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维生素D的研究历史

CSOBMR 2018-11-08 15:27:27

前 言

自20世纪初对佝偻病的研究发现维生素D以来,维生素D与钙磷代谢和骨骼健康的重要关联被不断发现。随着维生素D受体和25OHD-1-α羟化酶在许多骨外组织中被发现,维生素D的作用已不再囿于调节钙磷代谢和维护骨骼健康,其多种骨骼外作用也逐渐被关注,维生素D已成为临床及基础研究的热点。然而,维生素D是如何被发现的?其是怎样代谢的?究竟有哪些重要的骨骼及骨骼外作用?维生素D缺乏及其危险因素如何判断?维生素D及其类似物在佝偻病、骨质疏松症、甲状旁腺功能减退症、慢性肾脏病和皮肤病等疾病中如何应用?如何监测维生素D的疗效?维生素D会中毒吗?这一系列关于维生素D及其类似物的问题亟待梳理。



为此,中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会组织本领域的多名专家,撰写了维生素D及其类似物的临床应用共识,并撰写了与维生素D相关问题的系列述评,专家们反复修改、多易其稿,终于成文。近期将中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会微信公众平台和相关核心期刊刊出敬请关注,仅供参考。


本期中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会微信公众平台推出的专论是“维生素D的研究历史”,具体如下:

作者:

宁志伟1 王鸥2 邢小平2

单位:

1.首都医科大学附属北京朝阳医院内分泌科

2.中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院内分泌科 国家卫生和计划生育委员会内分泌重点实验室

摘要:维生素D缺乏是世界范围内的流行病,其主要原因是光照不足。17世纪中叶工业革命席卷欧洲,主要工业城市空气严重污染,造成儿童佝偻病严重暴发流行,患病儿童主要表现为肌肉疼痛和骨骼畸形,人们逐渐发现阳光照射、汞弧灯照射和鱼肝油可以治疗佝偻病,进而认识了维生素D的存在,通过阳光照射、紫外光照射食物和维生素D强化食物的推广,在发达工业国家曾基本消灭佝偻病。近年来,由于对阳光中紫外线照射的过分担心,以及维生素D推荐剂量的减少,维生素D缺乏在世界范围内重新流行。近些年研究表明,维生素D作用广泛,作为一种激素原,参与2 000多种基因的表达,长期慢性维生素D缺乏可能会产生诸多不良后果,包括肿瘤的发生、感染和免疫性疾病、代谢性疾病,维生素D缺乏的防治对众多慢性疾病的防治具有重要意义。

关键词:维生素D;维生素D缺乏;紫外线;阳光


忘记历史,必将重蹈覆辙。回顾一下人类对维生素D的认识历史,对寻求健康之路会带来很多启示和思考。


维生素的发现

在20世纪初,尽管人们已经发现佝偻病、坏血病、脚气病等疾病上百年,其病因仍不清楚。


此前,19世纪颇具影响的德国化学家Von Liebig提出,适当的饮食应该包括12%蛋白质、5%矿物质和10%~30%的脂肪,其余是碳水化合物,到20世纪初有研究人员应用这些纯化的推荐比例膳食成分喂养动物,发现这些动物无法生存,提示除了这些纯化物质之外,还有其他成分为生命所必需,如脚气病在荷兰的东印度囚犯之间发病率高,这些囚犯主要吃精米,给予米壳之后脚气病得到很好解决,提示米壳中含有重要的营养素,可以预防脚气病发生。另一个重要发现是预防坏血病发生的物质,当时正值航海时代,远洋水手很容易患坏血病,但柑橘类水果或制成品可以预防水手的坏血病,提示除了蛋白质、脂肪、碳水化合物和矿物质以外,某些有机营养成分对于维持健康也很重要。维生素(vitamin)一词首先由Funk提出,意思是vital amine “重要的胺类物质”,是指食品中存在的一个重要的胺,为健康和生存所必需,人和动物缺乏会导致疾病,Funk当时并未意识到,维生素作为一个术语,用来描述后来发现的食品中的辅助营养成分。


美国威斯康星大学Steven教授一直反对德国化学家VonLiebig的说法,他们按照Von Liebig的方法进行实验喂养4组奶牛,按照精确比例每日喂食某种单一粮食,分别为玉米、燕麦、小麦或三种粮食混合,饲喂玉米饲料的奶牛生长很好,还能繁殖,并产奶很多;而饲喂小麦的奶牛表现不佳,最后不能存活;饲喂燕麦饮食的奶牛生长处于小麦和玉米饮食之间,于是他们得出正确的结论,玉米饲料中含有辅助营养因子还未被发现,这一营养成分对于动物健康所必需。为了验证这个假说,威斯康星大学的科学家使用小动物模型大鼠研究各种营养成分的重要性,McCollum最终研究表明,奶油和鱼肝油中含有一种成分,可以预防干眼症,并促进增长,这一发现引起了耶鲁大学的科学家进行类似实验。两组科学家分别独立发现水溶性因子可预防类似脚气病的神经系统疾病,科学家们经过商议,决定采用Funk的想法,把这些物质称为维生素,维生素A是脂溶性因子,而维生素B是水溶性因子。此后不久,证据显示可以防止坏血病的另一种水溶性物质,称为维生素C,据此,下一个被发现的维生素就应该称为维生素D。


佝偻病的流行与光疗的兴起

17世纪中叶,随着工业革命席卷北欧,医生们发现了一种疾病,受累儿童表现为明显的骨骼畸形,包括大小腿弯曲、骨盆变形、头颅增大,患儿肋骨变形,出现串珠肋和鸡胸、脊柱畸形,伴有牙齿发育不良,大腿肌肉乏力松弛,该病会带来灾难性后果,不仅引起生长发育迟缓,还容易引发严重上呼吸道感染、肺结核和流感。该病尽管多见于婴幼儿、儿童和青少年,但也会累及成人,骨盆变形的女性容易出现分娩困难,骨盆出口狭窄危险性很大,如不剖腹产则很容易造成难产,也容易生出不健康孩子,这种病被称为佝偻病。


到20世纪初期,一直没有搞清发病原因,当时认为可能原因包括细菌或病毒感染、活动不足、营养不良和先天遗传,此前1820年,波兰医生Jedrzej Sniadecki观察到,生活在华沙城里的孩子佝偻病患病率明显高于农村孩子,他认为可能与狭小拥挤的华沙建筑物挡住了阳光有关,把患病孩子带到乡村接受光照后,成功地治疗了患病孩子,但其研究结果并未受到重视,当时科学界普遍认为,阳光照射皮肤治疗骨骼疾病是不可思议的。又过了70年以后,英国医学会报道,佝偻病在不列颠群岛中的农村地区很少见,但是在工业化城镇非常常见,在空气污染严重城市的儿童中,佝偻病患病率高达90%,提示阳光照射不足是佝偻病高发的主要原因。


一个英国医生收集了大英帝国和东方的临床观察发现,佝偻病尽管在大英帝国工业中心非常普遍,而在当时的中国、日本和印度城市,尽管这些地方人们生活环境肮脏、营养状况很差,却很少见到这种骨骼畸形的疾病,但这些发现也并未受到重视。尽管阳光照射和骨骼发育的关系并不明确,但Arnold Rikli的一句名言掀起了一个健康运动,“水具有神奇疗效,空气作用更好,但最有效的是阳光照射”,当时普遍认为,日光浴可以治愈很多种疾病。


在当时的科学界很难也很少使用这些有见地的意见治疗和预防佝偻病,科学家开始研究阳光和健康之间的联系,最初认为太阳产生热对健康有利。18世纪末和19世纪初,EverardHome推断不是太阳辐射热,而是太阳照射皮肤使其晒伤变色后引起身体化学效应发生的,因为他发现,深色皮肤的人不容易晒伤。


18世纪在欧洲北部和美国东北部工业城市生活的儿童中,有80%患有佝偻病,犹太裔德国医生Huldschinsky在1918-1919年冬季成功地证明用汞弧灯产生的紫外线照射重症佝偻病患者的暴露部位,可以有效治疗佝偻病,他还聪明地发现,光治疗效果不是对骨骼的直接影响,因为照射佝偻病患者的一只手臂可以戏剧性地治愈双臂佝偻病。


1921年,两名纽约医生(Hess和Unger)将8个患有佝偻病的儿童放在纽约城市医院的屋顶接受阳光照射,他们通过X光检查记录了每个孩子的骨骼改善变化,最后得到科学界普遍接受。此后,美国政府成立了一个机构,建议父母们让孩子接受合理的阳光照射,18世纪30年代到50年代,一些制造商也开始制造紫外线(ultraviolet,UV)灯在药店出售。


今天的人们很难相信,当时欧洲和美国的很多医院建立了日光浴室和阳台,以方便病人接受阳光治疗,波士顿的儿童医院把佝偻病儿童放在船上,因为当时许多人认为,新鲜的空气,尤其是海洋空气对佝偻病治疗有益,使其避开拥挤的市区和污染的空气,直接暴露在阳光下。这也催生了塔夫茨医学中心流动儿童医院(Floating Hospital for Children)的诞生,至今这家儿童医院仍然存在。


光生物学家 Niels Ryberg Finsen获得1903年诺贝尔医学奖,其主要成绩是成功揭示了阳光照射可以治愈许多疾病,包括寻常狼疮和皮肤结核病。


到20世纪初,科学家已经确定是阳光中的紫外线辐射刺激人体产生维生素D,他们推断,这对于人体健康很重要,认识到晒太阳产生的维生素D可以改善骨健康,20世纪前几十年是光生物学和日光浴的鼎盛时期,由此诞生了光生物学,研究自然和人工辐射对所有生命形式的影响,光疗研究太阳光治疗疾病的能力,光生物学家和光疗专家用阳光有效治疗佝偻病、肺结核和皮肤银屑病。


维生素D的发现

1914年美国研究人员Elmer McCollum和Marguerite Davis在鱼肝油中发现一种物质,后来被称为“维生素A”。1919-1920年,英国医生EdwardMellanb发现,用燕麦粥饲养的狗无一例外都出现佝偻病表现,而加喂脂肪或鱼肝油可以预防其发生,由此认为佝偻病是由于饮食中缺乏一种微量成分引起的,他在1921年写道,“脂肪对于佝偻病的作用是由于维生素或辅助食物因子,它们含有的脂溶性维生素可能是相同的”,此外他还证实,鱼肝油是一种很好的抗佝偻病药物。


到1922年Elmer McCollum发现,如果在鱼肝油中通入氧气,破坏其中的维生素A,仍然能够治愈狗的佝偻病,因此McCollum认为鱼肝油中能够治疗佝偻病的不是维生素A而是另一种物质,由于当时已经发现了3种维生素,因此把这第4种维生素称之为维生素D。


最初人们并没有意识到,维生素D不同于其他维生素,人类可通过皮肤暴露于UV光自身合成,到1925年,人们才认识到,7-脱氢胆固醇经过光照后,会产生一种脂溶性维生素(现在被称为维生素D3),Alfred Fabian Hess 声称“光就是维生素D”,德国哥廷根大学Adolf Windaus因对甾醇与维生素的关系的研究成果获得1928诺贝尔化学奖,当时维生素D的结构并不清楚。1929年位于伦敦Hampstead的英国国家医学研究所正致力于研究维生素D和类固醇的结构,通过合作形成的团队使用X射线衍射证明类固醇分子是扁平的, 1932年发现类固醇和胆汁酸结构,此后不久维生素D得到分离和鉴定,当时有政策规定,医疗研究发现应该对所有人公开,不授予专利,到1930年代,Windaus进一步明确了维生素D 的化学结构。


1923年美国威斯康星大学生物化学家Harry Steenbock发现紫外线照射可以增加一些食物和其他有机物的维生素D含量,当时已经认识到维生素D缺乏症是佝偻病的一个已知病因,紫外线照射啮齿类动物的食物可治愈佝偻病,他用自己的300美元申请了发明专利。此后紫外线辐射技术广泛用于食品,尤其是照射牛奶得到广泛应用,到1945年专利到期时,在美国佝偻病几乎全部消失。


由于照射食物不如直接添加更方便,在欧洲和美国的奶制品行业掀起了在牛奶中添加维生素D的热潮,在食品和饮料制造商的大肆宣传下,维生素D强化产品还涉及面包、热狗、苏打饮料,甚至啤酒。


维生素D是一种激素

1969年Haussler和Norman在研究肠道上皮细胞的核碎片时,发现了与维生素D特异性结合的蛋白质,由此发现了维生素D受体。于1971-1972年发现维生素D的活性代谢形式,研究者在肝脏中维生素D转化为25OHD,后者再通过肾脏转化成活性形式1,25(OH)2D,此后,研究者发现1,25(OH)2D是血液中激素的生物活性形式,对调节血钙磷的浓度,促进骨骼健康有重要作用。


近20年来在维生素D领域的进展很快,认识到维生素D是一种激素原,25OHD是体内维生素D的主要储存形式,不仅肾脏,人体很多器官和组织,包括皮肤、乳腺、前列腺、胃肠道组织细胞内都含有其特异性羟化酶CYP27B1,这些组织以25OHD为底物,在细胞内活化为1,25(OH)2D,可以明显促进正常细胞成熟和分化,并抑制正常细胞过度增生,因此临床上用于银屑病治疗,由于其受体VDR不仅存在于小肠和骨骼,还广泛分布于大脑、心脏、胃、胰腺、激活T、B淋巴细胞、皮肤、生殖腺等,长期慢性维生素D缺乏可能会产生诸多不良后果,包括高血压、多发性硬化症、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌和卵巢癌以及1型糖尿病的风险增加,维生素D会影响人类基因组的2 000余种基因的表达。


历史启示

维生素D缺乏是世界范围内的流行病,其主要原因是光照不足,没有充分认识到通过合理的阳光照射,是自然界最安全又廉价获取维生素D的方法;其次是天然食物中很少含有充足的维生素D,即使健康均衡的饮食也不能提供足够的维生素D;还有对维生素D中毒的过分担心。历史是一面镜子,重温一下人类对维生素D的认识过程,对于我国的维生素D缺乏防治形势具有很多现实意义。


首先,人类对维生素D缺乏的关注始于工业革命后城市化加速期,狭窄的街道和严重的空气污染,使得婴幼儿光照不足,佝偻病在欧美主要城市流行,中国近30年来的快速城市化,高层住宅的兴起、汽车和地铁的普及、空气污染的加剧和室内空调的普及,户外活动的减少,导致阳光照射不足,已经具备维生素D缺乏流行的条件,Ning等对5 531例北京城区居民的研究显示,维生素D缺乏患病率高达87.1%,北京城区居民平均25OHD水平仅为(12.3±7.5)μg/L,远低于美国人的23~25 μg/L和加拿大人的25~31 μg/L水平,这一形势应该引起卫生行政部门、医务人员和社会公众的重视,有必要在医务人员、社会公众和政府部门中广泛宣传,并采取相应措施,以应对广泛流行的维生素D缺乏的严重形势。


第二,欧美国家公众普遍有晒太阳的习惯,这一习惯的形成有其历史原因,晒太阳对健康有利这一观念深入人心,中国公众对晒太阳的益处普遍缺乏认识,中国女性以皮肤白皙为美,影视中的演员普遍皮肤白嫩,也对公众产生了对健康不利的示范效应,实际上白人皮肤合成维生素D效率要高于黄种人和黑人,提示多数中国人比白人需要更多的光照才能合成足量的维生素D。


第三,历史上,光照疗法不仅用来治疗佝偻病,还曾是治疗皮肤结核、肺结核和银屑病等多种非骨骼疾病的有效办法,只是在抗生素广泛应用以后才逐渐被忘记,随着维生素D众多骨外作用的发现,相信光照疗法和补充维生素D会重新返回很多疾病的防治舞台。


第四,由于维生素D可以通过紫外线照射食物在体外合成,历史上曾经用来增加食物中维生素D含量,用于维生素D缺乏的预防,以后由于食物中直接添加强化维生素D制剂更方便而被取代,这对于维生素D缺乏防治仍然具有实际意义。


第五,维生素D强化食品在欧美国家非常普遍,美国和加拿大国家标准要求乳制品中强制添加维生素D,而我国至今没有把维生素D强化添加列入国家标准。


此外,维生素D强化食物被广泛应用后,佝偻病在欧美国家基本消失,近几十年来由于推荐剂量的减少,即使是欧美国家,维生素D缺乏也有流行趋势,提示现行的维生素D推荐剂量存在明显不足,迫切需要修订。


展望未来,有理由相信,随着对于维生素D认识的深入,特别是其骨外作用的进一步认识,对很多疾病的认识和理解,维生素D对很多常见疾病的防治将会产生巨大影响。