維生素D缺乏對骨和骨外作用研究進展

馬江濤 柴爽 萬雷 黃宏興*

1.廣州中醫藥大學，廣東 廣州 510405 2.廣州中醫藥大學第三附屬醫院，廣東 廣州 510375

由海洋浮游植物產生的維生素D(vitamin D，VD)已有5億多年的歷史，因此，人們普遍認為VD是所有激素中最古老的一種，并且推測VD最初的功能可能是：當早期的浮游植物在陽光下進行光合作用時，保護對紫外線敏感的諸如蛋白質、DNA、RNA一類的生物大分子[1]。當脊椎動物進化到陸地后，主要生理功能是維持體內鈣磷穩態，這對哺乳動物維持骨骼鈣化至關重要。隨著陸地氣候、維度的差異以及人類的進化，VD既要通過紫外線穿透皮膚來合成，又要保護對紫外線敏感的生物大分子。為了尋找光合成與光保護這兩種矛盾性需求的生理平衡，不同種族和性別的人類，其皮膚色素發生不同程度的脫色，因此，生活在不同維度的人類有了膚色的差異。越來越多的研究表明，VD缺乏除了對骨有作用外，對骨外也有廣泛的作用[2]。

1 維生素D缺乏

維生素D缺乏是世界范圍內眾多人群普遍存在的問題。25羥維生素D[25 hydroxyvitamin D，25(OH)D]是判斷VD水平的最佳方法。盡管1,25雙羥維生素D[1,25-dihydroxyvitamin D,1,25(OH)2D]是其生物活性形式，但它不提供關于VD水平的信息，因為在缺乏VD的兒童和成年人中，它通常正常甚至升高。對于VD補充多少，血清25(OH)D應達到何種水平，目前仍有爭議。美國醫學會發布了關于VD需求的指南[3]。美國醫學會修訂的指南強調VD的每日需求量一般要滿足大多數人口的需求，適宜達到20 ng/mL的充足水平(乘以2.496，轉換成nmol/L)。當25(OH)D<20 ng/mL時，診斷為VD缺乏癥；當25(OH)D水平在21 ng/ mL～29 ng/mL時，診斷為VD不足癥；25(OH)D>30 ng/mL是足夠的，其中40～60 ng/mL是理想范圍。只要25(OH)D<150 ng/mL，VD中毒一般不會發生。

2 VD缺乏對骨作用的研究進展

VD缺乏不僅能引起體內鈣磷代謝障礙，而且也能引起佝僂病和軟骨病以及骨質疏松性骨折。

2.1 VD缺乏與鈣磷代謝

VD在鈣和磷的代謝中起著重要的調節作用，有助于確保鈣和磷在血清游離水平和骨骼礦化水平達到動態平衡。1,25(OH)2D通過促進腸上皮鈣通道和鈣結合蛋白的表達[4]，使腸鈣吸收率從10%～15%提高到30%～40%。根據在嚙齒類動物[5]中進行的多個實驗，估計1,25(OH)2D也能使腸磷吸收率從50%～60%增加到大約80%。VD還通過調節甲狀旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)水平發揮對鈣和磷的間接影響。VD缺乏導致血清鈣離子水平下降，低水平的血清鈣離子刺激PTH水平增加，PTH水平增加引起腎小管鈣吸收增加，磷吸收降低。PTH還刺激1,25(OH)2D的產生，從而促進鈣離子水平增加。PTH和1,25(OH)2D均能刺激成骨細胞動員骨骼鈣儲存，VD缺乏導致繼發性甲狀旁腺功能亢進，并伴有PTH增強的1,25(OH)2D產生，從而引起高鈣血癥。

2.2 VD缺乏與佝僂病和軟骨病

VD的發現使我們能夠預防或治療人類或動物的佝僂病。在17世紀中葉[6]，佝僂病被廣泛描述，但其病因仍然是個迷，直到發現暴露在陽光下或攝取魚肝油可以預防或治愈這種疾病。

充足的VD對于懷孕期和兒童期[7]骨骼的正常發育，以及對于成年人骨骼健康的維持至關重要。因為充足的VD能夠產生充足的鈣磷產物，其導致有效的骨骼礦化。孕期母體VD缺乏與嬰兒出生后持續數年的骨礦物質獲取能力顯著低下有關，在骨骺板未閉合的兒童中，VD缺乏[25(OH)D水平<15 ng/mL]會導致在礦化層前緣軟骨細胞的肥大和紊亂以及骨骼礦化障礙。這會導致骨骼畸形和身材矮小，這是VD缺乏引起佝僂病的典型癥狀。

在成人中，低25(OH)D水平和高PTH水平還導致低血清鈣磷產物，導致骨軟化癥，即膠原基質的礦化障礙，導致結構支持物減少，并增加骨折的風險。正如Delling在1975年描述的那樣，25(OH)D>30 ng/mL的所有個體均無骨軟化癥，提示這可能是維持骨健康的最低血清水平[8]。

2.3 VD缺乏與骨質疏松性骨折

由于25(OH)D的減少導致與破骨細胞生成有關的繼發性甲狀旁腺功能亢進，以及增加的骨吸收超過成骨細胞介導的骨形成，在成年人中這些都可以加重骨量減少和骨質疏松。骨質疏松癥在60～70歲的婦女中患病率為1/3，在80歲及以上的婦女中患病率為2/3[4]。據估計[9]，目前有1 000萬美國人患有骨質疏松癥，其中骨質疏松性骨折人數每年有150萬～200萬。50歲以上男性一生中有1/8會經歷一次骨質疏松性骨折。

VD通過維持PTH在生理健康水平，刺激成骨細胞活性，促進骨礦化以及減少跌倒風險，從而減少骨質疏松性骨折發生的風險。

3 VD缺乏對骨外作用的研究進展

VD缺乏不僅影響骨健康，而且對骨外健康也有廣泛的影響[10]。許多動物研究和大量的人類觀察性研究表明[11]，VD缺乏和癌癥、免疫系統疾病、心血管疾病、代謝性疾病(2型糖尿病和肥胖癥)、肌肉功能和跌倒等健康問題有聯系。現對VD缺乏引起的骨外作用總結如下。

3.1 VD缺乏與癌癥

增殖細胞和癌細胞是VD第一個潛在的可能的骨外作用靶點，這主要基于以下事實：(1)維生素D受體(vitamin D receptor，VDR)在幾種癌細胞系[12]中存在并發揮作用；(2)Garland等[13]描述紫外線輻射與幾個國家的癌癥發病率之間具有地理聯系。到目前為止，已有非常可靠的數據來支持1,25(OH)2D及其類似物具有抗增殖和抗癌作用，并且許多分子遺傳學研究也支持這個結論[14]。然而，觀察性研究卻顯示，VD缺乏和結腸癌之間沒有很強的相關性[14]。迄今為止，7項孟德爾隨機化(mendelian randomization，MR)研究中有6項產生了“無效”結果，其中只有一項MR研究發現，在遺傳性低血清25(OH)D的受試者中，患侵襲性卵巢癌的風險更高[6]。這種MR研究的無效結果可能歸因于研究設計存在問題，或者歸因于調節血清25(OH)D濃度的已知遺傳因素相對低的影響。6例以癌癥為終點的隨機臨床研究(randomized clinical trial，RCT)治療了超過40 000例患者，沒有顯示補充VD具有顯著的抗癌作用[6]。

3.2 VD缺乏與免疫系統

免疫系統的所有細胞都表達VDR，幾乎參與免疫系統的所有細胞因子都受1,25(OH)2D控制。此外，VD內分泌系統對先天性免疫系統有作用，從而激活細胞(單核/巨噬細胞)和分子防御機制。相比之下，VD內分泌系統具有降低獲得性免疫系統(從抗原遞呈細胞到所有T輔助細胞)的序貫作用，從而在Th1-17破壞性通路上增強耐受性。基于這些廣泛的體外和臨床前模型，可以預計較低的VD水平將與更高的感染風險和更高的自身免疫性疾病發病率相關[15]。

關于主要的自身免疫性疾病，在觀察性和MR研究中，發現VD缺乏和多發性硬化癥(multiple sclerosis，MS)之間存在最強的聯系。的確，MS患者的血清25(OH)D通常低于對照組，并且最重要的是，血清低25(OH)D濃度增加了患晚期MS的風險[16]。最強烈的依據是：用基因預測更低的血清25(OH)D濃度的受試者，其患MS風險增加[17]。但迄今為止還沒有RCT證實這種因果關系，而且不太可能很容易地進行設計，因為VD缺乏與自身免疫性疾病的發病之間可能存在較長的滯后期。

3.3 VD缺乏與心血管疾病

基于體外和臨床前研究，VD缺乏與心血管事件之間可能存在聯系。這些研究表明許多對心血管功能至關重要的基因受到1,25(OH)2D的調控。這些基因包括參與腎素、前列腺素、血栓調節蛋白、NO生成的基因。然而，過高濃度的1,25(OH)2D可刺激血管平滑肌細胞向成骨樣細胞的轉分化并誘導異位鈣化。VDR或25(OH)D-1a-羥化酶(CYP27B1)的缺失導致由腎素血管緊張素系統介導的高血壓，增加血栓形成，減少溶栓并刺激心肌肥大[18]。特異性缺失VDR的小鼠心肌細胞也觀察到心肌纖維化和肥大[19]。大量關于病例對照研究和其他觀察性研究的薈萃分析證實[20]，VD缺乏與心血管事件風險增加(包括心肌梗死和缺血性卒中)之間存在聯系。然而4項MR研究沒有發現遺傳性低血清25(OH)D濃度與心血管事件之間的聯系，但一項MR研究表明遺傳性低血清25(OH)D濃度對舒張壓或收縮壓的影響很小，一項研究表明遺傳性低血清25(OH)D濃度與較高的血脂濃度有關[6]。干預研究尚未發現對整體心血管預后的有益影響。一項46個RCT[21]的薈萃分析沒有發現補充VD對血壓有益，但后來的一項研究發現補充VD對成年黑人有一定的效果[22]。

3.4 VD缺乏和代謝性疾病

VD缺乏與代謝綜合征有關，包括2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)和肥胖癥。

3.4.12型糖尿病：首先，VD缺乏可能直接損害嚙齒類動物、兔和人的胰島素分泌[21]。其次，VD缺乏與炎癥反應增強有關，炎癥反應增強與T2DM風險增加密切相關。最后，VD缺乏與胰島素抵抗有關，胰島素抵抗是T2DM的病理特點。大量的隊列或觀察性研究已經發現低血清25(OH)D濃度與T2DM的高風險或高患病率有關[23]。

5項MR研究[24]已經觀察到這種關聯，只有一項研究發現在將近100 000例丹麥受試者中，遺傳性低25(OH)D濃度與T2DM患病率之間存在顯著關聯，而另外4項MR[6]沒有發現這種關聯。在正常人群中進行的一項薈萃分析[25]沒有發現低25(OH)D濃度對葡萄糖穩態、胰島素抵抗或晚發性T2DM等相關參數具有顯著影響。然而，在患糖尿病風險較高的患者中發現一些很小的改善，并且僅限于具有較低血清25(OH)D濃度的受試者[26-27]。

3.4.2肥胖：與健康的瘦人相比，超重和肥胖幾乎總是與VD缺乏有關，這種因果關系備受爭議。VDR和CYP27B1存在于脂肪細胞中，并且這些細胞尤其是它們的前體細胞對1，25(OH)2D有作用，包括對其功能的基本方面的影響，如解偶聯因子。VDR或CYP27B1缺陷的動物模型由于能量消耗的增加，一直發現偏瘦的表型。由于在CYP27B1缺陷小鼠(正常毛發)和VDR空白小鼠(完全脫發)中也發現了這種表型，因此排除了脫發導致熱量過多損失[28]。因此，這種觀察正好與人類VD缺乏和肥胖之間的關系相反。對于這些不一致的結果，目前還沒有合理的解釋。在人類中，低血清25(OH)D可能是由于超重或肥胖者較低的運動量和日照時間，或由于VD儲存在較多的脂肪中。由于補充VD通常不能減輕超重，干預研究也基本上是陰性的[29]。

3.5 VD缺乏與肌肉功能或跌倒

在先天性缺乏CYP27B1的患者和腎病終末期患者中發現了非常嚴重的VD缺乏，這可導致嚴重的近端肌肉病變，直至需要使用輪椅。這種肌肉表型可以在開始用1,25(OH)2D[17]治療幾天后消失。骨骼肌是否是VD內分泌系統的直接作用靶點引起了激烈的爭論，因為一些專家沒有發現骨骼肌中VDR mRNA或蛋白的可測量濃度，而許多其他專家發現VDR mRNA或蛋白的低表達，特別是在肌肉前體細胞中。此外，VDR的系統性缺失或心肌中的選擇性缺失導致骨骼肌成熟顯著延遲(全身性缺失)或心肌顯著纖維化和肥大(心肌中的選擇性缺失)。許多觀察性研究發現VD缺乏與肌肉力量或身體搖擺或跌倒風險增加有關[30]。干預研究并不明確，因為大多數補充性研究沒有發現對肌肉強度具有積極影響。但其他研究顯示，在嚴重VD缺乏的受試者中，補充VD對近端肌肉強度具有適度的影響[6]。

根據Cameron等[31]的研究，補充VD可減少社區患者的跌倒風險，而不是門診患者。使用大致相同的數據，其他人得出結論，VD對跌倒的影響位于“不足15%的無效邊界”[32]。在進一步研究之前，臨時結論似乎是VD缺乏的老年受試者補充VD可以適度降低跌倒的風險(約20%)。應避免過高劑量[血清25(OH)D>125 nmol/L]或間歇性高劑量(>300 000 IU)，因為這種策略可能產生相反的結果[6]。

3.6 VD缺乏與其他疾病

由于VDR和VDR作用幾乎存在于身體的所有細胞中，因此除了上述疾病之外，VD水平與幾乎所有人類疾病之間的關系已經被評估。對于大多數其他可能的作用，因果聯系的證據少于上面討論的疾病。這些疾病包括與心理健康有關的不同疾病如自閉癥、阿爾茨海默病或帕金森病、非酒精性脂肪肝、男女生殖疾病、眼病和肺病等。

4 VD缺乏具有廣泛作用的可能機理

VD缺乏對骨和骨外健康具有廣泛的作用。VD缺乏具有廣泛生理作用的原因可能是：腎臟和腎外許多組織可以產生1,25(OH)2D和VDR，1,25(OH)2D是VDR的配體。通過與VDR相互作用，1,25(OH)2D直接和間接調節多達2 000個基因[2]的表達，其中許多啟動子含有特定的VD反應元件(vitamin D response elements，VDRE)。VDR與其他轉錄因子協同作用，尤其是維甲酸X受體(retinoid X receptor，RXR)，以及共激活子和輔阻遏子共同提供靶基因特異性[33]。膜結合VDR也可能存在并介導1,25(OH)2D的更直接的非基因組作用，但這需要進一步研究來證實。

5 小結

近年來有關VD缺乏對骨和骨外作用的研究層出不窮，這些研究分別從不同的角度探討了VD缺乏與某種疾病的聯系及其可能的發病機制。這些研究表明，作為一種全身營養素的VD，其可能通過體內廣泛存在的VDR而發揮廣泛的生理作用。VD缺乏不只是引起某種疾病，而是可能引起多種疾病。統一的VD缺乏診斷標準，高質量的RCT研究以及從個體、器官、細胞、分子等水平進一步研究其可能的作用及發病機制，將是今后此類研究的重點。通過補充適量的VD來防治維生素D缺乏的相關疾病也為這些疾病的治療提供新的臨床思路。盡管目前對維生素D缺乏的骨外作用觀點不一，但有充分證據表明，補充適量的維生素D有助于身體健康。