維生素D與糖尿病骨病影像學研究進展

閆玉辰 查云飛

武漢大學人民醫院放射科，湖北 武漢 430060

糖尿病引起成骨細胞生成及成熟受損，膠原產物增多，骨脆性增加，同時抑制成骨，骨轉換率降低，骨的材料性質和顯微結構改變，增加骨質疏松癥和脆性骨折的風險[1]。維生素D與調節脂肪分化和控制脂肪細胞凋亡有密切的關系，可改善糖尿病對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癥也受到越來越多的關注[3]，體內維生素D缺乏可使機體對外界的抵御力有所下降，易于讓血管內皮受到外界刺激而損傷，適當補充維生素D可對機體和血管內皮功能有一定的保護作用[4]。影像學作為生物標志物在糖尿病骨密度、骨微結構、骨髓微血管及骨髓脂肪的定性定量研究中越來越受到關注。本文就維生素D與糖尿病相關骨病發病機制及影像學研究進展進行綜述。

1 維生素D與糖尿病骨密度和骨微結構改變

在骨的生長發育過程中，由骨化后的骨膜向內四周擴展形成的不規則立體網狀結構，稱為骨小梁，其有著支持和保護骨髓腔內骨髓微環境的作用。骨礦物質含量(即皮質和小梁)與評估骨強度和穩定骨髓內環境關系密切；用于評價骨骼強度的數值稱骨礦物質密度(bone mineral density,BMD)，簡稱骨密度，是骨質疏松癥的診斷和療效觀察的主要依據，也是預測骨折風險的重要指標；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的顯微結構。

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顯示高血糖狀態下骨皮質腔隙增大，滋養血管體積減小，骨基質受損，骨脆性增加[6]，此外，高血糖引起的晚期糖基化產物蓄積和氧化應激增強也是導致骨量減少和骨質脆性增加的原因之一。維生素D可刺激脂肪細胞對葡萄糖的攝取，改善高糖狀態對機體的損害，在骨生長代謝過程中有促進作用[2]；另外，維生素D還可通過細胞核受體或細胞膜受體參與多種細胞及基因代謝，包括抑制部分機體炎癥細胞發生及相應自身免疫反應，在促進胰島素合成及分泌、抗氧化應激等多種反應途徑上改善糖尿病病程及其并發癥的發生、發展[7]；在活性維生素D促進核排斥FoxO1轉錄因子表達上也可表現出對糖尿病小鼠的骨形成作用[8]。

早期觀點認為，攝入充足的維生素D對骨骼肌肉有益，能夠促進腸道對鈣磷離子吸收，促進鈣鹽沉積，增加骨質強度，從而預防骨折。早期糖尿病動物模型中證實了短期攝入維生素D對糖尿病骨病的正性作用，鏈脲霉素誘導后的早期糖尿病大鼠，攝入不同劑量的維生素D在12周后進行DXA及QCT檢查，結合腰椎骨骼HE染色切片均證實了，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，維持小梁骨微結構的相對完整性，防止其惡化，且濃度越大效果越明顯[9-10]；除了在減輕骨質流失，改善骨微結構和生物力學性能外，維生素D還降低糖尿病相關血清葡萄糖和糖化血清蛋白水平，同時使骨形成的生物標志物顯著增加[11]。

然而，在對糖尿病病人骨質研究中表明，長時間、高水平維生素D狀態下并沒有表現出明顯的積極作用，反而有所減低。60至70歲的非吸煙女性在一年內補充維生素D 400 IU /d或維生素D 1 000 IU/d后的治療試驗顯示，對實驗組骨密度無明顯改善作用[12]，但是對于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，發現大劑量維生素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5年時間內每周服用大劑量維生素D的T2DM患者的股骨頸骨密度進行測量，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，但在整個髖關節測量部位，男性和女性不同干預組之間BMD差異沒有統計學意義。高濃度維生素D會使骨質骨骼局部焦磷酸鹽水平增加，抑制骨礦化，加重骨質疏松，故補充不同劑量維生素D對不同年齡、不同性別糖尿病病人骨骼健康的益處需要進一步研究，體內25-(OH)D3濃度也是補充維生素D的重要指標之一。

2 維生素D與糖尿病骨髓脂肪組織代謝

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

Patsch等[19]使用質子磁共振波譜(1H magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)測量患有脆性骨折的絕經后糖尿病和非糖尿病患者髖部和腰椎中不同物質的含量，將這些物質的磁共振信號轉化為直觀可視化的頻譜，通過后處理技術和水脂分離算法直接計算出感興趣區脂肪含量百分比，數據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，分析發現骨髓脂肪成分的改變與脆性骨折和糖尿病有關。同樣使用1H-MRS和測量BMD值的方法，Baum等[20]發現無論有無2型糖尿病絕經后的婦女，椎體骨髓脂肪含量與腹部皮下脂肪、內臟脂肪和腰椎骨密度具有一定的相關性。

維生素D作為一種脂溶性維生素，多儲存在糖尿病肥胖患者的脂肪內，可導致測得的血清維生素D濃度降低，反之也可調節脂肪分化，改善骨髓脂肪組織堆積的損害[2]。Bhatt等[21]通過對2型糖尿病患者進行12周維生素D強化酸奶飲料攝入，評估肥胖指標干預前后的改變，包括腰圍、體脂量、軀干脂肪、內臟脂肪以及BMI值，研究發現，較空白組相比，平均腰圍、體脂量、軀干脂肪和內臟脂肪組織及BMI值顯著降低，表明血清維生素D水平可與內臟脂肪含量呈負相關。但維生素D狀況與肥胖之間的關系一直受到種族、飲食和地域差異的影響，白人比黑人更強。對于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]研究發現，實驗者的空腹血糖、2 h血糖(OGTT后)、糖化血紅蛋白和軀干皮下脂肪的數值顯著降低。

3 維生素D與糖尿病骨髓微血管病變

內皮祖細胞(endothelial progenitor cells，EPCs)主要存在于骨髓中，當血管新生和修復時，可動員髓內內皮祖細胞到外周血中，是血管形成的重要前體細胞，骨內新生血管是骨的生長發育的重要環節，內皮細胞損傷是糖尿病骨病及多個靶器官中大血管、微血管病變并發癥發生和進展的中心環節[22]。維生素D是機體內生長發育中重要的營養物質，能作為免疫調節劑調節細胞因子的表達，包括直接作用于細胞轉錄起始和過程調節，促進內皮細胞增殖[4]；或間接通過其他細胞內信號通路的干擾，舒張血管，降低血管炎癥中黏附因子的生成，從而保護血管內皮細胞基本功能[23]。

糖尿病會使機體對糖利用產生障礙，高糖狀態及AGEs對內皮細胞有直接毒性作用，糖尿病小鼠骨髓培養的內皮細胞表現出高水平的氧化應激反應，損害了EPCs的數量和功能[24]，提示糖尿病骨髓脂肪生成功能的增強是骨髓及其他靶器官微血管并發癥的可能機制之一。T1DM小鼠在27～30周的骨髓染色證實骨髓微環境結構的改變，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]。譚強等[26]研究表明四氧嘧啶誘導的兔糖尿病模型損害了兔的循環EPCs的基本功能，抑制了骨髓EPCs的動員能力及促進血管生成能力，而外周移植自體骨髓內皮祖細胞可促進血管新生，從而改善器官循環能力。

動態增強磁共振成像 (dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI)的灌注參數可以反映早期骨髓微血管的通透性，Hu等[17]以釓為小分子對比劑，使用DCE-MRI技術評價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曲線擬和計算，其中代表著糖尿病組椎體血管通透性的Ktrans、Kep值隨著時間增長呈上升趨勢，而在16周后代表血管外細胞外間隙比例參數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皮細胞，局部微血管滲透性增大，且隨著時間延長骨髓脂肪分數呈上升趨勢。陳翩翩等[27]用DCE-MRI評估早期兔糖尿病模型腰椎骨髓微血管滲透性參數與QCT測得骨密度數值改變進行相關性對比研究，結果表明在16周后，糖尿病組兔腰椎骨小梁面積及骨小梁數減低，但腰椎骨髓微血管早期滲透性參數變化與骨密度改變尚無統計學意義。

Yu等[28]發現具有生物活性的1,25-(OH)2D3通過競爭性抑制內生性RNAs網絡調節，可改善高糖環境下內皮祖細胞的基因表達，從而促進EPCs的活性。用維生素D體外培養離體內皮祖細胞，與對照組相比，補充維生素D可提高T2DM患者EPCs的生存能力和形成菌落的能力[29]。健康人每日補充維生素D在6周后，血液中內皮祖細胞數量逐漸增加，停止補充后，循環內皮祖細胞數量會恢復到原先水平，另外Wong等[30]還發現補充維生素D可保護糖尿病小鼠內皮細胞再生，通過激光多普勒成像及毛細血管密度測定，糖尿病會導致基礎血管生成能力基本消失，而用1,25-(OH)2D3治療后可恢復高度血管功能障礙實驗組的正常血管生成反應。Sturza等[23]發現糖尿病小鼠補充活性維生素D后，取其胸主動脈內皮細胞體外培養，活性維生素D改善了實驗組小鼠的內皮細胞功能障礙，加強血管舒張功能。此外，維生素D還可調節體內KLF-10水平，進而刺激EPCs的活性，這一作用能刺激促血管細胞生成[31]。

4 總結與展望

目前，越來越多的研究表明維生素D具有調節骨髓脂肪形成及脂肪細胞凋亡，保護內皮細胞，改善血流灌注等多種作用，對于誘導成骨細胞分化成熟也有相應的改善作用，但不同劑量的維生素D對于糖尿病骨密度及骨小梁的宏觀改善效果存在不同結論。

DXA、QCT和Micro-CT測量骨密度值并評估骨微結構的變化，多模態多參數MRI如MRS、DCE-MRI及IDEAL-IQ等評估骨髓血流灌注、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境內再動員EPCs進而導致骨髓微血管通透性和血流灌注等時間變化順序上仍尚不清楚。

可以預見，影像組學(radiomics)、基于機器學習和深度學習的醫學圖像人工智能技術將在維生素D和糖尿病骨結構、骨髓脂肪及微血管病變的機制研究中將發揮獨特作用。影像組學與代謝組學或免疫組學的交叉融通研究，也將從新的視角為維生素D與糖尿病相關骨病發病機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量有著深遠的影響。