【综述】维生素D抗感染机制研究进展
文章来源：中华内分泌代谢杂志, 2021,37(2) : 168-171
作者：张磊 董砚虎
维生素D属于类固醇激素，可由皮肤7-脱氢胆固醇经紫外线照射转化而成，这是人体维生素D主要来源[1]。少量维生素D可从食物摄入获得。阳光照射和膳食摄入的维生素D首先在肝脏经CYP27a-及CYP2r1-羟化酶羟化为25-羟维生素D，并进一步在肾脏经25-羟维生素D-1-α-羟化酶(CYP27B1)转化为具有生物活性的1，25-双羟维生素D[2]。25-羟维生素D和1，25-双羟维生素D均可进入血液循环与维生素D结合蛋白(DBP)相结合。DBP对于调节25羟维生素D的生物利用度起重要作用[2]。因1，25-双羟维生素D与维生素D受体(VDR)亲和力较25-羟维生素D高1 000倍，故1，25-双羟维生素D即活性维生素D是VDR调控作用的主要激活因子[1]。VDR广泛分布于人体组织细胞，维生素D可直接或间接调控5%的人类基因，并在多种细胞中发挥生理效应[3]。维生素D还与感染性疾病、心血管疾病、内分泌疾病、自身免疫性疾病、神经系统疾病及恶性肿瘤等疾病密切相关[4,5,6,7]。在感染性疾病中的研究表明，80%的危重患者因维生素D缺乏增加了脓毒血症或死亡风险[5]。维生素D能够调控白细胞内291个基因的表达，涉及160个生物信号通路。其中，有关免疫应答调控的基因占据重要地位，进一步支持维生素D作为免疫调控因子的假说[1]。除肾脏外，大脑、平滑肌及免疫系统细胞等，均可通过CYP27B1羟化作用将25-羟维生素D转化为活性维生素D。因此，维生素D可通过内分泌、旁分泌、胞内分泌及自分泌途径发挥作用[3,4,5,6,7]。
一、维生素D与感染性疾病的相关性研究
大量观察性研究报道，维生素D缺乏与结核、呼吸道细菌、流感病毒、单纯疱疹病毒、丙肝及艾滋病毒等感染风险升高相关[1]，这也引发了学术界对于维生素D抗感染作用的关注与研究。但来自严格设计临床试验的循证医学证据仍然有限，结论不完全一致，尚缺乏前瞻性研究数据证实。澳大利亚一项横断面研究发现，校正年龄、性别、季节、吸烟、BMI、体力活动及呼吸道疾病史后，维生素D缺乏(<20 ng/mL)为支气管炎的独立危险因素[8]。NHANES研究证实，25羟维生素D<30 ng/mL时急性呼吸道感染(ARTI)风险升高58%(OR＝1.58，95%CI 1.07～2.33)[9]。这与临床试验的meta分析结论一致，即维生素D缺乏与病情严重性(OR＝2.46，95%CI 1.65～3.66)呈正相关[10]。而在观察性研究的meta分析中，维生素D缺乏与ARTI病程相关，但与发病风险和病情严重性无相关性。此外，维生素D缺乏也是社区获得性肺炎(CAP)的独立危险因素，可使其患病风险升高64%[11,12]。在住院CAP [13]及急性呼吸窘迫综合征患者中[14]，维生素D缺乏高达85%～95.4%，与病情严重程度、总住院天数及ICU住院天数均呈正相关，但与院内及出院6个月死亡率无相关性[14]。值得注意的是，一项对欧洲20个国家新型冠状病毒肺炎数据分析显示，维生素D水平与各国患病例数及死亡率均呈负相关[15]。可见，维生素D缺乏在呼吸道感染性疾病患者中普遍存在，在大多数研究中与呼吸道感染发病风险或预后相关。
补充维生素D是否降低感染风险需要严格设计的临床试验证实，结果也受基线维生素D水平、维生素D补充方式、病原体类型等影响。Miroliaee等[16]在维生素D缺乏的46例呼吸机相关肺炎患者中，随机给予300 000 IU维生素D肌内注射或安慰剂治疗，干预组IL-6及死亡率较安慰剂组显著降低(P<0.05)。另一项随机对照临床试验显示，对1 300名3～17岁健康儿童和青少年随机给予维生素D 14 000 IU/周或安慰剂治疗8个月，干预组各种呼吸道病毒感染率较安慰剂组下降19%(HR＝0.81, 95%CI 0.66～0.99)，但流感感染率无组间差异[17]。日本的一项随机、双盲、安慰剂对照试验[18]显示，连续16周维生素D摄入组(10 ng/d)上呼吸道感染(URTI)发病率无显著下降，但病程显著缩短。Martineau等[19]对25个随机对照临床试验的10 933名个体meta分析发现，与一次性给药相比，每日或每周持续补充维生素D能够降低ARTI风险(OR＝0.81, 95%CI 0.72～0.91)，这种保护性作用在基线维生素D<10 ng/mL的人群中最明显(OR＝0.30, 95%CI 0.17～0.53)。鼻腔黏液纤毛清除功能障碍增加机体呼吸道感染风险。维生素D缺乏患者黏液纤毛清除时间(NMC)较正常人显著延长(11.15对8.40 min，P<0.001)；而补充维生素D能够使NMC缩短至9.56 min[20]，提高黏膜屏障功能。补充活性维生素D后呼吸道感染减少可能与血清IL-10、干扰素水平升高以及抗微生物肽(cathelicidin)表达增加有关[21]。可见，维生素D对免疫细胞功能具有重要调控作用，而免疫细胞也参与维生素D的活化过程。本文重点复习维生素D在调控免疫应答中的作用。
二、维生素D抗感染的免疫机制
1．维生素D与固有免疫防御：作为固有免疫系统成员，单核细胞、巨噬细胞及树突状细胞(DC)是抵御外界感染源的关键防线。这些细胞发挥作用，需具备特定胚系基因编码的模式识别受体(PRRs)，如识别病原微生物的Toll样受体(TLRs)，启动杀灭病原体的细胞活化程序，诱导炎性反应；并能利用内化物质将抗原提呈给T细胞，活化并调控获得性免疫应答。维生素D介导的固有免疫应答也广泛存在于角化细胞、胃肠黏膜或支气管黏膜上皮细胞等[2,3,21]。因此，维生素对细菌、病毒等各种病原体尤其是呼吸道病原体感染具有保护作用。活性维生素D触发VDR活化，受体依赖性的转录表达cathelicidin及人β-防御素2(HBD)等，使结核杆菌、海分枝杆菌及麻风杆菌等病原体在细胞内被杀伤[21]。不同于动物的是，cathelicidin和HBD是人类VDR的直接靶目标。
(1)Cathelicidin：人类cathelicidin含有37个氨基酸残基，因N端前两个氨基酸残基为亮氨酸，又称LL-37[22]。它以无活性前体-人体抗菌蛋白(hCAP-18)的形式存在于中性粒细胞、单核细胞及巨噬细胞等。病原体与细胞TLR结合，受TLR2/1受体配体、T细胞源性干扰素-γ(IFN-γ)或T细胞表达的CD40配体刺激后，单核或巨噬细胞启动维生素D信号通路，上调VDR和CYP27B1表达，促进活性维生素D生成，诱导hCAP-18mRNA表达并产生LL-37。研究表明，LL-37及其类似物能够抑制或破坏耐药细菌(例如铜绿假单胞菌)生物膜，而维生素D能够加强这一作用[22]。动物实验发现，限制小鼠维生素D摄入可引起A组乙型溶血性链球菌感染[23]；而在人体免疫细胞研究中，维生素D诱导产生的LL-37能够提高机体对这种细菌的杀灭能力[24]。值得关注的是，LL-37也具有抗病毒作用[4]。巨噬细胞通过维生素D诱导的自噬作用抑制HIV复制，这一过程依赖于TLR8与配体结合后触发的LL-37表达[25]。后者能够介导呼吸道上皮细胞线粒体膜去极化，释放细胞色素C，提高对病毒RNA识别能力，诱导上皮细胞凋亡，促进病毒清除[3]。体外研究发现，将H1N1流感病毒暴露于LL-37会显著降低病毒感染强度[26]。近期研究表明，LL-37可能对肺部RNA病毒感染具有治疗作用[27]。我们认为在病毒感染性疾病的治疗中，应重视维生素D的作用，但仍缺乏临床试验或临床观察数据。
此外，活化T细胞分泌的多种细胞因子也对TLR2/1介导的信号通路产生不同影响。Th1型辅助T细胞分泌的IFN-γ与TLR2/1配体结合诱导CYP27B1活性，增强维生素D介导的免疫应答；而Th2型辅助T细胞分泌的白介素-4(IL-4)促进CYP24A1上调，抑制维生素D的活化和LL-37、HBD及自噬体产生。此外，维生素D也可通过上调NOD2这种模式识别受体的表达，感知革兰氏阳性/阴性细菌的肽聚糖，进一步诱导NF-κB介导的HBD转导[28]。
(2)人β-防御素：人类已发现31种HBD，发挥抗菌作用的主要为HBD-1～HBD-4[29]。单核细胞产生的HBD-2是活性维生素D的靶点。活性维生素D可以调节核苷酸结合寡聚化域蛋白2(NOD2)/HBD-2/环腺苷酸(CAMP)固有免疫信号通路[30]，通过与细胞内模式识别受体(PRR)NOD2结合，诱导核转录因子κB(NF-κB)的转录，上调CAMP和HBD-2表达。HBD-2有助于杀灭革兰氏阴性的大肠埃希菌及酵母菌、沙门氏菌等[29]。HBD-3是抑制宿主细胞表达并释放肿瘤坏死因子α(TNF-α)、IL-8及IL-12的关键因素[31]，具有抗金黄色葡萄球菌、化脓性链球菌、绿脓杆菌、大肠杆菌及白色念珠菌的活性[29,31]。肺炎链球菌感染后，维生素D可上调模式识别受体TLR2及NOD2，诱导产生细胞因子信号传导抑制蛋白SOCS-1及SOCS-3，负向调节TLR介导的炎症，抑制NF-κB核转位，减少中性粒细胞IL-6、IL-8及IL-12等促炎症细胞因子的产生，增加IL-4的生成[31]。此外，维生素D也能促进中性粒细胞α防御素的转录和释放，提高细胞对肺炎链球菌的杀灭作用[31]。动物实验发现，HBD也有对抗呼吸道合胞病毒及流感病毒的作用[29]。这与HBD间接调控免疫细胞向感染部位迁移、破坏病毒包膜、抑制病毒复制及下调病毒受体表达等有关[29,30,31]。
(3)铁调素：除了cathelicidin和DEFB4，维生素D还能调控另一种抗微生物肽—铁调素(hepcidin)[4]。铁调素抑制小肠对铁的吸收及铁穿越细胞膜，起到调节铁分布、维持铁稳态的作用。铁调素转录调节基因包含维生素D反应元件[32]。维生素D减少单核细胞促炎症细胞因子IL-6和IL-1β的产生[31]，下调肝细胞铁调素mRNA表达[4]。此外，在小样本健康人群进行的随机、双盲、安慰剂对照临床试验提示，在不影响IL-6和IL-1β情况下，一次性给予250 000 IU维生素D3也可使血清铁调素浓度下降73%[32]。细菌繁殖及病毒复制需要铁，而维生素D的负向调节作用使细胞内铁浓度下降，抑制细胞内HIV、HBV及HCV等病毒复制[4]；同时细胞外铁浓度升高有利于控制感染，从而能够对抗结核杆菌、伤寒沙门氏菌、衣原体及嗜肺军团菌等各种病原体感染[32]。
(4)维生素D调节炎症反应：巨噬细胞和DC产生的促炎症因子通过调动免疫应答发挥抗病原微生物作用。而这些细胞因子的过度生成又会导致炎症和组织损伤。在单核或巨噬细胞，维生素D与VDR结合，上调丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶-1(MKP-1)表达，抑制TNF-α及IL-6产生[31,33]。这种作用主要通过下调PRR和上调CYP24-羟化酶实现[33]。另有报道发现维生素D刺激人类巨噬细胞IL-6、IL-23、IL-12、IL-8、TNF-α、CCL3、CCL4、CCL8、CCL20及MIP-1α等关键性细胞因子和趋化因子的表达，诱导树突状细胞分泌TNF-α和IL-6[29]。因此，维生素D既可触发宿主防御应答，诱导早期炎症反应，以利于细胞趋化聚集，又可通过负反馈机制调控炎症反应进程，减轻组织损伤。
2．维生素D与获得性免疫应答；维生素D对获得性宿主免疫应答的调节，主要通过对T细胞的直接作用或间接调控DC实现[34]。DC表达VDR、CYP27A1及CYP27B1[35]，从而产生活性维生素D。体外研究发现，活性维生素D可以抑制单核细胞分化为DC，并通过NF-κB通路减少炎性因子IL-12分泌，增加抗炎因子IL-10的生成，抑制幼稚DC的成熟与分化，诱导出具有免疫耐受特征的未成熟细胞，促使损伤性T淋巴细胞转变为调节性T淋巴细胞[3,35]；同时通过削弱DC对T淋巴细胞的抗原提呈作用，降低T细胞介导的组织免疫损伤[30,36]。
不同于DC，人类静息记忆或初始CD4＋/CD8＋T细胞仅低水平表达VDR。T细胞活化上调VDR及CYP27B1表达[3,33]，促进活性维生素D的生成，通过自分泌方式调节T细胞效应器功能[34]。抗原或IL-2诱导的CD4＋和CD8＋记忆性T细胞增殖均可被活性维生素D抑制[3,34]。体外实验显示，活性维生素D限制Th1/Th17细胞分化，同时促进Th2分化，产生分泌IL-10的调节性T细胞[34]。此外，T细胞亚群是机体关键性免疫活性细胞，维生素D缺乏时CD8＋T细胞数目减少，削弱了病毒对B淋巴细胞的攻击能力[1]。临床研究中发现，维生素D缺乏时自身免疫性疾病风险升高，这与其对DC和T细胞的免疫抑制作用有关[28,35]。维生素D受体敲除小鼠产生Th2减少，更易发生Th1介导的自身免疫反应，如多发性硬化和炎症性肠病等[28]。
3．维生素D可上调VDR的mRNA表达，促进一氧化氮合成，一氧化氮(NO)对宿主抵御各种病原体侵入发挥重要作用。NO充气的导尿管与抗生素涂层或镀银导尿管相比，能更有效地抑制细菌繁殖，阻碍管腔及表面的细菌生物膜形成[37]。而VDR与配体结合，可提高内皮源性一氧化氮合酶活性，促进NO合成[6,38]。结核杆菌诱导的人单核细胞中VDR的mRNA表达及NO和抗菌肽的产生增多，这可能是巨噬细胞对抗结核杆菌的重要防御作用；而经活性维生素D处理的巨噬细胞，NO产生显著增多，结核杆菌计数显著降低[37]。
三、维生素D预防和治疗感染性疾病的展望
维生素D缺乏在世界范围内普遍存在[1,39,40]。尽管我国尚缺乏全国性、多中心、随机抽样人群的维生素D水平调查数据，但不同地区、不同季节、不同人群报道维生素D缺乏率在40%～98%[39,40]。我国是抗生素使用大国，而维生素D抗感染的免疫调节作用，也提示其作为预防性用药或与抗生素联合应用可能成为治疗感染性疾病的重要选择[2,3]。在病毒感染性疾病的防治中，维生素D的多重抗感染作用应该引起我们的高度重视，但仍需要前瞻性研究加以证明。应该设计严格控制、随机对照的临床试验，在充分考虑个体化基因背景、种族、生物和环境等影响因素的前提下，对维生素D缺乏人群及病毒感染者设定个体化补充方案和干预目标，重点观察维生素D潜在的预防及治疗作用，在预防病毒感染的疫苗问世前，这可能对患者临床治疗和高危人群的群体预防具有重大意义。
参考文献 （略）