16.3 发病机理和病理
维生素D缺乏病的症状和病理决定于维生素D的生理功能。现在人们知道维生素D在体内仅是其活性代谢物的前体，当来自食物及皮肤的维生素D经血液进入肝脏后，在肝细胞25-羟化酶的作用下生成25-(OH)D，与血浆α球蛋白结合的25-(OH)D 是维生素D在血液中主要的存在形式，它在肾脏经25-羟维生素D-1α羟化酶(25-(OH)D-1α-hydroxylase)系统的作用下生成1，25-(OH)2D后，才能有效地发挥其生物作用(图16-1)。
图6-1 维生素D的代谢及其作用的靶组织示意图
维生素D对钙代谢的调节主要是通过对肠、肾、骨等靶组织的作用来实现的。在维生素D的各种代谢产物中，1，25-(OH)2D3 的生物活性最强，在体内，1，25-(OH)2D3 、PTH和降钙素(CT)是调节钙、磷代谢的最重要的激素，在维生素钙内环境稳定方面起着重要的作用。Arnaud ,C.D(1978)将血钙异常升高或降低时，这些激素及血、尿无机磷 (SPi,UPi)与肠、肾、骨等靶组织钙周转(turnover) 的关系用一蝶形图(图16-2)来表示。
图16-2 血清钙的调节
(据Arnaud,C.D.1978)
1，25-(OH)2D3 的生成受肾脏25-(OH)D3-1α羟化酶系统的调节控制。.低钙、低磷膳食,血钙、血磷降低，PTH升高，使1α-羟化酶活性增强，1，25-(OH)2D3 的生成增加：相反，高钙、高磷膳食、血磷升高，PTH减少，CT增加时，抑制1α-羟化酶的活性，使1，25-(OH)2D3 的生成减少。
1，25-(OH)2D3 主要通过以下三个方面的作用使血清钙、磷的含量增加：①促进肠道钙、磷的吸收和运转，增加钙、磷在体内的存留；②提高肾小管对钙、磷离子重吸收的能力，使尿钙、磷的排出量减少；③在PTH的参与下，促进骨盐的吸收，动员钙、磷释出。
16.3.1 维生素D缺乏对肠钙、磷吸收的影响
现在人们认为肠钙吸收的调节中，维生素D内分泌系统起着特别重要的作用。Boyle等报道，食用低钙饮料的大鼠，主要是通过增加1，25-(OH)2D3 的生成来增进肠钙吸收的；Malm 证明人在食物钙的摄入量减少时，主要靠增加肠道钙的吸收率来防止负钙平衡的发生。关于维生素D促进肠钙吸收的机理，人们进行了大量的研究工作，许多实验资料证明钙结合蛋白(CaBP)在肠钙的主动运转中起着载体蛋白的作用。维生素D对肠钙吸收的影响是由于维生素D的活性代谢物有促进肠粘膜上皮细胞合成 CaBP的作用。维生素D缺乏的小鸡肠粘膜组织中 CaBP消失。Bar和 Wasserman用维生素D缺乏的小鸡进行观察，实验结果表明十二指肠CaBP的含量随使用维生素D3 的剂量增加而增加。在其它实验中，用1，25-(OH)2D3 时也看到了类似的现象，其作用并较维生素D3更为明显。维生素D缺乏的小鸡注射1，25-(OH)2D3 后2h， CaBP 的合成就开始增加。Parkes和Reynolds报道，用体外培养鸡胚十二指肠的方法，在有维生素D3或VD3代谢物时，PTH对肠CaBP的生成无作用。
1，25-(OH)2D3 在肾脏生成后与血浆维生素D运载蛋白结合被运送到肠粘膜细胞浆膜面后，1，25-(OH)2D3 以扩散的方式进入肠粘膜上皮细胞，与细胞质中的的胞浆受体(cytosol receptor)结合构成复合体，到达胞核时，1，25-(OH)2D3 再与核受体结合，诱导产生信使核糖核酸(mRNA)，mRNA与胞浆蛋白结合，在肠粘膜上皮细胞刷状缘生成CaBP。CaBP将到达肠粘膜的钙离子结合运转到细胞内，然后由线粒体或胞浆中的囊泡将钙离子运转到细胞的在底膜或侧膜，经碱泵的作用，以与 Na+ 交换的方式将Ca2+排出细胞，进入血液循环。
1，25-(OH)2D3 不仅与肠粘膜 CaBP的生成有关，对肠上皮细胞其它蛋白质的生成也有促进作用，其中包括碱性磷酸酶、Ca-ATP酶，植酸酶(phytase)等。这些酶的活性与维生素D的关系和它们在肠钙吸收中的作用现在还不完全清楚。虽然不少人认为碱性磷酸酶对Ca2+进入肠粘膜细胞可能有促进作用，然而有实验证明在服用1，25-(OH)2D3 后45～48h，碱性磷酸酶活性才达到最高峰，而钙吸收的高峰是在使用1，25-(OH)2D3 后12～14h，从作用的时间来看，两者并不协调。磷酸盐的吸收高峰与碱性磷酸活性基本一致，所以碱性磷酸酶与肠道无机磷吸收的关系似乎更密切。
维生素D对肠粘膜上皮细胞ATP酶、植酸酶的活性也有影响。ATP酶在肠粘膜刷状缘有促进肠钙吸收的作用。维生素D对植酸盐与钙的结合有抑制作用，有利于钙的吸收。
维生素D缺乏时，1，25-(OH)2D3 的生成减少，肠钙吸收率下降，这是血钙降低的一个重要原因。维生素D缺乏的儿童，冬季肠钙的吸收率在10%左右，补充维生素D后，肠钙吸收有明显的升高，用动物实验也观察到类似的现象。
16.3.2 维生素D缺乏对肾脏的影响
过去对维生素D的研究侧重于对肠钙吸收及运转的作用，近年来因佝偻病儿有低磷血症，在治疗中观察到血磷升高，而血钙没有明显的变化，从而促使人们进一步探讨VD与血钙、血磷的关系。现在认为佝偻病儿有低钙血症时，PTH的分泌增加，肾脏1，25-(OH)2D3 的生成也增多，从而促进肠道钙、磷吸收和骨中钙、磷的释出，使血清钙、磷升高。但PTH有抑制肾小管对磷重吸收的作用，使尿磷排出增多，所以血钙虽升高，而血磷的变化并不显著；在有低磷血症时，血磷的降低可以直接促进肾脏1，25-(OH)2D3 的生成，而PTH的生成和释放没有变化，所以没有动员骨盐释出的作用，尿磷的排出量也不增加。因此，血磷升高，血钙仅有轻度增加。
维生素D缺乏时，血钙降低，刺激PTH分泌，PTH使肾小管对钙的重吸收增加，使尿钙排出减少，但PTH有抑制肾小管对磷的重要吸收，使尿磷增加，这是维生素D缺乏时可发生低磷血症的一个原因。有人报道正常儿童尿磷的重吸收率为83.5%，轻度佝偻病儿43%，重度患儿为33.8%，恢复期患儿51.4%。病情重者恢复速度慢，有消化不良或营养不良者更慢。
维生素D缺乏时，血磷降低影响中枢神经系统的调节功能，机体的氧化过程受抑制，代谢减慢，酸性代谢产物在体内积聚，可引起慢性酸中毒和酮尿症。骨内钙、磷的沉积减少，柠檬酸的含量也有明显的降低，但尿中羟丁氨酸、赖氨酸和甘氨酸等氨基的排出量增加。慢性酸中毒可加重大脑皮层调节机能的障碍，使植物神经机能减退，所以佝偻病儿有多汗、烦躁不安、睡眠中易惊醒等症状。由于皮层下代谢中枢的机能障碍，患儿有贫血，面色苍白，肌肉无力，肝、脾肿大等现象，条件反射不易建立而且容易消退。肌无力(muscular weakness)是骨软化症患者的一个重要体征，其发生机理还不清楚，一般认为与血磷降低有关。Heimberg 等(1976)报道实验性尿毒症家兔的骨骼肌细胞对钙的摄取能力下降，Matthews等(1977)报道使用1，25-(OH)2D3能使之得到纠正。认为1，25-(OH)2D3的生成减少可能与肌组织的变化有关。
16.3.3 维生素D缺乏对骨的影响
直到本世纪五十年代初，人们还仅知道维生素D是维持血中钙、磷所必需的，有防治佝偻病及骨软化症的作用，但对维生素D与骨质生成的关系了解还很少。近三十年来，有大量的资料证明维生素D直接或间接地参与骨内进行的所有过程：骨细胞的增生、分化，基质(matrix)的形成、成熟和钙化，骨质的重吸收等；维生素D对骨钙、磷的沉积与释放，对体液酸碱度的调节，对骨的结构和物理性能都有直接的影响。由于机体一生中，骨质的更新和重建从停止，所以不论对生长发育中的骨骼或已经发育成熟的骨胳，维生素D缺乏都会产生深刻的影响。
Robinson 和Rosenhein (1934)报道，在体外将维生素D加于增生的软骨细胞悬 浮液中，对其钙化无作用。Fischmann(1937)在体外培养成骨组织 (osteogenic tissue) ，发现在正常鸡血浆中，骨能钙化：而在维生素D缺乏的鸡血浆中，成骨组织只能生成类骨质(ostcoids)和软骨。单独或一并加入钙和磷酸盐，也不能纠正维生素D缺乏的影响。Dikshit 和Patwardham(1952)取佝偻病大鼠的胫骨在加和不加维生素D的培养基中培养，体外实验证明补充维生素D对骨的钙化不起作用，但先给动物维生素D，然后取骨组织进行体外培养，则有明显的促进钙化的效果。 Migecovsky(1957)用45Ca研究维生素D对钙代谢的影响，发现不论口服或注射，维生素D都能使45Ca进入骨组织的量增加，但还不能确定骨45Ca的增加是维生素D的直接作用，还是由于血钙进入骨中的增多。(Crenshaw(1974))和Yoshiki等(1974)报道血清钙含量与骨质钙化直接有关，维生素D对骨质钙化的作用是间接的。
维生素D的活性代谢物对骨的主要作用是促进骨盐的溶解，动员钙、磷释出。骨组织培养实验证明，1，25-(OH)2D3 的效应比25-(OH)D3 大100倍，但维生素D却无此作用。1，25-(OH)2D3 与PTH的作用相似，能诱导破骨细胞的生成，并使其机能加强，靠破骨细胞内溶酶体释放的酶和有机酸对骨质进行溶解、吸收，以利于新骨生成。但PTH作用于骨时需有1，25-(OH)2D3 参加，而PTH缺乏时，1，25-(OH)2D3 也可以直接对骨起作用。
以维生素D3的作用效果为基数(1 .0)，对比不同维生素D3代谢物增加鸡胫骨灰分含量的效应，1，25-(OH)2D3 为维生素D3R 7.5倍，25-(OH)D3 为2.0倍，1，24，25-(OH)3D3 及24，25-(OH)2D3 的作用效果均小于维生素D3。
人们对维生素D与胶原关系的认识是从佝偻病骨质的变化开始的。佝偻病的一个特征是软骨基质(cartilage matrix)的钙化受阻。Canas等(1969)报道，维生素D缺乏时，不仅骨基质钙化困难，骨基质的有机成分也减少，而水分增多。维生素D有促进脯氨酸掺入骨胶原的作用，但未见对皮肤胶原的生成有影响，这表明维生素D能增加佝偻病动物骨胶原的合成。为钙盐的沉积和新骨的形创造条件。Mechanic等(1972，1975)研究维生素D营养状况与骨胶原不同肽链间共价交联(cross-linking)的关系，指出在骨胶原的成熟过程中，必需人维生素D参加。维生素D及其代谢物缺乏时，生成更多不成熟的胶原。Gonnerman 等(1976)报道，维生素D缺乏时鸡的赖氨酰氧化酶(lysyl oxidase)活性升高，并且在这种情况下增加食物钙的供给量，对赖氨酰氧化酶的活性也无作用。Norman ,A.W.(1979)指出有可能维生素D的代谢物(1，25-(OH)2D3 等)以类固醇激素样的作用方式直接作用于类骨质，使与原胶原(pro-collagen)生成有关的酶生成增加，有人(Russell等，1975) 报道实验动物由于尿毒症(uremia)引起肾病骨营养不良 (renal osteodystrophy) 时，其骨胶原的变化与维生素D缺乏时相似，而皮肤中的胶原无变化。慢性肾功能不全引起的骨营养不良，其特征是骨胶原组成成分(交联与醛基前体)间的比例关系异常。
体内90%以上的柠檬酸盐储存在骨组织中。维生素D缺乏的动物，骨内柠檬酸盐的含量减少。用维生素D进行治疗时，组织中的柠檬酸盐增加，尿柠檬酸盐的排出量也增加。De Luca 等认为维生素D有促进柠檬酸盐分解和抑制柠檬酸氧化的作用。但对于食物柠檬酸是否有抗佝偻病的效果尚待进一步研究。
维生素D有促进无机硫酸盐进入骨基质的作用，对骨基质碳水化物(特别是粘多糖)的代谢也有影响。Ralalingaswami 等(1954)研究佝偻病大鼠骨骺软骨在恢复期的组织化学变化，认为维生素D能使软骨骺板增生区的糖原在该区钙化前首先增多。这表明佝偻病软骨不能钙化可能与骨组织糖原代谢障碍有关。
正常情况下，血清钙、磷浓度适宜(钙、磷乘积大于40)，软骨细胞在骨骺附近排列成行，毛细血管侵入后，软骨基质逐渐被吸收，由骨组织代替，进行钙化。维生素D缺乏时，骨基质不能钙化，干骺端软骨细胞无秩序地增生，类骨质增加，所以骺板变宽、变厚、不规则且向四周膨胀，骨小梁也为不能钙化的类骨质包围。软骨的过度增生是成骨障碍的结果，是一种代偿现象。正常情况下，软骨组织在成骨过程中，体积缩小，而佝偻病时，骨化停滞，所以体积不缩小，相反，由于软骨增生，体积更加大，因此，长骨的干骺端 (腕踝及肋骨软骨交界处)肥大隆起，呈现佝偻病特有的体征。
维生素D缺乏时，由于成骨障碍，长骨的生长停滞，骨膜肥厚，骨质疏松。扁平骨也类似的变化。但大鼠缺少维生素D，只有在食用低磷饲料的条件下，骨质才有类似佝偻病的变化，这表明骨质的变化不单纯是由于维生素D缺乏，可能还有其它因素的作用存在。
在六十年代以前，进行骨组织形态学检查，骨标本首先需要经过脱钙处理。后来，随着装备和制片技术的进步，才逐渐有可能对不脱钙的骨切片进行观察。七十年代初，Bordier等对骨组织进行了定量的检查，他们观测的结果，进一步表明了维生素D缺乏时骨组织形态学的变化。
表16-3 维生素D缺乏性骨软化症骨的定量组织学改变
| 测定的项目 |
正常对照(28例) |
严重骨软化症(28例) |
| 骨细胞溶骨(占总骨细胞陷窝%) |
3.9±0.6 |
9.3±0.6 |
| 骨重吸收面(占骨钙化面积%) |
12.2±4.0 |
33.8±5.6 |
| 钙化带(占类骨质面积%) |
83.0±10.0 |
19.2±8.3 |
| 类骨质面(占总骨面积%) |
14.6±6.0 |
67.6±13.7 |
| 类骨质量(占海绵状骨组织%) |
5.7±2.0 |
20.9±7.7 |
| 海绵状骨组织量(占总骨体积%) |
19.3±4.0 |
27.8±3.8 |