维生素D是防治原发性骨质疏松的基础药物,而其活性代谢产物才是在体内发挥生物活性作用的主要物质。在骨质疏松症治疗领域中,应用最广泛的维生素D活性代谢物制剂包括骨化三醇[1,25(OH)2D3,罗盖全]和阿法骨化醇即lα-(OH)D3,其他还有骨化二醇[25-(OH)D3]、双氢速甾醇(DHT)也用于治疗骨质疏松症。严格地说,阿法骨化醇不是体内维生素D的活性代谢产物,而是一种前体药物,在肝脏内代谢为具有生物活性的1,25(OH)2D3。
骨化三醇是维生素D生物活性的最高形式
维生素D3又名胆骨化醇,是由皮肤内的7-去氢胆固醇经紫外线照射产生。麦角骨化醇或维生素D2是由紫外线照射植物固醇即麦角甾醇所得。在夏日阳光下,皮肤被照射20~25分钟合成的胆骨化醇与7-去氢胆固醇和其转化物光化醇、速固醇达成平衡。骨化醇类通常以国际单位(IU)表示,1 μg胆骨化醇为40 IU,1 μg麦角骨化醇为38 IU,骨化醇为这两种化学物的统称。人体中50%以上的维生素D推测是由皮肤产生的。维生素D本身无生物活性,必须经肝脏25-羟化酶作用转变成25-羟化维生素D3,并进一步在肾脏内由1α羟化酶进行1位羟化,而转变为维生素D3的活性形式——1,25(OH)2D3,才具有最高的生物活性。许多组织都含有1α羟化酶,它将25-羟化维生素D3转化成1,25(OH)2D3。皮肤基底细胞、毛囊滤泡细胞、淋巴结、胰、肾上腺髓质、脑、结肠等,通过自分泌和旁分泌形式调节局部1,25(OH)2D3水平,但不影响血液浓度。
25(OH)2D3(25-羟化胆骨化醇)是活性维生素D在血液循环中的一种贮存和转运形式, 在血浆中的浓度(32/μg/L)为1,25(OH)2D3的1000倍(31 ng/L),基本无生物活性或很低的生物活性,不具有1,25(OH)2D3增加肠钙吸收、动员骨钙的能力。治疗维生素D依赖型佝偻病时,只需使用生理剂量的1,25(OH)2D3,如使用25(OH)D3需大剂量才可起到治疗作用。已知甲状旁腺素(PTH) 可调节并增加肾1α羟化酶的活性,通过负反馈机制可维持1,25(OH)2D3在严格的生理范围之内。
大多数老年人血浆1,25(OH)2D3水平降低,尤其在65岁以上老年人中。有研究显示,健康且积极活动老年人的1,25(OH)2D3水平无明显的增龄改变,而对于住院失去活动能力又未补充维生素D的老年人,血浆1,25(OH)2D3水平则显著降低。1,25(OH)2D3增龄性的下降与维生素D结合蛋白(DBP)、25(OH)D3(即维生素D营养缺乏)和雌激素缺乏,肾1α羟化酶活性降低或1,25(OH)2D3的代谢清除有关。
活化的维生素D通过靶器官的维生素D受体(VDR)发挥作用,按与肠道VDR结合力比较,1,25(OH)2D3是25(OH)D3的500~1000倍。阿法骨化醇[1α(OH)D3不是维生素D在体内的代谢产物,系人工合成制剂,在体内需转化为1,25(OH)2D3才能发挥其生物活性作用,一次口服2 μg,4~12 h后血清1,25(OH)2D3约可升高达峰浓度,24h平均升高约8 ng/L。若以1,25(OH)2D3单剂口服,4~8h后血药浓度达峰值,24 h回复到基线水平,如果1次口服0.5 μg,2~6 h后肠钙吸收即可增加。
骨化三醇是骨代谢的重要激素
1,25(OH)2D3是固醇类激素的家族成员,已被确认为肾脏分泌的一种激素或称D-激素,具有构成内分泌系统激素的4个关键成分。维生素D的生物活性作用主要是通过1,25(OH)2D3与靶器官组织细胞核上的VDR相互作用而产生功效,同时也通过膜VDR的非基因途径来发挥其快速的生物活性作用。
VDR主要存在于肠、甲状旁腺和骨这些经典靶器官细胞中,也广泛存在于其他器官。因此,VDR的功能本质上亦反映了1,25(OH)2D3的功能。细胞VDR水平受1,25(OH)2D3和其他类固醇激素包括雌激素、糖皮质激素和PTH的影响。VDR的不同基因型可能与骨量的峰值有关,VDR BB基因型可降低VDR的RNA水平,而低水平的VDR会降低钙吸收的能力。VDR基因型和骨量、骨质疏松有一定关系。
在不同靶组织上1,25(OH)2D3有不同的功能。肠道1,25(OH)2D3通过VDR核受体合成钙结合蛋白(Calbindin)-9K和28K来增加主动转运和促进钙吸收;骨组织1,25(OH)2D3通过刺激骨细胞分化和碱性磷酸酶、骨钙素、骨桥蛋白和胶原的合成(体外实验中胶原合成随成骨细胞密度、时间、分化阶段不同而有差异),抑制骨吸收细胞因子的产生,如白细胞介素(IL)-la、肿瘤坏死因子(TNF)α等。体外实验表明,1,25(OH)2D3增加转化生长因子(TGF)β水平,而TGF-β是刺激成骨细胞增殖和分化的重要因子,因此1,25(OH)2D3有促骨形成作用。在体外实验中,大剂量1,25(OH)2D3可促进破骨细胞分化,而在体内生理剂量时可通过增加钙的吸收和抑制PTH的分泌而抑制骨吸收。甲状旁腺1,25(OH)2D3直接作用于甲状旁腺细胞,抑制PTH的分泌。
有研究显示,维生素D受体基因(VDRG)多态性与骨矿密度(BMD) 相关。具有VDR BB型者常显示BMD低,血清骨钙素高;而bb型则表现为BMD高,血清骨钙素低。另有研究则认为VDRG与BMD无关。对日本,中国香港、台湾、上海、北京等地人群的研究显示,VDR基因型的表现频率与白人妇女有显著差异。VDRG与钙吸收有关,如bb型者的肠道钙吸收率优于BB型者。
VDRG与药物疗效有关。研究者对BbAATt、BbAaTt、bbAaTT和bbaaTT4种VDR基因型进行比较,结果显示,在服用阿法骨化醇1μg/d加钙400 mg后,bbaa型和bbAa型者的BMD分别增加了2%和1.3%,BbAA和BbAa型者则下降了1.0%。若仅服阿法骨化醇0.5 μg/d,bbaa型者的BMD明显增加,而BbAA型者则有所降低,表明不同基因型对活性维生素D的敏感性也不同。
骨化三醇对骨代谢的调节作用
种骨转换的失衡,其中涉及成骨和破骨两大细胞群,而1,25(OH)2D3在骨吸收和形成代谢过程中起着双向调节作用。
(一)对骨形成的作用
1. 间接作用
活性维生素D可促进肠钙吸收,提高血钙浓度,使钙在骨中沉积,给骨矿化提供原料是其对骨形成的间接作用。
2. 直接作用
成骨细胞是活性维生素D作用的重要靶器官,1,25(OH)2D3不论在体内和体外都具有调节成骨细胞的分化和活性作用,且来源不同的成骨细胞也有不同反应。体外培养显示,1,25(OH)2D3可修饰成骨细胞的分化通路,对分化状态不同期的成骨细胞具有选择性作用。
在培养人成骨细胞时,1,25(OH)2D3对相对处于成熟阶段的细胞更具正性作用,并增加骨钙素和碱性磷酸酶的表达,但却抑制骨涎蛋白的表达,亦可促进处于成熟后期成骨细胞I型胶原的表达,对基质细胞也具有促增殖作用。1,25(OH)2D3可激活多种信息途径,上调或下调与成骨细胞增殖和分化相关的基因表达,同时也可增加TGF-β的合成及胰岛素样生长因子(IGF)-1受体的数量,通过相应基因的启动、转录而对碱性磷酸酶、骨钙素、骨桥蛋白等起上调作用。对于I型胶原,1,25(OH)2D3则因细胞密度、使用时间和浓度的不同而起抑制和刺激合成的作用。1,25(OH)2D3可促进相对不成熟成骨细胞的合成,但可抑制较成熟成骨细胞和骨涎蛋白的合成,并下调PTH、PTH相关肽(PTHrP)、降钙素、IL-2、1α羟化酶。这些成骨细胞合成的基质和蛋白不仅保证了骨组织胶原纤维的矿化,还可增加骨质量所必需的成分。成骨细胞数量不足和功能缺陷在骨质疏松症中所起作用较过去设想的重要得多。1,25(OH)2D3是青春期骨加速生长的一个重要刺激因子,也是骨量峰值形成的关键因子和佝偻病患儿生长落后的原因。对于老年人,骨重建特别是成骨细胞活力的维持是骨质量和骨机械稳定性能的保障。
(二)对骨吸收(破骨)的作用
1. 间接作用
破骨细胞功能的激发主要来自对成骨细胞产生的某些破骨细胞活化因子作出的应答,维生素D活性产物在刺激成骨细胞时还能促进破骨细胞分化,使前成骨细胞发育成具有促进骨吸收作用的成熟破骨细胞,体现了其促进骨吸收的间接作用。目前已知1,25(OH)2D3作用于成骨细胞,促使产生破骨细胞分化因子即ODF,又称核因子一κB活化受体(RANK)配体(RANKL)、肿瘤坏死因子相关活化诱导细胞因子(TRANC)和骨保护素配体(0PCL),从而促进了破骨细胞的发育。
2. 直接作用
在成熟的破骨细胞上无1,25(OH)2D3受体,而其前体细胞上则有此受体。1,25(OH)2D3促进前体破骨细胞向成熟破骨细胞分化,其后通过对成骨细胞的作用,在ODF作用下,募集起无骨吸收活性的破骨细胞,并使其发育为具有骨吸收活性的破骨细胞,从而增加破骨细胞数量,增加骨吸收。
(三)对肠钙吸收的作用
从十二指肠到结肠的肠黏膜细胞中都有1,25(OH)2D3受体,其分布在十二指肠最密,至下肠道逐渐减少。在基础状态,正常成人空肠部位的净钙吸收是回肠的3倍。若给予1,25(OH)2D31周后,空肠和回肠的钙吸收率均显著增加,而且回肠的钙吸收率可达到空肠的水平。结肠在1,25(OH)2D3作用下钙吸收率也会明显增加,这对保证小肠切除后患者的钙吸收具有重要意义。
钙从小肠进入细胞外液的主动转运主要通过1,25(OH)2D3诱导的钙结合蛋白来加以调节。肠钙吸收的效率随年龄增长而降低,即年龄增加可降低食物钙吸收的效率,这与1,25(OH)2D3水平相对低下、肠道细胞内1,25维生素D受体缺乏及其他钙主动性吸收机制紊乱有关。与年龄增长相关的钙吸收障碍导致了继发性甲状旁腺功能亢进症,并伴有骨丢失。重要的是,钙吸收不良可被1α(OH)D3或骨化三醇纠正,而与特殊的内在原因和患者年龄无关。
钙结合蛋白有两个主要类型,分别为分子量28 ku的Calbindin 28K(CaBP28k)和分子量为9 ku的Calbindin 9K(CaBP9K,ICaBP)。在哺乳动物,CaBP 28K主要分布于肾、脑、胰,CaBP 9K主要分布在肠壁。在去卵巢大鼠因雌激素减弱造成的骨质疏松模型中,其小肠黏膜中CaBP9K mRNA表达明显下降,补充雌激素则可增加肠壁细胞对1,25(OH)2D3的反应或直接提高CaBP9K的表达,从而以直接或间接方式参与调节肠钙吸收。临床上绝经后并有严重肝脏疾病的患者,加用雌激素替代治疗可改善单用钙剂及维生素D治疗无效的低钙血症。
(四)通过细胞因子和其他途径对骨代谢的调节作用
在老年性骨质疏松症(SOP)中常出现骨吸收增加但不伴骨形成增加。相反,升高的PTH可刺激IGF结合蛋白(IGFBP-4)分泌增加,后者对IGF-1和IGF-2有抑制作用。1,25(OH)2D3缺乏可减少TCF-β的分泌,这些因素抑制了成骨细胞的产生、分化和代谢。不论男性还是女性SOP患者,在股骨颈皮质骨和骨小梁中,IGF-1和TGF-β均有增龄性减少,这与骨折危险增加有关。
IGFBP-3和IGFBP-5可增加IGF-1和IGF-2促骨有丝分裂的强度,在老年人中其含量减少,而抑制IGF的IGFBP-4却增多。老年人的成骨细胞对全身和局部的骨代谢因子反应低下,这对SOP有特殊意义,这与IGFBP-4有关。与雌激素相同,IGF-1在肾脏是1α羟化酶系统激活活性维生素D代谢的重要辅助因子,IGF-1还控制VDR基因的表达,换言之,IGF-1、IGF-2和1,25(OH)2D3激素缺乏使肌肉强度明显减弱,易致跌倒,增加骨折危险。1,25(OH)2D3还通过对PTH的调节发挥其对骨代谢的调节作用。
骨化三醇是防治骨质疏松的一种基础药物
中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病学会公布的“原发性骨质疏松诊疗指南”指出,维生素D是骨质疏松症预防和治疗措施中骨健康的基本补充剂,指南中还提到老年人更适宜选用活性维生素D制剂。不论在绝经后骨质疏松症(PMOP)或SOP都存在1,25(OH)2D3代谢和生物活性的失常。
与通常服用的普通维生素D和钙剂推荐剂量不同,活性维生素D可减少PMOP快速骨丢失,矫正肠钙吸收,增加降钙素分泌,使骨转换的偶联正常化,抑制骨吸收细胞因子的释放(尤其是TNF-α),增加CD8,矫正CD4/CD8在骨快速丢失时增加的比例。
SOP的发病机制中,除性激素(雌激素或雄激素)、生长因子[生长激素(GH)或IGF]缺乏外,肾和骨内的lα羟化酶活性降低造成的1,25(OH)2D3合成减少也很重要,同时靶器官内VDR数量减少或对1,25(OH)2D3的亲和力减弱(胃肠道、甲状旁腺)也是机制之一。临床证据表明,SOP患者滴注PTH可提高1α羟化酶的活性。老年人肠钙吸收降低,原因是老年人食量普遍减少及1,25(OH)2D3合成减少,此外肾脏随年龄增加而萎缩,同时激活1α羟化酶的辅助因子如雌激素或雄激素、IGF及其IGF结合蛋白(ICFBP-4↑,IGFBP-3/5↓)减少。1,25(OH)2D3缺乏可使TGF-β分泌减少。SOP还与继发性甲状旁腺功能亢进有关。为了维持维生素D活性,器官需要更多PTH。70岁以上的SOP患者,PTH增高可致骨转换加剧及骨吸收增加,尤其在股骨颈处的皮质骨,从而导致皮质骨内穿孔和微骨折,因此骨折危险增加。
骨化三醇促进肠钙吸收远较普通维生素D和25(OH)D3快。人体试验显示,服用骨化三醇单剂0.5 μg后2~6 h,肠钙吸收率快速增加,4~8 h达峰浓度,24 h返回基线,生物活性作用可持续7~8天。在英国、澳大利亚、意大利、日本、新西兰等16个国家中,骨化三醇已被列为国家批准防治骨质疏松的药物。
骨化三醇0.25 μg/d即可发挥其促肠钙吸收作用,小于0.5 μg/d不会引发高钙血症,但0.5~1 μg/d 可导致高钙血症。骨化三醇0.5 μg/d的作用为抗骨吸收;而0.25 μg/d对空腹尿钙排泄率的影响小,但随剂量增加而影响增加;大剂量2 μg/d可增加尿羟脯氨酸排泄率,提示加速了骨吸收。
许多临床研究显示,骨化三醇对多数PMOP患者有良好的作用。如椎骨骨折患者服用小于0.5 μg/d的骨化三醇,6~8周后钙平衡提高,骨活检示骨吸收降低,治疗12个月可降低椎骨骨折率。 Gallagher和Riggs应用骨化三醇0.5 μg/d+钙640 mg/d与安慰剂比较,结果显示治疗组绝经后妇女椎骨骨折发生率明显降低。Ott在早期研究中提出,骨化三醇无效可能与使用剂量太低(仅0.4 μg/d)有关,改服>0.5 μg/d后,BMD增加,骨折危险降低。Tilyard应用骨化三醇0.5 μg/d,连续3年,与每日服用1 g钙剂作比较。结果显示,662例患者均有1个以上椎体发生骨折,但骨化三醇组第2年的新发椎骨骨折率下降了70%。 Borman等对长期接受糖皮质激素吸入剂伴骨质疏松的哮喘患者应用骨化三醇。结果显示1 年后,钙剂组(l000 mg/d)较骨化三醇组(0.25 μg,bid)患者的腰椎BMD显著降低,而骨化三醇组未见降低。Holzherr等观察PMOP患者的肠钙吸收能力,单用激素替代(HRT)治疗组肠钙吸收明显降低,而加服罗盖全组(0.25 μg,bid)则明显增加,建议接受激素补充治疗(HRT)的PMOP患者都应加用骨化三醇。
骨化三醇剂量不超过0.5 μg时可安全安全。Tilyard研究中纳入的200名妇女服用骨化三醇0.5 μg/d 3个月,结果无l例受试者发生肾脏钙沉积。因此临床医生要注意钙摄入量,否则可致高钙血症或高钙尿症。1,25(OH)2D3摄入后15%以糖苷的形式从尿中排出,65%在降解后经胆汁由粪便排出。
1,25(OH)2D3改善神经-肌肉协调性,增强肌力,降低跌倒发生率
血清维生素D水平低和PTH水平高可导致肌肉代谢或功能障碍。在人体骨骼肌中存在大量VDR,肌肉软弱是长期缺乏维生素D的基本特征。维生素D缺乏一般可增加PTH水平,而高水平PTH可成为肌肉功能失调的独立致病因子。
一项老年人缺乏或接近缺乏维生素D的随机、对照研究表明,维生素D浓度可改善患者体力,尤其是虚弱的居家或跌倒的老年患者、维生素D缺乏的社区老年妇女、长期住院或护理院的老年人,补充维生素D后在体力、反应敏捷度、平衡、身体晃动方面均可获得改善,同时跌倒发生率降低。该研究同时还观察到血清高水平PTH是增加跌倒的独立危险因子。维生素D缺乏的老年人[25(OH)D3 <10 ng/ml]肌软弱 (即肌力下降达40%,肌肉重量减少达3%)的发病率是血维生素D水平较高者[25(OH)D3>20 ng/ml]的2倍。对BMD正常、年龄在65~77岁的老年妇女为期3年的观察表明,口服骨化三醇组跌倒发生率明显低于安慰剂组、雌激素组和雌激素加罗盖全组。在一项随机双盲对照研究显示,受试者分别口服25(OH)D3和1,25(OH)2D3后下肢肌力明显增强,且跌倒发生率明显下降。在最近报道的包括5项随机、对照临床研究的荟萃分析表明,接受维生素D或活性维生素D治疗的老年人的跌倒危险降低20%。有关维生素D与肌肉功能的研究样本数一般较小(65~400例)。2006年Faulkner对9526例社区老年妇女进行研究,受试妇女的年龄为67~75岁,其中389例还接受了血清25(OH)D3、1,25(OH)2D3和PTH的检测。连续4年的观察结果显示,这些妇女的跌倒发生率与血清1,25(OH)2D3水平有关,处于 1,25(OH)2D3水平四分位上限者较处于四分位下限下者跌倒发生率降低30%,跌倒几率与血清25(OH)D3、PTH无关,提示应用1,25(OH)2D3或其类似物治疗可能较其他维生素D更有预防跌倒的潜力。
1,25(OH)2D3是发现新型活性维生素D的前体
自从发现了1,25(OH)2D3的激素作用后,许多科学家相继进行实验并合成出一些无升血钙作用的维生素D类药物,其中EBl089、MC903和E71是目前最成功的维生素D同类物。Deluca强调,要谨慎评价在实验条件下合成药物的作用,同时还指出阐明VDR及24-羟化酶的三维结构可能有助于开发更安全、有效的维生素D同类物。
朱汉民 1961年毕业于上海第二医学院医疗系本科,现任复旦大学附属华东医院骨质疏松防治研究中心主任。朱教授长期从事内科临床工作,1982年后专注于老年医学研究,尤其是老年性骨质疏松的临床研究。1996年被聘为上海医科大学内科教授,老年医学硕士导师,近20多年来,对骨质疏松诊断和防治进行了深入研究,先后承担国家“九五”攻关、卫生部、市科委12项有关骨疏松的研究,开发了多种临床应用药物,曾发表论文100余篇,主编、参编书籍20余部,另外还获得了上海市科技进步二、三等奖多项,中国老年学会十年优秀成果奖等。