维生素D在新生儿脑损伤中的意义及作用

王艳红，焦颖

(首都医科大学附属北京妇产医院新生儿科，北京 100026)

维生素D是一种具有强大活性及多种生理功能的类固醇类激素。维生素D与钙及骨代谢相关，在脑部发育及损伤修复中起重要的调节作用。研究发现，维生素D受体贯穿大脑通路，维生素D通过对其受体的作用，在神经元发育及功能障碍中扮演重要角色；除了对维生素D受体的作用外，维生素D还参与钙调节，其在脑发育过程中通过对神经营养因子的影响起重要作用，动物研究已经证明维生素D缺乏是大脑发育异常的一个重要危险因素，在成人研究中，缺乏维生素D与神经系统疾病密切相关[1-4]。近年来，维生素D与新生儿脑损伤以及维生素D在早期脑损伤中的治疗作用也不断得到关注。研究者们已经开始评估维生素D在预防或治疗新生儿缺氧缺血性脑病(neonatal hypoxic ischemic encephalopathy，HIE)中的作用，并通过动物和人类的数据了解维生素D缺乏与HIE的关系，包括维生素D补充时间对损伤修复的重要性以及对缺氧损伤严重程度的影响。现就维生素D在新生儿脑损伤中的意义及作用予以综述。

1 维生素D的生理作用

维生素D是一组具有生物活性的脂溶性类固醇衍生物，是促进骨骼生长和发育的重要营养素。维生素D包括维生素D2(麦角骨化醇)和维生素D3(胆骨化醇)，其最强的活性代谢衍生物是1,25-二羟维生素D3。研究显示，维生素D参与机体的多个生理过程，与多种疾病(如高血压、肥胖、肿瘤、糖尿病、免疫、精神及神经系统疾病)存在关联，具有强大的骨骼外作用[5-9]。

维生素D在体内通过肝脏、肾脏逐步完成活化，然后与维生素D结合蛋白结合后经过血液到达靶器官，并与相应受体结合，发挥相应的生物学效应，同时发挥细胞调节作用，参与对肿瘤细胞、免疫方面的调控。关于维生素D与神经系统关系的研究不断揭示，25-羟维生素D水平与认知功能降低之间关系的前瞻性研究结果并不一致。如Slinin等[10]进行了维生素D与神经认知的前瞻性研究，该研究选取骨质疏松的老年男性人群，在随访中调查了维生素D与认知能力之间的相关性，结果显示低水平维生素D与认知功能障碍和认知能力降低的风险无相关性。然而，一项前瞻性研究显示老年女性低25-羟维生素D水平与认知障碍的发生率较高以及认知功能降低的风险相关；研究还显示，大脑中存在某些参与维生素D合成通路的酶及维生素D受体[11]。目前脑损伤的核心机制为炎症反应，维生素D与大脑中的受体结合，参与调节钙及炎症反应，特别是白细胞介素(interleukin，IL)-12、肿瘤坏死因子-α和IL-6等，进一步参与脑损伤[12]。维生素D还可通过对脑神经营养因子的调节发挥作用，补充维生素D在脑发育中起到了非常重要的作用，特别是在大脑发育和成长最快的婴儿期和儿童期[1,11]。

2 维生素D缺乏与异常脑发育

维生素D是大脑正常发育所必需的关键信号因子。在成年啮齿动物的大脑中，维生素D受体的表达非常广泛，在感官、运动和边缘系统中均发现了高水平的维生素D受体，这表明了维生素D在整个生命过程中的作用[13]。Veenstra等[14]发现，维生素D受体在神经上皮层和处于活跃的神经元分化区域等处均有广泛表达。Eyles等[15]研究发现，与正常维生素D水平大鼠后代相比，孕期低维生素D水平大鼠后代的大脑结构发生了变化，大脑皮质变薄，侧脑室增大，整个大脑的增殖细胞数量增加。随着大脑结构的变化，大脑缺乏维生素D后代的生长因子水平也存在差异，同时神经生长因子和神经源性生长因子水平也相应较低[15-16]。同样，对犬的相关研究亦有类似发现，维生素D缺乏也会影响新生犬的脑体积，这源于维生素D缺乏所致的不恰当的神经修剪[15]。因此，维生素D缺乏与大脑发育不良有直接关系，且这种影响十分深远。有报道指出，即使在出生后立即补充维生素D，脑室体积的改变也会持续到成人[17]。不同孕周维生素D的严重缺乏可导致不同的后果，孕早期是器官形成阶段，此时维生素D缺乏可能会影响脑结构的发育，而神经细胞的发育在孕后期，因此孕后期维生素D缺乏可能表现为脑体积的改变[18]。然而，这些理论很难通过小鼠模型证实，主要由于小鼠的孕期很短(20～22 d)，且小鼠体内维生素D的半衰期为2～3周[19]。

上述动物实验显示，维生素D缺乏是异常脑发育的危险因素。而Daglar等[20]的研究显示，孕妇血清维生素D水平在妊娠并发神经管缺陷中起重要作用，该横断面研究共纳入60例孕妇，其中30例妊娠合并胎儿脑膜下裂、脑膜瘤、无脑儿的患者为研究组，另30例正常孕妇为对照组，结果显示，研究组的平均母体血清25-羟维生素D3水平较对照组低，而对照组的平均血清钙水平显著高于研究组，说明孕妇血清维生素D水平在神经管发育中起重要作用。而Lowe等[2]研究发现，婴儿维生素D水平偏低，合并HIE的婴儿维生素D也呈现低水平，即使在补充维生素D后血清维生素D水平也常在损伤后72 h持续降低。目前，维生素D与新生儿HIE之间的研究尚处于起始阶段，还存在一些未知问题。

3 维生素D对细胞促凋亡的影响

维生素D对细胞凋亡的影响是通过支持正常神经系统发育过程中的细胞修剪来完成的，这种影响与抗凋亡的影响相伴，目的是保护细胞在神经损伤后免于死亡。细胞增生与凋亡的平衡对胎儿神经系统的正常发育至关重要，而维生素D在维持这种平衡过程中起重要作用。在正常的神经系统发育过程中，高水平的神经增殖发生在孕早期[3]。发育过程也是机体修剪不需要的细胞和神经连接的过程，改变凋亡和有丝分裂的平衡会导致不正常细胞数量的增多，而且改变相邻的神经元细胞之间的连接或神经元细胞与胶质细胞之间的连接可扰乱正常脑细胞的发育，在这一过程中，维生素D在保护神经细胞免于死亡的同时，也促进了其凋亡[21]。骨化三醇治疗胶质细胞瘤可以使蛋白增多，包括p53、gadd45和c-myc，导致程序性细胞凋亡进程加快[22]。另外，维生素D缺乏的孕鼠所生的小鼠全脑显示低水平的凋亡和高水平的有丝分裂[23]。体外实验显示，高剂量的骨化三醇可增加细胞的凋亡，而低剂量的骨化三醇则会抵抗凋亡[24]。维生素 D的促凋亡效应支持着神经元正常神经发育过程中的修剪，起到神经保护作用。

4 维生素D与损伤的大脑

研究提示，维生素D缺乏与多种神经系统疾病(阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病、精神分裂症、自闭症、抑郁症、多发性硬化症等)具有相关性[25-30]。另外，维生素D缺乏与成人缺血性脑梗死的进展和严重程度有关，研究显示，维生素D治疗可以改善成人缺血性脑梗死的结局[31]。这些数据并没有列出维生素D在新生儿脑损伤中的作用，但实验发现，在新生动物大脑缺血性损伤实验模型中用骨化三醇治疗是有效的[32]。随着对维生素D与神经系统疾病研究的深入，有学者发现，孤独症与维生素D缺乏关系密切，并可能在胎儿期就存在，通过影响胎儿大脑发育发挥作用[33-34]。维生素D可帮助预防神经元损伤后的细胞死亡，具有神经保护作用。

4.1维生素D的抗氧化作用 围生期窒息和继发性HIE是新生儿期脑损伤的重要原因，可能导致新生儿死亡和长期残疾[35-36]。能量衰竭、膜去极化、水肿、神经递质释放增加、神经递质摄取抑制、细胞内钙离子增加、无氧自由基产生、脂质过氧化以及血流减少均有助于缺氧缺血性改变后大脑损伤的进展[1-2]。人体含有多种抗氧化防御机制，以防止体内(如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽氧化酶、谷胱甘肽)和外部(如维生素E和维生素C)抗氧化剂对臭氧的损害。研究表明，维生素D具有神经保护、免疫调节、抗炎以及抗氧化特性[37-44]。Mutlu等[1]以31例HIE新生儿为研究组，30例健康新生儿为对照组，并检测其维生素D、抗氧化剂(包括谷胱甘肽氧化酶和氧化物歧化酶)、氧化剂(包括丙二醛)和高级氧化蛋白产物的浓度，结果发现，研究组的新生儿及其母亲的维生素D水平均低于对照组，丙二醛和高级氧化蛋白产物水平均高于对照组，表明维生素D具有一定的神经保护和抗氧化作用。另外，骨化三醇本身不是自由基清除剂，而是通过产生自由基清除蛋白，从而清除自由基，而维生素D可以通过金属离子的新陈代谢改变自由基的形成，并通过阻止皮质细胞的脂质过氧化保护细胞免受这种损伤[4,45]。

4.2维生素D的抗炎作用 维生素D也可以通过影响脑损伤后前炎症与抗炎症细胞因子之间的平衡，保护损伤后的神经元，减轻继发性损伤。维生素D的抗炎作用包括对IL-6合成的抑制，这是肝脏中C反应蛋白生成的主要刺激因素[12]。对脑缺血做出反应的第一个细胞是神经胶质细胞，特别是小胶质细胞，其转录的是早期的促炎细胞因子(如肿瘤坏死因子-α、IL-6和γ干扰素)，这些促炎细胞因子能够激活额外的炎症途径，从而诱导阳性的急性期蛋白质(包括C反应蛋白)，进一步参与脑损伤[46]。维生素D还可通过作用于抗原呈递细胞抑制细胞介导的免疫反应，从而抑制辅助性T细胞1反应，同时能产生抗炎细胞因子的辅助性T细胞2也因维生素D的存在而上调；另外，维生素D还可减缓细胞因子的产生[47]。所有这些效应均提示了一种可能的机制，即可能导致机体炎症和神经元缺血细胞死亡。

4.3维生素D的神经营养因素 维生素D通过增加神经营养因子[如神经生长因子 (nerve growth factor，NGF)、神经营养蛋白和胶质细胞源性神经营养因子(glial cell derived neurotrophic factor，GDNF)]，诱导神经保护[32,48-49]。维生素D与其受体结合会激活细胞内的瀑布式反应，导致一些神经保护性基因的表达，包括GDNF。GDNF已经被证实是一种重要的神经保护因子，在氧化应激反应导致的脑损伤模型中，用骨化三醇治疗可以提高GDNF水平[48]。用骨化三醇治疗神经细胞也可以升高c-Ret信使RNA水平(c-Ret是一种GDNF受体)；另外，出生时存在维生素D缺乏幼犬的GDNF水平更低[15]。在小鼠缺血实验前注射GDNF可以使脑梗死的发生率降低，并可以减小脑梗死面积[16]。在一系列小鼠皮质损伤的模型中，8 d的骨化三醇治疗可以使皮质中的GDNF水平升高，并可改善皮质损伤[50-51]。NGF是另一种神经营养因子，它是一种重要的促进神经元发育和维持神经元成熟的因子，且会被维生素D影响。骨化三醇是一种细胞外蛋白，在体外，注射骨化三醇可以升高NGF信使RNA和NGF的水平[52]。

神经营养因子是一类经典的蛋白质，对于神经元的存活和成熟具有重要作用，尤其是神经营养素-4(neurotrophin-4，NT-4)在缺血性脑损伤中起重要作用。小鼠大脑中动脉结扎2周后，NT-4在缺血性大脑半球的表达水平较非缺血性大脑半球更低，用NT-4治疗可以显著减小大脑中动脉梗阻1 d导致的基底神经节和皮质梗死的面积，而维生素D缺乏可显著减少GDNF的受体[3,53]。Keeney等[54]进行的大鼠实验发现，给中年大鼠低维生素D饮食几个月后，其出现显著的脑自由基损伤症状，并伴有多种大脑蛋白质受损；而维生素D缺乏可能导致低亲和力GDNF受体表达水平显著降低[15]，提示低维生素D水平可造成脑损伤。

4.4维生素D治疗脑损伤的时机 在脑损伤前补充维生素D是否能提供显著的神经保护作用，目前尚不明确。小鼠实验显示，于缺血性脑损伤前补充骨化三醇8 d可以显著减小脑梗死面积，但另一组提前4 d补充维生素D却未出现神经保护作用[32]。有研究显示，虽然补充骨化三醇和维生素C能够减少氧化应激反应，但提前8 d补充骨化三醇并未显著减少缺血再灌注模型小鼠的脑损伤标志物[55]。在体外，对谷氨酸诱导的脑损伤小鼠在损伤前24 h用骨化三醇治疗可以保护脑细胞，但在损伤后用同样的方法治疗却无效果[56-57]。

关于脑损伤后使用维生素D治疗也存在争议。在小鼠脑卒中模型中，损伤后用维生素D治疗5 d后，并未观察到维生素D的神经保护作用[58]；然而，对成年人的研究显示，在脑卒中后补充维生素D可降低病死率、致残率和减轻脑卒中症状[59]。有研究对小鼠HIE模型在损伤30 min后注射骨化三醇，结果显示，治疗组较非治疗组的脑损伤面积更小；同一个实验的另一个组用了7 d的骨化三醇治疗，脑损伤的面积更小，但两组间的差异较小[60]。

5 小 结

维生素D是一种具有生物活性的类固醇类激素，通过参与脑发育、细胞凋亡的过程对维持正常神经系统发育起重要作用，具有神经营养、抗炎和抗氧化的特性，并可能在新生儿时期对脑损伤具有重要的保护作用。维生素D缺乏与异常的脑发育和大脑对神经损伤的易感性相关。维生素D治疗可以减小脑梗死面积和减轻严重程度，但目前维生素D对中枢神经系统的作用仅在动物模型和成人中进行了验证。为了更好地了解维生素D改变新生儿脑损伤结局的作用，有必要对新生儿进行进一步的临床研究。因此，多中心试验至关重要，尽管大部分仍处于理论阶段，但维生素D对预防或减少新生儿缺氧导致的长期神经损伤仍具有显著潜力。