超越维生素D缺乏：母体饮食、代谢功能障碍与维生素D信号在发育编程中的作用

《Metabolites》：Beyond Vitamin D Deficiency: Maternal Diet, Metabolic Dysfunction, and Vitamin D Signaling in Developmental Programming

　　

在健康与疾病发育起源（DOHaD）框架内，母体营养是发育环境的重要组成部分，可塑造后代长期的代谢与免疫健康。西方饮食模式（WD）以高能量密度及饱和脂肪、精制碳水化合物、添加糖和超加工食品的高摄入为特征，与可能影响胎儿发育的代谢及炎症紊乱相关。实验模型进一步表明，母体高脂饮食及西方饮食暴露可导致后代产生持续性的代谢改变，支持母体膳食构成在发育编程中的作用。维生素D（VD）代表了该环境中一个潜在的重要调控系统，因为维生素D信号通过维生素D受体（VDR）介导的转录参与免疫调节、细胞分化及代谢稳态。尽管循环25-羟基维生素D [25(OH)D]是维生素D状态的主要临床指标，但有效的维生素D活性还取决于组织分布、酶代谢及VDR介导的反应性。本综述审查了将母体西方饮食和高脂饮食暴露与发育过程中维生素D调节紊乱相关联的证据，特别关注后代中潜在的组织特异性效应。来自肥胖和高脂饮食模型（包括母体暴露模型）的证据表明，代谢功能障碍可能影响维生素D调节的多个方面，而母体维生素D状态本身已独立地与后代的代谢及发育结局相关联。然而，直接将母体西方饮食暴露与后代个体组织中维生素D调节改变相关联的证据仍然有限。因此，母体西方饮食暴露是否会在后代中产生持续性的、组织特异性的维生素D调节改变，以及这些改变是否伴随炎症失调同时发生，目前尚不清楚。解决这一空白尤为重要，因为不同组织在VDR和维生素D代谢酶的表达上存在差异，因此可能对母体代谢应激产生不同的反应。

1. 引言

在健康与疾病发育起源（DOHaD）框架下，发育关键窗口期（包括妊娠期和出生后早期）的环境暴露可塑造长期疾病易感性。这一概念与“节俭表型”假说一致，即发育中的胎儿适应母体环境的方式可能影响其日后代谢性疾病的易感性。实验和流行病学证据表明，不良早期生活条件可改变发育轨迹，导致代谢、心血管和内分泌功能的长期改变。表观遗传过程（包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控）是发育暴露通过在不改变DNA序列的情况下产生持续基因调控变化而实现生物学嵌入的机制之一。母体营养在DOHaD框架中尤为重要，因为它构成胎儿发育所处的代谢、炎症和营养环境。母体超重和肥胖是此类改变的重要例证，已持续与不良妊娠结局及后代代谢风险增加相关联。母体膳食暴露是发育环境中一个相关但独立的组成部分，可独立于体重影响母体代谢状况。本综述主要聚焦于西方饮食和高脂饮食暴露，因其与母体代谢功能障碍相关，并被认为在发育过程中与维生素D调节存在交汇。

2. 母体肥胖与后代代谢编程

母体超重和肥胖与妊娠期代谢及炎症紊乱相关，可能改变胎儿发育所处的宫内环境。与瘦型孕妇相比，肥胖孕妇表现出更大的胰岛素抵抗，以及循环代谢和炎症介质（包括胰岛素、瘦素、TNF-α、IL-6和IL-8）的差异。炎症差异也延伸至胎盘，肥胖女性的胎盘TLR4、IL6和IL8表达增加，且胎盘TLR4表达与孕前体重指数（BMI）及循环代谢和炎症标志物正相关。母体超重和肥胖还与不良围产期结局相关，包括早产和胎儿过度生长。母体体重状况与后代健康的关联延伸至围产期之后，母体超重或肥胖及孕期增重过多均与后代2岁时超重和肥胖风险增加相关。在大规模个体参与者数据荟萃分析（包含超过16万对母婴）中，母体孕前BMI与后代BMI的关联随后代年龄增长而增强。母体体重状况还可能延伸到产后营养差异，肥胖母亲所生婴儿在9月龄时表现出较不健康的饮食模式。然而，母体体重是一个受多种饮食、代谢、行为和环境因素影响的复杂表型，其本身并不能确定导致发育编程的具体暴露因素。

3. 母体膳食模式与后代代谢编程

母体膳食摄入是决定宫内环境的重要因素，膳食质量影响母体代谢稳态、炎症状态和营养可用性。保护性、营养密集的膳食模式与适当的孕期体重增加及较低的不良妊娠结局风险（包括妊娠期糖尿病（GDM）和早产）相关。相比之下，西方饮食模式（WD）以高能量密度和高饱和脂肪、精制碳水化合物、添加糖及超加工食品摄入为特征。系统综述和荟萃分析表明，WD特征性食物（包括快餐、动物肉、红肉和加工红肉）与GDM风险增加相关。临床前模型允许在受控条件下检查母体膳食暴露的发育效应。在高脂饮食（HFD）喂养的C57BL/6J小鼠中，胎盘表现出炎症和免疫相关信号改变，包括Traf6、Myd88、Mapk8和Stat3转录水平降低，以及免疫细胞标志物Cd4和Cd25表达增加。母体HFD还与胎盘缺氧和血管变化相关，包括碳酸酐酶IX、VEGF和CD31表达增加以及血管成熟度降低。葡萄糖转运体GLUT1（Slc2a1）和GLUT3（Slc2a3）及氨基酸转运体SNAT2（Slc38a2）的胎盘表达增加表明母体HFD可能影响母胎界面的营养转运。母体HFD暴露还与发育中和成年后代的肝脏代谢调控变化相关，包括糖异生基因Pc和Pepck表达降低、代谢调节因子LXRα（Nr1h3）和LXRβ（Nr1h2）表达增加，以及成年后代中持续的肝基因表达和DNA甲基化差异。母体HFD的反应存在性别差异，受影响途径因组织、发育阶段和出生后膳食暴露而异。表观遗传过程（包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA机制）是此类发育编程的潜在机制，对营养和代谢条件敏感。人类研究提供了母体代谢状况与后代表观遗传变异相关联的补充证据。母体GDM和血糖异常与婴儿脐带血中的差异DNA甲基化相关。然而，膳食干预研究的证据不一。在非人类灵长类动物中，母体WD暴露与胎盘和胎儿肝脏miRNA谱的差异相关，表明膳食编程可能涉及母体-胎盘-胎儿轴上的多种调控变化形式。

4. 维生素D代谢与信号

维生素D（VD）传统上以其在钙稳态和骨骼发育中的作用而闻名，但也通过VDR介导的转录调控多种组织中的基因表达，参与免疫功能和细胞增殖分化。VD是一种脂溶性开环类固醇，通过皮肤合成和膳食摄入获得。内源性合成始于紫外线B辐射将皮肤中的7-脱氢胆固醇转化为前维生素D₃，随后异构化为胆钙化醇（维生素D₃）。膳食VD在小肠中与膳食脂质一起被吸收，掺入乳糜微粒并通过淋巴系统进入循环。皮肤合成或肠道吸收后，VD主要在肝脏中经CYP2R1羟化为25-羟基维生素D [25(OH)D]，这是主要的循环代谢物和临床VD状态指标。循环中大部分25(OH)D与维生素D结合蛋白（VDBP）结合，小部分与白蛋白结合或处于游离状态。在肾脏中，25(OH)D由CYP27B1转化为1,25-二羟基维生素D [1,25(OH)₂D]，即激素活性形式的VD。CYP27B1也在肾外组织和细胞中表达，允许局部产生1,25(OH)₂D。1,25(OH)₂D的生物学作用主要通过结合维生素D受体（VDR）介导，VDR是一种调节VD反应基因转录的核受体。VDR和VD代谢酶分布于多种组织和细胞类型中，包括肠道、肾脏、胰腺β细胞、脂肪组织、免疫细胞和胎盘。CYP24A1启动25(OH)D和1,25(OH)₂D的分解代谢。在肾脏中，CYP27B1和CYP24A1受内分泌信号（如甲状旁腺激素和成纤维细胞生长因子23）的严格调控，而肾外VD代谢受更局部的调控。有效的VD活性不仅需要充足的循环25(OH)D，还需要适当的组织分布、酶学代谢和靶组织内功能性VDR介导的转录。

5. 西方饮食中维生素D信号的潜在破坏

WD模式创造了一种以能量过剩、脂质代谢改变、慢性低度炎症和氧化应激为特征的代谢环境，这些条件可能干扰VD调控的多个组成部分。肥胖和HFD暴露与循环25(OH)D降低及VD代谢或组织分布改变相关，即使在VD摄入相当或更高的情况下也观察到肥胖相关的循环25(OH)D降低。

5.1. 维生素D可用性和组织分布的改变

肥胖和HFD暴露可能通过改变循环与组织区室之间的分布来降低循环VD可用性。VD是脂溶性的，脂肪组织扩张可能增加其在脂肪储存中的分布，减少循环中的比例。在C57BL/6小鼠中，HFD喂养的动物在VD补充条件下表现出较低的循环25(OH)D浓度，尽管VD摄入量更高，同时肝脏和脂肪组织中的VD₃积累更大。人类证据与此一致，肥胖女性的妊娠早期VD状态低于正常体重女性，尽管报告了更高的膳食VD摄入量。肥胖母亲所生新生儿的脐带血25(OH)D浓度低于正常体重母亲所生新生儿，尽管妊娠晚期母体25(OH)D浓度相似。

5.2. 维生素D代谢和生物活化的受损

肥胖和HFD暴露可能干扰VD代谢和活化的酶促途径。在HFD诱导肥胖的C57BL/6N小鼠中，循环25(OH)D降低伴随肝脏Cyp2r1 mRNA表达和CYP2R1蛋白丰度的显著抑制，蛋白丰度降低高达69%。CYP2R1是主要的肝脏VD 25-羟化酶，其抑制提供了HFD诱导肥胖导致循环25(OH)D降低的潜在机制。Cyp2r1 mRNA下调也出现在肾和棕色脂肪组织等肝外组织。在妊娠模型中，母体代谢功能障碍可能影响母胎界面的VD调节。在非人灵长类动物模型中，饮食诱导肥胖狒狒的胎盘表现出LRP2（megalin）、CYP27B1和VDR表达降低，CYP27B1：CYP24A1比值降低，以及核和染色质结合VDR蛋白丰度降低。人类研究表明胎盘CYP27B1蛋白丰度与母体25(OH)D浓度正相关，新生儿IL-6浓度与胎盘CYP24A1 mRNA表达负相关。

5.3. 炎症和氧化应激相关的维生素D反应性改变

第三个潜在干扰层面发生在VD可用性和酶活化下游的细胞反应性水平。肥胖和WD暴露与慢性低度炎症和氧化应激相关，特别是在扩张的脂肪组织中。在雄性C57BL/6J小鼠中，16周60%脂肪饮食增加了脂肪NF-κB活化、巨噬细胞募集和冠状结构形成，以及TNF-α和IL-6等促炎介质的表达。HFD喂养小鼠的VD补充减少了脂肪组织中的NF-κB活化、NLRP3炎症小体相关基因表达、促炎细胞因子表达和巨噬细胞募集。在培养的人脂肪细胞中，1,25(OH)₂D₃抑制IL-6和瘦素表达及NF-κB和ERK1/2磷酸化，这些抑制作用被VDR敲低阻断。氧化应激也可能抑制VDR-RXR DNA结合和转录活性。因此，WD相关的代谢功能障碍可能通过改变组织分布、酶代谢失调和炎症/氧化条件改变细胞VD反应性等多个生物学层面干扰VD调节。

5.3.1. 母体维生素D信号改变的发展后果

母体VD状态与胎儿VD暴露密切相关，妊娠期较低的母体25(OH)D浓度与后代肥胖差异相关。在GUSTO队列中，较低的母体妊娠中期25(OH)D浓度与更大的新生儿腹部皮下脂肪相关。实验模型提供了母体VD可用性破坏可影响后代脂肪生物学的更强证据。在雄性小鼠后代中，产前VDD产生更大的内脏-皮下脂肪组织比，性腺周脂肪Pparg表达增加3.7倍，并增加断奶后HFD暴露后脂肪细胞肥大的易感性。在大鼠中，妊娠前开始并持续整个妊娠期的母体VDD未改变后代出生体重，但暴露于母体VDD的后代约10周龄起表现出更大的体重、增加的脂肪组织体积、血脂差异和后期更高的峰值血糖。后代脂肪来源前体细胞也表现出增加的增殖和脂质积累，以及广泛的DNA甲基化和代谢调控基因的转录差异。这些表型在相似出生体重下延迟出现与DOHaD框架一致。支持证据表明VD通路成分可被表观遗传调控，包括VDR基因的DNA甲基化与VDR表达和下游TLR2/1-VDR信号相关。MAVIDOS随机对照试验发现，从妊娠14周至分娩的母体胆钙化醇补充与脐带组织中RXRA启动子附近特定CpG位点的DNA甲基化降低相关。

5.3.2. 维生素D补充与发育结局

妊娠期VD补充已被作为改善母体和新生儿VD状态及潜在减少不良发育结局的策略进行探究。随机对照试验一致表明产前VD补充可增加母体和脐带血25(OH)D浓度。然而，生化VD状态的改善并未持续转化为妊娠或新生儿结局的相应改善。系统综述证据显示产前VD补充对临床结局（包括出生体重、早产、妊娠期糖尿病和先兆子痫）的影响存在差异。实验证据表明，发育对VD干预的反应可能取决于形式和剂量。在Brown Norway大鼠中，增加膳食胆钙化醇增加了循环25(OH)D，但未改善窝产仔数或胎儿和胎盘重量。相反，低剂量活性代谢物1,25(OH)₂D治疗增加了窝产仔数，预防了胎儿吸收，并增加了母体、胎儿和胎盘重量。在非妊娠HFD小鼠模型中，VD补充减弱了脂肪炎症信号，但补充是否能恢复VD分布、代谢或组织反应性的更广泛紊乱仍不清楚。

6. 组织特异性发育编程

母体代谢应激的发育后果不太可能在各器官系统中均匀发生，因为组织在代谢功能、发育轨迹和局部VD信号能力上存在差异。VDR和VD代谢酶分布于多种组织，允许根据组织特异性生理需求进行局部VD活性调节。

6.1. 结肠和肠道免疫发育

肠道是母体膳食暴露和VD信号可能交汇的最明确部位之一。VD通过VDR介导的转录参与肠道上皮屏障完整性、抗菌防御和免疫调节。在Sprague Dawley大鼠模型中，妊娠期和哺乳期母体高脂高蔗糖（HFS）饮食暴露（无母体肥胖）影响后代肠道微生物组成、炎症调节和结肠VD反应基因表达。母体HFS暴露的后代在断奶时表现出改变的肠道微生物群和更高的循环IL-1β浓度，以及结肠Vdr表达和VDR靶标抗菌肽表达增加。母体HFD模型提供了肠道微生物组成与全身炎症关系的机制背景。母体VD暴露可影响相同的肠道途径，在肥胖小鼠模型中，较高的母体VD摄入与雄性后代较低的肠道通透性和循环LPS相关。

6.2. 肝脏

肝脏在此框架中占据独特地位，因为它既是中心代谢器官，又是CYP2R1介导的VD 25-羟化的主要部位。在非人灵长类动物模型中，慢性母体HFD暴露产生约三倍大的胎儿肝脏甘油三酯积累、增加的肝脏氧化应激和升高的糖异生酶和转录因子表达，肝脏甘油三酯浓度在6月龄时仍升高。母体WD暴露可影响发育中肝脏的炎症和调控途径，包括miRNA谱改变和AHR相关免疫信号改变。母体VDD可影响重叠的肝脏代谢和炎症途径，包括糖耐量受损、胰岛素敏感性降低、肝脏IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α浓度升高，以及Iκbα甲基化增加。母体HFS暴露与后代较低的循环25(OH)D和较高的循环1,25(OH)₂D相关，同时肝脏Cyp2r1表达降低，为母体膳食暴露与后代肝脏VD代谢改变提供了直接联系。

6.3. 胰腺

胰腺β细胞表达VDR，1,25(OH)₂D₃可通过影响钙内流和VDR介导的转录增强葡萄糖刺激的胰岛素分泌。VDR在胰腺β细胞中强烈表达，而胰岛内CYP27B1表达允许25(OH)D向1,25(OH)₂D的局部转化。母体HFD暴露以性别依赖方式编程胰腺结构和功能。在C57BL/6J小鼠中，妊娠期和哺乳期母体HFD暴露在成年后代中产生糖耐量受损和胰岛素抵抗。雄性后代表现出较低的葡萄糖刺激胰岛素分泌、胰岛面积、胰岛素含量和Pdx1表达，而雌性后代这些指标增加。母体VDD可独立改变后代胰腺发育和胰岛素分泌。在Wistar Hannover大鼠中，妊娠前开始并持续妊娠和哺乳期的母体VDD产生性别依赖的胰腺β细胞发育改变，成年期VDD暴露的雄性胰岛表现出降低的葡萄糖刺激胰岛素分泌，而雌性后代免受此功能损害。

6.4. 骨骼肌

骨骼肌是胰岛素刺激葡萄糖处置的主要部位。母体HFD和WD暴露可在明显代谢疾病出现前编程后代骨骼肌功能障碍。在非人灵长类动物模型中，胎儿和幼年后代表现出受损的胰岛素刺激骨骼肌葡萄糖转运。母体HFD暴露还以性别依赖方式改变后代肌肉线粒体功能，雌性后代骨骼肌氧化磷酸化能力降低。将发育VD暴露与骨骼肌结局联系起来的证据有限但包括人类数据。在Southampton妇女调查中，妊娠34周母体25(OH)D浓度与后代4岁时握力正相关。在HFD喂养的雄性大鼠中，黄油基饮食与VD限制相结合产生肌纤维萎缩、IL-1β表达增加和IGF-1表达显著降低，而VD补充与肌纤维形态保留和IGF-1表达显著增加相关。

6.5. 脂肪组织

脂肪组织既是能量储存库，也是内分泌和免疫器官，具有局部VD信号能力。人前脂肪细胞表达VDR和CYP27B1。VD信号影响脂肪细胞分化和炎症调节。母体VDD可影响后代脂肪发育，包括更大的脂肪组织体积、前脂肪细胞增殖和脂质积累增加，以及脂肪生成和代谢调控相关的DNA甲基化和基因表达差异。母体VDD与断奶后HFD联合增加了成年雄性后代白色脂肪组织中NF-κB相关信号和炎症途径激活。母体HFD暴露独立地编程后代脂肪发育，包括脂肪组织质量和脂肪细胞肥大增加、巨噬细胞积累增加。脂肪组织是VD储存的主要部位，其扩张与全身VD分布相关，而局部VDR依赖性信号提供了VD影响组织代谢和炎症调节的独立途径。

6.6. 肾脏

肾脏与其他组织不同，因为它是CYP27B1介导的25(OH)D向1,25(OH)₂D转化的主要内分泌部位，在全身VD稳态中发挥核心作用。VD信号直接调节肾素-血管紧张素系统，1,25(OH)₂D通过VDR依赖性机制抑制肾素转录。母体HFD暴露可编程后代肾脏结构和功能，包括肾素和Na⁺/K⁺-ATP酶活性降低，以及肾小球结构改变和滤过功能异常。母体VDD直接影响肾脏发育和调控途径，增加胎儿肾素表达，并在后代中延迟肾小球成熟、延长肾生成期、降低肾小球直径、增加肾素和血管紧张素II 1型受体表达，后代还发展出更高的血压。人类数据提供了产前VD状态对肾功能发育效应的更谨慎支持，Generation R队列中母体25(OH)D与儿童期肾小球滤过率存在适度关联。

跨组织的涌现模式

跨器官系统出现几个模式。第一，母体HFD/HFS暴露可产生超出母体膳食暴露期持续存在的发育改变，在某些模型中即使断奶后消耗对照饮食差异仍保持明显。第二，反复出现的生物学过程包括炎症失调、氧化应激、营养和葡萄糖代谢改变及线粒体功能障碍，但无单一机制在所有器官中均匀表达。第三，VD反应途径与许多相同的代谢和炎症过程相交，但母体膳食直接破坏局部VD调节的证据强度在各组织间存在显著差异。最清晰的发育证据出现在母体膳食暴露已与VD途径组分直接相关的组织中，包括母体HFS暴露后结肠VD反应信号和肝脏Cyp2r1表达的改变。在其他组织中，母体膳食编程和VD相关调节已在单独的实验模型中证明。由于有效的VD信号取决于代谢物可用性、酶活化和降解及VDR介导的转录，组织中VDR和VD代谢酶的组织特异性评估可能提供无法仅从循环25(OH)D浓度推断的信息。确定母体膳食暴露是否在后代中产生持续性的、组织特异性的VD调节改变仍是一个重要的未解决问题。

7. 将母体膳食模式与后代维生素D状态联系起来

尽管母体膳食暴露、代谢应激和VD生物学之间的证据不断增加，但母体WD暴露是否在独立于经典VDD的情况下破坏后代VD信号仍不清楚。大部分发育文献已检查了母体VDD或补充及其与循环VD状态和后代结局的关系。相比之下，来自肥胖和HFD模型的证据表明，代谢功能障碍可影响VD分布和储存、肝脏25-羟化及局部VD调节的组分，即使VD摄入不足不能完全解释循环25(OH)D的降低。循环25(OH)D浓度可能在代谢应激条件下提供VD调节的不完整表示。VDR和VD代谢酶表现出组织特异性表达。母体HFD/WD暴露可同样编程多个后代器官系统中的代谢和炎症途径。母体WD暴露后后代组织中局部VD代谢和VDR介导调节的直接评估仍然有限。因此，母体WD暴露是否在后代中产生持续性的、组织特异性的VD调节改变，以及这些改变是否伴随代谢不同组织中的炎症失调同时发生，仍不清楚。

8. 结论

母体膳食构成是发育环境的重要组成部分，WD暴露与代谢、炎症、胎盘和调节紊乱相关，可能影响后代长期健康。VD在该环境中尤为相关，因为其生物学活性不仅取决于循环25(OH)D可用性，还取决于组织分布、酶代谢和VDR介导的信号。本文综述的文献确定了母体WD暴露相关的代谢和炎症途径与代谢活性组织中VD代谢和信号途径之间的实质性重叠。然而，母体WD改变后代组织特异性VD途径的直接证据仍然有限。检查单个组织中的局部VD代谢和VDR介导调节可能识别无法从循环VD状态单独推断的发育变化，并有助于澄清VD信号是否参与后代代谢和免疫编程。