早产儿维生素D与心脑肺发育关系的研究进展

张艳艳, 王鑫, 王婵, 郑有宁

在最近的几十年里,维生素D在各个系统和儿童健康中的重要性得到了越来越多的认可[1]。维生素D对心脑肺早期发育成熟及疾病的影响是一个新兴的研究领域。近来,有许多报告将母体维生素D缺乏与小儿心肌病及心力衰竭联系起来,从而暗示子宫内维生素D缺乏暴露于不利的心脏发育不良[2]。此外,新生儿缺氧缺血性脑病是一种潜在的破坏性新生儿脑损伤,具有长期神经系统影响。目前数据支持维生素D作为一种保护性神经激素的作用,研究者开始评估维生素D是否可以在新生儿缺氧缺血性脑病的预防或治疗中发挥作用。维生素D还被认为在胚胎发生以及细胞生长和分化中起作用,包括胎儿的肺发育和肺成熟的调节[3],据此目前有很多研究证明低维生素D会加重早产儿的肺疾病。本综述就早产儿维生素D与心脑肺发育关系进行探讨,旨在分析维生素D在早产儿心脑肺疾病发生发展中的作用机制,以便对其防治进行指导。

1 维生素D的生理作用

皮肤暴露于紫外线B辐射(波长为290～315 nm)下,7-脱氢胆固醇的光解[4],然后在皮肤中(高度集中在基底层和棘层)转化为前维生素D3,再异构化为维生素D3(胆钙化醇)。人体对维生素D的大部分需求都是通过阳光照射来满足的[5]。维生素D必须经过两步羟基化过程才能转化为其活性形式1,25(OH)2D3。首先,在肝脏中,在25-羟化酶(CYP27A1)的存在下,维生素D转化为主要的循环和储存形式25(OH)D3。25(OH)D3在代谢上是无活性的,并且必须经历进一步的加氢甲酰化过程才能被活化[6]。这发生在肾脏,在甲状旁腺激素的影响下,在1α-羟化酶(CYP27B1)的帮助下,产生具有活性形式的维生素D3,称为1,25(OH)2D3[7]。肾脏中1,25(OH)2D3的产生通过甲状旁腺激素以及血清钙和磷水平严格的调节。目前认为,维生素D的几乎所有生物学作用都由其活性形式1,25(OH)2D3介导,主要通过细胞内维生素D受体(vitamin D receptor,VDR)发出信号。

2 维生素D与心血管系统发育的关系

现在已经明确的是,维生素D缺乏会直接影响心肌细胞生长和肾素-血管紧张素系统。所以,在新生儿期维生素D缺乏有可能导致长期心血管疾病。迄今为止,很少有研究涉及这一问题。鉴于怀孕和哺乳期间维生素D缺乏的妇女人数众多,在心血管疾病的规划中,有必要了解新生儿期维生素D缺乏的影响。

心脏是胚胎内发育并开始发挥功能的第一个器官[8]。在妊娠期间,胎儿心脏从简单的管状结构转变为更为复杂的四腔器官,从而保证生后的循环功能。线性心导管在妊娠第3周形成,并在妊娠第22天左右开始搏动,然后大约需要8周的时间使胎儿心脏发育成相对成熟的最终心脏结构[9]。

维生素D参与抑制心肌细胞增殖和诱导心肌细胞成熟的过程[10]。一项实验表明,当将1,25(OH)2D3直接添加到正在培养的新生大鼠心肌细胞中时,4 d后增殖减少57%[11],这提示1,25(OH)2D3抑制心肌细胞增生。维生素D还与妊娠晚期和新生儿期的胎儿器官成熟有关[12]。为支持这一观点,已在大鼠中证实,妊娠晚期维生素D血浆浓度从26 ng/L升高至86 ng/L,并且在哺乳期间浓度保持较高[13],这使大鼠心肌细胞从增殖走向成熟,然后转变为终末分化[14]。因此,母体维生素D缺乏可能会抑制围产期心肌细胞的成熟。

除了发育中心脏的营养作用外,母体维生素D缺乏还导致血管反应性改变和新生儿期肾素-血管紧张素系统上调[15]。肾素-血管紧张素系统的上调与高血压的发生有关。血管紧张素Ⅱ也是心脏和脉管系统的营养因子[16],所以当肾素-血管紧张素系统上调时,就存在心血管系统的异常生长[14]。在过去的十年里,报告了几例维生素D缺乏或佝偻病相关儿童的心肌病[17]。据报告,一名9个月大的佝偻病女童表现出扩张性心肌病和充血性心力衰竭,该婴儿补充钙及维生素D后能够在3个月内改善左心室收缩功能[18]。

越来越多的证据表明,1,25(OH)D3是肾脏中肾素基因表达的负性调节因子,因此在缺乏VDR的情况下,肾素和血管紧张素Ⅱ的产生会上调[19]。维生素D治疗已被证明可降低血浆肾素活性和血管紧张素Ⅱ水平[20]。在动物研究中,已显示抑制野生型小鼠中1,25(OH)2D3的合成会导致肾素表达增加,因此,用1,25(OH)2D3治疗会抑制肾素表达[21]。

关于孕期和哺乳期如何合理补充维生素D,目前尚无共识。在美国,目前孕妇和哺乳期妇女每日推荐的维生素D摄入量为600 IU/d[22]。在澳大利亚和新西兰,每日推荐摄入量低于美国推荐的水平(孕妇和哺乳期妇女为200 IU/d)[23]。导致新生儿维生素D缺乏的主要因素之一与母乳喂养有关。众所周知,母乳含有非常少的维生素D,因此对婴儿的维生素D水平贡献很小[24]。即使哺乳期妇女每天补充400 IU的维生素D,其乳汁中的维生素D浓度也仅为25～78 IU/L[25],这对生长发育中的婴儿来说可能是不够的。纯母乳喂养且未补充维生素D的母亲的婴儿患维生素D缺乏症的风险增加。在严重情况下,还可能患有佝偻病[26]。相比之下,大多数婴儿配方奶粉含有约400 IU/L的维生素D[27],因此配方奶粉喂养的婴儿维生素D缺乏的风险较低。此外,妊娠期肥胖也可能影响母体维生素D水平,这也会影响胎儿维生素D水平有关,这是维生素D被脂肪细胞储存或吸收的原因。最近的一项研究发现,在妊娠4～22周,肥胖孕妇(体质量指数≥30)的血清25(OH)D3水平为56.6 nmol/L,低于较瘦孕妇(体质量指数≤25) 62.7 nmol/L。

3 维生素D与神经系统发育的关系

维生素D在发育过程中起着几个重要的作用。研究显示,维生素D可影响正常胎儿脑的发育,包括细胞分化、神经营养因子表达、细胞因子调节、神经递质合成、细胞内钙信号传导、抗氧化活性以及参与神经元分化、结构和代谢基因及蛋白的表达[28]。流行病学数据表明,母体维生素D缺乏可能与成人精神分裂症有关[29],越来越多的证据表明该部分患儿可能患有自闭症[30]。

在脑损伤模型中,补充维生素D已显示出一系列的神经保护作用,包括免疫调节和抗炎作用。事实上,维生素D已被证明是成年卒中患者促炎性Th17淋巴细胞的关键免疫调节剂和调节因子[31]。在成年雄性小鼠中,在大脑中动脉闭塞诱发卒中前5天,给予活性形式的1,25(OH)2D31 h,随后再灌注23 h,其梗死体积显著缩小,促炎细胞因子白细胞介素-6、白细胞介素-1β、白细胞介素-23a、转化生长因子-β和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶-2表达减少有关[32]。此外,在母体免疫激活的小鼠模型中,1,25(OH)2D3被证明可预防后代自闭症相关表型,但这与母鼠或胎脑中促炎细胞因子的减少无关[33],提示了另一种作用机制。在创伤性脑损伤大鼠模型中,给予骨化三醇(有生物活性的维生素D3),在损伤后30 min、24 h和48 h,减少了脑水肿和细胞凋亡的发生,以及下调了NADPH氧化酶的表达,这可能是对氧化应激的保护[34]。进一步的动物研究调查表明,维生素D具有神经保护作用,这将是未来研究的热点。

维生素D补充剂有多种形式:维生素D2(麦角钙化醇)和维生素D3(胆钙化醇),以及具有生物活性的1,25(OH)2D3(骨化三醇)。临床上,不建议补充骨化三醇,因为其可绕过补充维生素D2或D3产生的重要代谢产物。在成人研究中比较,维生素D2和D3的疗效表明,补充维生素D3比补充维生素D2会使25(OH)D增加更多,并且在给药后可有更长时间维持血液中较高的25(OH)D。在评估治疗效果时,体外神经元损伤模型表明,与D2相比[35],D3可使髓鞘形成增加,促进新轴突的形成,促进新轴突直径增加,以及保护轴突免受损伤。这些发现表明,维生素D3可能更有效。

在新生儿中,维生素D补充的最佳剂量仍不清楚,部分原因是新生儿维生素D水平因母体维生素D状况、喂养习惯和研究受试者的日晒量而异。一项研究表明,每日250 IU维生素D3可维持钙稳态和健康骨骼所需的25(OH)D3(116～164 nmol/L)浓度[36]。而另一项研究表明,口服维生素D3无法达到血药浓度为75 nmol/L的目标[37]。

提供具有神经保护的维生素D剂量目前尚不清楚。传统的骨健康补充剂量可能不足,因为有证据表明,具有抗炎和免疫保护功能所需的维生素D水平高于钙稳态和骨发育所需的水平[38]。然而,较高的剂量会导致治疗窗口期更窄,如果使用高剂量维生素D,要保证对高尿酸血症风险的关注。

4 维生素D与肺脏发育的关系

随着围产期医学和新生儿重症监护技术的发展,极早产儿及极低出生体重儿存活的比例越来越大,这也导致新生儿呼吸窘迫综合征(respiratory distress syndrome,RDS)和早产儿支气管肺发育不良(broncho-pulmonary dysplasia,BPD)发病率增加的原因之一。关于肺发育和成熟,在啮齿类动物中进行的多项研究显示,维生素D对Ⅱ型肺泡上皮(alveolar epithelium Ⅱ,ATⅡ)和成纤维细胞的增殖,表面活性剂的合成以及肺中VDR的上调有重要作用。有研究证明了维生素D刺激人ATⅡ细胞中表面活性剂相关磷脂的产生和分泌[39]。Phokela等[40]研究了1,25(OH)2D3如何增加人ATⅡ细胞中表面活性蛋白-B mRNA的表达,并降低人胎肺组织中和分离的ATⅡ细胞中表面活性蛋白-A mRNA的表达。因此,维生素D是肺部疾病研究的一个重要突破方向。

此外,研究者发现1,25(OH)2D3还可以减少RDS的发生。在2014年的一项研究中,Mandell等[41]证明维生素D对胎儿ATⅡ细胞具有增殖和保护作用。有研究发现,在单因素分析中,25(OH)D3低于25 nmol/L时,发生RDS的风险便会增加[42]。然而,该研究表明,仅在维生素D浓度方面,RDS与非RDS患者之间存在显著差异,这在胎龄30周时最为明显(P<0.05)。孕周<30周是胎儿肺发育的重要阶段。在此阶段,肺表面活性物质的合成和分泌尚未完全开始,这可能是该阶段肺部疾病发病率高的原因。

维生素D缺乏症很常见,不仅在妊娠期,在早产儿中也很常见。在爱尔兰,尽管补充了维生素D,但78%的极早产儿在18 d时的血清25(OH)D3低于50 nmol/L。Backström等[43]对39名早产儿进行了为期3个月的随机试验,每天服用200 IU与960 IU的维生素D,并观察到高剂量维生素D组对辅助通气需求减低,并对9项维生素D补充剂随机对照试验的荟萃分析显示,在出生体质量1 500 g或胎龄为32周的早产儿中,生后28 d或矫正胎龄为36周时需氧的需求均降低[44],这表明补充维生素D可使早产儿患有BPD的风险降低。

事实上,多种宿主因素可能会改变早产儿对BPD的敏感性,其中一些可能是遗传性的,并与维生素D的生物利用度相关,并且普通维生素D结合蛋白或VDR可能会改变25(OH)D3的生物可利用水平。Koroglu等[45]表明,VDR Fok Ⅰ多态性与BPD发病率增加有关。研究发现,BPD患儿主要集中在30周阶段[46]。胎龄30周的维生素D浓度与氧支持时间呈负相关(P<0.05)。这些数据表明,维生素D对胎龄为30周的早产儿肺部发育有益[47]。总之,研究发现RDS和非RDS患儿之间维生素D浓度的显著降低仅反映在30周阶段[48]。BPD患儿的维生素D浓度在30周时均显著降低,与氧支持持续时间一致。

美国儿科学会建议早产儿维生素D摄入量为400 IU/d[49],欧洲儿科胃肠病学、肝病学和营养学学会建议早产儿维生素D摄入量为800～1 000 IU/d[50]。在一项研究中,早产儿接受的平均维生素D剂量为(853.33±193.84)IU/d。然而,69.6%的婴儿在出生后第6周仍存在维生素D缺乏症。最近一项报告指出,截至出生后第2 834天,800 IU/d组中有0%的婴儿出现维生素D缺乏症(25(OH)D水平<50 nmol/L)[51]。目前,尚需要进行更大规模的试验来确定早产儿维生素D补充的最佳剂量。

5 小结

维生素D在人体中发挥着重要作用,其缺乏与新生儿多种疾病均有联系,虽然与心血管系统、神经系统及肺部的发育已完成大量动物实验,但仍需进一步大量临床试验证实其结论的可靠性,从而指导临床维生素D缺乏的预防及治疗。并且,孕期维生素D的缺乏对新生儿不良结局具有重要影响,加强孕期维生素D的补充十分有益。