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        維生素D對慢性阻塞性肺疾病的影響

        2014-01-26 17:19:43馬曉峰劉曉菊曾曉麗
        中國老年學(xué)雜志 2014年11期
        關(guān)鍵詞:蛋白酶氣道維生素

        馬曉峰 劉曉菊 曾曉麗

        (蘭州大學(xué)第一醫(yī)院老年呼吸科,甘肅 蘭州 730000)

        慢性阻塞性肺疾病(COPD)是老年呼吸系統(tǒng)最常見的疾病之一,致殘率及死亡率高,據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì),目前,COPD位死因第4位,預(yù)計(jì)到2020年,將上升到第3位。因此,研究COPD的發(fā)病機(jī)制對COPD的預(yù)防和治療具有重要意義。近年來研究發(fā)現(xiàn),維生素D參與COPD慢性氣道炎癥過程,維生素D缺乏導(dǎo)致呼吸道感染增加,降低肺功能,與COPD的發(fā)生發(fā)展及嚴(yán)重程度密切相關(guān)〔1,2〕。維生素D與 COPD的關(guān)系逐漸受到重視。本文就維生素D與COPD的關(guān)系及其對COPD發(fā)病機(jī)制的影響加以綜述,為探討COPD的防治提供依據(jù)。

        1 維生素D及其特征

        維生素D是一種具有廣泛生物活性的脂溶性維生素,是第二類固醇激素。維生素D家族成員中最主要的是維生素D3,其主要來源有飲食補(bǔ)充和皮膚合成。食物來源包括乳制品、魚肝油及蛋類等。

        皮膚在陽光紫外線照射下,經(jīng)皮膚中7-脫氫膽固醇轉(zhuǎn)變合成維生素D3,此為維生素D合成的主要方面。合成的維生素D3在25-羥化酶、1-α羥化酶的作用下,轉(zhuǎn)化生成1,25-(OH)2D3,即活性維生素D。活性維生素D與其靶細(xì)胞的維生素D受體(VDR)結(jié)合發(fā)揮其生理作用。VDR分為膜受體和核受體。維生素D膜受體介導(dǎo)的是一種快速的非基因性效應(yīng),1,25-(OH)2D3通過作用于蛋白激酶C、Ca2+通道、絲裂原活化蛋白激酶通路等,引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+快速變化、bcl-2和c-jun等蛋白活化或去活化狀態(tài),最終影響細(xì)胞的增殖、分化、凋亡等過程。維生素D核受體屬于核受體超家族成員,1,25-(OH)2D3作為配體與維生素D核受體結(jié)合后引發(fā)后者構(gòu)象改變,暴露出DNA接合區(qū),促使維生素D核受體與維甲酸核受體(RXR)形成異二聚體,這種VDR/ RXR復(fù)合物能直接和靶基因的啟動子區(qū)域的基因序列-維生素D反應(yīng)元件(VDRE)相互作用,啟動、調(diào)整啟動子相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄,影響mRNA表達(dá)和蛋白質(zhì)合成,從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理過程。經(jīng)典的1,25-(OH)2D3生成部位在腎臟,主要發(fā)揮對鈣磷平衡的調(diào)節(jié)作用。但目前細(xì)胞學(xué)研究證實(shí),氣道上皮細(xì)胞、單核/巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞等組織細(xì)胞都表達(dá)維生素D代謝酶,可催化形成1,25-(OH)2D3。同時(shí),隨著研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)VDR也廣泛存在于上述細(xì)胞等多種組織細(xì)胞中,參與慢性疾病的生理病理過程,具有抗感染、免疫調(diào)節(jié)、抗增殖等作用。Hansdottir等〔3〕研究表明,氣道上皮細(xì)胞表達(dá)維生素D代謝酶,可催化形成1,25-(OH)2D3,1,25-(OH)2D3誘導(dǎo)抗菌肽或CD14產(chǎn)生,參與氣道炎癥過程。Overbergh等〔4〕研究發(fā)現(xiàn),單核/巨噬細(xì)胞內(nèi)含有1-α羥化酶,可催化形成1,25-(OH)2D3。1,25-(OH)2D3促進(jìn)單核細(xì)胞向巨噬細(xì)胞分化,并直接作用于單核/巨噬細(xì)胞,加強(qiáng)巨噬細(xì)胞的免疫作用和細(xì)胞毒作用。Provvedini等〔5〕研究發(fā)現(xiàn),T、B細(xì)胞中存在VDR,維生素D與T、B細(xì)胞中的VDR結(jié)合,從而調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的增殖、分化過程。

        2 COPD患者與維生素D

        通常情況下,以檢測血清25-羥維生素D的濃度來反映機(jī)體維生素D的水平。血清25-羥維生素D濃度<20 ng/ml被定義為維生素D缺乏〔6〕。美國內(nèi)分泌學(xué)會近日在《臨床內(nèi)分泌學(xué)與新陳代謝雜志》上發(fā)布了維生素D缺乏評估、治療和預(yù)防的臨床實(shí)踐指南。指南中指出,外周血血清25-羥維生素D水平低于20 ng/ml者應(yīng)被診斷為維生素D缺乏〔7〕。當(dāng)前,在全世界范圍內(nèi),維生素D缺乏的發(fā)病率急劇增加,據(jù)估計(jì)全球約有10億多人存在維生素D缺乏,維生素D缺乏已成為全球重要的公共衛(wèi)生問題〔8〕。2007年新英格蘭雜志指出,維生素D缺乏增加癌癥、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發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)〔6〕。同樣,COPD患者普遍存在維生素D缺乏,其可能原因如全身炎癥反應(yīng),激素使用,營養(yǎng)缺乏,吸煙致皮膚老化合成維生素D能力下降,戶外活動減少致陽光照射不足等,這些因素影響COPD患者維生素D吸收、合成、儲存、代謝,導(dǎo)致維生素D缺乏〔1,6〕。Persson等〔9〕研究證實(shí),排除季節(jié)、年齡、吸煙史、并發(fā)癥和體重指數(shù)等混雜因素后,COPD組較對照組維生素D缺乏更加明顯。Janssens等〔1〕研究也顯示,COPD患者普遍存在維生素D缺乏,且維生素D缺乏的嚴(yán)重程度與病情的嚴(yán)重程度相關(guān)(FEV1下降)。

        3 維生素D缺乏在COPD發(fā)病機(jī)制中的作用

        研究表明,維生素D參與COPD發(fā)病機(jī)制及病情轉(zhuǎn)歸〔10〕。美國第3次全國健康和營養(yǎng)調(diào)查報(bào)告指出,校正年齡、性別、身高、種族、吸煙史等變量,血清維生素D水平與肺功能密切相關(guān)。當(dāng)前,維生素D缺乏在COPD發(fā)生發(fā)展中的作用主要表現(xiàn)在以下幾方面。

        3.1維生素D缺乏導(dǎo)致肺功能下降 其原因可能與COPD患者常見的并發(fā)癥骨質(zhì)疏松有關(guān)。Graat-Verboom等〔11〕對COPD患者合并骨質(zhì)疏松的發(fā)病率進(jìn)行了一項(xiàng)為期3年的追蹤研究,發(fā)現(xiàn)COPD患者骨質(zhì)疏松患病率由47%增加到61%,主要表現(xiàn)為椎體骨折。Janssens等〔10〕另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)維生素D缺乏增加COPD患者病情嚴(yán)重程度,與骨骼肌功能降低、骨質(zhì)疏松引起的骨折發(fā)生率增加密切相關(guān)。骨質(zhì)疏松引起脊柱后凸或椎體、肋骨骨折,一方面可使呼吸運(yùn)動受限、呼吸肌功能障礙,從而導(dǎo)致FEV1和FVC下降;另一方面,椎體、肋骨骨折引起胸背部疼痛,患者呼吸動度下降,導(dǎo)致肺通氣不足和痰液阻塞,使病情加重,肺功能惡化,影響COPD的發(fā)生發(fā)展。另外,Sutherland等〔12〕研究顯示,維生素D缺乏與哮喘患者肺功能下降、氣道反應(yīng)性增高相關(guān),而維生素D水平較高者有較好的肺功能,有較低的氣道高反應(yīng)性。最近的一項(xiàng)動物實(shí)驗(yàn)研究也顯示,維生素D缺乏可降低肺功能,改變肺結(jié)構(gòu)〔2〕。

        3.2維生素D缺乏對COPD感染加重的影響 抗微生物肽是一種具有抗菌活性的堿性多肽物質(zhì)。對革蘭氏陽性、陰性菌和病毒有抗菌活性,可直接破壞病原體細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性,發(fā)揮對病原體的識別和清除作用〔13〕。主要包括防御素家族和抗菌肽。1,25-(OH)2D3可刺激氣道上皮細(xì)胞、單核/巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等細(xì)胞表達(dá)抗菌肽,抗菌肽結(jié)合到VDR/RXR復(fù)合物上,發(fā)揮基因效應(yīng),參與對病毒、細(xì)菌的識別和清除,抑制氣道內(nèi)炎癥反應(yīng)。Hansdottir等〔14〕研究證實(shí),當(dāng)氣道上皮細(xì)胞受到病毒、細(xì)菌等病原體感染時(shí),1,25-(OH)2D3可增加局部抗菌肽(LL-37)表達(dá),在增強(qiáng)對病原微生物清除的同時(shí),可抑制肺組織內(nèi)炎癥介質(zhì)及細(xì)胞因子釋放,減輕炎癥反應(yīng)過程。防御素主要來源于氣道上皮細(xì)胞,Andresen等〔15〕研究發(fā)現(xiàn),維生素D可誘導(dǎo)COPD患者BALF和肺組織中β-防御素表達(dá)增強(qiáng),從而增強(qiáng)呼吸道黏膜抗炎作用。在維生素D缺乏時(shí),維生素D不能上調(diào)抗微生物肽表達(dá),肺組織局部炎癥反應(yīng)持續(xù)存在,損傷肺組織,降低肺功能,導(dǎo)致COPD的發(fā)生發(fā)展。這同時(shí)也解釋了維生素D缺乏與呼吸道感染成正相關(guān)的原因。

        3.3維生素D缺乏對COPD免疫機(jī)制的影響 肺免疫包括固有免疫和獲得性免疫。中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等參與固有免疫。獲得性免疫包括細(xì)胞免疫和體液免疫?,F(xiàn)已明確,免疫機(jī)制參與COPD的發(fā)生發(fā)展。細(xì)胞學(xué)研究發(fā)現(xiàn),維生素D調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的功能,對機(jī)體的免疫反應(yīng)有重要影響。

        COPD的感染是以中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等在肺組織中聚集為特點(diǎn)的。這些炎癥免疫細(xì)胞的聚集,一方面可釋放炎癥介質(zhì)如白三烯B4(LTB4)、IL-8、TNF-α等,促進(jìn)中性粒細(xì)胞進(jìn)一步聚集,出現(xiàn)炎癥級聯(lián)反應(yīng);另一方面釋放中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶、穿孔蛋白、顆粒酶、基質(zhì)金屬蛋白酶等,降解彈性蛋白,導(dǎo)致肺組織結(jié)構(gòu)破壞形成肺氣腫。呼吸道上皮細(xì)胞、單核/巨噬細(xì)胞等細(xì)胞既有1-α羥化酶表達(dá),也有維生素D受體表達(dá),可催化形成1,25-(OH)2D3,局部產(chǎn)生的1,25-(OH)2D3可下調(diào)NF-KB通路,抑制IL-8、IL-12、TNF-α等炎癥介質(zhì)和基質(zhì)金屬蛋白酶釋放,減輕炎癥反應(yīng)和肺組織破壞〔16〕。Lee等〔17〕研究表明,維生素D增加肺泡巨噬細(xì)胞內(nèi)自由基和活性氧的釋放,破壞細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)和病毒蛋白質(zhì),殺滅、抑制多種病原體,減輕炎癥反應(yīng)。當(dāng)維生素D缺乏時(shí),一方面導(dǎo)致NF-KB通路激活,炎癥介質(zhì)及細(xì)胞因子釋放增加,另一方面巨噬細(xì)胞對非特異性刺激的反應(yīng)性明顯下降,且伴有吞噬功能障礙,導(dǎo)致COPD患者氣道中炎癥細(xì)胞持續(xù)存在,出現(xiàn)肺組織破壞,肺功能下降。而NF-KB通路激活和巨噬細(xì)胞吞噬功能障礙引發(fā)COPD的機(jī)制是明確的。

        樹突細(xì)胞(DC)是抗原提呈細(xì)胞,參與抗原識別、處理和遞呈,是啟動T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)的首要環(huán)節(jié)。依其成熟程度分為DC前體、未成熟DC、遷移期DC和成熟DC。臨床研究證實(shí),COPD患者小氣道中未成熟DC增多〔18〕。1,25-(OH)2D3可下調(diào)NF-KB表達(dá),抑制單核細(xì)胞分化成DC,阻止未成熟DC向成熟DC分化,減少炎癥介質(zhì)如IL-12、IL-1α、IL-1β、TNF-α等釋放和增加IL-10產(chǎn)生,抑制抗炎和免疫反應(yīng)。未成熟DC激活T細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)T細(xì)胞分化的能力減弱,出現(xiàn)Th1/Th2免疫偏移。維生素D缺乏時(shí),Th1細(xì)胞活動增強(qiáng),而Th2細(xì)胞活動減弱,導(dǎo)致Th1/Th2表達(dá)失衡,出現(xiàn)免疫功能紊亂,導(dǎo)致肺組織的破壞,促進(jìn)COPD的進(jìn)展〔19〕。此外,未成熟DC還可誘導(dǎo)CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)產(chǎn)生,可防止自身或非自身抗原活化,對機(jī)體局部的免疫穩(wěn)定有重要的調(diào)節(jié)作用。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí),維生素D可提高Treg細(xì)胞分泌IL-10〔20〕,IL-10能抑制Th1和Th2介導(dǎo)的免疫反應(yīng),可抑制幾乎所有的炎癥介質(zhì)和炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生和釋放,具有抗炎作用。當(dāng)維生素D缺乏時(shí),Treg細(xì)胞活性下調(diào),IL-10分泌減少,炎癥介質(zhì)和炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生和釋放增多,引起炎癥反應(yīng)擴(kuò)大或失控和免疫紊亂,促進(jìn)肺氣腫的發(fā)生發(fā)展。

        B細(xì)胞參與體液免疫,當(dāng)B細(xì)胞與相應(yīng)抗原相遇時(shí),則活化、增殖、分化為漿細(xì)胞,通過產(chǎn)生抗體發(fā)揮免疫作用。B細(xì)胞持續(xù)增殖、分化,提示體內(nèi)有持續(xù)的抗原刺激。目前研究發(fā)現(xiàn),COPD患者小氣道有較多的成熟淋巴濾泡和B細(xì)胞聚集,說明B細(xì)胞參與肺免疫炎癥反應(yīng),影響COPD發(fā)生發(fā)展〔21〕。維生素D可抑制B細(xì)胞增殖、分化及免疫球蛋白產(chǎn)生〔22〕,抑制B細(xì)胞過度免疫應(yīng)答造成對組織細(xì)胞的損傷。目前,對B細(xì)胞的研究較少,維生素D對B細(xì)胞影響的具體機(jī)制尚未完全闡明。

        3.4維生素D缺乏對COPD蛋白酶/抗蛋白酶失衡、氣道重塑的影響。蛋白酶/抗蛋白酶失衡、氣道重塑是COPD發(fā)病機(jī)制的經(jīng)典學(xué)說。導(dǎo)致肺組織破壞的蛋白酶主要有:中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶(NE)、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)、組織蛋白酶G、蛋白酶3等。NE可降解所有的基質(zhì)蛋白和血漿蛋白,誘導(dǎo)上皮細(xì)胞釋放炎癥因子IL-8。MMP的主要功能是降解組織連接蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)、彈性蛋白和纖連蛋白。NE和MMP(MMP-2,9,12)降解肺組織結(jié)構(gòu)蛋白、破壞肺實(shí)質(zhì)和肺泡間隔,肺泡巨噬細(xì)胞分泌產(chǎn)生TNF-α、IL-6、IL-8。同時(shí),TNF-α又可誘導(dǎo)IL-8、IL-6合成和釋放增加,能增強(qiáng)中性粒細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)分解作用,還可調(diào)節(jié)氣道平滑肌細(xì)胞(ASMC)的基因表達(dá)、分化、生長,導(dǎo)致ASMC的異常增生,參與氣道重塑。另外,TNF-α也可增加MMP釋放。而IL-6能延緩中性粒細(xì)胞凋亡,使氣道炎癥持續(xù)存在。IL-6過表達(dá)也使氣道壁增厚,參與肺氣腫的氣道重塑。綜上所述,炎癥細(xì)胞釋放炎癥介質(zhì),這些炎癥介質(zhì)反過來活化炎癥細(xì)胞,構(gòu)成了炎癥細(xì)胞-炎癥介質(zhì)之間的放大環(huán),使氣道炎癥慢性化、持續(xù)化,最終導(dǎo)致肺組織結(jié)構(gòu)破壞,成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞增生,膠原合成增加,造成管腔狹窄、肺氣腫形成、小氣道氣流進(jìn)行性受限。維生素D能抑制TNF-α、MMPS表達(dá),阻斷炎癥細(xì)胞-炎癥介質(zhì)之間的放大環(huán),抑制基質(zhì)蛋白降解和氣道重塑,保護(hù)肺功能〔23〕。當(dāng)維生素D缺乏時(shí),TNF-α、MMP活性明顯增高,導(dǎo)致肺實(shí)質(zhì)破壞和氣道重塑,促進(jìn)COPD發(fā)生發(fā)展。Sunder等〔16〕的研究發(fā)現(xiàn),VDR基因敲除小鼠體內(nèi)MMP活性明顯增高,引起氣道慢性炎癥和肺功能破壞,影響COPD的發(fā)生發(fā)展。

        4 維生素D缺乏對AECOPD的影響

        COPD急性加重(AECOPD)的最常見誘因主要為細(xì)菌、病毒感染或二者的混合感染。維生素D缺乏時(shí),患者呼吸道防御功能下降,下氣道局部定植菌生長繁殖,引發(fā)感染致炎癥細(xì)胞聚集,誘發(fā)炎癥反應(yīng),肺功能下降,導(dǎo)致AECOPD〔24〕。另外,維生素D缺乏時(shí),慢性呼吸道感染的發(fā)生率明顯增高,血清低維生素D水平與上下呼吸道感染相關(guān)。Ginde等〔25〕一項(xiàng)大規(guī)模橫斷面研究顯示,血清維生素D水平與上呼吸道感染發(fā)病率成反比,與 COPD感染加重明顯相關(guān)。冬季是呼吸道感染和AECOPD的高發(fā)期,而維生素D也處于最低水平〔19〕。糖皮質(zhì)激素是治療AECOPD的主要藥物之一,但只有10%的AECOPD患者對皮質(zhì)激素敏感,可能與HDAC活性下降有關(guān)。新英格蘭雜志一項(xiàng)研究顯示,糖皮質(zhì)激素抵抗的患者HDAC2的活性和表達(dá)是減少的,COPD患者的肺泡巨噬細(xì)胞、氣道中HDAC2的活性和表達(dá)非常低〔26〕。維生素D可上調(diào)HDAC活性,減少炎癥因子的釋放,恢復(fù)糖皮質(zhì)激素的反應(yīng)性〔27〕。另外,IL-10是一種生物活性免疫抑制因子,具有抗炎作用。維生素D通過恢復(fù)IL-10反應(yīng)性,可逆轉(zhuǎn)COPD患者糖皮質(zhì)激素抵抗〔28〕。維生素D缺乏時(shí),HDAC活性下降,IL-10分泌減少、反應(yīng)性下降,炎性基因表達(dá)增加,炎癥反應(yīng)加強(qiáng),對糖皮質(zhì)激素治療反應(yīng)性下降,導(dǎo)致AECOPD患者病情進(jìn)一步惡化。

        綜上所述,COPD患者普遍存在維生素D缺乏。維生素D缺乏與COPD的發(fā)生發(fā)展有關(guān),在COPD的炎癥、免疫調(diào)節(jié)、蛋白酶/抗蛋白酶失衡中發(fā)揮重要作用,且與AECOPD密切相關(guān)。補(bǔ)充維生素D有利于改善COPD患者病情及預(yù)后。

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