维生素D缺乏与假体周围感染的相关性及作用机制分析

陈志，林佳俊，刘文革*，周宗科，沈彬，杨静，康鹏德，裴福兴

(1.福建医科大学附属协和医院骨科，福建 福州 350000；2.四川大学华西医院骨科，四川 成都 610041)

假体周围感染是关节置换术的灾难性并发症，近年来由于病原菌分布呈现复杂化，耐药菌甚至多重耐药菌感染比例不断增加，给假体周围感染的预防和治疗带来严峻挑战[1]。因此，掌握假体周围感染的影响因素，并寻找理想的非抗生素依赖的抗感染干预策略十分紧迫。

既往对维生素D及其代谢产物的认识主要是在调节骨骼健康、促进骨折和软组织愈合方面的作用。在临床工作中可以发现，维生素D缺乏的患者临床结局更差，包括：住院时间更长、围术期并发症的发生率更高、功能和疼痛评分更低等[2]。随着研究的进展，维生素D代谢平衡在感染性疾病中的重要性也逐渐被揭示[3]。有研究发现，维生素D及其衍生物可能具有理想的抗病原菌效应[4]。维生素D不仅能够调节机体固有免疫和获得性免疫，还具有调节感染引起的炎症风暴和凝血功能紊乱的作用[5]。在关节置换的患者中维生素D缺乏十分普遍，文献报道发病率高达10%～80%[6]。有学者发现，维生素D缺乏是假体周围感染的潜在可调节危险因素[7]。Hegde等[8]报道，25-羟维生素D缺乏的患者术后1年内发生假体周围感染的风险增加2倍。鉴于关节置换患者中维生素D缺乏的高发病率及其与假体周围感染的潜在关系，本文就维生素D来源与代谢、抗感染与免疫调节机制、补充方式等做一综述。

1 维生素D的来源与代谢

维生素D的复杂代谢过程已逐渐阐明，它的稳态不仅需要足量的营养摄入，还需要足够的光照及完整的肝脏和肾脏功能。绝大部分的前体维生素D3是通过紫外线照射刺激皮肤将脱氢胆固醇转化而成，还有一小部分通过饮食摄入。前体维生素D3与维生素D结合蛋白结合后转运，主要在肝脏经25-羟化酶转化为25-羟维生素D，即骨化二醇，并分泌进入循环系统。在肾脏经1α羟化酶进一步转化为1，25-二羟维生素D或骨化三醇，是具有活性的激素形式[9]。人体中99%的维生素D是以蛋白结合形式存在，仅有1%的维生素D以非结合形式存在[3]。维生素D参与人类染色体中超过200个基因的调节，在多个组织中，维生素D通过与目标细胞的维生素D受体结合发挥内分泌和自分泌的调节作用，包括：参与免疫调节作用、促进肠道钙离子吸收、减少肾脏钙磷排泄、刺激成骨细胞成骨活性、促进钙动员和骨骼重塑等。

2 维生素D缺乏诊断标准

指南推荐作为评估机体维生素D水平的主要检测标志是血清25-羟维生素D水平，而不是1，25-二羟维生素D。因为前者包含饮食和皮肤合成来源的所有维生素D，半衰期更长(2～3周)，能够更可靠地反映维生素D的摄入和存储状态[10]。但是关于机体维生素D缺乏、不足和正常的诊断标准还有争议。维生素D委员会报道的诊断标准为，缺乏：0～30 ng/mL；不足：31～39 ng/mL；充足：40～80 ng/mL[9]。内分泌协会报道的诊断标准：缺乏，0～20 ng/mL；不足，21～29 ng/mL；充足，30～100 ng/mL[11]。食物与营养协会制定的诊断标准为，缺乏：0～11 ng/mL；不足：12～20 ng/mL；充足：>20 ng/mL[12]。目前大多数的学者在研究维生素D水平与假体周围感染的相关性时，多选择内分泌协会制定的诊断标准[13]。

3 维生素D缺乏与假体周围感染的相关性

维生素D在许多研究中被证实不仅具有抑菌效应，还具有保护血管内皮细胞、调节免疫应答、抑制炎症风暴和纠正凝血功能紊乱等作用，是感染发生和感染严重程度的保护因子[5]。有学者发现，维生素D对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有抗菌活性，能够抑制金黄色葡萄球菌、链球菌、克雷伯杆菌、大肠埃希菌和其他病原菌的生长、增殖[4]。可见，维生素D能够有效作用于假体周围感染的常见病原菌[14]。此外，Grenier和Andrade等[15-16]还发现，维生素D不仅能够抑制病原菌的增殖和毒力因子的表达，还能够促进巨噬细胞吞噬和杀灭病原菌。有学者报道，维生素D能够降低医院获得性感染的发病率，如：菌血症、导管相关性感染、手术部位感染、肺炎、耐甲氧西林葡萄球菌感染等[17-18]。Abdehgah等[17]进行一项前瞻性研究，纳入300例住院的手术患者，发现术前维生素D缺乏发病率达39%，其中有11%的患者发生手术部位感染。单因素logistic回归分析发现，术前维生素D缺乏是手术部位感染的危险因素。Hegde等[19]通过假体周围感染动物实验发现，维生素D缺乏的小鼠在假体及周围组织中有更高的病原菌载荷、更多的中性粒细胞浸润，而通过纠正维生素D缺乏能够有效逆转这一效应。这一研究证实，维生素D不仅具有抑菌效应，还能调节宿主对病原菌的免疫应答，其缺乏可能增加假体周围感染的风险。

4 流行病学现状

由于地域和人种的差异，不同地区的日照、饮食补充和遗传易感性也不尽相同，维生素D缺乏的发病率也有所差异。美国国家健康数据统计中心估计，全球有超过10亿人存在维生素D缺乏或不足，其中美国维生素D缺乏的发病率高达32%。随着防晒霜的使用率和室内活动时间的增加，维生素D缺乏或不足的发病率预计仍将不断升高[9]。由于进行关节置换的患者多为老年人，其维生素D摄入量往往不足，皮肤、脏器的合成能力也有所下降，此类人群维生素D缺乏或不足的发病率更高[20-21]。Maier等[22]纳入1 083例进行髋、膝关节置换术的患者，发现维生素D缺乏的发病率达60%。Lavernia等[23]调查的流行病学数据显示，超过65%的关节置换患者存在维生素D缺乏或不足。其他欧盟国家报道的发病率也较高，其中芬兰为36%、德国为64%、希腊为81%[24]。

还有学者发现，关节置换术后假体松动和假体周围感染可能也与维生素D缺乏密切相关。Maier等[13]比较初次关节置换、无菌性松动和假体周围感染三组患者的维生素D水平，发现三组患者均有较高的维生素D缺乏发病率，无菌性松动组的维生素D缺乏(<20 ng/mL)发病率达52%，假体周围感染组维生素D缺乏的发病率达86%，并且假体周围感染组维生素D的水平显著低于无菌性松动组和初次关节置换组。这些数据显示关节置换患者维生素D缺乏的普遍性，维生素D缺乏是假体松动和假体周围感染的潜在危险因素[25]。

5 维生素D抗感染与免疫调节的机制

维生素D抗感染和免疫调节作用通过与维生素D受体结合后发挥。维生素D受体分为膜受体和核受体，广泛表达于固有和获得性免疫细胞，包括：单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞、Th1细胞和Th2细胞等。1，25-二羟维生素D与膜受体结合，通过诱导磷酸肌酸激酶3信号通路活化，引起快速反应。与核受体结合激活配体依赖的转录因子复合体，维生素D受体与视黄酸受体构成异源二聚体，通过维生素D反应原件或其他转录因子调控众多基因的表达，使特定基因的表达激活或受到抑制。维生素D的目标基因包括：抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)、CD14、β防御素、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、4型Toll样受体(Toll like receptor-4，TLR-4)、抗原提呈共刺激分子(CD86、CD80和CD40)，Th1细胞因子[白细胞介素(Interleukin，IL)-2、IL-12和γ干扰素(interferon-γ，IFN-γ)]和Th2细胞因子(IL-4、IL-5和IL-10)等[26-27]。

维生素D抗感染效应的潜在分子机制主要为AMPs，也被称为宿主防御肽，存在于中性粒细胞和巨噬细胞的溶酶体内。AMPs在宿主抗病原菌感染中发挥重要作用，其带正离子，能够与带负电荷的病原菌细胞膜紧密结合，不仅能够直接作用于革兰氏阴性菌细胞膜的主要组成成分和致病因子(脂多糖)，还能抑制病原菌生物膜的形成，引起病原菌的溶解与破坏[27]。许多病原菌(例如：霍乱弧菌、大肠埃希菌和弗氏志贺菌等)被发现能够被AMPs阻截。当受抗原刺激时，维生素D的原始循环状态25-羟维生素D将被诱导转化为活性状态1，25-二羟维生素D，与受体结合诱导抗菌肽基因的表达，进而启动针对病原菌的免疫应答。体外实验也证实，维生素D能够有效抑制假体周围感染的主要病原菌(如：金黄色葡萄球菌、链球菌、肺炎克雷伯菌、大肠埃希菌等)，维生素D的存在，能够显著抑制病原菌的生长或消灭病原菌。通过摄入维生素D调节AMPs的产生，同时联合传统的抗生素或许能够成为治疗假体周围感染的可靠手段，尤其是耐药菌所致的感染。

维生素D的功能不仅局限于调节特定基因的表达，还能够调节免疫细胞的激活、分化、趋化和吞噬作用。近年来有研究发现，维生素D是重要的免疫系统增强剂，在中性粒细胞动员、单核巨噬细胞趋化与吞噬病原菌和T辅助细胞的激活中发挥重要作用[28]。此外，维生素D还能通过多种途径抑制炎症因子的过度释放，从而避免因宿主过度的免疫反应而造成损害。

6 维生素D补充方式

维生素D的补充方式安全、简单、快速、高效，仅通过口服给药就能纠正。维生素D3或维生素D2均可作为维生素D的补充，口服维生素D3通常被推荐作为首选的补充形式[11]。目前推荐的补充剂量和疗程还未统一。美国医学研究所建议：1～70岁人群的推荐日摄食量为600 IU，>70岁人群的推荐日摄食量为800IU，同时，>9岁人群的可耐受最高日摄入量为4 000 IU[12]。

关节置换的患者有较高的维生素D缺乏发病率，围术期是否需要进行维生素D水平的检测并据此制定个体化的补充方案还存在争议。Youssef等[18]建议，在入院时就应测量血清维生素D水平，以便能早期发现并及时纠正维生素D的不足。Holick等[11]认为应根据维生素D水平制定补充方案，当25-羟维生素D水平在25～39 ng/mL之间时，推荐补充剂量为2 000～4 000 IU/d；当25-羟维生素D水平低于25 ng/mL时，推荐补充剂量为50 000 IU/周；疗程为8～12周。Pepper等[29]对此持不同意见，他们认为对所有进行关节置换的患者在术前非选择性地补充维生素D比进行筛查后再补充更划算，因为补充维生素D的费用要低于筛查的费用。他们认为维生素D的毒性十分罕见，几乎仅发生于长期过量摄入的患者，表现为：脱水、疲乏、胃肠道症状、肌肉力量减弱和移位骨化等[29]。维生素D的补充总体是安全的，按50 000 IU/周补充8周极少有并发症发生，还有文献报道成功地使用更高剂量进行补充[11]。

综上所述，关节置换患者中维生素D缺乏的高发病率应引起临床医生的重视。维生素D缺乏作为假体周围感染的可调节危险因素，应及时发现并纠正，其潜在的抗感染和免疫调节机制还需进一步的研究来阐明。维生素D单独或与其他抗菌药物联合运用在假体周围感染治疗中的应用前景也值得进一步探讨。对于关节置换患者术前是否需要常规进行维生素D水平的筛查以及如何制定更合理的补充方案，还需更多高质量的研究来明确。