that only MIRG was significantly associated with [Mg2+]i, whereas all other factors had no additional influence. Thus, MIRG increase by 1 represents a [Mg2+ ]i increase by 0.015 mmol/L. This means, the decreased [Mg2+ ]i in EMS horses can be partially reversed by increased secretion of insulin from pancreatic β-cells. These findings substantiate the crucial role of insulin in regulating intracellular magnesium homeostasis and its relevance in EMS. Further studies should examine the role of magnesium metabolism in horses with metabolic syndrome, especially in horses with more pronounced insulin resistance.

Der Magnesiumstoffwechsel steht in engem Zusammenhang mit Insulin, der Glukosehomöostase und den Erkrankungen metabolisches Syndrom und Diabetes mellitus des Menschen. Bei diesen Patienten ist vor allem die intrazelluläre Magnesiumkonzentration [Mg2+]i von Interesse, da diese eher die Magnesiumkonzentration des Gewebes wiederspiegelt und zuverlässiger ist als die Serummagnesiumkonzentration. Das Equine Metabolische Syndrom (EMS) ist eine weit verbreitete Erkrankung mit enormer Relevanz in der Pferdepopulation, die viele Parallelen zum humanen Diabetes mellitus Typ II zeigt. Menschen mit Diabetes mellitus haben häufig einen Magnesiummangel im Serum oder auf zellulärer Ebene und profitieren von einer Magnesiumsupplementierung. Die Gründe für diesen Magnesiummangel sind vielfältig und beinhalten eine niedrige Magnesiumkonzentration in der Nahrung, renale Verluste durch eine hyperglykämische Glukosurie und Magnesiumverschiebungen, die in einem intrazellulären Magnesiummangel resultieren. Die Futtermittel von Pferden sind typischerweise reich an Magnesium und eine basale Hyperglykämie mit Glukosurie kommt ebenfalls selten vor. Ein totaler Magnesiummangel ist daher unwahrscheinlich. Verschiebungen von intra- nach extrazellulär könnten allerdings vorkommen und sind bisher in der Pferdemedizin noch nicht untersucht worden. Um Referenzbereiche gesunder Pferde zu erstellen, wurde die freie intrazelluläre Magnesiumkonzentration mittels Mag-Fura 2 Spektrometrie in den Blutlymphozyten von 12 normalgewichtigen Pferden zu den Zeitpunkten 9, 12 und 16 Uhr in Anlehnung an ein Protokoll aus der Humanmedizin gemessen. Zusätzlich wurde die Serummagnesiumkonzentration bestimmt. Diese war bei allen Pferden innerhalb des Referenzbereichs. Die mittlere freie intrazelluläre Magnesiumkonzentration der Blutlymphozyten aller Pferde lag bei 0,291 ± 0,067 mmol/L ohne signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen Zeitpunkten. Der Referenzbereich für [Mg2+]i gesunder Pferde wurde daher bei 0,16-0,42 mmol/L festgelegt. Der zweite Teil der Untersuchung schloss 38 übergewichtige Pferde mit Insulindysregulation (diagnostiziert durch einen positiven kombinierten Glukose-Insulin-Toleranztest (CGIT)) und phänotypischen Anzeichen von EMS ein. [Mg2+]i war bei Pferden mit EMS zwar signifikant niedriger als bei gesunden Pferden (P=0,015), aber noch immer innerhalb des erstellten Referenzbereichs. Wir konnten außerdem eine positive Korrelation zwischen [Mg2+]i und dem Proxy MIRG (modifizierte Insulin-Glukose Ratio) zeigen. Das multivariate Model zeigte, dass nur MIRG signifikant mit [Mg2+]i assoziiert war, während alle anderen Faktoren keinen zusätzlichen Einfluss hatten. Eine Erhöhung von MIRG um den Faktor 1 hängt mit einer [Mg2+]i Erhöhung um 0,015 mmol/L zusammen. Dies könnte bedeuten, dass erniedrigte [Mg2+]i bei EMS Patienten durch eine verstärkte Insulinsekretion aus den pankreatischen ß-Zellen revidiert werden können. Diese Ergebnisse bestätigen die wichtige Rolle von Insulin in der Regulation der intrazellulären Magnesiumkonzentration und deren Bedeutung bei EMS. Weitere Studien sollten die Rolle des Magnesiumstoffwechsels bei Pferden mit EMS, insbesondere mit einer deutlicher ausgeprägten Insulinresistenz untersuchen.