維生素D缺乏與假體周圍感染的相關性及作用機制分析

陳志，林佳俊，劉文革*，周宗科，沈彬，楊靜，康鵬德，裴福興

(1.福建醫(yī)科大學附屬協(xié)和醫(yī)院骨科，福建 福州 350000；2.四川大學華西醫(yī)院骨科，四川 成都 610041)

假體周圍感染是關節(jié)置換術的災難性并發(fā)癥，近年來由于病原菌分布呈現復雜化，耐藥菌甚至多重耐藥菌感染比例不斷增加，給假體周圍感染的預防和治療帶來嚴峻挑戰(zhàn)[1]。因此，掌握假體周圍感染的影響因素，并尋找理想的非抗生素依賴的抗感染干預策略十分緊迫。

既往對維生素D及其代謝產物的認識主要是在調節(jié)骨骼健康、促進骨折和軟組織愈合方面的作用。在臨床工作中可以發(fā)現，維生素D缺乏的患者臨床結局更差，包括：住院時間更長、圍術期并發(fā)癥的發(fā)生率更高、功能和疼痛評分更低等[2]。隨著研究的進展，維生素D代謝平衡在感染性疾病中的重要性也逐漸被揭示[3]。有研究發(fā)現，維生素D及其衍生物可能具有理想的抗病原菌效應[4]。維生素D不僅能夠調節(jié)機體固有免疫和獲得性免疫，還具有調節(jié)感染引起的炎癥風暴和凝血功能紊亂的作用[5]。在關節(jié)置換的患者中維生素D缺乏十分普遍，文獻報道發(fā)病率高達10%～80%[6]。有學者發(fā)現，維生素D缺乏是假體周圍感染的潛在可調節(jié)危險因素[7]。Hegde等[8]報道，25-羥維生素D缺乏的患者術后1年內發(fā)生假體周圍感染的風險增加2倍。鑒于關節(jié)置換患者中維生素D缺乏的高發(fā)病率及其與假體周圍感染的潛在關系，本文就維生素D來源與代謝、抗感染與免疫調節(jié)機制、補充方式等做一綜述。

1 維生素D的來源與代謝

維生素D的復雜代謝過程已逐漸闡明，它的穩(wěn)態(tài)不僅需要足量的營養(yǎng)攝入，還需要足夠的光照及完整的肝臟和腎臟功能。絕大部分的前體維生素D3是通過紫外線照射刺激皮膚將脫氫膽固醇轉化而成，還有一小部分通過飲食攝入。前體維生素D3與維生素D結合蛋白結合后轉運，主要在肝臟經25-羥化酶轉化為25-羥維生素D，即骨化二醇，并分泌進入循環(huán)系統(tǒng)。在腎臟經1α羥化酶進一步轉化為1，25-二羥維生素D或骨化三醇，是具有活性的激素形式[9]。人體中99%的維生素D是以蛋白結合形式存在，僅有1%的維生素D以非結合形式存在[3]。維生素D參與人類染色體中超過200個基因的調節(jié)，在多個組織中，維生素D通過與目標細胞的維生素D受體結合發(fā)揮內分泌和自分泌的調節(jié)作用，包括：參與免疫調節(jié)作用、促進腸道鈣離子吸收、減少腎臟鈣磷排泄、刺激成骨細胞成骨活性、促進鈣動員和骨骼重塑等。

2 維生素D缺乏診斷標準

指南推薦作為評估機體維生素D水平的主要檢測標志是血清25-羥維生素D水平，而不是1，25-二羥維生素D。因為前者包含飲食和皮膚合成來源的所有維生素D，半衰期更長(2～3周)，能夠更可靠地反映維生素D的攝入和存儲狀態(tài)[10]。但是關于機體維生素D缺乏、不足和正常的診斷標準還有爭議。維生素D委員會報道的診斷標準為，缺乏：0～30 ng/mL；不足：31～39 ng/mL；充足：40～80 ng/mL[9]。內分泌協(xié)會報道的診斷標準：缺乏，0～20 ng/mL；不足，21～29 ng/mL；充足，30～100 ng/mL[11]。食物與營養(yǎng)協(xié)會制定的診斷標準為，缺乏：0～11 ng/mL；不足：12～20 ng/mL；充足：>20 ng/mL[12]。目前大多數的學者在研究維生素D水平與假體周圍感染的相關性時，多選擇內分泌協(xié)會制定的診斷標準[13]。

3 維生素D缺乏與假體周圍感染的相關性

維生素D在許多研究中被證實不僅具有抑菌效應，還具有保護血管內皮細胞、調節(jié)免疫應答、抑制炎癥風暴和糾正凝血功能紊亂等作用，是感染發(fā)生和感染嚴重程度的保護因子[5]。有學者發(fā)現，維生素D對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有抗菌活性，能夠抑制金黃色葡萄球菌、鏈球菌、克雷伯桿菌、大腸埃希菌和其他病原菌的生長、增殖[4]。可見，維生素D能夠有效作用于假體周圍感染的常見病原菌[14]。此外，Grenier和Andrade等[15-16]還發(fā)現，維生素D不僅能夠抑制病原菌的增殖和毒力因子的表達，還能夠促進巨噬細胞吞噬和殺滅病原菌。有學者報道，維生素D能夠降低醫(yī)院獲得性感染的發(fā)病率，如：菌血癥、導管相關性感染、手術部位感染、肺炎、耐甲氧西林葡萄球菌感染等[17-18]。Abdehgah等[17]進行一項前瞻性研究，納入300例住院的手術患者，發(fā)現術前維生素D缺乏發(fā)病率達39%，其中有11%的患者發(fā)生手術部位感染。單因素logistic回歸分析發(fā)現，術前維生素D缺乏是手術部位感染的危險因素。Hegde等[19]通過假體周圍感染動物實驗發(fā)現，維生素D缺乏的小鼠在假體及周圍組織中有更高的病原菌載荷、更多的中性粒細胞浸潤，而通過糾正維生素D缺乏能夠有效逆轉這一效應。這一研究證實，維生素D不僅具有抑菌效應，還能調節(jié)宿主對病原菌的免疫應答，其缺乏可能增加假體周圍感染的風險。

4 流行病學現狀

由于地域和人種的差異，不同地區(qū)的日照、飲食補充和遺傳易感性也不盡相同，維生素D缺乏的發(fā)病率也有所差異。美國國家健康數據統(tǒng)計中心估計，全球有超過10億人存在維生素D缺乏或不足，其中美國維生素D缺乏的發(fā)病率高達32%。隨著防曬霜的使用率和室內活動時間的增加，維生素D缺乏或不足的發(fā)病率預計仍將不斷升高[9]。由于進行關節(jié)置換的患者多為老年人，其維生素D攝入量往往不足，皮膚、臟器的合成能力也有所下降，此類人群維生素D缺乏或不足的發(fā)病率更高[20-21]。Maier等[22]納入1 083例進行髖、膝關節(jié)置換術的患者，發(fā)現維生素D缺乏的發(fā)病率達60%。Lavernia等[23]調查的流行病學數據顯示，超過65%的關節(jié)置換患者存在維生素D缺乏或不足。其他歐盟國家報道的發(fā)病率也較高，其中芬蘭為36%、德國為64%、希臘為81%[24]。

還有學者發(fā)現，關節(jié)置換術后假體松動和假體周圍感染可能也與維生素D缺乏密切相關。Maier等[13]比較初次關節(jié)置換、無菌性松動和假體周圍感染三組患者的維生素D水平，發(fā)現三組患者均有較高的維生素D缺乏發(fā)病率，無菌性松動組的維生素D缺乏(<20 ng/mL)發(fā)病率達52%，假體周圍感染組維生素D缺乏的發(fā)病率達86%，并且假體周圍感染組維生素D的水平顯著低于無菌性松動組和初次關節(jié)置換組。這些數據顯示關節(jié)置換患者維生素D缺乏的普遍性，維生素D缺乏是假體松動和假體周圍感染的潛在危險因素[25]。

5 維生素D抗感染與免疫調節(jié)的機制

維生素D抗感染和免疫調節(jié)作用通過與維生素D受體結合后發(fā)揮。維生素D受體分為膜受體和核受體，廣泛表達于固有和獲得性免疫細胞，包括：單核細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞、Th1細胞和Th2細胞等。1，25-二羥維生素D與膜受體結合，通過誘導磷酸肌酸激酶3信號通路活化，引起快速反應。與核受體結合激活配體依賴的轉錄因子復合體，維生素D受體與視黃酸受體構成異源二聚體，通過維生素D反應原件或其他轉錄因子調控眾多基因的表達，使特定基因的表達激活或受到抑制。維生素D的目標基因包括：抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)、CD14、β防御素、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、4型Toll樣受體(Toll like receptor-4，TLR-4)、抗原提呈共刺激分子(CD86、CD80和CD40)，Th1細胞因子[白細胞介素(Interleukin，IL)-2、IL-12和γ干擾素(interferon-γ，IFN-γ)]和Th2細胞因子(IL-4、IL-5和IL-10)等[26-27]。

維生素D抗感染效應的潛在分子機制主要為AMPs，也被稱為宿主防御肽，存在于中性粒細胞和巨噬細胞的溶酶體內。AMPs在宿主抗病原菌感染中發(fā)揮重要作用，其帶正離子，能夠與帶負電荷的病原菌細胞膜緊密結合，不僅能夠直接作用于革蘭氏陰性菌細胞膜的主要組成成分和致病因子(脂多糖)，還能抑制病原菌生物膜的形成，引起病原菌的溶解與破壞[27]。許多病原菌(例如：霍亂弧菌、大腸埃希菌和弗氏志賀菌等)被發(fā)現能夠被AMPs阻截。當受抗原刺激時，維生素D的原始循環(huán)狀態(tài)25-羥維生素D將被誘導轉化為活性狀態(tài)1，25-二羥維生素D，與受體結合誘導抗菌肽基因的表達，進而啟動針對病原菌的免疫應答。體外實驗也證實，維生素D能夠有效抑制假體周圍感染的主要病原菌(如：金黃色葡萄球菌、鏈球菌、肺炎克雷伯菌、大腸埃希菌等)，維生素D的存在，能夠顯著抑制病原菌的生長或消滅病原菌。通過攝入維生素D調節(jié)AMPs的產生，同時聯合傳統(tǒng)的抗生素或許能夠成為治療假體周圍感染的可靠手段，尤其是耐藥菌所致的感染。

維生素D的功能不僅局限于調節(jié)特定基因的表達，還能夠調節(jié)免疫細胞的激活、分化、趨化和吞噬作用。近年來有研究發(fā)現，維生素D是重要的免疫系統(tǒng)增強劑，在中性粒細胞動員、單核巨噬細胞趨化與吞噬病原菌和T輔助細胞的激活中發(fā)揮重要作用[28]。此外，維生素D還能通過多種途徑抑制炎癥因子的過度釋放，從而避免因宿主過度的免疫反應而造成損害。

6 維生素D補充方式

維生素D的補充方式安全、簡單、快速、高效，僅通過口服給藥就能糾正。維生素D3或維生素D2均可作為維生素D的補充，口服維生素D3通常被推薦作為首選的補充形式[11]。目前推薦的補充劑量和療程還未統(tǒng)一。美國醫(yī)學研究所建議：1～70歲人群的推薦日攝食量為600 IU，>70歲人群的推薦日攝食量為800IU，同時，>9歲人群的可耐受最高日攝入量為4 000 IU[12]。

關節(jié)置換的患者有較高的維生素D缺乏發(fā)病率，圍術期是否需要進行維生素D水平的檢測并據此制定個體化的補充方案還存在爭議。Youssef等[18]建議，在入院時就應測量血清維生素D水平，以便能早期發(fā)現并及時糾正維生素D的不足。Holick等[11]認為應根據維生素D水平制定補充方案，當25-羥維生素D水平在25～39 ng/mL之間時，推薦補充劑量為2 000～4 000 IU/d；當25-羥維生素D水平低于25 ng/mL時，推薦補充劑量為50 000 IU/周；療程為8～12周。Pepper等[29]對此持不同意見，他們認為對所有進行關節(jié)置換的患者在術前非選擇性地補充維生素D比進行篩查后再補充更劃算，因為補充維生素D的費用要低于篩查的費用。他們認為維生素D的毒性十分罕見，幾乎僅發(fā)生于長期過量攝入的患者，表現為：脫水、疲乏、胃腸道癥狀、肌肉力量減弱和移位骨化等[29]。維生素D的補充總體是安全的，按50 000 IU/周補充8周極少有并發(fā)癥發(fā)生，還有文獻報道成功地使用更高劑量進行補充[11]。

綜上所述，關節(jié)置換患者中維生素D缺乏的高發(fā)病率應引起臨床醫(yī)生的重視。維生素D缺乏作為假體周圍感染的可調節(jié)危險因素，應及時發(fā)現并糾正，其潛在的抗感染和免疫調節(jié)機制還需進一步的研究來闡明。維生素D單獨或與其他抗菌藥物聯合運用在假體周圍感染治療中的應用前景也值得進一步探討。對于關節(jié)置換患者術前是否需要常規(guī)進行維生素D水平的篩查以及如何制定更合理的補充方案，還需更多高質量的研究來明確。