維生素D與糖尿病骨病影像學(xué)研究進(jìn)展

閆玉辰 查云飛

武漢大學(xué)人民醫(yī)院放射科，湖北 武漢 430060

糖尿病引起成骨細(xì)胞生成及成熟受損，膠原產(chǎn)物增多，骨脆性增加，同時(shí)抑制成骨，骨轉(zhuǎn)換率降低，骨的材料性質(zhì)和顯微結(jié)構(gòu)改變，增加骨質(zhì)疏松癥和脆性骨折的風(fēng)險(xiǎn)[1]。維生素D與調(diào)節(jié)脂肪分化和控制脂肪細(xì)胞凋亡有密切的關(guān)系，可改善糖尿病對(duì)于骨髓脂肪組織堆積的損害[2]。近年來，糖尿病骨病可能是一種慢性骨髓微血管的并發(fā)癥也受到越來越多的關(guān)注[3]，體內(nèi)維生素D缺乏可使機(jī)體對(duì)外界的抵御力有所下降，易于讓血管內(nèi)皮受到外界刺激而損傷，適當(dāng)補(bǔ)充維生素D可對(duì)機(jī)體和血管內(nèi)皮功能有一定的保護(hù)作用[4]。影像學(xué)作為生物標(biāo)志物在糖尿病骨密度、骨微結(jié)構(gòu)、骨髓微血管及骨髓脂肪的定性定量研究中越來越受到關(guān)注。本文就維生素D與糖尿病相關(guān)骨病發(fā)病機(jī)制及影像學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 維生素D與糖尿病骨密度和骨微結(jié)構(gòu)改變

在骨的生長發(fā)育過程中，由骨化后的骨膜向內(nèi)四周擴(kuò)展形成的不規(guī)則立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱為骨小梁，其有著支持和保護(hù)骨髓腔內(nèi)骨髓微環(huán)境的作用。骨礦物質(zhì)含量(即皮質(zhì)和小梁)與評(píng)估骨強(qiáng)度和穩(wěn)定骨髓內(nèi)環(huán)境關(guān)系密切；用于評(píng)價(jià)骨骼強(qiáng)度的數(shù)值稱骨礦物質(zhì)密度(bone mineral density,BMD)，簡稱骨密度，是骨質(zhì)疏松癥的診斷和療效觀察的主要依據(jù)，也是預(yù)測骨折風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)；臨床上最常用雙能X線骨密度儀(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)及定量CT(quantitative computed tomography,QCT)技術(shù)來測量骨密度(BMD)；高分辨率Micro-CT能更清楚地顯示骨小梁和骨皮質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)。

一般來說，T1DM患者BMD值通常低于T2DM患者，而T2DM患者的BMD值通常較同齡人相似或較高[5]。高分辨率Micro-CT顯示高血糖狀態(tài)下骨皮質(zhì)腔隙增大，滋養(yǎng)血管體積減小，骨基質(zhì)受損，骨脆性增加[6]，此外，高血糖引起的晚期糖基化產(chǎn)物蓄積和氧化應(yīng)激增強(qiáng)也是導(dǎo)致骨量減少和骨質(zhì)脆性增加的原因之一。維生素D可刺激脂肪細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取，改善高糖狀態(tài)對(duì)機(jī)體的損害，在骨生長代謝過程中有促進(jìn)作用[2]；另外，維生素D還可通過細(xì)胞核受體或細(xì)胞膜受體參與多種細(xì)胞及基因代謝，包括抑制部分機(jī)體炎癥細(xì)胞發(fā)生及相應(yīng)自身免疫反應(yīng)，在促進(jìn)胰島素合成及分泌、抗氧化應(yīng)激等多種反應(yīng)途徑上改善糖尿病病程及其并發(fā)癥的發(fā)生、發(fā)展[7]；在活性維生素D促進(jìn)核排斥FoxO1轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)上也可表現(xiàn)出對(duì)糖尿病小鼠的骨形成作用[8]。

早期觀點(diǎn)認(rèn)為，攝入充足的維生素D對(duì)骨骼肌肉有益，能夠促進(jìn)腸道對(duì)鈣磷離子吸收，促進(jìn)鈣鹽沉積，增加骨質(zhì)強(qiáng)度，從而預(yù)防骨折。早期糖尿病動(dòng)物模型中證實(shí)了短期攝入維生素D對(duì)糖尿病骨病的正性作用，鏈脲霉素誘導(dǎo)后的早期糖尿病大鼠，攝入不同劑量的維生素D在12周后進(jìn)行DXA及QCT檢查，結(jié)合腰椎骨骼HE染色切片均證實(shí)了，與單純糖尿病組相比，維生素D可以減少早期糖尿病骨量的丟失，維持小梁骨微結(jié)構(gòu)的相對(duì)完整性，防止其惡化，且濃度越大效果越明顯[9-10]；除了在減輕骨質(zhì)流失，改善骨微結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)性能外，維生素D還降低糖尿病相關(guān)血清葡萄糖和糖化血清蛋白水平，同時(shí)使骨形成的生物標(biāo)志物顯著增加[11]。

然而，在對(duì)糖尿病病人骨質(zhì)研究中表明，長時(shí)間、高水平維生素D狀態(tài)下并沒有表現(xiàn)出明顯的積極作用，反而有所減低。60至70歲的非吸煙女性在一年內(nèi)補(bǔ)充維生素D 400 IU /d或維生素D 1 000 IU/d后的治療試驗(yàn)顯示，對(duì)實(shí)驗(yàn)組骨密度無明顯改善作用[12]，但是對(duì)于25-(OH)D3濃度≤30 nmol/L的成年人來說，其骨密度得到提高[13]。在健康成年人中，每天服用10 000 IU的維生素D治療3年后，發(fā)現(xiàn)大劑量維生素D使得HR-pQCT測量脛骨的骨密度較之前反而有所減低[14]；Larsen等[15]對(duì)5年時(shí)間內(nèi)每周服用大劑量維生素D的T2DM患者的股骨頸骨密度進(jìn)行測量，與空白組相比，DXA顯示給予維生素D的糖尿病男性患者在股骨頸測量部位的BMD降低明顯減少，但在整個(gè)髖關(guān)節(jié)測量部位，男性和女性不同干預(yù)組之間BMD差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。高濃度維生素D會(huì)使骨質(zhì)骨骼局部焦磷酸鹽水平增加，抑制骨礦化，加重骨質(zhì)疏松，故補(bǔ)充不同劑量維生素D對(duì)不同年齡、不同性別糖尿病病人骨骼健康的益處需要進(jìn)一步研究，體內(nèi)25-(OH)D3濃度也是補(bǔ)充維生素D的重要指標(biāo)之一。

2 維生素D與糖尿病骨髓脂肪組織代謝

骨髓內(nèi)間充質(zhì)干細(xì)胞即可分化為脂肪細(xì)胞，也可分化為成骨細(xì)胞，其中正常髓內(nèi)脂肪組織為穩(wěn)定骨髓微環(huán)境和造血功能提供了所需能量，若骨髓脂肪含量明顯增加，會(huì)抑制成骨細(xì)胞形成，骨強(qiáng)度越低；1,25-(OH)2D3能促進(jìn)人骨髓基質(zhì)細(xì)胞(HMSCs)向成骨細(xì)胞分化，減少脂肪組織生成[16]；同時(shí)，作為一種脂溶性物質(zhì)，它可以直接調(diào)節(jié)脂肪形成以及脂肪細(xì)胞凋亡的基因表達(dá)，促進(jìn)脂肪組織對(duì)體內(nèi)多余葡萄糖的攝取及脂肪酸和其代謝物的氧化，來限制由脂質(zhì)紊亂引起的皮下脂肪的再增加[2]。定量非對(duì)稱回波的最小二乘估算法迭代水脂分離序列(IDEAL-IQ) 是改進(jìn)后的DIXON技術(shù)，可得到較好對(duì)比度的脂肪相位圖像，Hu等[17]使用IDEAL-IQ技術(shù)，選取兔糖尿病模型腰5腰6作為測量目標(biāo)，計(jì)算出椎體內(nèi)脂肪含量百分比，表明IDEAL-IQ技術(shù)定量評(píng)價(jià)活體骨髓脂肪含量的可行性，且病理切片染色證實(shí)了在第16周時(shí)糖尿病兔椎體終板下骨髓脂肪含量明顯增多，而骨髓細(xì)胞數(shù)量明顯減少。另一方面，糖尿病患者會(huì)加速晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)生成，損傷組織細(xì)胞功能，膠原纖維增生并相互交聯(lián)，使得骨小梁柔韌性降低，骨脆性增加[18]。

Patsch等[19]使用質(zhì)子磁共振波譜(1H magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)測量患有脆性骨折的絕經(jīng)后糖尿病和非糖尿病患者髖部和腰椎中不同物質(zhì)的含量，將這些物質(zhì)的磁共振信號(hào)轉(zhuǎn)化為直觀可視化的頻譜，通過后處理技術(shù)和水脂分離算法直接計(jì)算出感興趣區(qū)脂肪含量百分比，數(shù)據(jù)表明在有糖尿病的骨折患者中骨髓的總脂肪酸含量相差不大，但飽和脂肪酸含量較高；同時(shí)用DXA和QCT測量糖尿病脆性骨折患者的髖部和腰椎的骨密度，分析發(fā)現(xiàn)骨髓脂肪成分的改變與脆性骨折和糖尿病有關(guān)。同樣使用1H-MRS和測量BMD值的方法，Baum等[20]發(fā)現(xiàn)無論有無2型糖尿病絕經(jīng)后的婦女，椎體骨髓脂肪含量與腹部皮下脂肪、內(nèi)臟脂肪和腰椎骨密度具有一定的相關(guān)性。

維生素D作為一種脂溶性維生素，多儲(chǔ)存在糖尿病肥胖患者的脂肪內(nèi)，可導(dǎo)致測得的血清維生素D濃度降低，反之也可調(diào)節(jié)脂肪分化，改善骨髓脂肪組織堆積的損害[2]。Bhatt等[21]通過對(duì)2型糖尿病患者進(jìn)行12周維生素D強(qiáng)化酸奶飲料攝入，評(píng)估肥胖指標(biāo)干預(yù)前后的改變，包括腰圍、體脂量、軀干脂肪、內(nèi)臟脂肪以及BMI值，研究發(fā)現(xiàn)，較空白組相比，平均腰圍、體脂量、軀干脂肪和內(nèi)臟脂肪組織及BMI值顯著降低，表明血清維生素D水平可與內(nèi)臟脂肪含量呈負(fù)相關(guān)。但維生素D狀況與肥胖之間的關(guān)系一直受到種族、飲食和地域差異的影響，白人比黑人更強(qiáng)。對(duì)于20～60歲超重的糖尿病早期印度婦女，每周口服維生素D以保持血清維生素D的正常水平，在78周后，Bhatt等[21]研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)者的空腹血糖、2 h血糖(OGTT后)、糖化血紅蛋白和軀干皮下脂肪的數(shù)值顯著降低。

3 維生素D與糖尿病骨髓微血管病變

內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells，EPCs)主要存在于骨髓中，當(dāng)血管新生和修復(fù)時(shí)，可動(dòng)員髓內(nèi)內(nèi)皮祖細(xì)胞到外周血中，是血管形成的重要前體細(xì)胞，骨內(nèi)新生血管是骨的生長發(fā)育的重要環(huán)節(jié)，內(nèi)皮細(xì)胞損傷是糖尿病骨病及多個(gè)靶器官中大血管、微血管病變并發(fā)癥發(fā)生和進(jìn)展的中心環(huán)節(jié)[22]。維生素D是機(jī)體內(nèi)生長發(fā)育中重要的營養(yǎng)物質(zhì)，能作為免疫調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的表達(dá)，包括直接作用于細(xì)胞轉(zhuǎn)錄起始和過程調(diào)節(jié)，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖[4]；或間接通過其他細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的干擾，舒張血管，降低血管炎癥中黏附因子的生成，從而保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞基本功能[23]。

糖尿病會(huì)使機(jī)體對(duì)糖利用產(chǎn)生障礙，高糖狀態(tài)及AGEs對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞有直接毒性作用，糖尿病小鼠骨髓培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞表現(xiàn)出高水平的氧化應(yīng)激反應(yīng)，損害了EPCs的數(shù)量和功能[24]，提示糖尿病骨髓脂肪生成功能的增強(qiáng)是骨髓及其他靶器官微血管并發(fā)癥的可能機(jī)制之一。T1DM小鼠在27～30周的骨髓染色證實(shí)骨髓微環(huán)境結(jié)構(gòu)的改變，包括骨量減少和脂肪蓄積、血流量和微血管密度顯著減低[25]。譚強(qiáng)等[26]研究表明四氧嘧啶誘導(dǎo)的兔糖尿病模型損害了兔的循環(huán)EPCs的基本功能，抑制了骨髓EPCs的動(dòng)員能力及促進(jìn)血管生成能力，而外周移植自體骨髓內(nèi)皮祖細(xì)胞可促進(jìn)血管新生，從而改善器官循環(huán)能力。

動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振成像 (dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)的灌注參數(shù)可以反映早期骨髓微血管的通透性，Hu等[17]以釓為小分子對(duì)比劑，使用DCE-MRI技術(shù)評(píng)價(jià)兔糖尿病模型的腰椎骨髓微血管病變，通過后處理軟件的多參數(shù)曲線擬和計(jì)算，其中代表著糖尿病組椎體血管通透性的Ktrans、Kep值隨著時(shí)間增長呈上升趨勢，而在16周后代表血管外細(xì)胞外間隙比例參數(shù)Ve值的趨勢與之相反，提示早期糖尿病首先損傷了骨髓微血管內(nèi)皮細(xì)胞，局部微血管滲透性增大，且隨著時(shí)間延長骨髓脂肪分?jǐn)?shù)呈上升趨勢。陳翩翩等[27]用DCE-MRI評(píng)估早期兔糖尿病模型腰椎骨髓微血管滲透性參數(shù)與QCT測得骨密度數(shù)值改變進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比研究，結(jié)果表明在16周后，糖尿病組兔腰椎骨小梁面積及骨小梁數(shù)減低，但腰椎骨髓微血管早期滲透性參數(shù)變化與骨密度改變尚無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

Yu等[28]發(fā)現(xiàn)具有生物活性的1,25-(OH)2D3通過競爭性抑制內(nèi)生性RNAs網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)，可改善高糖環(huán)境下內(nèi)皮祖細(xì)胞的基因表達(dá)，從而促進(jìn)EPCs的活性。用維生素D體外培養(yǎng)離體內(nèi)皮祖細(xì)胞，與對(duì)照組相比，補(bǔ)充維生素D可提高T2DM患者EPCs的生存能力和形成菌落的能力[29]。健康人每日補(bǔ)充維生素D在6周后，血液中內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量逐漸增加，停止補(bǔ)充后，循環(huán)內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量會(huì)恢復(fù)到原先水平，另外Wong等[30]還發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充維生素D可保護(hù)糖尿病小鼠內(nèi)皮細(xì)胞再生，通過激光多普勒成像及毛細(xì)血管密度測定，糖尿病會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)血管生成能力基本消失，而用1,25-(OH)2D3治療后可恢復(fù)高度血管功能障礙實(shí)驗(yàn)組的正常血管生成反應(yīng)。Sturza等[23]發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠補(bǔ)充活性維生素D后，取其胸主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞體外培養(yǎng)，活性維生素D改善了實(shí)驗(yàn)組小鼠的內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，加強(qiáng)血管舒張功能。此外，維生素D還可調(diào)節(jié)體內(nèi)KLF-10水平，進(jìn)而刺激EPCs的活性，這一作用能刺激促血管細(xì)胞生成[31]。

4 總結(jié)與展望

目前，越來越多的研究表明維生素D具有調(diào)節(jié)骨髓脂肪形成及脂肪細(xì)胞凋亡，保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞，改善血流灌注等多種作用，對(duì)于誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化成熟也有相應(yīng)的改善作用，但不同劑量的維生素D對(duì)于糖尿病骨密度及骨小梁的宏觀改善效果存在不同結(jié)論。

DXA、QCT和Micro-CT測量骨密度值并評(píng)估骨微結(jié)構(gòu)的變化，多模態(tài)多參數(shù)MRI如MRS、DCE-MRI及IDEAL-IQ等評(píng)估骨髓血流灌注、微血管滲透性及骨髓脂肪含量等。但維生素D影響糖尿病骨髓脂肪細(xì)胞堆積、脂肪酸成分的變化以及是直接改善EPCs功能還是通過改善骨髓微環(huán)境內(nèi)再動(dòng)員EPCs進(jìn)而導(dǎo)致骨髓微血管通透性和血流灌注等時(shí)間變化順序上仍尚不清楚。

可以預(yù)見，影像組學(xué)(radiomics)、基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的醫(yī)學(xué)圖像人工智能技術(shù)將在維生素D和糖尿病骨結(jié)構(gòu)、骨髓脂肪及微血管病變的機(jī)制研究中將發(fā)揮獨(dú)特作用。影像組學(xué)與代謝組學(xué)或免疫組學(xué)的交叉融通研究，也將從新的視角為維生素D與糖尿病相關(guān)骨病發(fā)病機(jī)制及診療策略提供新思路，在臨床上為糖尿病患者緩解骨髓靶器官功能及改善生存質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的影響。