內分泌醫學史 l 維生素D：歷史
在機體的鈣、磷代謝中，維生素D起重要的調節作用。維生素D缺乏病的發生與鈣、磷代謝有密切的關係，對機體的影響是全身性的，其突出的表現是佝僂病（rickets）或骨軟化症（osteomalacia）的發生。維生素D被稱為「抗佝僂病維生素」，正像維生素C被稱為「抗壞血病維生素」、尼克酸被稱為「抗癩皮病因子」一樣，反映了它與這種營養缺乏病的歷史淵源。
霧霾似乎是工業革命不能擺脫的「副作用」。每次查房去看病歷里的骨代謝指標，不論是否合併骨代謝疾病，十有八九都低於正常範圍，這也許是城市化、空氣污染、高層建築、戶外光照不足造成的，近期有研究顯示，北京居民（市內）維生素D缺乏的患病率高達87.1%，也印證了我們在病歷中的觀察，而平均僅為12.3ug/L的25OHD水平，遠遠低於目前歐美20-30ug/L的水平。說起霧霾，歷史上工業化進程中的英國和北歐，正是因此使維生素D缺乏正式成為醫學要解決的課題。
佝僂病
維生素D是20世紀初在對佝僂病的研究中發現的。但在此之前，維生素D缺乏病的存在卻由來已久。據古生物學的考察，公元前八千年（新石器時代）或更早的人類骨骼就有因佝僂病（骨軟化症）所造成的變形。16～19世紀，隨著工業革命的進程，英國和北歐成為佝僂病發病的重要地區，當時在英國許多工業區到處都可以看到因腿部彎曲、脊柱變性、肋骨變形而致殘的兒童。該病儘管多見於嬰幼兒、兒童和青少年，但也會累及成人，骨盆變形的女性容易出現分娩困難，骨盆出口狹窄危險性很大，如不剖腹產則很容易造成難產，也容易生出不健康孩子。Riekets是16世紀初英國的一位接骨醫生，他以熟悉這種病而聞名於當時，所以人們就稱這種病為rickets。現在多數學者認為最早科學描述的佝僂病的是 Danil Whistler和 Francis Glissin 。1645年，Whistler在荷蘭萊頓(Leidcn)發表了他的醫學博士學位論文「關於英國兒童常患的rickers.病」 (Mordo puerli Anglorum,quempatrio idiomatevicant 「the rickets 」,Lugduni Batavorum 1645)。1650年，Glissin教授在他的專著的「佝僂病」(De Rachitide,London,1650)中詳細地闡述了這種病的臨床和病理，及其與壞血病的差別。
光療法
在漫長的認識過程中，對於佝僂病的病因曾有種種解釋，直到19世紀末還是眾說紛云：有人認為是由於嬰兒在通風不良的室內生活，缺少新鮮空氣引起的；有人認為與遺傳因素有關，或是由於母體營養不良而先天造成的；有人認為與微生物感染有關；有人根據野生物在動物園內易發生骨質軟化推測限制活動可能是發病的原因；有人認為可能與內分泌系統功能紊亂有關。現在看來這些認識雖然沒有抓住問題的本質，但在不同程度上也反映了佝僂病或骨軟化症病因及發病機理的複雜性，至今許多因素的作用還有待深入探討。
在對佝僂病病因的各種解釋中，食物因素及日光照射與佝僂病的關係是經過長期觀察和反覆的驗證才得到確認的。而關於日光照射與佝僂病關係的認識是與人們對佝僂病的流行病學的了解分不開的。
1820年，波蘭醫生Jedrzej Sniadecki觀察到，生活在華沙城裡的孩子佝僂病患病率明顯高於農村孩子，他認為可能與狹小擁擠的華沙建築物擋住了陽光有關，把患病孩子帶到鄉村接受光照後，成功地治療了患病孩子，但其研究結果並未受到重視，當時科學界普遍認為，陽光照射皮膚治療骨骼疾病是不可思議的。
在18世紀晚期，Niels Ryberg Finsen開始使用陽光治療狼瘡和肺結核，還開發出了人工光射線作為治療手段，結果引起科學界對陽光與健康關係的研究；1903年，Niels Ryberg Finsen獲得諾貝爾獎。
Niels Ryberg Finsen（1860-1904）
光療時代的開啟者
1890年英國醫生Palm TA首先指出佝僂病主要發生於日光照射不足的地區。英國的流行病學調查的資料表明在人口稠密的城市裡，佝僂病的發病率顯著地高於農村，寒冷多霧的冬春季發病率多於陽光明媚的夏秋季。人們從不同群的生活習慣中也逐漸覺察到日光的作用，戶外活動少的婦女、兒童和老人，佝僂病（或骨軟化症）的發病率高，大兒長大開始行走後，由於能得到較多的日光照射，發病率明顯下降。一些醫學專家這一時期也提出一種觀點，認為高緯度地區的許多疾病包括佝僂病，是因為陽光照射不足引起的。同時人們也意識到魚肝油是一種很好的預防佝僂病的健康食品。另外也有試驗表明，照射陽光與食用魚肝油可以起到相同的治療效果。Alfred Fabian Hess進一步提出自己的見解：光同等於維生素。儘管陽光照射和骨骼發育的關係並不明確，但Arnold Rikli的一句名言掀起了一個健康運動，「水具有神奇療效，空氣作用更好，但最有效的是陽光照射」，當時普遍認為，日光浴可以治癒很多種疾病。1912年,Raczimski J.指出：日光能使小狗的骨礦物增加，佝僂病病因中起主要作用是缺少日光照射。
1919年，Huldschinsky提出，如果陽光可以治療佝僂病，那麼人工的光線在理論上也能治療這一疾病。在1918-1919年冬季Huldschinsky成功地證明用石英-汞燈發出的紫外線照射重症佝僂病患者的暴露部位，可以有效治療佝僂病，他還聰明地發現，光治療效果不是對骨骼的直接影響，因為照射佝僂病患者的一隻手臂可以戲劇性地治癒雙臂佝僂病。
1921年，Hess and Unger這兩名紐約醫生通過對佝僂病的流行病學觀察，發現這一疾病與季節性的陽光變化有關係。他們還將8個患有佝僂病的兒童放在紐約城市醫院的屋頂接受陽光照射，他們通過X光檢查記錄到了每個孩子的骨骼改善變化，最後得到科學界普遍接受。此後，美國政府成立了一個機構，建議父母們讓孩子接受合理的陽光照射，18世紀30年代到50年代，一些製造商也開始製造紫外線（ultraviolet，UV）燈在藥店出售。
今天的人們很難相信，當時歐洲和美國的很多醫院建立了日光浴室和陽台，以方便病人接受陽光治療，波士頓的兒童醫院把佝僂病兒童放在船上，因為當時許多人認為，新鮮的空氣，尤其是海洋空氣對佝僂病治療有益，使其避開擁擠的市區和污染的空氣，直接暴露在陽光下。這也催生了塔夫茨醫學中心流動兒童醫院（Floating Hospital for Children）的誕生，至今這家兒童醫院仍然存在。
Floating Hospital for Children
到20世紀初，科學家已經意識到曬太陽可以改善骨健康，20世紀前幾十年是光生物學和日光浴的鼎盛時期，由此誕生了光生物學，研究自然和人工輻射對所有生命形式的影響，光療研究太陽光治療疾病的能力，光生物學家和光療專家用陽光有效治療佝僂病、肺結核和皮膚銀屑病。
魚肝油、佝僂病動物模型與維生素D的發現
1824年，D Scheutte開始為佝僂病患者開出魚肝油這一處方，但直到1920年前後，當營養學發展為實驗科學和維生素被發現的時期，人們在這方面的認識才有了迅速的進展。
1914年 Casimir Funk在他的經典著作《維生素》中指出：「很可能佝僂病在膳食中缺少某些為機體正常代謝所必需的物質，或是供給量不足才發生的。這些物質在良好的母乳中存在，魚肝油中也有，但牛奶和穀物很少」。同年，美國的研究人員Elmer McCollum和Marguerite Davis在魚肝油中發現一種物質，後來被稱為「維生素A」。
Casimir Funk（1884-1967）
1919至1920年間，英國醫生Edward Mellanby等在五年多的時間內，用400多隻狗進行實驗，在室內用低脂奶和麵包餵養小狗，由於接觸不到光照，狗身上出現了佝僂病癥狀。就算給小狗吃含維生素B、C的食品，也不能在短期內改善癥狀。但他發現患病的狗被餵魚肝油（cod liver oil，鱘魚或海魚肝油）後，就會痊癒，並且魚肝油還能預防佝僂病。於是他認為，維生素A或者是一種相關的物質（存在於魚肝油中）可以防止佝僂病的發生。1921年 Mellanby指出：「脂肪與佝僂病的關係是因為它含有某種維生素或某些附屬成分」。他指出：抑制骨質鈣化或使骨生長速度超過鈣化速度的原因是：①食物缺少鈣、磷；②缺少含有抗佝僂病物質的油脂；③穀類及碳水化合物過多；④沒有肉類；⑤限制活動等。Mellanby的實驗結果表明食物中有多種成分與骨骼的生長及鈣化有關。他們的主要成就是確切地證明了食物因素與佝僂病的發生有關，併科學地建立了維生素D缺乏病的實驗動物模型，為研究「抗佝僂病因子」的作用創造了條件。
Edward Mellanby（1884-1955）
Elmer McCollum是維生素D的最終命名者。在此之前，Elmer McCollum在維生素A研究上的成功，約翰霍普金斯大學在1917年邀請他加入，主持新成立的化學保健系。有人戲稱那時的他又矮又瘦，看起來非常不健康，因而不被面試官們看好。第二年，霍普金斯大學的兒科學教授John Holland向他諮詢是否有佝僂病的動物模型。McCollum向他展示了幾個患病的大鼠，並與他探討佝僂病的機制。兩人通過交流，很快開始協作這方面的研究。而兩位骨科研究者Edward Park 和Dr Paul Shipley也很快加入團隊。在開始的幾個鈣和磷不平衡的膳食實驗中，McCollum發現缺乏一定的動物脂肪就會得佝僂病。他和團隊成員謹慎地認為佝僂病可能是由於缺乏維生素A或缺鈣引起的。
Elmer McCollum（1879-1967）
命名維生素D
1920年Hopkins報告氧和高溫能破壞維生素A的活性。 1922年McCollum等在此基礎上做了另一組膳食試驗。他利用氧和高溫首先把魚肝油中的維生素A破壞掉，然後餵食佝僂病的狗，結果仍然可以治癒。證明魚肝油中的「抗佝僂病因子」在有氧的條件下能耐受100度的高溫14h，而「抗乾眼病因子」（維生素A）在這種條件下完全失去活性。McCollum把這種有抗佝僂病效果的、耐熱的、脂溶性的、但不同於脂溶性「抗乾眼因子」的物質稱為維生素D。因為這已經是當時第四個被命名的維生素。
早期工業應用：食品的紫外照射
1923年左右，倫敦的Hume和Smith團隊，及紐約的Alfred Fabian Hess和Weinstock團隊分別發現了被紫外線照射的食物可以治癒佝僂病。並且，由於飼養員不按方案操作，Hume和Smith發現大鼠照射紫外線與食用照射紫外線的食物對於佝僂病的治療具有同樣的效果。同期，Goldblatt和Soames團隊發現照射紫外線的大鼠肝臟，可以治癒患佝僂病的大鼠。
1923年，美國威斯康辛大學生物化學家Harry Steenbock發現，對食品或其它有機材料照射紫外線，會增加其中的維生素D含量。在對鼠、狗類動物的食品照射紫外線後，這類食品可以治療動物的佝僂病。於是Steenbock自己花了300美元把自己的發現申請了專利。紫外照射技術在食品行業，尤其是奶製品行業流行起來，到了1945年，美國的佝僂病幾乎全部被消滅了。
維生素D的結構確證
一些科學家認為是皮膚中的膽固醇被陽光中的紫外線照射而轉變成了體內的活性成分，因為活性成份被鑒定為膽固醇。但未被紫外線照射的膽固醇卻沒有效果，而照射後的膽固醇結構也沒有發生改變。
1923年，Goldblatt 和Soames 發現經紫外線照射的大鼠肝臟有抗佝僂病作用。1924年，Steenbock和Black發現經紫外線照射的酵母對佝僂病大鼠有療效，此後陸續發現紫外線照射其它食物也有類似的效果，特別是牛奶經照射後，抗佝摟病效果顯著增加。
曾在洛克菲勒大學工作過的Alfred Fabian Hess也認為陽光可以起到維生素的作用，他於1926年邀請德國的膽固醇專家Adolf Windaus一起研究這一問題，後者是德國哥廷根大學一位專業研究甾醇類物質的專家。在倫敦的O. Rosenheim也加入了這一團隊。他們認為，以前人們通過以前的皂化、重結晶等方法所得到的「純化膽固醇」其實並是純，而是含有一定的「雜質」，正是這種雜質，在被紫外線照射後，轉化成了治療佝僂病的有效成份，即這種雜質是維生素D的前體。Rosenheim等人推測，這種雜質的含量可以只有2000分之一左右。
經過討論，他們設計了如下實驗：首先把膽固醇二溴化、重結晶，然後再通過處理轉化為膽固醇。這個時候，其中已經不再含有原來的「雜質」了，即便通過紫外線照射，也不能產生治療效果。這就證明了他們的推論。
Heilbron等人發現，普通的純化膽固醇的紫外吸收峰有三個(269, 280, 293 nm)。這一發現給Windaus以很大啟發。他一方面通過真空乾燥、炭吸附等方法得到了膽固醇中的「雜質」，另一方面，他與同事篩選了幾十種激素，通過紫外吸收、顏色反應、易氧化特性等三個方面的對比，他們認為這種雜質可能就是麥角固醇，而麥角固醇在紫外線的照射下，確實表現出了治療佝僂病的作用。Rosenheim等與Windaus等人經過交流，也得到了相同的結果。1927年，他們發表了這一發現，認為這一雜質是麥角固醇。1928年Adolf Windaus獲得了諾貝爾化學獎。而他認為沒有Alfred Fabian Hess，自己不可能獲獎，所以他把自己的資金分給了Hess一部分。
Adolf Windaus(1876-1958)
1928年獲諾貝爾獎
麥角固醇經紫外線照射後產生的物質很快於1931年被倫敦及丹麥等地的團隊分離純化，並命名為鈣化醇。研究顯示，0.01μg/d 劑量的鈣化醇就可以短期內治癒佝僂病大鼠。
而獲得了諾貝爾獎的Adolf Windaus再接再厲，帶領55位博士和博士後，組成了一個龐大的團隊來研究維生素D的結構的研究。1935年，Adolf Windaus以膽固醇為原料，合成了7-脫氫膽固醇。1936年，通過紫外線照射7-脫氫膽固醇，鈣化醇（VD3）的結構被這一團隊研究得到，它是麥角固醇的同分異構體，有一個羥基，三個共軛鍵。差不多與此同時，人們從魚肝油中也分離出結晶的膽鈣化醇(Brockman,1936,1937)這些實驗說明7-脫氫膽固醇是VD3的前體，魚肝油中的「抗佝僂病因子」就是維生素D。
鈣化醇被發現了，但新的問題接著出現。因為鈣化醇可以通過麥角固醇照射陽光轉化，那麼沒有陽光時，人體又如何攝取這一物質？1937年，Adolf Windaus和同事在多種動物和人體的皮膚內，以及一些食品中分離鑒定7-脫氫膽固醇，而它的紫外照射後的產物也具有治療佝僂病的療效，於是他分別把鈣化醇和後7-脫氫膽固醇的紫外照射物稱為維生素D2和維生素D3。
麥角固醇(A), 維生素 D-2 (B),
7-脫氫膽固醇 (C), 和維生素 D-3 (D)的結構.
激素維生素D：代謝及生理活性
1930～1960年，不同學者對維生素D與鈣、磷代謝、骨質生成和骨鹽周轉 （turnover）的關係進行了大量的研究，對維生素D對有機酸（檸檬酸）代謝、腸粘膜上皮細胞膜的通透性及動物生長的作用也進行了許多觀察，但還很難把這些多種多樣的研究結果綜合起來說明維生素D生物化學作用的機理。
放射性同位素在醫學研究中的應用，為人們探討維生素D的生理作用開創了廣闊的道路。Lindquist B(1952)用 45Ca 研究維生素D對鈣代謝的作用，發現15IU的維生素D2可以使佝僂病大鼠腸鈣的吸收在 4h內達到最高峰，血清鈣的最高值在6h內出現，在36～48 h 才看到其對骨鈣沉積的作用，此後，人們對維生素D作用的「滯後」(the lag in action of vitamin D)又進行了許多實驗觀察。雖然由於維生素D的使用劑量及所採用的測定方法不同，直接比較這些測定結果是困難的，但人們注意到機體對維生素D的各種生理反應都存在著「滯後」的現象，這點仍是很重要的。人們還注意到在體內給以一定量的維生素D，其生理作用仍不明顯。這提示原型維生素D可能必須在體內經過代謝後，才能形成活性物質而發揮其生理作用，也可能與VD的吸收及運轉到靶組織與受體起作用需要一定時間有關。另外，在臨床上觀察到某些尿毒症患者，常伴有骨骼的病理變化，使用大劑量維生素D也無明顯療效，若是給這種病人先做腎臟移植後再給維生素D，則骨骼的病變可以消失。這說明維生素D的生理活性，對骨骼病變的防治作用及腎功能是否良好有密切的關係。
1955年，Velluz等人完整地闡述了麥角固醇如何在紫外線作用下轉化為鈣化醇。從1966年以來，De Luca 等對維生素D的作用機理進行了大量的研究工作，用3H標記的維生素D3給大鼠注射，然後將各組織的氯仿抽提物進行硅酸柱層析，並在1968年分離和鑒定出25-(OH)D3的存在，進而證明了這種維生素D代謝物是在肝細胞微料體酶系統的作用下生成的，它的抗佝僂病作用為原型維生素D3的2～5 倍。
1969年Haussler和Norman在研究腸道上皮細胞的核碎片時，發現了與維生素D特異性結合的蛋白質--維生素D受體。目前發現，維生素D受體不僅存在於小腸和骨骼，還廣泛分布於大腦、心臟、胃、胰腺、激活T、B淋巴細胞、皮膚、生殖腺等。提示維生素D在機體中發揮著更廣泛的作用。
1971至1972年左右，Michael F. Holick的團隊發現了維生素D活性結構的代謝機制。在肝臟，維生素D被發現轉化成為骨化二醇(calcidiol)，部分骨化二醇又被腎臟轉化為骨化三醇，這才是維生素D的活性結構。骨化三醇作為一種激素在血液中循環，發揮調節體內鈣、磷平衡的作用，從而促進骨骼正常生長。同一時期，DeLuca.Norman 和Kodicek等也進一步證明在體內維生素D經肝臟和腎臟兩步代謝生成1,25-(OH)D3和1,25-(OH)2D3後才能充分發揮其作用。以同樣劑量(5IU)的維生素D3和25-(OH)2D3 灌注小腸，觀察腸鈣吸收達到高峰的時間分別為16、10和8 h,以後者為最快。在活性強度上，1,25-(OH)2D3 也比25-(OH)D3 大2倍以上。從而人們認為1,25-(OH)2D3與PTH、降鈣素都是維持機體鈣、磷的內環境穩定（homeostasis）的重要激素。1,25-(OH)2D3 的生成、運轉 及其在細胞內的作用機理與其它類固醇激素相似，所以腎臟也有內分泌功能，腸、腎、肌都是1,25-(OH)2D3 這種激素作用的靶組織。這一概念的形成是當代醫學科學的一項重大成就。這方面的進展不僅使人們對維生素D的代謝和生理作用有了更深刻的了解，而且也使維生素D缺乏病病因、發病機理及防治措施的研究有了新的突破。
維生素D的整個代謝過程和代謝各中間產物的不同活性，為機體組成了一個以維生素D為核心的調節網路，不同部位的酶和外部因素共同調節這一通路，其與廣泛分布的維生素D受體相互作用維持著機體的正常運作。
最後，再次致敬國內的醫學前輩在該磷代謝和維生素D研究領域的貢獻。前面已經提到1930年代-1960年代由於受到技術的限制，很難把這些多種多樣的研究結果綜合起來說明維生素D生物化學作用的機理。在這一時期，我國的劉世豪教授和朱憲彝教授在骨軟化症的鈣磷代謝研究中成果卓著。從1934年至1942年間，劉、朱等發表了30餘篇有關軟骨病和佝僂病鈣磷代謝的研究文章，而在美國巴爾的摩《醫學》雜誌的最後一篇論文《鈣磷代謝研究對腎性骨營養不良發病機理的意義及AT10和鐵劑的治療作用》被推崇為「代謝性骨病研究的奠基石」。由朱憲彝等首先命名的「腎性骨營養不良」，至今仍為國際學術界所沿用。在朱憲彝教授逝世後，美國著名骨代謝專家帕菲特(Parfitt．A．M)發表長篇紀念文章時說：「三四十年代全世界關於鈣磷代謝的研究大部分出之於北平協和醫學院。」
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