维生素D的骨骼外作用

维生素D的骨骼外作用

CSOBMR 2018-05-03

前 言

自20世纪初对佝偻病的研究发现维生素D以来，维生素D与钙磷代谢和骨骼健康的重要关联被不断发现。随着维生素D受体和25OHD-1-α羟化酶在许多骨外组织中被发现，维生素D的作用已不再囿于调节钙磷代谢和维护骨骼健康，其多种骨骼外作用也逐渐被关注，维生素D已成为临床及基础研究的热点。然而，维生素D是如何被发现的？其是怎样代谢的？究竟有哪些重要的骨骼及骨骼外作用？维生素D缺乏及其危险因素如何判断？维生素D及其类似物在佝偻病、骨质疏松症、甲状旁腺功能减退症、慢性肾脏病和皮肤病等疾病中如何应用？如何监测维生素D的疗效？维生素D会中毒吗？这一系列关于维生素D及其类似物的问题亟待梳理。

为此，中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会组织本领域的多名专家，撰写了维生素D及其类似物的临床应用共识，并撰写了与维生素D相关问题的系列述评，专家们反复修改、多易其稿，终于成文。近期将中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会微信公众平台和相关核心期刊刊出，敬请关注，仅供参考。

本期中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会微信公众平台推出的专论是“维生素D的骨骼外作用”，具体如下：

作者：

刘建民1 侯建明2 朱梅3

单位：

1.上海交通大学医学院附属瑞金医院内分泌代谢科 上海市内分泌代谢病研究所 上海市内分泌代谢病临床医学中心

2.福建省立医院内分泌科

3.天津医科大学总医院内分泌代谢病科

摘要：维生素D对钙稳态和骨骼健康起重要调节作用。此外，维生素D通过与其广泛分布于全身的维生素D受体结合，具有多种生物学作用。大量横断面研究表明缺乏维生素D与糖尿病、心血管疾病、跌倒、肿瘤和自身免疫性疾病等有关。然而补充维生素D对这些代谢异常或疾病的影响仍未取得一致的结果和结论。本综述对维生素D的骨外作用做一全面的介绍。

关键词：维生素D；糖尿病；心血管疾病；跌倒；肿瘤；自身免疫性疾病

全身很多重要的细胞都存在维生素D受体(vitamin Dreceptor, VDR)，而且肾脏以外的很多组织细胞中也存在能将25羟维生素D（25 hydroxyvitamin D，25OHD）转化为活性1，25双羟维生素D［1，25-dihydroxyvitamin D，1，25(OH)2D3］的酶，因此维持血液中足够的25OHD水平，对于调节众多组织的生理功能是必要的。大量观察性研究数据支持血清25OHD水平与慢性代谢性疾病、心血管疾病和肿瘤的发生均相关，因此维生素D的骨骼外作用引起了很大的关注。

维生素D与糖尿病

人群研究表明维生素D不足与2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）发生率增加有关，维生素D缺乏是T2DM患病的潜在危险因素。横断面研究提示在T2DM和代谢综合征人群中，维生素D水平与胰岛素敏感性及胰岛β细胞功能具有独立相关性。具有较高维生素D浓度者，空腹及糖负荷后2 h血糖均较低。纵向队列研究和Meta分析显示较高维生素D摄入与T2DM发生风险降低存在关联性，血清25OHD水平每升高10 nmol/L (4  μg/L)，T2DM风险降低4%。观察性研究也揭示维生素D缺乏与糖尿病慢性并发症如糖尿病性视网膜病变发生有关。

有关维生素D糖调节作用的机制包括：通过直接激活VDR或通过干扰存在于与胰岛β细胞的胰岛素受体启动基因区域的维生素D反应元件影响胰岛β细胞的功能；通过增强胰岛素受体与胰岛素反应，改善胰岛素敏感性和葡萄糖转运；诱导胰岛素原向胰岛素转换增加。此外维生素D可通过间接调节钙稳态影响疾病的进展。最新研究表明活性维生素D通过下丘脑室旁核VDR，起到减少摄食、降低体重、改善糖耐量和胰岛素敏感性的作用。

然而，目前对于补充维生素D是否能降低或预防T2DM的发生并无肯定结果。多项双盲随机对照药物试验研究表明维生素D缺乏的糖尿病前期患者短期或长期补充甚至是大剂量维生素D不能降低其进展为T2DM的风险，但可能有助于改善肥胖儿童青少年的胰岛素敏感性。流行病学研究显示在光照较少的地区，1型糖尿病（type 1 diabetes mellitus，T1DM）的发生率很高，提示维生素D水平可能与T1DM的发生有关。部分观察性研究及Meta分析显示早期较高维生素D摄入可有效降低T1DM的发生风险。对T1DM高危儿童的随访研究表明，体内较高水平的25OHD对应着较低出现胰岛素自身抗体的风险，而且这一风险的下降还受VDR基因型的影响。

维生素D可能通过调节免疫系统，包括单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞及T、B淋巴细胞，或者直接作用于胰岛β细胞等机制预防或减少T1DM的发生。但目前关于补充维生素D能否降低T1DM的发生风险尚无定论，还需大量的随机对照试验（randomized control trial，RCT）进一步探讨维生素D对T1DM的防治作用。

维生素D与心血管疾病

维生素D缺乏与心血管疾病的发生有密切关系，心脏及血管平滑肌中分布着维生素D功能及代谢相关的关键因素——VDR及1-α-羟化酶和24-羟化酶，维生素D可能通过影响或调节血管炎性反应、钙化、肾素-血管紧张素醛固酮系统参与心血管疾病的发病过程。

在一般人群中，低维生素D水平与冠状动脉疾病、心肌梗死、心力衰竭、卒中、心血管病死率、全因病死率相关，是心血管疾病的独立危险因素。低维生素D水平与上述心血管疾病之间是否存在因果关系尚有待于进一步研究。维生素D干预的RCT显示，补充维生素D可以降低老年女性的病死率。而补充维生素D对于人群总体的全因病死率、心血管病发病率和病死率的影响，现有研究得出截然不同的结果，维生素D剂量也各不相同，结论存在争议。

维生素D与高血压

与未服用降压药的患者相比，服药治疗的高血压患者25OHD水平较高。为数不多小样本的RCT研究显示，补充维生素D可以降低高血压患者的收缩压和舒张压，且和维生素D的剂量、疗程有密切关系。但也有30余项RCT研究未发现补充维生素D与降低血压直接的关系。

维生素D与动脉粥样硬化

健康女性及中老年男性高血压患者的调查均提示，血清25OHD水平与动脉僵硬度和颈动脉中层内膜厚度（intima-media thickness，IMT）之间存在负相关关系，血清25OHD可能是颈动脉IMT的独立保护因素。健康受试者RCT研究表明，每日补充维生素D 2 000 IU，连续14 d，可改善心血管疾病的风险因素和运动表现，降低收缩压、舒张压和动脉僵硬度。

维生素D与冠状动脉粥样硬化性心脏病（以下简称冠心病）及心肌梗死

现有的证据比较明确，认为低维生素D水平是一个独立的风险因素，与冠心病、急性心肌梗死及其预后密切相关；维生素D缺乏的糖尿病患者患冠心病的风险更高；急性冠状动脉综合征患者中，维生素D水平低于25 nmol/L的患者心血管病死率显著升高。大部分研究认为，维生素D可通过抑制甲状旁腺素（parathyroid hormone，PTH）分泌（PTH可降低脂肪分解）、增加钙水平（钙会降低肝脏三酰甘油的形成和分泌）这两个途径改善体内的血脂调节，从而对动脉粥样硬化及冠心病起保护作用。但还需要维生素D干预试验以确定维生素D缺乏和冠心病、心肌梗死之间是否存在因果联系。

维生素D与心力衰竭

少量的RCTs表明心力衰竭患者维生素D缺乏非常普遍，是降低生存率的重要指标。补充维生素D可以改善心力衰竭患者的预后，可能的机制是抑制促炎性反应细胞因子如肿瘤坏死因子的释放，上调抗炎细胞因子如白介素-10的分泌，降低了心力衰竭患者体内炎性反应。

维生素D与心房颤动

目前主流观点认为低维生素D水平增加心房颤动发作风险，其机制可能与心房重构、炎性反应、氧化应激、肾素-血管紧张素系统活化有关，但也有研究认为维生素D水平与心房颤动发作无关。2014年美国预防医学工作组（UnitedStates Preventive Services Task Force，USPSTF）发布的《维生素、矿物质与复合维生素用于心血管疾病与癌症的一级预防推荐声明》不推荐单用或合用维生素补充剂进行心血管疾病的一级预防。2016年美国国家骨质疏松症基金会（National Osteoporosis Foundation，NOF）和美国预防心脏病协会（American Society for Preventive Cardiology,ASPC）联合发布了关于钙（联合或不联合维生素D）补充与一般健康成年人心血管疾病关系的指南，建议钙总摄入量不超过美国国家科学院规定的最大可耐受剂量，即每日2 000~2 500 mg，饮食补钙和药物补钙对心血管系统都是安全的，维生素D的作用被弱化。

综上所述，在现阶段，维生素D的缺乏与心血管疾病之间的因果关系尚无法明确，不同的RCTs所得的结论也不尽相同，考虑与研究设计的差异有关，包括样本量大小、维生素D的补充剂量、时间、受试者的维生素D缺乏程度、观察终点的不同，受试者是否为高危人群等因素有关。为了能更好地预防老年人高血压和心血管疾病，减少维生素D缺乏可能带来的不利影响，65岁及以上的健康老年人应适时参与户外活动，增加内源性维生素D合成。对维生素D缺乏的高危人群，应在医生指导下进行补充。外源性维生素D每日摄入量为600~800 IU，可耐受最高摄入量可达到每日2 000 IU，首选口服维生素D。

维生素D与肌力和跌倒

老年人跌倒因发生率高且后果严重，已经成为一个不容忽视的公共卫生问题。骨骼肌功能下降所致的肌力减退是引起跌倒的重要诱因，且是维生素D缺乏的临床表现之一。已有研究发现补充维生素D可以改善肌力、降低跌倒风险。因此，近年来越来越多的研究开始关注维生素D在改善肌力和预防跌倒方面的作用。

维生素D对骨骼肌的作用机制并不完全清楚，目前研究结果提示其作用机制可能包括直接作用和间接作用两方面。

维生素D对骨骼肌的直接作用表现在以下几个方面：首先，全身VDR基因敲除的小鼠在断奶前，由于母乳中含有丰富的营养，并无低钙、低磷、继发性甲状旁腺功能亢进等异常情况，但会出现肌纤维变小、生肌调节因子表达异常，导致肌纤维发育障碍；其次，骨骼肌细胞可以表达1α羟化酶，产生活性维生素D，通过自分泌的方式作用于肌细胞本身；另外，最新的研究发现1，25(OH)2D3还能作用于人体骨骼肌细胞的线粒体，通过调节线粒体活性及酶的功能增加线粒体的耗氧率，从而改善肌力。这种直接作用可以通过基因组效应（通过VDR直接调节靶基因的转录，促进肌细胞发育）和非基因组效应（通过快速跨膜通路促进钙离子内流，增强肌肉收缩功能）两种方式实现。

还有一些研究提示维生素D对骨骼肌具有间接作用。如一项利用VDR特异性抗体进行的免疫组化试验，未能在人或鼠的成熟肌细胞表面发现VDR表达；另外，一些维生素D水平极低（如25OHD＜25 nmol/L）但钙摄入充足的人群，并未出现肌肉功能障碍的相应临床或组织学表现。因此，维生素D对骨骼肌除具有直接作用外，还可能通过调节血钙和磷水平间接影响肌肉的功能。

除肌力外，平衡力下降也是跌倒的重要因素。瑞士一项研究跌倒和平衡力的试验中，除证实平衡力下降是跌倒的高危因素外，还提示维生素D可以通过改善平衡力，从而预防跌倒的发生。

有一些观察性研究证实了血清维生素D水平与肌力和跌倒之间的相关性。一项纳入1 200名老年受试者为期3年的前瞻性研究结果显示，血清 25OHD＜25 nmol/L受试者发生跌倒的风险最高，且进展为肌少症（握力降低40%或肌肉质量下降3%以上）的风险是25OHD＞50 nmol/L者的2-5倍；针对4 100名老年美国公民进行的国家健康与营养调查结果表明，血清25OHD水平越高，下肢肌力越好，且25OHD水平在20~40 nmol/L的人群表现最明显。一项纳入966名平均年龄为75岁人群的研究发现，血清25OHD水平＞50 nmol/L受试者的肌力要明显优于＜50 nmol/L者，而25OHD水平＜25nmol/L者会出现平衡和协调力下降。也有部分研究发现维生素D水平与肌力和跌倒之间并不存在明确的相关性，但此类研究的受试者普遍不存在严重的维生素D缺乏（25OHD大多在50 nmol/L以上），因此考虑血清维生素D水平低于某一阈值才有可能影响肌力和增加跌倒风险。但由于现有研究结果并不一致，目前仍无法明确这一阈值。

有多项RCT和Meta分析探讨补充维生素D对改善肌力和预防跌倒的作用。一项纳入26个RCT的Meta分析结果显示，补充维生素D可以明显降低跌倒风险，而这种效应在基础维生素D水平较低及联合补充钙剂的人群中更明显。但目前对于补充维生素D的具体剂量和疗程还不明确。有Meta分析结果提示每天补充维生素D少于700 IU或补充后血清25OHD＜60 nmol/L无法起到降低跌倒风险的作用；另有两项针对绝经后女性补充较大剂量维生素D的RCT的结论值得关注：二者分别为每年1次口服500 000 IU维生素D共计3年和每3个月1次口服150 000 IU维生素D共计9个月，与安慰剂组相比，血清25OHD水平均明显升高，但治疗组跌倒风险也有所升高（第2项RCT无统计学差异）。这两项研究结果提示应该注意单次大剂量补充维生素D反而可能增加跌倒风险。

综上所述，大部分研究结果提示补充维生素D具有改善肌力和降低跌倒风险的作用，尤其是对基础维生素D水平较低的人群，且同时补充钙剂效果更佳。但因为既有研究的局限性，究竟血清维生素D水平低于多少会影响肌力并增加跌倒风险、补充维生素D的剂量和疗程如何确定目前尚无定论。由于老年人群跌倒发生率高且可能造成严重的后果，因此在老年人群中补充适量的维生素D具有非常重要的意义。

维生素D与免疫

免疫系统包含固有免疫和获得免疫，均受1，25(OH)2D3和VDR的影响。众多细胞不仅表达VDR而且表达CYP27B1酶，可以促进1，25(OH)2D3的生成。整体来说，1，25(OH)2D3活化固有免疫系统的组分，并抑制获得免疫系统的组分。

活化的T淋巴细胞和抗原呈递细胞均可表达VDR，表明1，25(OH)2D3具有免疫调节作用。1，25(OH)2D3能够抑制T淋巴细胞的活化和增生，影响细胞因子的表达。如1，25(OH)2D3/VDR/视黄酸X受体（retinoid X receptor，RXR）能够通过与干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）启动子或启动子附近的静止区结合，阻止IFN-γ转录的启动，减少IFN-γ的生成。白介素-2（interleukin-2 IL-2）的启动子含有正性调节位点-活化T细胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）-1，并受含有NFATp和活化蛋白1（activator protein 1，AP1）的复合体调控。1，25(OH)2D3能够通过干预1，25(OH)2D3/VDR/RXR和NFATp与AP1复合体的形成及占据NFAT1的结合位点的方式减少IL-2的转录。此外1，25(OH)2D3能够促进IL-4的生成，有助于Th2细胞分化；同样增加GATA结合蛋白3（GATA3）的生成，有助于Th2细胞的发育。

在人白血病（human leukemia，HL）-60细胞系研究中，1，25(OH)2D3能够通过活化丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)通路和增加CAAT/增强子结合蛋白β(CAAT/enhancer-binding protein β，C/EBP β)的表达，诱导单核细胞的分化。1，25(OH)2D3能够增加中性粒细胞和单核细胞的抗菌肽生成。在单核细胞到巨噬细胞的分化过程中，通过增加CYP27B1酶的表达并减少VDR及24羟化酶的表达，从而增加1，25(OH)2D3的合成能力。

1，25(OH)2D3对免疫细胞的突出作用体现在1，25(OH)2D3及其类似物能够显著抑制树突状细胞的成熟和分化。树突状细胞下调共刺激分子CD40、CD80和CD86的表达；减少IL-12并增加IL-10的产量，共同减少活化的T细胞。这些树突状细胞能够诱导CD4+ CD25+抑制T细胞的生成。树突状细胞自身能够合成1，25(OH)2D3，但成熟后会失去表达VDR的能力，从而对1，25(OH)2D3不敏感。

1，25(OH)2D3的免疫调节作用可用于尝试治疗自身免疫性疾病。在1，25(OH)2D3干预T1DM病小鼠模型中观察到1，25(OH)2D3能够预防糖尿病的发生，而在生命早期缺乏1，25(OH)2D3的动物中T1DM进展更快。1，25(OH)2D3类似物还能够预防自身免疫性脑脊髓炎-多发性硬化的发生。补充维生素D可增加系统性红斑狼疮患者调节性T细胞，并减少 Th1、Th17 细胞水平，降低抗 ds-DNA 抗体滴度。维生素D可能通过抑制 B 细胞功能，进而影响抗体产生，缓解病情。炎性反应性肠病发病机制较复杂，但机体肠黏膜免疫系统功能异常在其发病中起重要作用。观察性研究发现溃疡性结肠炎患者存在维生素D缺乏，且维生素D水平与患者肠黏膜炎性反应中炎性因子 TNF-α、IL-8水平及疾病活动程度呈负相关，但与肠黏膜中 VDR 水平呈正相关。因此维生素D可能通过影响细胞因子TNF-α、 IL-8 水平在炎性反应性肠病局部黏膜的免疫功能中发挥重要作用。

维生素D与肿瘤

维生素D在预防肿瘤方面可能发挥重大的作用。不论动物实验模型还是体外细胞培养研究均表明1，25(OH)2D3可促进细胞分化并抑制肿瘤细胞增生，且具有抗炎、促凋亡、抑制血管生成的特性。1，25(OH)2D3与VDR结合可以通过活化细胞周期蛋白依赖的激酶抑制剂如p21和p27；抑制生长因子如胰岛素样生长因子-1和表皮生长因子受体；活化生长调控基因如转化生长因子β(transforminggrowth factor β，TGF-β)而发挥调控作用。此外，1，25(OH)2D3与VDR结合可通过下调前列腺素和环氧化酶-2发挥抗炎作用，抑制肿瘤细胞生长。1，25(OH)2D3抑制B细胞淋巴瘤2 （B-cell lymphoma 2，BCL2）与端粒酶逆转录酶并活化促凋亡蛋白BAK，发挥促进肿瘤细胞凋亡的作用。维生素D还可通过抑制肿瘤血管生成、侵袭和转移发挥作用。

尽管观察性研究表明低25OHD水平与肿瘤的发生率和病死率升高相关，但缺乏以癌症为主要终点目标的随机对照研究。在一项2 686名英国65~85岁男女人群5年研究中，每4个月接受100 000 IU维生素D3治疗组与安慰剂组相比，癌症发生率的相对风险为1.09（95% CI:0.86~1.36）。在对内布拉斯加州1179名绝经后妇女（平均年龄67岁）的4年研究中，维生素D（1 000 IU/d）+钙剂组相对于安慰剂组癌症的发生率更低，但并不低于单纯钙剂治疗组（相对风险为0.76；95% CI:0.38~1.55）。与安慰剂组相比，单用钙剂就可以减少癌症的发生率，但是结果差异无统计学意义。在一项36 000名50~79岁绝经后妇女补充元素钙1 000 mg/d+低量维生素D3（400IU/d）7年妇女健康研究中，干预组并未减少总体癌症发生率（相对风险为0.98；95% CI:0.91~1.05）和癌症病死率（相对风险为0.89；95% CI:0.77~1.03）。因此，维生素D与肿瘤的相关性仍需要大规模的随机对照研究证实，特别是以肿瘤作为主要终点结果的研究。