维生素D与糖尿病骨病影像学研究进展

闫玉辰 查云飞

武汉大学人民医院放射科，湖北 武汉 430060

糖尿病引起成骨细胞生成及成熟受损，胶原产物增多，骨脆性增加，同时抑制成骨，骨转换率降低，骨的材料性质和显微结构改变，增加骨质疏松症和脆性骨折的风险[1]。维生素D与调节脂肪分化和控制脂肪细胞凋亡有密切的关系，可改善糖尿病对于骨髓脂肪组织堆积的损害[2]。近年来，糖尿病骨病可能是一种慢性骨髓微血管的并发症也受到越来越多的关注[3]，体内维生素D缺乏可使机体对外界的抵御力有所下降，易于让血管内皮受到外界刺激而损伤，适当补充维生素D可对机体和血管内皮功能有一定的保护作用[4]。影像学作为生物标志物在糖尿病骨密度、骨微结构、骨髓微血管及骨髓脂肪的定性定量研究中越来越受到关注。本文就维生素D与糖尿病相关骨病发病机制及影像学研究进展进行综述。

1 维生素D与糖尿病骨密度和骨微结构改变

在骨的生长发育过程中，由骨化后的骨膜向内四周扩展形成的不规则立体网状结构，称为骨小梁，其有着支持和保护骨髓腔内骨髓微环境的作用。骨矿物质含量(即皮质和小梁)与评估骨强度和稳定骨髓内环境关系密切；用于评价骨骼强度的数值称骨矿物质密度(bone mineral density,BMD)，简称骨密度，是骨质疏松症的诊断和疗效观察的主要依据，也是预测骨折风险的重要指标；临床上最常用双能X线骨密度仪(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)及定量CT(quantitative computed tomography,QCT)技术来测量骨密度(BMD)；高分辨率Micro-CT能更清楚地显示骨小梁和骨皮质的显微结构。

一般来说，T1DM患者BMD值通常低于T2DM患者，而T2DM患者的BMD值通常较同龄人相似或较高[5]。高分辨率Micro-CT显示高血糖状态下骨皮质腔隙增大，滋养血管体积减小，骨基质受损，骨脆性增加[6]，此外，高血糖引起的晚期糖基化产物蓄积和氧化应激增强也是导致骨量减少和骨质脆性增加的原因之一。维生素D可刺激脂肪细胞对葡萄糖的摄取，改善高糖状态对机体的损害，在骨生长代谢过程中有促进作用[2]；另外，维生素D还可通过细胞核受体或细胞膜受体参与多种细胞及基因代谢，包括抑制部分机体炎症细胞发生及相应自身免疫反应，在促进胰岛素合成及分泌、抗氧化应激等多种反应途径上改善糖尿病病程及其并发症的发生、发展[7]；在活性维生素D促进核排斥FoxO1转录因子表达上也可表现出对糖尿病小鼠的骨形成作用[8]。

早期观点认为，摄入充足的维生素D对骨骼肌肉有益，能够促进肠道对钙磷离子吸收，促进钙盐沉积，增加骨质强度，从而预防骨折。早期糖尿病动物模型中证实了短期摄入维生素D对糖尿病骨病的正性作用，链脲霉素诱导后的早期糖尿病大鼠，摄入不同剂量的维生素D在12周后进行DXA及QCT检查，结合腰椎骨骼HE染色切片均证实了，与单纯糖尿病组相比，维生素D可以减少早期糖尿病骨量的丢失，维持小梁骨微结构的相对完整性，防止其恶化，且浓度越大效果越明显[9-10]；除了在减轻骨质流失，改善骨微结构和生物力学性能外，维生素D还降低糖尿病相关血清葡萄糖和糖化血清蛋白水平，同时使骨形成的生物标志物显著增加[11]。

然而，在对糖尿病病人骨质研究中表明，长时间、高水平维生素D状态下并没有表现出明显的积极作用，反而有所减低。60至70岁的非吸烟女性在一年内补充维生素D 400 IU /d或维生素D 1 000 IU/d后的治疗试验显示，对实验组骨密度无明显改善作用[12]，但是对于25-(OH)D3浓度≤30 nmol/L的成年人来说，其骨密度得到提高[13]。在健康成年人中，每天服用10 000 IU的维生素D治疗3年后，发现大剂量维生素D使得HR-pQCT测量胫骨的骨密度较之前反而有所减低[14]；Larsen等[15]对5年时间内每周服用大剂量维生素D的T2DM患者的股骨颈骨密度进行测量，与空白组相比，DXA显示给予维生素D的糖尿病男性患者在股骨颈测量部位的BMD降低明显减少，但在整个髋关节测量部位，男性和女性不同干预组之间BMD差异没有统计学意义。高浓度维生素D会使骨质骨骼局部焦磷酸盐水平增加，抑制骨矿化，加重骨质疏松，故补充不同剂量维生素D对不同年龄、不同性别糖尿病病人骨骼健康的益处需要进一步研究，体内25-(OH)D3浓度也是补充维生素D的重要指标之一。

2 维生素D与糖尿病骨髓脂肪组织代谢

骨髓内间充质干细胞即可分化为脂肪细胞，也可分化为成骨细胞，其中正常髓内脂肪组织为稳定骨髓微环境和造血功能提供了所需能量，若骨髓脂肪含量明显增加，会抑制成骨细胞形成，骨强度越低；1,25-(OH)2D3能促进人骨髓基质细胞(HMSCs)向成骨细胞分化，减少脂肪组织生成[16]；同时，作为一种脂溶性物质，它可以直接调节脂肪形成以及脂肪细胞凋亡的基因表达，促进脂肪组织对体内多余葡萄糖的摄取及脂肪酸和其代谢物的氧化，来限制由脂质紊乱引起的皮下脂肪的再增加[2]。定量非对称回波的最小二乘估算法迭代水脂分离序列(IDEAL-IQ) 是改进后的DIXON技术，可得到较好对比度的脂肪相位图像，Hu等[17]使用IDEAL-IQ技术，选取兔糖尿病模型腰5腰6作为测量目标，计算出椎体内脂肪含量百分比，表明IDEAL-IQ技术定量评价活体骨髓脂肪含量的可行性，且病理切片染色证实了在第16周时糖尿病兔椎体终板下骨髓脂肪含量明显增多，而骨髓细胞数量明显减少。另一方面，糖尿病患者会加速晚期糖基化终产物(AGEs)生成，损伤组织细胞功能，胶原纤维增生并相互交联，使得骨小梁柔韧性降低，骨脆性增加[18]。

Patsch等[19]使用质子磁共振波谱(1H magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)测量患有脆性骨折的绝经后糖尿病和非糖尿病患者髋部和腰椎中不同物质的含量，将这些物质的磁共振信号转化为直观可视化的频谱，通过后处理技术和水脂分离算法直接计算出感兴趣区脂肪含量百分比，数据表明在有糖尿病的骨折患者中骨髓的总脂肪酸含量相差不大，但饱和脂肪酸含量较高；同时用DXA和QCT测量糖尿病脆性骨折患者的髋部和腰椎的骨密度，分析发现骨髓脂肪成分的改变与脆性骨折和糖尿病有关。同样使用1H-MRS和测量BMD值的方法，Baum等[20]发现无论有无2型糖尿病绝经后的妇女，椎体骨髓脂肪含量与腹部皮下脂肪、内脏脂肪和腰椎骨密度具有一定的相关性。

维生素D作为一种脂溶性维生素，多储存在糖尿病肥胖患者的脂肪内，可导致测得的血清维生素D浓度降低，反之也可调节脂肪分化，改善骨髓脂肪组织堆积的损害[2]。Bhatt等[21]通过对2型糖尿病患者进行12周维生素D强化酸奶饮料摄入，评估肥胖指标干预前后的改变，包括腰围、体脂量、躯干脂肪、内脏脂肪以及BMI值，研究发现，较空白组相比，平均腰围、体脂量、躯干脂肪和内脏脂肪组织及BMI值显著降低，表明血清维生素D水平可与内脏脂肪含量呈负相关。但维生素D状况与肥胖之间的关系一直受到种族、饮食和地域差异的影响，白人比黑人更强。对于20～60岁超重的糖尿病早期印度妇女，每周口服维生素D以保持血清维生素D的正常水平，在78周后，Bhatt等[21]研究发现，实验者的空腹血糖、2 h血糖(OGTT后)、糖化血红蛋白和躯干皮下脂肪的数值显著降低。

3 维生素D与糖尿病骨髓微血管病变

内皮祖细胞(endothelial progenitor cells，EPCs)主要存在于骨髓中，当血管新生和修复时，可动员髓内内皮祖细胞到外周血中，是血管形成的重要前体细胞，骨内新生血管是骨的生长发育的重要环节，内皮细胞损伤是糖尿病骨病及多个靶器官中大血管、微血管病变并发症发生和进展的中心环节[22]。维生素D是机体内生长发育中重要的营养物质，能作为免疫调节剂调节细胞因子的表达，包括直接作用于细胞转录起始和过程调节，促进内皮细胞增殖[4]；或间接通过其他细胞内信号通路的干扰，舒张血管，降低血管炎症中黏附因子的生成，从而保护血管内皮细胞基本功能[23]。

糖尿病会使机体对糖利用产生障碍，高糖状态及AGEs对内皮细胞有直接毒性作用，糖尿病小鼠骨髓培养的内皮细胞表现出高水平的氧化应激反应，损害了EPCs的数量和功能[24]，提示糖尿病骨髓脂肪生成功能的增强是骨髓及其他靶器官微血管并发症的可能机制之一。T1DM小鼠在27～30周的骨髓染色证实骨髓微环境结构的改变，包括骨量减少和脂肪蓄积、血流量和微血管密度显著减低[25]。谭强等[26]研究表明四氧嘧啶诱导的兔糖尿病模型损害了兔的循环EPCs的基本功能，抑制了骨髓EPCs的动员能力及促进血管生成能力，而外周移植自体骨髓内皮祖细胞可促进血管新生，从而改善器官循环能力。

动态增强磁共振成像 (dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)的灌注参数可以反映早期骨髓微血管的通透性，Hu等[17]以钆为小分子对比剂，使用DCE-MRI技术评价兔糖尿病模型的腰椎骨髓微血管病变，通过后处理软件的多参数曲线拟和计算，其中代表着糖尿病组椎体血管通透性的Ktrans、Kep值随着时间增长呈上升趋势，而在16周后代表血管外细胞外间隙比例参数Ve值的趋势与之相反，提示早期糖尿病首先损伤了骨髓微血管内皮细胞，局部微血管渗透性增大，且随着时间延长骨髓脂肪分数呈上升趋势。陈翩翩等[27]用DCE-MRI评估早期兔糖尿病模型腰椎骨髓微血管渗透性参数与QCT测得骨密度数值改变进行相关性对比研究，结果表明在16周后，糖尿病组兔腰椎骨小梁面积及骨小梁数减低，但腰椎骨髓微血管早期渗透性参数变化与骨密度改变尚无统计学意义。

Yu等[28]发现具有生物活性的1,25-(OH)2D3通过竞争性抑制内生性RNAs网络调节，可改善高糖环境下内皮祖细胞的基因表达，从而促进EPCs的活性。用维生素D体外培养离体内皮祖细胞，与对照组相比，补充维生素D可提高T2DM患者EPCs的生存能力和形成菌落的能力[29]。健康人每日补充维生素D在6周后，血液中内皮祖细胞数量逐渐增加，停止补充后，循环内皮祖细胞数量会恢复到原先水平，另外Wong等[30]还发现补充维生素D可保护糖尿病小鼠内皮细胞再生，通过激光多普勒成像及毛细血管密度测定，糖尿病会导致基础血管生成能力基本消失，而用1,25-(OH)2D3治疗后可恢复高度血管功能障碍实验组的正常血管生成反应。Sturza等[23]发现糖尿病小鼠补充活性维生素D后，取其胸主动脉内皮细胞体外培养，活性维生素D改善了实验组小鼠的内皮细胞功能障碍，加强血管舒张功能。此外，维生素D还可调节体内KLF-10水平，进而刺激EPCs的活性，这一作用能刺激促血管细胞生成[31]。

4 总结与展望

目前，越来越多的研究表明维生素D具有调节骨髓脂肪形成及脂肪细胞凋亡，保护内皮细胞，改善血流灌注等多种作用，对于诱导成骨细胞分化成熟也有相应的改善作用，但不同剂量的维生素D对于糖尿病骨密度及骨小梁的宏观改善效果存在不同结论。

DXA、QCT和Micro-CT测量骨密度值并评估骨微结构的变化，多模态多参数MRI如MRS、DCE-MRI及IDEAL-IQ等评估骨髓血流灌注、微血管渗透性及骨髓脂肪含量等。但维生素D影响糖尿病骨髓脂肪细胞堆积、脂肪酸成分的变化以及是直接改善EPCs功能还是通过改善骨髓微环境内再动员EPCs进而导致骨髓微血管通透性和血流灌注等时间变化顺序上仍尚不清楚。

可以预见，影像组学(radiomics)、基于机器学习和深度学习的医学图像人工智能技术将在维生素D和糖尿病骨结构、骨髓脂肪及微血管病变的机制研究中将发挥独特作用。影像组学与代谢组学或免疫组学的交叉融通研究，也将从新的视角为维生素D与糖尿病相关骨病发病机制及诊疗策略提供新思路，在临床上为糖尿病患者缓解骨髓靶器官功能及改善生存质量有着深远的影响。