维生素D对儿童哮喘发病机制的影响及辅助治疗方案选择

杨振东，周高俊，张晓丽，谢雄，黄燕，姚慧，安冰，张巧月，关凯

小儿哮喘的特征为慢性气道炎症和气道高反应性，是儿童常见的慢性呼吸道疾病。近年来哮喘患病率逐年上升，全球约有3亿人受影响[1]。过去20年的流行病学研究和荟萃分析表明， 儿童维生素D缺乏(vitamin D deficiency，VDD)与哮喘风险增加、症状恶化和肺功能下降有关。孕妇维生素D摄入不足和血清维生素D含量低也与后代喘息增加有关。遗传研究发现，维生素D受体(vitamin D receptor，VDR)和维生素D结合蛋白(vitamin D binding proteins，VDBPs)的遗传多态性增加了哮喘的易感性[2]。

维生素D除了在人体骨骼和肌肉健康中起重要作用外，它还是一种类固醇激素，对骨骼外组织的新陈代谢具有重要作用[3]。研究表明，维生素D的生物学效应是通过与VDR结合并诱导基因组或非基因组效应介导的，维生素D可调节多达5%的人类基因，在36多种不同类型的细胞中诱导生理反应，调节白细胞中291个基因的表达，并参与160多种不同的生物代谢途径。已证明维生素D是人类重要的免疫调节剂[4]，先天性和适应性免疫系统细胞以及上呼吸道结构细胞在VDD中会促进炎症反应并产生相应的细胞因子，而补充维生素D可以减轻这些炎症作用。因此，维生素D和VDD的多种生物学作用可能会对哮喘的发病机制和严重程度产生影响。维生素D的免疫调节作用包括对B细胞和T细胞的作用，以及增加抗菌肽(cathelicidin)的产生。这些免疫调节可以预防细菌/病毒感染，减少哮喘发作，抑制气道平滑肌重塑，改善气道功能，增加对糖皮质激素(glucocorticoid，GCS)治疗的反应性，使临床受益[5]。

越来越多的证据表明，补充维生素D有助于预防哮喘的发生和减少反复急性发作，也可能有助于哮喘的治疗[6-7]，但也有不同的意见[8]。

1 维生素D对哮喘发病机制的潜在影响

1.1 对免疫功能的影响

1.1.1 对先天免疫功能的影响:呼吸道感染(respiratory tract infection, RTI)是哮喘复发的主要原因，并可加重哮喘症状。维生素D增强抗菌反应，并有益地调节对细菌、病毒和真菌感染的炎症反应。病原体触发Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)刺激各种类型的细胞，例如气道上皮细胞，巨噬细胞，单核细胞和树状突细胞(dentritic cells，DCs)，并增强25(OH)D-1α-羟化酶(CYP27B1)的表达。CYP27B1将循环中25-羟基维生素D [25(OH)D,25D]转化为活性1,25-二羟基维生素D [1,25(OH)2D,1,25D][9-10]。这些事件导致下游反应产生抗菌肽和β-防御素，抗菌肽对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌有广泛的抗菌活性，亦有抗病毒作用，也是对抗肺炎和哮喘感染风险的重要因素。在病毒感染时，肺上皮细胞能够将非活性维生素D转化为1,25D，并促进抗菌肽的产生[10]。

1,25D促进单核细胞增殖并成熟为巨噬细胞。VDD中巨噬细胞功能缺陷，趋化性受损、吞噬作用降低及促炎因子产生增加。补充维生素D可用作哮喘的预防策略。

1.1.2 对适应性免疫功能的影响:研究表明，1,25D不仅通过抑制T辅助细胞1(T-helper cells 1，Th1)相关细胞因子合成，而且通过调节Th2细胞，调节性T细胞(regulatory T cells，Tregs)和Th17细胞的活性来发挥免疫调节作用。在过敏性疾病中，维生素D和Th2细胞间的作用更为复杂，Th2细胞在免疫球蛋白E(immunoglobulin E，IgE)合成中起着核心作用。但在不同的动物模型或人类T细胞培养系统中，维生素D抑制或促进Th2反应。据报道，增加25D水平并不能提高人外周血Th2细胞因子水平[5]。血清25D水平与过敏原特异性IgE呈负相关。在体外，1,25D减少人外周血B细胞中IgE的产生，并增加B细胞中IL-10的合成。研究显示，哮喘的炎症不仅涉及Th2细胞，而且涉及另外几个T淋巴细胞亚群。Tregs是重要的CD4+T细胞，可抑制炎症反应并防止过度的免疫反应。1,25D已显示出可以提高Tregs的产量和功能。

先天性和适应性免疫对维生素D的免疫反应机制见图1[11]。

从阳光照射经皮肤获取的维生素D3或从食物中获得的维生素D2或D3，首先在肝脏中代谢为25D。在表达CYP27B1和VDR的靶细胞如单核细胞/巨噬细胞和DC中，可通过胞内分泌反应在局部将25D转化为1,25D。在单核细胞/巨噬细胞中，1,25D的胞内分泌合成促进了对感染的抗菌作用。在DC中，1,25D的胞内分泌合成抑制DC成熟，从而调节了Tregs的功能。Th对25D的反应也可以旁分泌方式介导，DC产生的1,25D作用于表达VDR的Th细胞。表达CYP27B1/VDR的上皮细胞也发生25D的胞内分泌作用。嗜中性粒细胞似乎不表达CYP27B1，但可受到肾脏合成1,25D循环水平的影响。表达VDR的Th还是全身1,25D的潜在靶标。上皮细胞，滋养细胞和蜕膜细胞都能够以胞内分泌方式对25D作出反应，但也可能对全身性1,25D作出反应以促进抗菌作用。

1.2 对气道重塑的影响

气道平滑肌(airway smooth muscle，ASM)束调节支气管运动和支气管腔横截面积，并且是人气道收缩的主要效应器。气道重塑的特征是由于气管壁结构异常和哮喘患者ASM质量增加，这与气道狭窄和肺功能下降有关。细胞外基质沉积引起气道结构改变，ASM细胞肥大和增生是哮喘加重的元凶[12]。ASM质量增加主要是由于细胞数量增加，某些ASM重塑是可逆的。对动物模型的研究表明，可以通过减少气道炎症抑制ASM重塑。ASM中胶原蛋白III和层黏连蛋白的含量与1秒用力呼气量(forced expiratory volume in the first second，FEV 1)的可逆性有关。

用人ASM细胞进行体外实验表明，维生素D调节气道重塑的基因转录，减少和/或改善人ASM细胞重塑的标志性特征。用1,25D处理经哮喘患者血清致敏的人ASM细胞，发现可抑制ASM细胞增殖周期的细胞核抗原表达以及从G1期到S期的转变。维生素D通过抑制核因子κB(NFκB)介导的信号传导并减少促炎细胞因子的分泌来减少气道重塑。但补充维生素D作为一种潜在治疗方案的试验尚无明确答案[12]。

1.3 对GCS治疗的影响

GCS是治疗哮喘的一线抗炎药。约15%的哮喘患者对GCS反应较差，称为GCS耐药性(GCS-resistant，SR)哮喘。SR的分子机制包括GCS与GCS受体(GCS receptors，GRs)结合减少，GRs表达下调，炎性途径激活增强或缺乏共抑制活性[5，13]。

维生素D和GCS组合应用可增强GCS作用，并可能逆转SR。补充维生素D通过调节受损的Tregs，从而增加Tregs的产生和功能、诱导IL-10分泌并诱导ASM细胞中GCS的生物利用度来逆转SR。儿童哮喘管理计划参与者(n=1 024)数据分析发现VDD(<30 μg/L)与重度哮喘的急性发作、紧急就诊或住院风险增加有关。这项研究中，哮喘加重风险最低的组是25D水平≥30 μg/L且吸入GCS的组，这表明维生素D状况和GCS应用具有预防哮喘加重的协同作用[14]。维生素D和地塞米松联合治疗被证明优于单药治疗，且可减少由地塞米松引起的高血糖、高血脂、过敏和大鼠行为异常[15]。

图 1先天性和适应性免疫对维生素D的免疫反应机制

Fig1Immune response mechanisms of innate and adaptive immunity to vitamin D

1.4 遗传效应

哮喘可能是由于遗传因素及各种环境因素相互作用引起。维生素D合成、运输和降解受几种基因调控，尤其是VDBP和VDR。这些基因中的多态性可能会影响25D的状态和1,25D的功能。对VDR基因多态性研究发现FokⅠ(rs2228570)、TaqⅠ(rs731236)基因多态性与哮喘风险有关；BsmⅠ(rs1544410)、ApaⅠ(rs7975232)多态性可能没有关联。但亚组分层分析种族特异性表明，非洲人群中FokⅠ SNP的存在降低了哮喘风险；TaqⅠ SNP的tt基因型与亚洲人群患哮喘风险增加而与美国人群哮喘风险降低相关。族裔间结局的显著差异可能源于地理差异、各种饮食模式、族裔多样性以及族裔间对不同维生素D血清水平和VDR基因表达的重要影响[16]。

全基因组微阵列芯片研究首次发现补充维生素D影响人体许多重要的调节和代谢途径，证实了维生素D对DNA修复、应激反应和免疫调节的潜在作用[3，17]。

1.5 维生素D对胎儿肺成熟和哮喘的影响

研究表明，孕妇体内维生素D水平低与后代发生喘息或哮喘的风险增加相关[18]。美国对1 194名母亲和儿童配对研究表明，当孕妇维生素D摄入量最高时，后代反复喘息的风险降低62%。来自苏格兰的1 212对和日本的763对母子类似研究分析显示，孕妇维生素D摄入量最高时，反复喘息的风险分别降低了67%和36%。

维生素D调节过程是正常胎儿肺发育的一部分，怀孕期间胎儿不产生25D，完全依赖于母体胎盘转移，1,25D也无法穿过胎盘。25D胎盘转移主要发生在最后3个月，因此早产儿有VDD风险。对动物和人肺细胞进行的研究证明维生素D具有通过诱导VDR依赖性增加II型肺泡细胞中表面活性物质磷脂的合成和分泌以及出生后维生素D依赖性肺泡生长的能力，维生素D对胎儿和新生儿肺部发育和成熟具有积极作用[19]。

2 维生素D辅助治疗儿童哮喘最佳治疗方案选择

美国国家健康与营养调查及其他多项研究证实VDD与儿童哮喘风险增加相关[20-21]。关于最佳血清25D水平和补充维生素D摄入量的建议仍有争议。2010年美国医学研究所(Institute of Medicine, IOM)推荐目标血清25D >20 μg/L。而美国内分泌学会将VDD定义为25D <30 μg/L。维生素D补充剂量，IOM建议年龄 > 1岁每日600 IU。美国内分泌学会推荐0～1岁儿童最高为2 000 IU /d，1～18岁儿童为4 000 IU /d以纠正VDD[22]。

2.1 补充维生素D最佳时机

一般认为实验室测试确认VDD(< 20 μg/L)后可开始维生素D治疗。根据孩子的年龄，体重和居住地，补充1～3个月[23]。但也有人建议25D浓度<30 μg/L时就应给予治疗。

研究发现，当新生儿脐带血25D <30 μg/L时，出生后两年内很容易发生RTI，这表明从出生起就需要补充维生素D[24]。为了防止孕妇后代患哮喘，应从生命一开始就补充维生素D。认为维生素D的影响仅局限于胚胎肺发育的肺泡期是一种误解。实际上，维生素D在胎儿肺的早期形态发生中已经起着相当重要的作用。在两项著名的研究即“维生素D产前哮喘减少试验(VDAART)”、“2010年哥本哈根儿童哮喘前瞻性研究(COPSAC 2010)”中，前者孕妇在妊娠的22～26周开始补充维生素D，而后者从妊娠的10～18周开始补充，这个时间似乎有点晚了，可能不能达到维生素D的最大作用。此外，维生素D还影响人类的生殖能力，在怀孕前摄入足够的维生素D有助于优化受精卵的植入。维生素D从生命开始就影响胚胎肺和免疫系统的发育[25-26]。

2.2 维生素D补充最合适剂量

研究认为哮喘儿童每天补充维生素D 500 IU 6个月不足以增加25D。每天服用1 000 IU维生素D 12个月后，只有50%的患者25D浓度> 30 μg/L[27]。

最近研究表明，为了减少哮喘的风险，应每天补充维生素D 500～2 000 IU[28]。每天补充 1000 IU维生素D可以维持哮喘患者尤其是GCS应用者的骨骼健康。因此，每天服用2 000 IU维生素D可以促进维生素D的骨骼外作用。每天添加1 500～2 000 IU维生素D可以增加25D > 30 μg/L[21]。为了最大程度地发挥维生素D对基因表达的作用，有必要补充超过2 000 IU/d的维生素D。如果25D浓度未达到30 μg/L，则新生儿的剂量可以增加到1 000 IU/d；婴儿2 000～3 000 IU/d，1～18岁儿童3 000～5 000 IU/d，直到取得良好的临床效果[29]。最近的观察表明，VDD患者具有特定的基因表达模式，并且随着25D水平的增加而发生显着变化[17]。

维生素D为脂溶性，一般不会发生中毒。除非长期误用每天超过10 000 IU才可能会导致中毒。中毒定义为25D水平>150 μg/L，伴有高钙血症、高钙尿症和高磷血症。有虚弱、便秘、食欲不振、恶心、呕吐等症状[30]。上述推荐的维生素D剂量是安全的，但最好在医生指导下应用。

2.3 选择补充维生素D的适当途径

通常口服补充更方便、更合适。不建议为解决顺从问题而釆用间歇性大剂量注射维生素D。一项荟萃分析(涉及25项研究，10 933个病例)研究得出结论，每天或每周补充维生素D可以预防RTI风险。研究表明，RTI可以引起哮喘复发/恶化。这项荟萃分析还发现，仅每日或每周补充维生素D可以预防RTI，且对严重VDD患者则具有更好的保护作用，而大剂量注射则不能。

大剂量用药为什么不能预防RTI？因为大剂量给药后循环中25D大幅波动的潜在不利影响可能会影响活性1，25D酶的合成和降解的长期调节，从而导致肾外组织中1,25D代谢产物活性降低，这种作用可能削弱了25D支持针对呼吸道病原体的保护性免疫反应能力[10]。应避免间歇性使用大剂量维生素D[10]。

2.4 维生素D产生积极效果的适宜疗程

考虑到25D半衰期为2～3周，并受自然季节和感染影响，因此治疗时间应超过12个月[31]。一项研究将70例免疫缺陷患者和频繁RTI的儿童分为维生素D干预组和对照组。干预组4 000 IU/d持续一年。结果表明，在感染评分、抗生素应用、微生物培养状况和25D浓度方面，干预组显著优于对照组。该研究还观察到维生素D干预具有时间依赖性，影响患者免疫功能可能需要用药6个月以上[32]。

Yadav等[33]研究了维生素D对儿童中度～重度哮喘的治疗作用。根据GINA指南对维生素D组每月补充60 000 IU 共6个月，而安慰剂组则接受葡萄糖粉作为安慰剂。结果维生素D组中哮喘症状出现的频率显着低于安慰剂组(P=0.011)，最大呼气流速(peak expiratory flow rate，PEFR)也显着增加(P=0.000)，类固醇需求显着降低(P=0.013)，急诊就诊次数显着降低(P=0.015)。在维生素D组中，不仅哮喘症状得到了早期控制，而且在接下来的6个月中，哮喘的严重程度也明显降低(P=0.016)。简言之，维生素D辅助治疗最佳疗程可能需要6～12个月。

2.5 补充维生素D后应达到的最佳目标25D水平

美国内分泌学会建议人体25D的最佳浓度为40～60 μg/L，或至少> 30 μg/L。建议婴儿每天服用维生素D 400～1 000 IU，> 1～18岁的儿童每天服用维生素D 600-1 000 IU，成人每天服用1 500～2 000 IU。VDD使哮喘儿童对RTI敏感，RTI可能导致哮喘发作。25D > 38 μg/L的哮喘儿童不易患RTI，低25D水平的儿童容易发生ARTI。因为低25D的水平不能有效激活抗菌肽的 mRNA，并且不能诱导产生足够的抗菌肽，抗菌肽可以杀死病原体。补充维生素D可逆转抗菌肽的 mRNA的诱导。因此，需要使维生素D浓度大于38 μg/L才能最有效地激活抗菌肽的 mRNA，以产生足够水平的抗菌肽[10]。

3 结论

维生素D对儿童哮喘发病机制有潜在的有益影响，从而影响儿童哮喘的病情与转归。维生素D辅助治疗至少有以下益处：(1)有助于维持哮喘患儿骨骼健康，与GCS组合可以减少哮喘儿童骨钙流失并有益于正常体格发育[34]；(2)可以减少或避免RTI的发生，RTI可以引起哮喘复发/恶化。维生素D调节免疫功能，诱导抗菌肽和防御素的产生，提高针对细菌、病毒和真菌感染的干扰素γ和IL-10水平，减少哮喘复发或症状恶化风险[35]；(3)可通过调节受损的Tregs增加IL-10分泌并增强GCS的抗炎功能，从而逆转GCS的耐药性[14]；(4)可以减轻实验大鼠GCS治疗的其他不良反应，例如高血糖、高血脂、过敏和行为异常[15]；(5)可以提供产前帮助，孕妇在产前摄入维生素D可以增加其25(OH)D浓度，从而降低其子代患哮喘/喘息的风险[27]；(6)有助于纠正哮喘儿童的维生素D不足、VDD，有益于儿童的整体身心健康[36]。

近年，哮喘治疗尤其是新的生物制剂开发取得了许多新进展，新药价格昂贵且不易获得，其疗效还需进一步观察[37]；而补充维生素D辅助治疗却是一种低风险、低成本、方便实用的治疗措施，值得进一步研究和推广应用。

致谢：北京首都儿科研究所附属儿童医院宋国维教授提供部分参考资料