维生素D缺乏对骨和骨外作用研究进展

马江涛 柴爽 万雷 黄宏兴*

1.广州中医药大学，广东 广州 510405 2.广州中医药大学第三附属医院，广东 广州 510375

由海洋浮游植物产生的维生素D(vitamin D，VD)已有5亿多年的历史，因此，人们普遍认为VD是所有激素中最古老的一种，并且推测VD最初的功能可能是：当早期的浮游植物在阳光下进行光合作用时，保护对紫外线敏感的诸如蛋白质、DNA、RNA一类的生物大分子[1]。当脊椎动物进化到陆地后，主要生理功能是维持体内钙磷稳态，这对哺乳动物维持骨骼钙化至关重要。随着陆地气候、维度的差异以及人类的进化，VD既要通过紫外线穿透皮肤来合成，又要保护对紫外线敏感的生物大分子。为了寻找光合成与光保护这两种矛盾性需求的生理平衡，不同种族和性别的人类，其皮肤色素发生不同程度的脱色，因此，生活在不同维度的人类有了肤色的差异。越来越多的研究表明，VD缺乏除了对骨有作用外，对骨外也有广泛的作用[2]。

1 维生素D缺乏

维生素D缺乏是世界范围内众多人群普遍存在的问题。25羟维生素D[25 hydroxyvitamin D，25(OH)D]是判断VD水平的最佳方法。尽管1,25双羟维生素D[1,25-dihydroxyvitamin D,1,25(OH)2D]是其生物活性形式，但它不提供关于VD水平的信息，因为在缺乏VD的儿童和成年人中，它通常正常甚至升高。对于VD补充多少，血清25(OH)D应达到何种水平，目前仍有争议。美国医学会发布了关于VD需求的指南[3]。美国医学会修订的指南强调VD的每日需求量一般要满足大多数人口的需求，适宜达到20 ng/mL的充足水平(乘以2.496，转换成nmol/L)。当25(OH)D<20 ng/mL时，诊断为VD缺乏症；当25(OH)D水平在21 ng/ mL～29 ng/mL时，诊断为VD不足症；25(OH)D>30 ng/mL是足够的，其中40～60 ng/mL是理想范围。只要25(OH)D<150 ng/mL，VD中毒一般不会发生。

2 VD缺乏对骨作用的研究进展

VD缺乏不仅能引起体内钙磷代谢障碍，而且也能引起佝偻病和软骨病以及骨质疏松性骨折。

2.1 VD缺乏与钙磷代谢

VD在钙和磷的代谢中起着重要的调节作用，有助于确保钙和磷在血清游离水平和骨骼矿化水平达到动态平衡。1,25(OH)2D通过促进肠上皮钙通道和钙结合蛋白的表达[4]，使肠钙吸收率从10%～15%提高到30%～40%。根据在啮齿类动物[5]中进行的多个实验，估计1,25(OH)2D也能使肠磷吸收率从50%～60%增加到大约80%。VD还通过调节甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)水平发挥对钙和磷的间接影响。VD缺乏导致血清钙离子水平下降，低水平的血清钙离子刺激PTH水平增加，PTH水平增加引起肾小管钙吸收增加，磷吸收降低。PTH还刺激1,25(OH)2D的产生，从而促进钙离子水平增加。PTH和1,25(OH)2D均能刺激成骨细胞动员骨骼钙储存，VD缺乏导致继发性甲状旁腺功能亢进，并伴有PTH增强的1,25(OH)2D产生，从而引起高钙血症。

2.2 VD缺乏与佝偻病和软骨病

VD的发现使我们能够预防或治疗人类或动物的佝偻病。在17世纪中叶[6]，佝偻病被广泛描述，但其病因仍然是个迷，直到发现暴露在阳光下或摄取鱼肝油可以预防或治愈这种疾病。

充足的VD对于怀孕期和儿童期[7]骨骼的正常发育，以及对于成年人骨骼健康的维持至关重要。因为充足的VD能够产生充足的钙磷产物，其导致有效的骨骼矿化。孕期母体VD缺乏与婴儿出生后持续数年的骨矿物质获取能力显著低下有关，在骨骺板未闭合的儿童中，VD缺乏[25(OH)D水平<15 ng/mL]会导致在矿化层前缘软骨细胞的肥大和紊乱以及骨骼矿化障碍。这会导致骨骼畸形和身材矮小，这是VD缺乏引起佝偻病的典型症状。

在成人中，低25(OH)D水平和高PTH水平还导致低血清钙磷产物，导致骨软化症，即胶原基质的矿化障碍，导致结构支持物减少，并增加骨折的风险。正如Delling在1975年描述的那样，25(OH)D>30 ng/mL的所有个体均无骨软化症，提示这可能是维持骨健康的最低血清水平[8]。

2.3 VD缺乏与骨质疏松性骨折

由于25(OH)D的减少导致与破骨细胞生成有关的继发性甲状旁腺功能亢进，以及增加的骨吸收超过成骨细胞介导的骨形成，在成年人中这些都可以加重骨量减少和骨质疏松。骨质疏松症在60～70岁的妇女中患病率为1/3，在80岁及以上的妇女中患病率为2/3[4]。据估计[9]，目前有1 000万美国人患有骨质疏松症，其中骨质疏松性骨折人数每年有150万～200万。50岁以上男性一生中有1/8会经历一次骨质疏松性骨折。

VD通过维持PTH在生理健康水平，刺激成骨细胞活性，促进骨矿化以及减少跌倒风险，从而减少骨质疏松性骨折发生的风险。

3 VD缺乏对骨外作用的研究进展

VD缺乏不仅影响骨健康，而且对骨外健康也有广泛的影响[10]。许多动物研究和大量的人类观察性研究表明[11]，VD缺乏和癌症、免疫系统疾病、心血管疾病、代谢性疾病(2型糖尿病和肥胖症)、肌肉功能和跌倒等健康问题有联系。现对VD缺乏引起的骨外作用总结如下。

3.1 VD缺乏与癌症

增殖细胞和癌细胞是VD第一个潜在的可能的骨外作用靶点，这主要基于以下事实：(1)维生素D受体(vitamin D receptor，VDR)在几种癌细胞系[12]中存在并发挥作用；(2)Garland等[13]描述紫外线辐射与几个国家的癌症发病率之间具有地理联系。到目前为止，已有非常可靠的数据来支持1,25(OH)2D及其类似物具有抗增殖和抗癌作用，并且许多分子遗传学研究也支持这个结论[14]。然而，观察性研究却显示，VD缺乏和结肠癌之间没有很强的相关性[14]。迄今为止，7项孟德尔随机化(mendelian randomization，MR)研究中有6项产生了“无效”结果，其中只有一项MR研究发现，在遗传性低血清25(OH)D的受试者中，患侵袭性卵巢癌的风险更高[6]。这种MR研究的无效结果可能归因于研究设计存在问题，或者归因于调节血清25(OH)D浓度的已知遗传因素相对低的影响。6例以癌症为终点的随机临床研究(randomized clinical trial，RCT)治疗了超过40 000例患者，没有显示补充VD具有显著的抗癌作用[6]。

3.2 VD缺乏与免疫系统

免疫系统的所有细胞都表达VDR，几乎参与免疫系统的所有细胞因子都受1,25(OH)2D控制。此外，VD内分泌系统对先天性免疫系统有作用，从而激活细胞(单核/巨噬细胞)和分子防御机制。相比之下，VD内分泌系统具有降低获得性免疫系统(从抗原递呈细胞到所有T辅助细胞)的序贯作用，从而在Th1-17破坏性通路上增强耐受性。基于这些广泛的体外和临床前模型，可以预计较低的VD水平将与更高的感染风险和更高的自身免疫性疾病发病率相关[15]。

关于主要的自身免疫性疾病，在观察性和MR研究中，发现VD缺乏和多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)之间存在最强的联系。的确，MS患者的血清25(OH)D通常低于对照组，并且最重要的是，血清低25(OH)D浓度增加了患晚期MS的风险[16]。最强烈的依据是：用基因预测更低的血清25(OH)D浓度的受试者，其患MS风险增加[17]。但迄今为止还没有RCT证实这种因果关系，而且不太可能很容易地进行设计，因为VD缺乏与自身免疫性疾病的发病之间可能存在较长的滞后期。

3.3 VD缺乏与心血管疾病

基于体外和临床前研究，VD缺乏与心血管事件之间可能存在联系。这些研究表明许多对心血管功能至关重要的基因受到1,25(OH)2D的调控。这些基因包括参与肾素、前列腺素、血栓调节蛋白、NO生成的基因。然而，过高浓度的1,25(OH)2D可刺激血管平滑肌细胞向成骨样细胞的转分化并诱导异位钙化。VDR或25(OH)D-1a-羟化酶(CYP27B1)的缺失导致由肾素血管紧张素系统介导的高血压，增加血栓形成，减少溶栓并刺激心肌肥大[18]。特异性缺失VDR的小鼠心肌细胞也观察到心肌纤维化和肥大[19]。大量关于病例对照研究和其他观察性研究的荟萃分析证实[20]，VD缺乏与心血管事件风险增加(包括心肌梗死和缺血性卒中)之间存在联系。然而4项MR研究没有发现遗传性低血清25(OH)D浓度与心血管事件之间的联系，但一项MR研究表明遗传性低血清25(OH)D浓度对舒张压或收缩压的影响很小，一项研究表明遗传性低血清25(OH)D浓度与较高的血脂浓度有关[6]。干预研究尚未发现对整体心血管预后的有益影响。一项46个RCT[21]的荟萃分析没有发现补充VD对血压有益，但后来的一项研究发现补充VD对成年黑人有一定的效果[22]。

3.4 VD缺乏和代谢性疾病

VD缺乏与代谢综合征有关，包括2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)和肥胖症。

3.4.12型糖尿病：首先，VD缺乏可能直接损害啮齿类动物、兔和人的胰岛素分泌[21]。其次，VD缺乏与炎症反应增强有关，炎症反应增强与T2DM风险增加密切相关。最后，VD缺乏与胰岛素抵抗有关，胰岛素抵抗是T2DM的病理特点。大量的队列或观察性研究已经发现低血清25(OH)D浓度与T2DM的高风险或高患病率有关[23]。

5项MR研究[24]已经观察到这种关联，只有一项研究发现在将近100 000例丹麦受试者中，遗传性低25(OH)D浓度与T2DM患病率之间存在显著关联，而另外4项MR[6]没有发现这种关联。在正常人群中进行的一项荟萃分析[25]没有发现低25(OH)D浓度对葡萄糖稳态、胰岛素抵抗或晚发性T2DM等相关参数具有显著影响。然而，在患糖尿病风险较高的患者中发现一些很小的改善，并且仅限于具有较低血清25(OH)D浓度的受试者[26-27]。

3.4.2肥胖：与健康的瘦人相比，超重和肥胖几乎总是与VD缺乏有关，这种因果关系备受争议。VDR和CYP27B1存在于脂肪细胞中，并且这些细胞尤其是它们的前体细胞对1，25(OH)2D有作用，包括对其功能的基本方面的影响，如解偶联因子。VDR或CYP27B1缺陷的动物模型由于能量消耗的增加，一直发现偏瘦的表型。由于在CYP27B1缺陷小鼠(正常毛发)和VDR空白小鼠(完全脱发)中也发现了这种表型，因此排除了脱发导致热量过多损失[28]。因此，这种观察正好与人类VD缺乏和肥胖之间的关系相反。对于这些不一致的结果，目前还没有合理的解释。在人类中，低血清25(OH)D可能是由于超重或肥胖者较低的运动量和日照时间，或由于VD储存在较多的脂肪中。由于补充VD通常不能减轻超重，干预研究也基本上是阴性的[29]。

3.5 VD缺乏与肌肉功能或跌倒

在先天性缺乏CYP27B1的患者和肾病终末期患者中发现了非常严重的VD缺乏，这可导致严重的近端肌肉病变，直至需要使用轮椅。这种肌肉表型可以在开始用1,25(OH)2D[17]治疗几天后消失。骨骼肌是否是VD内分泌系统的直接作用靶点引起了激烈的争论，因为一些专家没有发现骨骼肌中VDR mRNA或蛋白的可测量浓度，而许多其他专家发现VDR mRNA或蛋白的低表达，特别是在肌肉前体细胞中。此外，VDR的系统性缺失或心肌中的选择性缺失导致骨骼肌成熟显著延迟(全身性缺失)或心肌显著纤维化和肥大(心肌中的选择性缺失)。许多观察性研究发现VD缺乏与肌肉力量或身体摇摆或跌倒风险增加有关[30]。干预研究并不明确，因为大多数补充性研究没有发现对肌肉强度具有积极影响。但其他研究显示，在严重VD缺乏的受试者中，补充VD对近端肌肉强度具有适度的影响[6]。

根据Cameron等[31]的研究，补充VD可减少社区患者的跌倒风险，而不是门诊患者。使用大致相同的数据，其他人得出结论，VD对跌倒的影响位于“不足15%的无效边界”[32]。在进一步研究之前，临时结论似乎是VD缺乏的老年受试者补充VD可以适度降低跌倒的风险(约20%)。应避免过高剂量[血清25(OH)D>125 nmol/L]或间歇性高剂量(>300 000 IU)，因为这种策略可能产生相反的结果[6]。

3.6 VD缺乏与其他疾病

由于VDR和VDR作用几乎存在于身体的所有细胞中，因此除了上述疾病之外，VD水平与几乎所有人类疾病之间的关系已经被评估。对于大多数其他可能的作用，因果联系的证据少于上面讨论的疾病。这些疾病包括与心理健康有关的不同疾病如自闭症、阿尔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缺乏具有广泛作用的可能机理

VD缺乏对骨和骨外健康具有广泛的作用。VD缺乏具有广泛生理作用的原因可能是：肾脏和肾外许多组织可以产生1,25(OH)2D和VDR，1,25(OH)2D是VDR的配体。通过与VDR相互作用，1,25(OH)2D直接和间接调节多达2 000个基因[2]的表达，其中许多启动子含有特定的VD反应元件(vitamin D response elements，VDRE)。VDR与其他转录因子协同作用，尤其是维甲酸X受体(retinoid X receptor，RXR)，以及共激活子和辅阻遏子共同提供靶基因特异性[33]。膜结合VDR也可能存在并介导1,25(OH)2D的更直接的非基因组作用，但这需要进一步研究来证实。

5 小结

近年来有关VD缺乏对骨和骨外作用的研究层出不穷，这些研究分别从不同的角度探讨了VD缺乏与某种疾病的联系及其可能的发病机制。这些研究表明，作为一种全身营养素的VD，其可能通过体内广泛存在的VDR而发挥广泛的生理作用。VD缺乏不只是引起某种疾病，而是可能引起多种疾病。统一的VD缺乏诊断标准，高质量的RCT研究以及从个体、器官、细胞、分子等水平进一步研究其可能的作用及发病机制，将是今后此类研究的重点。通过补充适量的VD来防治维生素D缺乏的相关疾病也为这些疾病的治疗提供新的临床思路。尽管目前对维生素D缺乏的骨外作用观点不一，但有充分证据表明，补充适量的维生素D有助于身体健康。