维生素D对慢性阻塞性肺疾病的影响

马晓峰 刘晓菊 曾晓丽

(兰州大学第一医院老年呼吸科,甘肃 兰州 730000)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是老年呼吸系统最常见的疾病之一，致残率及死亡率高，据世界卫生组织估计，目前，COPD位死因第4位，预计到2020年，将上升到第3位。因此，研究COPD的发病机制对COPD的预防和治疗具有重要意义。近年来研究发现，维生素D参与COPD慢性气道炎症过程，维生素D缺乏导致呼吸道感染增加，降低肺功能，与COPD的发生发展及严重程度密切相关〔1，2〕。维生素D与 COPD的关系逐渐受到重视。本文就维生素D与COPD的关系及其对COPD发病机制的影响加以综述，为探讨COPD的防治提供依据。

1 维生素D及其特征

维生素D是一种具有广泛生物活性的脂溶性维生素，是第二类固醇激素。维生素D家族成员中最主要的是维生素D3，其主要来源有饮食补充和皮肤合成。食物来源包括乳制品、鱼肝油及蛋类等。

皮肤在阳光紫外线照射下，经皮肤中7-脱氢胆固醇转变合成维生素D3，此为维生素D合成的主要方面。合成的维生素D3在25-羟化酶、1-α羟化酶的作用下，转化生成1,25-(OH)2D3，即活性维生素D。活性维生素D与其靶细胞的维生素D受体(VDR)结合发挥其生理作用。VDR分为膜受体和核受体。维生素D膜受体介导的是一种快速的非基因性效应，1,25-(OH)2D3通过作用于蛋白激酶C、Ca2+通道、丝裂原活化蛋白激酶通路等，引起细胞内Ca2+快速变化、bcl-2和c-jun等蛋白活化或去活化状态，最终影响细胞的增殖、分化、凋亡等过程。维生素D核受体属于核受体超家族成员，1,25-(OH)2D3作为配体与维生素D核受体结合后引发后者构象改变，暴露出DNA接合区，促使维生素D核受体与维甲酸核受体(RXR)形成异二聚体，这种VDR/ RXR复合物能直接和靶基因的启动子区域的基因序列-维生素D反应元件(VDRE)相互作用，启动、调整启动子相关基因的转录，影响mRNA表达和蛋白质合成，从而调节细胞的生理过程。经典的1,25-(OH)2D3生成部位在肾脏，主要发挥对钙磷平衡的调节作用。但目前细胞学研究证实，气道上皮细胞、单核/巨噬细胞、T细胞、B细胞等组织细胞都表达维生素D代谢酶，可催化形成1,25-(OH)2D3。同时，随着研究的不断深入，发现VDR也广泛存在于上述细胞等多种组织细胞中，参与慢性疾病的生理病理过程，具有抗感染、免疫调节、抗增殖等作用。Hansdottir等〔3〕研究表明，气道上皮细胞表达维生素D代谢酶，可催化形成1,25-(OH)2D3，1,25-(OH)2D3诱导抗菌肽或CD14产生，参与气道炎症过程。Overbergh等〔4〕研究发现，单核/巨噬细胞内含有1-α羟化酶，可催化形成1,25-(OH)2D3。1,25-(OH)2D3促进单核细胞向巨噬细胞分化，并直接作用于单核/巨噬细胞，加强巨噬细胞的免疫作用和细胞毒作用。Provvedini等〔5〕研究发现，T、B细胞中存在VDR，维生素D与T、B细胞中的VDR结合，从而调节免疫细胞的增殖、分化过程。

2 COPD患者与维生素D

通常情况下，以检测血清25-羟维生素D的浓度来反映机体维生素D的水平。血清25-羟维生素D浓度<20 ng/ml被定义为维生素D缺乏〔6〕。美国内分泌学会近日在《临床内分泌学与新陈代谢杂志》上发布了维生素D缺乏评估、治疗和预防的临床实践指南。指南中指出，外周血血清25-羟维生素D水平低于20 ng/ml者应被诊断为维生素D缺乏〔7〕。当前，在全世界范围内，维生素D缺乏的发病率急剧增加，据估计全球约有10亿多人存在维生素D缺乏，维生素D缺乏已成为全球重要的公共卫生问题〔8〕。2007年新英格兰杂志指出，维生素D缺乏增加癌症、肺疾病、自身免疫性疾病、感染性疾病、心血管疾病等慢性病的发病风险〔6〕。同样，COPD患者普遍存在维生素D缺乏，其可能原因如全身炎症反应，激素使用，营养缺乏，吸烟致皮肤老化合成维生素D能力下降，户外活动减少致阳光照射不足等，这些因素影响COPD患者维生素D吸收、合成、储存、代谢，导致维生素D缺乏〔1，6〕。Persson等〔9〕研究证实，排除季节、年龄、吸烟史、并发症和体重指数等混杂因素后，COPD组较对照组维生素D缺乏更加明显。Janssens等〔1〕研究也显示，COPD患者普遍存在维生素D缺乏，且维生素D缺乏的严重程度与病情的严重程度相关(FEV1下降)。

3 维生素D缺乏在COPD发病机制中的作用

研究表明，维生素D参与COPD发病机制及病情转归〔10〕。美国第3次全国健康和营养调查报告指出，校正年龄、性别、身高、种族、吸烟史等变量，血清维生素D水平与肺功能密切相关。当前，维生素D缺乏在COPD发生发展中的作用主要表现在以下几方面。

3.1维生素D缺乏导致肺功能下降 其原因可能与COPD患者常见的并发症骨质疏松有关。Graat-Verboom等〔11〕对COPD患者合并骨质疏松的发病率进行了一项为期3年的追踪研究，发现COPD患者骨质疏松患病率由47%增加到61%，主要表现为椎体骨折。Janssens等〔10〕另一项研究发现维生素D缺乏增加COPD患者病情严重程度，与骨骼肌功能降低、骨质疏松引起的骨折发生率增加密切相关。骨质疏松引起脊柱后凸或椎体、肋骨骨折，一方面可使呼吸运动受限、呼吸肌功能障碍，从而导致FEV1和FVC下降；另一方面，椎体、肋骨骨折引起胸背部疼痛，患者呼吸动度下降，导致肺通气不足和痰液阻塞，使病情加重，肺功能恶化，影响COPD的发生发展。另外，Sutherland等〔12〕研究显示，维生素D缺乏与哮喘患者肺功能下降、气道反应性增高相关，而维生素D水平较高者有较好的肺功能，有较低的气道高反应性。最近的一项动物实验研究也显示，维生素D缺乏可降低肺功能，改变肺结构〔2〕。

3.2维生素D缺乏对COPD感染加重的影响 抗微生物肽是一种具有抗菌活性的碱性多肽物质。对革兰氏阳性、阴性菌和病毒有抗菌活性，可直接破坏病原体细胞膜结构的完整性，发挥对病原体的识别和清除作用〔13〕。主要包括防御素家族和抗菌肽。1,25-(OH)2D3可刺激气道上皮细胞、单核/巨噬细胞、中性粒细胞等细胞表达抗菌肽，抗菌肽结合到VDR/RXR复合物上，发挥基因效应，参与对病毒、细菌的识别和清除，抑制气道内炎症反应。Hansdottir等〔14〕研究证实，当气道上皮细胞受到病毒、细菌等病原体感染时，1,25-(OH)2D3可增加局部抗菌肽(LL-37)表达，在增强对病原微生物清除的同时，可抑制肺组织内炎症介质及细胞因子释放，减轻炎症反应过程。防御素主要来源于气道上皮细胞，Andresen等〔15〕研究发现，维生素D可诱导COPD患者BALF和肺组织中β-防御素表达增强，从而增强呼吸道黏膜抗炎作用。在维生素D缺乏时，维生素D不能上调抗微生物肽表达，肺组织局部炎症反应持续存在，损伤肺组织，降低肺功能，导致COPD的发生发展。这同时也解释了维生素D缺乏与呼吸道感染成正相关的原因。

3.3维生素D缺乏对COPD免疫机制的影响 肺免疫包括固有免疫和获得性免疫。中性粒细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞、树突状细胞等参与固有免疫。获得性免疫包括细胞免疫和体液免疫。现已明确，免疫机制参与COPD的发生发展。细胞学研究发现，维生素D调节免疫细胞的功能，对机体的免疫反应有重要影响。

COPD的感染是以中性粒细胞、巨噬细胞、淋巴细胞等在肺组织中聚集为特点的。这些炎症免疫细胞的聚集，一方面可释放炎症介质如白三烯B4(LTB4)、IL-8、TNF-α等，促进中性粒细胞进一步聚集，出现炎症级联反应；另一方面释放中性粒细胞弹性蛋白酶、穿孔蛋白、颗粒酶、基质金属蛋白酶等，降解弹性蛋白，导致肺组织结构破坏形成肺气肿。呼吸道上皮细胞、单核/巨噬细胞等细胞既有1-α羟化酶表达，也有维生素D受体表达，可催化形成1,25-(OH)2D3，局部产生的1,25-(OH)2D3可下调NF-KB通路，抑制IL-8、IL-12、TNF-α等炎症介质和基质金属蛋白酶释放，减轻炎症反应和肺组织破坏〔16〕。Lee等〔17〕研究表明，维生素D增加肺泡巨噬细胞内自由基和活性氧的释放，破坏细菌膜结构和病毒蛋白质，杀灭、抑制多种病原体，减轻炎症反应。当维生素D缺乏时，一方面导致NF-KB通路激活，炎症介质及细胞因子释放增加，另一方面巨噬细胞对非特异性刺激的反应性明显下降，且伴有吞噬功能障碍，导致COPD患者气道中炎症细胞持续存在，出现肺组织破坏，肺功能下降。而NF-KB通路激活和巨噬细胞吞噬功能障碍引发COPD的机制是明确的。

树突细胞(DC)是抗原提呈细胞，参与抗原识别、处理和递呈，是启动T细胞介导的免疫反应的首要环节。依其成熟程度分为DC前体、未成熟DC、迁移期DC和成熟DC。临床研究证实，COPD患者小气道中未成熟DC增多〔18〕。1,25-(OH)2D3可下调NF-KB表达，抑制单核细胞分化成DC，阻止未成熟DC向成熟DC分化，减少炎症介质如IL-12、IL-1α、IL-1β、TNF-α等释放和增加IL-10产生，抑制抗炎和免疫反应。未成熟DC激活T细胞增殖、诱导T细胞分化的能力减弱，出现Th1/Th2免疫偏移。维生素D缺乏时，Th1细胞活动增强，而Th2细胞活动减弱，导致Th1/Th2表达失衡，出现免疫功能紊乱，导致肺组织的破坏，促进COPD的进展〔19〕。此外，未成熟DC还可诱导CD4+CD25+调节性T细胞(Treg)产生，可防止自身或非自身抗原活化，对机体局部的免疫稳定有重要的调节作用。体外实验证实，维生素D可提高Treg细胞分泌IL-10〔20〕，IL-10能抑制Th1和Th2介导的免疫反应，可抑制几乎所有的炎症介质和炎性细胞因子产生和释放，具有抗炎作用。当维生素D缺乏时，Treg细胞活性下调，IL-10分泌减少，炎症介质和炎性细胞因子产生和释放增多，引起炎症反应扩大或失控和免疫紊乱，促进肺气肿的发生发展。

B细胞参与体液免疫，当B细胞与相应抗原相遇时，则活化、增殖、分化为浆细胞，通过产生抗体发挥免疫作用。B细胞持续增殖、分化，提示体内有持续的抗原刺激。目前研究发现，COPD患者小气道有较多的成熟淋巴滤泡和B细胞聚集，说明B细胞参与肺免疫炎症反应，影响COPD发生发展〔21〕。维生素D可抑制B细胞增殖、分化及免疫球蛋白产生〔22〕，抑制B细胞过度免疫应答造成对组织细胞的损伤。目前，对B细胞的研究较少，维生素D对B细胞影响的具体机制尚未完全阐明。

3.4维生素D缺乏对COPD蛋白酶/抗蛋白酶失衡、气道重塑的影响。蛋白酶/抗蛋白酶失衡、气道重塑是COPD发病机制的经典学说。导致肺组织破坏的蛋白酶主要有：中性粒细胞弹性蛋白酶(NE)、基质金属蛋白酶(MMP)、组织蛋白酶G、蛋白酶3等。NE可降解所有的基质蛋白和血浆蛋白，诱导上皮细胞释放炎症因子IL-8。MMP的主要功能是降解组织连接蛋白、细胞外基质、弹性蛋白和纤连蛋白。NE和MMP(MMP-2，9，12)降解肺组织结构蛋白、破坏肺实质和肺泡间隔，肺泡巨噬细胞分泌产生TNF-α、IL-6、IL-8。同时，TNF-α又可诱导IL-8、IL-6合成和释放增加，能增强中性粒细胞的细胞外基质分解作用，还可调节气道平滑肌细胞(ASMC)的基因表达、分化、生长，导致ASMC的异常增生，参与气道重塑。另外，TNF-α也可增加MMP释放。而IL-6能延缓中性粒细胞凋亡，使气道炎症持续存在。IL-6过表达也使气道壁增厚，参与肺气肿的气道重塑。综上所述，炎症细胞释放炎症介质，这些炎症介质反过来活化炎症细胞，构成了炎症细胞-炎症介质之间的放大环，使气道炎症慢性化、持续化，最终导致肺组织结构破坏，成纤维细胞和平滑肌细胞增生，胶原合成增加，造成管腔狭窄、肺气肿形成、小气道气流进行性受限。维生素D能抑制TNF-α、MMPS表达，阻断炎症细胞-炎症介质之间的放大环，抑制基质蛋白降解和气道重塑，保护肺功能〔23〕。当维生素D缺乏时，TNF-α、MMP活性明显增高，导致肺实质破坏和气道重塑，促进COPD发生发展。Sunder等〔16〕的研究发现，VDR基因敲除小鼠体内MMP活性明显增高，引起气道慢性炎症和肺功能破坏，影响COPD的发生发展。

4 维生素D缺乏对AECOPD的影响

COPD急性加重(AECOPD)的最常见诱因主要为细菌、病毒感染或二者的混合感染。维生素D缺乏时，患者呼吸道防御功能下降，下气道局部定植菌生长繁殖，引发感染致炎症细胞聚集，诱发炎症反应，肺功能下降，导致AECOPD〔24〕。另外，维生素D缺乏时，慢性呼吸道感染的发生率明显增高，血清低维生素D水平与上下呼吸道感染相关。Ginde等〔25〕一项大规模横断面研究显示，血清维生素D水平与上呼吸道感染发病率成反比，与 COPD感染加重明显相关。冬季是呼吸道感染和AECOPD的高发期，而维生素D也处于最低水平〔19〕。糖皮质激素是治疗AECOPD的主要药物之一，但只有10%的AECOPD患者对皮质激素敏感，可能与HDAC活性下降有关。新英格兰杂志一项研究显示，糖皮质激素抵抗的患者HDAC2的活性和表达是减少的，COPD患者的肺泡巨噬细胞、气道中HDAC2的活性和表达非常低〔26〕。维生素D可上调HDAC活性，减少炎症因子的释放，恢复糖皮质激素的反应性〔27〕。另外，IL-10是一种生物活性免疫抑制因子，具有抗炎作用。维生素D通过恢复IL-10反应性，可逆转COPD患者糖皮质激素抵抗〔28〕。维生素D缺乏时，HDAC活性下降，IL-10分泌减少、反应性下降，炎性基因表达增加，炎症反应加强，对糖皮质激素治疗反应性下降，导致AECOPD患者病情进一步恶化。

综上所述，COPD患者普遍存在维生素D缺乏。维生素D缺乏与COPD的发生发展有关，在COPD的炎症、免疫调节、蛋白酶/抗蛋白酶失衡中发挥重要作用，且与AECOPD密切相关。补充维生素D有利于改善COPD患者病情及预后。

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