營養學/維生素D缺乏病的發病機理和病理
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維生素D缺乏病的症状和病理決定於維生素D的生理功能。現在人們知道維生素D在體內僅是其活性代謝物的前體，當來自食物及皮膚的維生素D經血液進入肝臟後，在肝細胞25-羥化酶的作用下生成25-（OH）D，與血漿α球蛋白結合的25-（OH）D 是維生素D在血液中主要的存在形式，它在腎臟經25-羥維生素D-1α羥化酶（25-（OH）D-1α-hydroxylase）系統的作用下生成1，25-（OH）2D後，才能有效地發揮其生物作用（圖16-1）。
圖6-1 維生素D的代謝及其作用的靶組織示意圖
維生素D對鈣代謝的調節主要是通過對腸、腎、骨等靶組織的作用來實現的。在維生素D的各種代謝產物中，1，25-（OH）2D3的生物活性最強，在體內，1，25-（OH）2D3、PTH和降鈣素（CT）是調節鈣、磷代謝的最重要的激素，在維生素鈣內環境穩定方面起著重要的作用。Arnaud ,C.D(1978)將血鈣異常升高或降低時，這些激素及血、尿無機磷(SPi,UPi)與腸、腎、骨等靶組織鈣周轉(turnover) 的關係用一蝶形圖（圖16-2）來表示。
圖16－2 血清鈣的調節（據Arnaud,C.D.1978）
1，25-（OH）2D3的生成受腎臟25-（OH）D3-1α羥化酶系統的調節控制。.低鈣、低磷膳食,血鈣、血磷降低，PTH升高，使1α-羥化酶活性增強，1，25-（OH）2D3 的生成增加：相反，高鈣、高磷膳食、血磷升高，PTH減少，CT增加時，抑制1α-羥化酶的活性，使1，25-（OH）2D3 的生成減少。
1，25-（OH）2D3主要通過以下三個面的作用使血清鈣、磷的含量增加：①促進腸道鈣、磷的吸收和運轉，增加鈣、磷在體內的存留；②提高腎小管對鈣、磷離子重吸收的能力，使尿鈣、磷的排出量減少；③在PTH的參與下，促進骨鹽的吸收，動員鈣、磷釋出。
16.3.1 維生素D缺乏對腸鈣、磷吸收的影響
現在人們認為腸鈣吸收的調節中，維生素D內分泌系統起著特別重要的作用。Boyle等報導，食用低鈣飲料的大鼠，主要是通過增加1，25-（OH）2D3 的生成來增進腸鈣吸收的；Malm 證明人在食物鈣的攝入量減少時，主要靠增加腸道鈣的吸收率來防止負鈣平衡的發生。關於維生素D促進腸鈣吸收的機理，人們進行了大量的研究工作，許多實驗資料證明鈣結合蛋白(CaBP)在腸鈣的主動運轉中起著載體蛋白的作用。維生素D對腸鈣吸收的影響是由於維生素D的活性代謝物有促進腸粘膜上皮細胞合成 CaBP的作用。維生素D缺乏的小雞腸粘膜組織中 CaBP消失。Bar和Wasserman用維生素D缺乏的小雞進行觀察，實驗結果表明十二指腸CaBP的含量隨使用維生素D3 的劑量增加而增加。在其它實驗中，用1，25-（OH）2D3 時也看到了類似的現象，其作用並較維生素D3更為明顯。維生素D缺乏的小雞注射1，25-（OH）2D3後2h， CaBP 的合成就開始增加。Parkes和Reynolds報導，用體外培養雞胚十二指腸的方法，在有維生素D3或VD3代謝物時，PTH對腸CaBP的生成無作用。
1，25-（OH）2D3 在腎臟生成後與血漿維生素D運載蛋白結合被運送到腸粘膜細胞漿膜面後，1，25-（OH）2D3以擴散的方式進入腸粘膜上皮細胞，與細胞質中的的胞漿受體(cytosolreceptor)結合構成複合體，到達胞核時，1，25-（OH）2D3再與核受體結合，誘導產生信使核糖核酸(mRNA)，mRNA與胞漿蛋白結合，在腸粘膜上皮細胞刷狀緣生成CaBP。CaBP將到達腸粘膜的鈣離子結合運轉到細胞內，然後由粒線體或胞漿中的囊泡將鈣離子運轉到細胞的在底膜或側膜，經鹼泵的作用，以與 Na+ 交換的方式將Ca2+排出細胞，進入血液循環。
1，25-（OH）2D3 不僅與腸粘膜 CaBP的生成有關，對腸上皮細胞其它蛋白質的生成也有促進作用，其中包括鹼性磷酸酶、Ca-ATP酶，植酸酶（phytase）等。這些酶的活性與維生素D的關係和它們在腸鈣吸收中的作用現在還不完全清楚。雖然不少人認為鹼性磷酸酶對Ca2+進入腸粘膜細胞可能有促進作用，然而有實驗證明在服用1，25-（OH）2D3後45～48h，鹼性磷酸酶活性才達到最高峰，而鈣吸收的高峰是在使用1，25-（OH）2D3後12～14h，從作用的時間來看，兩者並不協調。磷酸鹽的吸收高峰與鹼性磷酸活性基本一致，所以鹼性磷酸酶與腸道無機磷吸收的關係似乎更密切。
維生素D對腸粘膜上皮細胞ATP酶、植酸酶的活性也有影響。ATP酶在腸粘膜刷狀緣有促進腸鈣吸收的作用。維生素D對植酸鹽與鈣的結合有抑制作用，有利於鈣的吸收。
維生素D缺乏時，1，25-（OH）2D3 的生成減少，腸鈣吸收率下降，這是血鈣降低的一個重要原因。維生素D缺乏的兒童，冬季腸鈣的吸收率在10%左右，補充維生素D後，腸鈣吸收有明顯的升高，用動物實驗也觀察到類似的現象。
16.3.2 維生素D缺乏對腎臟的影響
過去對維生素D的研究側重於對腸鈣吸收及運轉的作用，近年來因佝僂病兒有低磷血症，在治療中觀察到血磷升高，而血鈣沒有明顯的變化，從而促使人們進一步探討VD與血鈣、血磷的關係。現在認為佝僂病兒有低鈣血症時，PTH的分泌增加，腎臟1，25-（OH）2D3 的生成也增多，從而促進腸道鈣、磷吸收和骨中鈣、磷的釋出，使血清鈣、磷升高。但PTH有抑制腎小管對磷重吸收的作用，使尿磷排出增多，所以血鈣雖升高，而血磷的變化並不顯著；在有低磷血症時，血磷的降低可以直接促進腎臟1，25-（OH）2D3的生成，而PTH的生成和釋放沒有變化，所以沒有動員骨鹽釋出的作用，尿磷的排出量也不增加。因此，血磷升高，血鈣僅有輕度增加。
維生素D缺乏時，血鈣降低，刺激PTH分泌，PTH使腎小管對鈣的重吸收增加，使尿鈣排出減少，但PTH有抑制腎小管對磷的重要吸收，使尿磷增加，這是維生素D缺乏時可發生低磷血症的一個原因。有人報導正常兒童尿磷的重吸收率為83.5%，輕度佝僂病兒43%，重度患兒為33.8%，恢復期患兒51.4%。病情重者恢復速度慢，有消化不良或營養不良者更慢。
維生素D缺乏時，血磷降低影響中樞神經系統的調節功能，機體的氧化過程受抑制，代謝減慢，酸性代謝產物在體內積聚，可引起慢性酸中毒和酮尿症。骨內鈣、磷的沉積減少，檸檬酸的含量也有明顯的降低，但尿中羥丁氨酸、賴氨酸和甘氨酸等氨基的排出量增加。慢性酸中毒可加重大腦皮層調節機能的障礙，使植物神經機能減退，所以佝僂病兒有多汗、煩躁不安、睡眠中易驚醒等症状。由於皮層下代謝中樞的機能障礙，患兒有貧血，面色蒼白，肌肉無力，肝、脾腫大等現象，條件反射不易建立而且容易消退。肌無力(muscular weakness)是骨軟化症患者的一個重要體征，其發生機理還不清楚，一般認為與血磷降低有關。Heimberg 等（1976）報導實驗性尿毒症家兔的骨骼肌細胞對鈣的攝取能力下降，Matthews等（1977）報導使用1，25-（OH）2D3能使之得到糾正。認為1，25-（OH）2D3的生成減少可能與肌組織的變化有關。
16.3.3 維生素D缺乏對骨的影響
直到本世紀五十年代初，人們還僅知道維生素D是維持血中鈣、磷所必需的，有防治佝僂病及骨軟化症的作用，但對維生素D與骨質生成的關係了解還很少。近三十年來，有大量的資料證明維生素D直接或間接地參與骨內進行的所有過程：骨細胞的增生、分化，基質(matrix)的形成、成熟和鈣化，骨質的重吸收等；維生素D對骨鈣、磷的沉積與釋放，對體液酸鹼度的調節，對骨的結構和物理性能都有直接的影響。由於機體一生中，骨質的更新和重建從停止，所以不論對生長發育中的骨骼或已經發育成熟的骨胳，維生素D缺乏都會產生深刻的影響。
Robinson 和Rosenhein （1934）報導，在體外將維生素D加於增生的軟骨細胞懸 浮液中，對其鈣化無作用。Fischmann（1937）在體外培養成骨組織 (osteogenic tissue) ，發現在正常雞血漿中，骨能鈣化：而在維生素D缺乏的雞血漿中，成骨組織只能生成類骨質(ostcoids)和軟骨。單獨或一併加入鈣和磷酸鹽，也不能糾正維生素D缺乏的影響。Dikshit 和Patwardham（1952）取佝僂病大鼠的脛骨在加和不加維生素D的培養基中培養，體外實驗證明補充維生素D對骨的鈣化不起作用，但先給動物維生素D，然後取骨組織進行體外培養，則有明顯的促進鈣化的效果。 Migecovsky（1957）用45Ca研究維生素D對鈣代謝的影響，發現不論口服或注射，維生素D都能使45Ca進入骨組織的量增加，但還不能確定骨45Ca的增加是維生素D的直接作用，還是由於血鈣進入骨中的增多。(Crenshaw(1974))和Yoshiki等（1974）報導血清鈣含量與骨質鈣化直接有關，維生素D對骨質鈣化的作用是間接的。
維生素D的活性代謝物對骨的主要作用是促進骨鹽的溶解，動員鈣、磷釋出。骨組織培養實驗證明，1，25-（OH）2D3 的效應比25-（OH）D3 大100倍，但維生素D卻無此作用。1，25-（OH）2D3與PTH的作用相似，能誘導破骨細胞的生成，並使其機能加強，靠破骨細胞內溶酶體釋放的酶和有機酸對骨質進行溶解、吸收，以利於新骨生成。但PTH作用於骨時需有1，25-（OH）2D3參加，而PTH缺乏時，1，25-（OH）2D3 也可以直接對骨起作用。
以維生素D3的作用效果為基數（1 .0），對比不同維生素D3代謝物增加雞脛骨灰分含量的效應，1，25-（OH）2D3為維生素D3R 7.5倍，25-（OH）D3 為2.0倍，1，24，25-（OH）3D3 及24，25-（OH）2D3的作用效果均小於維生素D3。
人們對維生素D與膠原關係的認識是從佝僂病骨質的變化開始的。佝僂病的一個特徵是軟骨基質(cartilage matrix)的鈣化受阻。Canas等（1969）報導，維生素D缺乏時，不僅骨基質鈣化困難，骨基質的有機成分也減少，而水分增多。維生素D有促進脯氨酸摻入骨膠原的作用，但未見對皮膚膠原的生成有影響，這表明維生素D能增加佝僂病動物骨膠原的合成。為鈣鹽的沉積和新骨的形創造條件。Mechanic等（1972，1975）研究維生素D營養狀況與骨膠原不同肽鏈間共價交聯(cross-linking)的關係，指出在骨膠原的成熟過程中，必需人維生素D參加。維生素D及其代謝物缺乏時，生成更多不成熟的膠原。Gonnerman 等（1976）報導，維生素D缺乏時雞的賴氨醯氧化酶(lysyl oxidase)活性升高，並且在這種情況下增加食物鈣的供給量，對賴氨醯氧化酶的活性也無作用。Norman ,A.W.(1979)指出有可能維生素D的代謝物（1，25-（OH）2D3 等）以類固醇激素樣的作用方式直接作用於類骨質，使與原膠原(pro-collagen)生成有關的酶生成增加，有人(Russell等，1975) 報導實驗動物由於尿毒症(uremia)引起腎病骨營養不良 (renal osteodystrophy) 時，其骨膠原的變化與維生素D缺乏時相似，而皮膚中的膠原無變化。慢性腎功能不全引起的骨營養不良，其特徵是骨膠原組成成分（交聯與醛基前體）間的比例關係異常。
體內90%以上的檸檬酸鹽儲存在骨組織中。維生素D缺乏的動物，骨內檸檬酸鹽的含量減少。用維生素D進行治療時，組織中的檸檬酸鹽增加，尿檸檬酸鹽的排出量也增加。De Luca 等認為維生素D有促進檸檬酸鹽分解和抑制檸檬酸氧化的作用。但對於食物檸檬酸是否有抗佝僂病的效果尚待進一步研究。
維生素D有促進無機硫酸鹽進入骨基質的作用，對骨基質碳水化物（特別是粘多糖）的代謝也有影響。Ralalingaswami 等(1954)研究佝僂病大鼠骨骺軟骨在恢復期的組織化學變化，認為維生素D能使軟骨骺板增生區的糖原在該區鈣化前首先增多。這表明佝僂病軟骨不能鈣化可能與骨組織糖原代謝障礙有關。
正常情況下，血清鈣、磷濃度適宜（鈣、磷乘積大於40），軟骨細胞在骨骺附近排列成行，毛細血管侵入後，軟骨基質逐漸被吸收，由骨組織代替，進行鈣化。維生素D缺乏時，骨基質不能鈣化，干骺端軟骨細胞無秩序地增生，類骨質增加，所以骺板變寬、變厚、不規則且向四周膨脹，骨小梁也為不能鈣化的類骨質包圍。軟骨的過度增生是成骨障礙的結果，是一種代償現象。正常情況下，軟骨組織在成骨過程中，體積縮小，而佝僂病時，骨化停滯，所以體積不縮小，相反，由於軟骨增生，體積更加大，因此，長骨的干骺端（腕踝及肋骨軟骨交界處）肥大隆起，呈現佝僂病特有的體征。
維生素D缺乏時，由於成骨障礙，長骨的生長停滯，骨膜肥厚，骨質疏鬆。扁平骨也類似的變化。但大鼠缺少維生素D，只有在食用低磷飼料的條件下，骨質才有類似佝僂病的變化，這表明骨質的變化不單純是由於維生素D缺乏，可能還有其它因素的作用存在。
在六十年代以前，進行骨組織形態學檢查，骨標本首先需要經過脫鈣處理。後來，隨著裝備和製片技術的進步，才逐漸有可能對不脫鈣的骨切片進行觀察。七十年代初，Bordier等對骨組織進行了定量的檢查，他們觀測的結果，進一步表明了維生素D缺乏時骨組織形態學的變化。
表16-3 維生素D缺乏性骨軟化症骨的定量組織學改變
| 測定的項目 | 正常對照（28例） | 嚴重骨軟化症（28例） |
| 骨細胞溶骨（佔總骨細胞陷窩%） | 3.9±0.6 | 9.3±0.6 |
| 骨重吸收面（占骨鈣化面積%） | 12.2±4.0 | 33.8±5.6 |
| 鈣化帶（占類骨質面積%） | 83.0±10.0 | 19.2±8.3 |
| 類骨質面（佔總骨面積%） | 14.6±6.0 | 67.6±13.7 |
| 類骨質量（占海綿狀骨組織%） | 5.7±2.0 | 20.9±7.7 |
| 海綿狀骨組織量（佔總骨體積%） | 19.3±4.0 | 27.8±3.8 |
16．4 臨床表現
佝僂病有骨軟化症是維生素D缺乏在臨床特有的表現，二者都是由於維生素D缺乏，鈣、磷代謝障礙，骨失去正常鈣化能力而發生的同一種病，根據是：①維生素D對二者均有顯著療效；②發病季節均多見於冬、春季，寒冷地區發病率高；③母親患有骨軟化症時，嬰幼兒也常患佝僂病；④骨質的病理變化一致。但佝僂病發生於生長發育中的兒童，骨軟化症發生於成年人，所以臨床一般也存在著某些差別。
16.4.1 佝僂病
佝僂病的臨床表現主要是神經精神症状和骨胳的變化。
神經精神症状常見於病的初期和極期，患兒不活潑、食慾減退、容易激動、脾氣乖張、睡眠不安、夜間常驚醒哭鬧、多汗（在頭部更明顯），並在痙攣和手足搐搦等症状。
骨胳的變化與年齡、生長速率及維生素D缺乏的程度等因素有關。顱骨軟化多發生在3～9月的嬰兒。輕者前囟邊緣軟化，閉合遲（出生後18個月尚未閉合）。重者顳枕部呈桌球樣軟化。額骨、頂骨及枕骨，由於類骨質增生而隆起，形成方顱，或因睡眠壓迫而變形。病兒出牙遲，有出生後十個月尚未出牙或3歲以下乳齒尚未齊者。佝僂病兒的牙齒排列和發育往往也不好；在胸部，肋骨骺端肥大，觸診可摸到鈍圓形隆起，在第6～10肋最明顯，外觀似串珠（rachitic rosary）。1歲以內的小兒胃肋骨軟化，胸廓因受膈肌收縮而內陷，呈現沿胸骨下緣水平的凹溝，稱為赫氏溝（Harrisons groove）。2歲以上病兒可見有雞胸等胸廓畸形；四肢，長骨幹骺端肥大，尤以腕部明顯，橈骨、尺骨端呈鈍圓形隆起，開似手鐲（6個月到3歲的重度佝僂病兒多見）。上下肢均可因承重而彎曲變形，能爬行時可發生上肢彎曲，較大的兒童能站立行走時則發生下肢變曲，出現：「O」型腿或「X」型腿。檢查時取立位，兩腿靠攏，膝關節相距3cm以下者為輕度「O」形腿，3～6cm者為中度，6cm以上者為重度。「X」型腿的檢查標準與此相同，但檢查時兩膝告攏，測兩踝間的距離，脊柱受重力影響可發生側向或前後向彎曲；骨盆前後徑短，恥骨狹窄。嚴重的佝僂病兒容易發生骨折，最常見的是橈骨或腓骨骨折，也可發生於股骨、肋骨、鎖骨。此外，佝僂病也是脛骨彎曲及扁平足發生的原因。
維生素D缺乏，鈣、磷代謝障礙對機體的影響是全身性的。佝僂病兒一般發育不良，神情獃滯，條件反射的建立緩慢且不鞏固。能直立行走的時間也較晚。兼有營養不良的兒童常有毛髮稀疏、枕禿、面色蒼白、貧血、肌肉及韌帶無力、腹部膨大、肝脾腫大等現象。由於低血鈣，6個月以下的小兒常出現肌痙攣或手足搐搦，更大些的兒童可有骨痛、骨變形等表現。由於胸廓畸形，呼吸運動受限制，病兒容易繼發肺部感染。也常見消化系統的功能障礙。
臨床上根據病情分型：輕型以神經精神症状為主，骨骼變化不顯著；中度患兒頭部、胸部及四肢有較明顯的骨骼變形，並有輕度的全身症状；重型佝僂病兒骨骼變形及全身症状明顯。急性佝僂病的症状發展迅速，骨質變化以軟化為主，多見於6個月以下的嬰兒；亞急性佝僂病症狀的出現比較緩慢，骨質變化以增生為主，多發生於年齡較大的兒童：複發性佝僂病症狀的反覆與季節、生活及餵養情況、其它疾病及過早停止治療等因素有關。
16.4.2 骨軟化症
發生於骨生長發育已完全的成年人，多見於妊娠、多產的婦女及體弱多病的老人。最常見的症是骨痛、肌無力和骨壓痛。重度患者脊柱有壓迫性彎曲，身材變矮，骨盆變形等現象，但肌痙攣及手足搐搦的發生並不多見。
發病初期，骨痛往往是模糊的，常在腰背部或下肢，痛的部位不固定，並且其發作也沒有一定的規律性，一般是在活動時加重。因為沒有顯著的體征，往往被認為是風濕或神經官能症。肌無力（包括近體部位的大肌肉）是維生素D缺乏的一個重要表現。開始患者的感覺是上樓梯或從坐位起立時很吃力，病情加劇時，患者甚至完全不能行走。在骨痛與肌無力同時存在的情況下，患者步態特殊，被稱為「鴨步（waddling）」或「企鵝步態（penguin gait）」。
胃切除手術發生骨軟化症的患者往往發和肌無力，當肌無力與肌萎縮很明顯時，有時可能被誤診為原發性肌病(myopathy)。因為血清中的肌酸一般沒有變化，所以肌病一般要靠臨床診斷確定。肌電圖可以檢查肌病是否存在。肌組織活體檢查 (biopsy)常可見到瀰漫性的肌萎縮，電鏡檢查，肌微纖維、肌細胞粒線體和胞漿的組分有退行性病變。
體檢時，骨軟化症患者胸骨、肋骨、骨盆及大關節處，往往有明顯的壓痛，有的有自發性、多發性骨折或假性骨折，包括股骨粗隆下骨折或椎體的壓迫性骨折等。
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