維生素D在新生兒腦損傷中的意義及作用

王艷紅，焦穎

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京婦產(chǎn)醫(yī)院新生兒科，北京 100026)

維生素D是一種具有強(qiáng)大活性及多種生理功能的類固醇類激素。維生素D與鈣及骨代謝相關(guān)，在腦部發(fā)育及損傷修復(fù)中起重要的調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)，維生素D受體貫穿大腦通路，維生素D通過對(duì)其受體的作用，在神經(jīng)元發(fā)育及功能障礙中扮演重要角色；除了對(duì)維生素D受體的作用外，維生素D還參與鈣調(diào)節(jié)，其在腦發(fā)育過程中通過對(duì)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的影響起重要作用，動(dòng)物研究已經(jīng)證明維生素D缺乏是大腦發(fā)育異常的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素，在成人研究中，缺乏維生素D與神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)[1-4]。近年來，維生素D與新生兒腦損傷以及維生素D在早期腦損傷中的治療作用也不斷得到關(guān)注。研究者們已經(jīng)開始評(píng)估維生素D在預(yù)防或治療新生兒缺氧缺血性腦病(neonatal hypoxic ischemic encephalopathy，HIE)中的作用，并通過動(dòng)物和人類的數(shù)據(jù)了解維生素D缺乏與HIE的關(guān)系，包括維生素D補(bǔ)充時(shí)間對(duì)損傷修復(fù)的重要性以及對(duì)缺氧損傷嚴(yán)重程度的影響?，F(xiàn)就維生素D在新生兒腦損傷中的意義及作用予以綜述。

1 維生素D的生理作用

維生素D是一組具有生物活性的脂溶性類固醇衍生物，是促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)和發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)素。維生素D包括維生素D2(麥角骨化醇)和維生素D3(膽骨化醇)，其最強(qiáng)的活性代謝衍生物是1,25-二羥維生素D3。研究顯示，維生素D參與機(jī)體的多個(gè)生理過程，與多種疾病(如高血壓、肥胖、腫瘤、糖尿病、免疫、精神及神經(jīng)系統(tǒng)疾病)存在關(guān)聯(lián)，具有強(qiáng)大的骨骼外作用[5-9]。

維生素D在體內(nèi)通過肝臟、腎臟逐步完成活化，然后與維生素D結(jié)合蛋白結(jié)合后經(jīng)過血液到達(dá)靶器官，并與相應(yīng)受體結(jié)合，發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)，同時(shí)發(fā)揮細(xì)胞調(diào)節(jié)作用，參與對(duì)腫瘤細(xì)胞、免疫方面的調(diào)控。關(guān)于維生素D與神經(jīng)系統(tǒng)關(guān)系的研究不斷揭示，25-羥維生素D水平與認(rèn)知功能降低之間關(guān)系的前瞻性研究結(jié)果并不一致。如Slinin等[10]進(jìn)行了維生素D與神經(jīng)認(rèn)知的前瞻性研究，該研究選取骨質(zhì)疏松的老年男性人群，在隨訪中調(diào)查了維生素D與認(rèn)知能力之間的相關(guān)性，結(jié)果顯示低水平維生素D與認(rèn)知功能障礙和認(rèn)知能力降低的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)相關(guān)性。然而，一項(xiàng)前瞻性研究顯示老年女性低25-羥維生素D水平與認(rèn)知障礙的發(fā)生率較高以及認(rèn)知功能降低的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)；研究還顯示，大腦中存在某些參與維生素D合成通路的酶及維生素D受體[11]。目前腦損傷的核心機(jī)制為炎癥反應(yīng)，維生素D與大腦中的受體結(jié)合，參與調(diào)節(jié)鈣及炎癥反應(yīng)，特別是白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-12、腫瘤壞死因子-α和IL-6等，進(jìn)一步參與腦損傷[12]。維生素D還可通過對(duì)腦神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，補(bǔ)充維生素D在腦發(fā)育中起到了非常重要的作用，特別是在大腦發(fā)育和成長(zhǎng)最快的嬰兒期和兒童期[1,11]。

2 維生素D缺乏與異常腦發(fā)育

維生素D是大腦正常發(fā)育所必需的關(guān)鍵信號(hào)因子。在成年嚙齒動(dòng)物的大腦中，維生素D受體的表達(dá)非常廣泛，在感官、運(yùn)動(dòng)和邊緣系統(tǒng)中均發(fā)現(xiàn)了高水平的維生素D受體，這表明了維生素D在整個(gè)生命過程中的作用[13]。Veenstra等[14]發(fā)現(xiàn)，維生素D受體在神經(jīng)上皮層和處于活躍的神經(jīng)元分化區(qū)域等處均有廣泛表達(dá)。Eyles等[15]研究發(fā)現(xiàn)，與正常維生素D水平大鼠后代相比，孕期低維生素D水平大鼠后代的大腦結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，大腦皮質(zhì)變薄，側(cè)腦室增大，整個(gè)大腦的增殖細(xì)胞數(shù)量增加。隨著大腦結(jié)構(gòu)的變化，大腦缺乏維生素D后代的生長(zhǎng)因子水平也存在差異，同時(shí)神經(jīng)生長(zhǎng)因子和神經(jīng)源性生長(zhǎng)因子水平也相應(yīng)較低[15-16]。同樣，對(duì)犬的相關(guān)研究亦有類似發(fā)現(xiàn)，維生素D缺乏也會(huì)影響新生犬的腦體積，這源于維生素D缺乏所致的不恰當(dāng)?shù)纳窠?jīng)修剪[15]。因此，維生素D缺乏與大腦發(fā)育不良有直接關(guān)系，且這種影響十分深遠(yuǎn)。有報(bào)道指出，即使在出生后立即補(bǔ)充維生素D，腦室體積的改變也會(huì)持續(xù)到成人[17]。不同孕周維生素D的嚴(yán)重缺乏可導(dǎo)致不同的后果，孕早期是器官形成階段，此時(shí)維生素D缺乏可能會(huì)影響腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育，而神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育在孕后期，因此孕后期維生素D缺乏可能表現(xiàn)為腦體積的改變[18]。然而，這些理論很難通過小鼠模型證實(shí)，主要由于小鼠的孕期很短(20～22 d)，且小鼠體內(nèi)維生素D的半衰期為2～3周[19]。

上述動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，維生素D缺乏是異常腦發(fā)育的危險(xiǎn)因素。而Daglar等[20]的研究顯示，孕婦血清維生素D水平在妊娠并發(fā)神經(jīng)管缺陷中起重要作用，該橫斷面研究共納入60例孕婦，其中30例妊娠合并胎兒腦膜下裂、腦膜瘤、無(wú)腦兒的患者為研究組，另30例正常孕婦為對(duì)照組，結(jié)果顯示，研究組的平均母體血清25-羥維生素D3水平較對(duì)照組低，而對(duì)照組的平均血清鈣水平顯著高于研究組，說明孕婦血清維生素D水平在神經(jīng)管發(fā)育中起重要作用。而Lowe等[2]研究發(fā)現(xiàn)，嬰兒維生素D水平偏低，合并HIE的嬰兒維生素D也呈現(xiàn)低水平，即使在補(bǔ)充維生素D后血清維生素D水平也常在損傷后72 h持續(xù)降低。目前，維生素D與新生兒HIE之間的研究尚處于起始階段，還存在一些未知問題。

3 維生素D對(duì)細(xì)胞促凋亡的影響

維生素D對(duì)細(xì)胞凋亡的影響是通過支持正常神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的細(xì)胞修剪來完成的，這種影響與抗凋亡的影響相伴，目的是保護(hù)細(xì)胞在神經(jīng)損傷后免于死亡。細(xì)胞增生與凋亡的平衡對(duì)胎兒神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育至關(guān)重要，而維生素D在維持這種平衡過程中起重要作用。在正常的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，高水平的神經(jīng)增殖發(fā)生在孕早期[3]。發(fā)育過程也是機(jī)體修剪不需要的細(xì)胞和神經(jīng)連接的過程，改變凋亡和有絲分裂的平衡會(huì)導(dǎo)致不正常細(xì)胞數(shù)量的增多，而且改變相鄰的神經(jīng)元細(xì)胞之間的連接或神經(jīng)元細(xì)胞與膠質(zhì)細(xì)胞之間的連接可擾亂正常腦細(xì)胞的發(fā)育，在這一過程中，維生素D在保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免于死亡的同時(shí)，也促進(jìn)了其凋亡[21]。骨化三醇治療膠質(zhì)細(xì)胞瘤可以使蛋白增多，包括p53、gadd45和c-myc，導(dǎo)致程序性細(xì)胞凋亡進(jìn)程加快[22]。另外，維生素D缺乏的孕鼠所生的小鼠全腦顯示低水平的凋亡和高水平的有絲分裂[23]。體外實(shí)驗(yàn)顯示，高劑量的骨化三醇可增加細(xì)胞的凋亡，而低劑量的骨化三醇則會(huì)抵抗凋亡[24]。維生素 D的促凋亡效應(yīng)支持著神經(jīng)元正常神經(jīng)發(fā)育過程中的修剪，起到神經(jīng)保護(hù)作用。

4 維生素D與損傷的大腦

研究提示，維生素D缺乏與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病(阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病、精神分裂癥、自閉癥、抑郁癥、多發(fā)性硬化癥等)具有相關(guān)性[25-30]。另外，維生素D缺乏與成人缺血性腦梗死的進(jìn)展和嚴(yán)重程度有關(guān)，研究顯示，維生素D治療可以改善成人缺血性腦梗死的結(jié)局[31]。這些數(shù)據(jù)并沒有列出維生素D在新生兒腦損傷中的作用，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在新生動(dòng)物大腦缺血性損傷實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭杏霉腔贾委熓怯行У腫32]。隨著對(duì)維生素D與神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究的深入，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，孤獨(dú)癥與維生素D缺乏關(guān)系密切，并可能在胎兒期就存在，通過影響胎兒大腦發(fā)育發(fā)揮作用[33-34]。維生素D可幫助預(yù)防神經(jīng)元損傷后的細(xì)胞死亡，具有神經(jīng)保護(hù)作用。

4.1維生素D的抗氧化作用 圍生期窒息和繼發(fā)性HIE是新生兒期腦損傷的重要原因，可能導(dǎo)致新生兒死亡和長(zhǎng)期殘疾[35-36]。能量衰竭、膜去極化、水腫、神經(jīng)遞質(zhì)釋放增加、神經(jīng)遞質(zhì)攝取抑制、細(xì)胞內(nèi)鈣離子增加、無(wú)氧自由基產(chǎn)生、脂質(zhì)過氧化以及血流減少均有助于缺氧缺血性改變后大腦損傷的進(jìn)展[1-2]。人體含有多種抗氧化防御機(jī)制，以防止體內(nèi)(如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽氧化酶、谷胱甘肽)和外部(如維生素E和維生素C)抗氧化劑對(duì)臭氧的損害。研究表明，維生素D具有神經(jīng)保護(hù)、免疫調(diào)節(jié)、抗炎以及抗氧化特性[37-44]。Mutlu等[1]以31例HIE新生兒為研究組，30例健康新生兒為對(duì)照組，并檢測(cè)其維生素D、抗氧化劑(包括谷胱甘肽氧化酶和氧化物歧化酶)、氧化劑(包括丙二醛)和高級(jí)氧化蛋白產(chǎn)物的濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究組的新生兒及其母親的維生素D水平均低于對(duì)照組，丙二醛和高級(jí)氧化蛋白產(chǎn)物水平均高于對(duì)照組，表明維生素D具有一定的神經(jīng)保護(hù)和抗氧化作用。另外，骨化三醇本身不是自由基清除劑，而是通過產(chǎn)生自由基清除蛋白，從而清除自由基，而維生素D可以通過金屬離子的新陳代謝改變自由基的形成，并通過阻止皮質(zhì)細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化保護(hù)細(xì)胞免受這種損傷[4,45]。

4.2維生素D的抗炎作用 維生素D也可以通過影響腦損傷后前炎癥與抗炎癥細(xì)胞因子之間的平衡，保護(hù)損傷后的神經(jīng)元，減輕繼發(fā)性損傷。維生素D的抗炎作用包括對(duì)IL-6合成的抑制，這是肝臟中C反應(yīng)蛋白生成的主要刺激因素[12]。對(duì)腦缺血做出反應(yīng)的第一個(gè)細(xì)胞是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，特別是小膠質(zhì)細(xì)胞，其轉(zhuǎn)錄的是早期的促炎細(xì)胞因子(如腫瘤壞死因子-α、IL-6和γ干擾素)，這些促炎細(xì)胞因子能夠激活額外的炎癥途徑，從而誘導(dǎo)陽(yáng)性的急性期蛋白質(zhì)(包括C反應(yīng)蛋白)，進(jìn)一步參與腦損傷[46]。維生素D還可通過作用于抗原呈遞細(xì)胞抑制細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，從而抑制輔助性T細(xì)胞1反應(yīng)，同時(shí)能產(chǎn)生抗炎細(xì)胞因子的輔助性T細(xì)胞2也因維生素D的存在而上調(diào)；另外，維生素D還可減緩細(xì)胞因子的產(chǎn)生[47]。所有這些效應(yīng)均提示了一種可能的機(jī)制，即可能導(dǎo)致機(jī)體炎癥和神經(jīng)元缺血細(xì)胞死亡。

4.3維生素D的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因素 維生素D通過增加神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子[如神經(jīng)生長(zhǎng)因子 (nerve growth factor，NGF)、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白和膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(glial cell derived neurotrophic factor，GDNF)]，誘導(dǎo)神經(jīng)保護(hù)[32,48-49]。維生素D與其受體結(jié)合會(huì)激活細(xì)胞內(nèi)的瀑布式反應(yīng)，導(dǎo)致一些神經(jīng)保護(hù)性基因的表達(dá)，包括GDNF。GDNF已經(jīng)被證實(shí)是一種重要的神經(jīng)保護(hù)因子，在氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致的腦損傷模型中，用骨化三醇治療可以提高GDNF水平[48]。用骨化三醇治療神經(jīng)細(xì)胞也可以升高c-Ret信使RNA水平(c-Ret是一種GDNF受體)；另外，出生時(shí)存在維生素D缺乏幼犬的GDNF水平更低[15]。在小鼠缺血實(shí)驗(yàn)前注射GDNF可以使腦梗死的發(fā)生率降低，并可以減小腦梗死面積[16]。在一系列小鼠皮質(zhì)損傷的模型中，8 d的骨化三醇治療可以使皮質(zhì)中的GDNF水平升高，并可改善皮質(zhì)損傷[50-51]。NGF是另一種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，它是一種重要的促進(jìn)神經(jīng)元發(fā)育和維持神經(jīng)元成熟的因子，且會(huì)被維生素D影響。骨化三醇是一種細(xì)胞外蛋白，在體外，注射骨化三醇可以升高NGF信使RNA和NGF的水平[52]。

神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子是一類經(jīng)典的蛋白質(zhì)，對(duì)于神經(jīng)元的存活和成熟具有重要作用，尤其是神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素-4(neurotrophin-4，NT-4)在缺血性腦損傷中起重要作用。小鼠大腦中動(dòng)脈結(jié)扎2周后，NT-4在缺血性大腦半球的表達(dá)水平較非缺血性大腦半球更低，用NT-4治療可以顯著減小大腦中動(dòng)脈梗阻1 d導(dǎo)致的基底神經(jīng)節(jié)和皮質(zhì)梗死的面積，而維生素D缺乏可顯著減少GDNF的受體[3,53]。Keeney等[54]進(jìn)行的大鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，給中年大鼠低維生素D飲食幾個(gè)月后，其出現(xiàn)顯著的腦自由基損傷癥狀，并伴有多種大腦蛋白質(zhì)受損；而維生素D缺乏可能導(dǎo)致低親和力GDNF受體表達(dá)水平顯著降低[15]，提示低維生素D水平可造成腦損傷。

4.4維生素D治療腦損傷的時(shí)機(jī) 在腦損傷前補(bǔ)充維生素D是否能提供顯著的神經(jīng)保護(hù)作用，目前尚不明確。小鼠實(shí)驗(yàn)顯示，于缺血性腦損傷前補(bǔ)充骨化三醇8 d可以顯著減小腦梗死面積，但另一組提前4 d補(bǔ)充維生素D卻未出現(xiàn)神經(jīng)保護(hù)作用[32]。有研究顯示，雖然補(bǔ)充骨化三醇和維生素C能夠減少氧化應(yīng)激反應(yīng)，但提前8 d補(bǔ)充骨化三醇并未顯著減少缺血再灌注模型小鼠的腦損傷標(biāo)志物[55]。在體外，對(duì)谷氨酸誘導(dǎo)的腦損傷小鼠在損傷前24 h用骨化三醇治療可以保護(hù)腦細(xì)胞，但在損傷后用同樣的方法治療卻無(wú)效果[56-57]。

關(guān)于腦損傷后使用維生素D治療也存在爭(zhēng)議。在小鼠腦卒中模型中，損傷后用維生素D治療5 d后，并未觀察到維生素D的神經(jīng)保護(hù)作用[58]；然而，對(duì)成年人的研究顯示，在腦卒中后補(bǔ)充維生素D可降低病死率、致殘率和減輕腦卒中癥狀[59]。有研究對(duì)小鼠HIE模型在損傷30 min后注射骨化三醇，結(jié)果顯示，治療組較非治療組的腦損傷面積更?。煌粋€(gè)實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)組用了7 d的骨化三醇治療，腦損傷的面積更小，但兩組間的差異較小[60]。

5 小 結(jié)

維生素D是一種具有生物活性的類固醇類激素，通過參與腦發(fā)育、細(xì)胞凋亡的過程對(duì)維持正常神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育起重要作用，具有神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)、抗炎和抗氧化的特性，并可能在新生兒時(shí)期對(duì)腦損傷具有重要的保護(hù)作用。維生素D缺乏與異常的腦發(fā)育和大腦對(duì)神經(jīng)損傷的易感性相關(guān)。維生素D治療可以減小腦梗死面積和減輕嚴(yán)重程度，但目前維生素D對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用僅在動(dòng)物模型和成人中進(jìn)行了驗(yàn)證。為了更好地了解維生素D改變新生兒腦損傷結(jié)局的作用，有必要對(duì)新生兒進(jìn)行進(jìn)一步的臨床研究。因此，多中心試驗(yàn)至關(guān)重要，盡管大部分仍處于理論階段，但維生素D對(duì)預(yù)防或減少新生兒缺氧導(dǎo)致的長(zhǎng)期神經(jīng)損傷仍具有顯著潛力。