维生素D在创伤性脑损伤中神经保护作用的研究进展

崔昌萌 郭鑫 宋思新 刘振刚 江沛

维生素D在创伤性脑损伤中神经保护作用的研究进展

崔昌萌1郭鑫2宋思新3刘振刚2江沛4

创伤性脑损伤（TBI）是神经外科最常见的疾病之一，是45岁以下人群中最具威胁的致残、致死因素。TBI能够导致患者的认知功能缺损和精神障碍。近年来，动物实验和临床试验表明，活性形式的维生素D3（VDH）治疗能够改善TBI导致的认知功能缺损和精神障碍。因此，本文就维生素D的生理作用及VDH在TBI治疗中可能的作用机制进行综述。

维生素D； 创伤性脑损伤； 治疗

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是神经外科最常见的疾病之一，目前全球发病人数约140万/年，是45岁以下人群中最具威胁的致残、致死因素[1]。TBI能够导致患者的认知功能缺损和精神障碍，包括记忆功能、学习能力、情绪和睡眠障碍（嗜睡）等方面[2-3]。生理状态下，维生素 D（Vitamin D，VD）是人体必需的脂溶性维生素，主要来源于食物摄入和皮肤合成。随着对VD研究的日益深入，其已从经典的钙磷稳态调节剂逐步演变成多功能的开环甾体激素，在肥胖、心血管疾病、神经变性疾病、抑郁等疾病的病理过程中发挥着至关重要的作用[4-7]。最近，越来越多的学者开始关注VD在TBI病理生理过程中的作用，有研究发现活性形式的维生素D3（vitamin D hormone，VDH）治疗能够改善TBI患者的认知功能缺损和精神障碍，提高其生活质量[8-11]。因此，本文就VD的生理作用及VDH在TBI治疗中可能的作用机制进行综述。

一、VD的生理作用

VD作为人体必需的脂溶性维生素，与外周血钙稳态密切相关[12]。然而，近来的研究证实VD有着更广泛的生理作用，包括对免疫功能的调节及对细胞周期的调控等[13,14]。同时，VD作为新型的神经活性甾体，也影响着中枢神经系统（central nervous system，CNS）的发育与功能[15]。

VD的外源形式主要有2种：植物来源的维生素D2（麦角钙化醇）和动物来源的维生素D3（胆钙化醇）。与维生素D2相比，维生素D3的补充对人体更为有效[16]。人和动物代谢产生的维生素D3主要在皮肤由7-脱氢胆固醇经紫外线照射转化而来，还有少量通过食物直接摄取[17]。维生素D3具有生物学惰性，在肝脏25-羟化酶和肾脏1α-羟化酶的作用下，经两步羟基化反应后，转化生成VDH，即1,25(OH)2D3。VDH是维生素D3发挥生理学效应的基本形式，通过激活VDR发挥内分泌功能[18,19]。

Stumpf等[20]首次在动物的大脑中检测到高亲和力VD受体的表达，提出VDH或许能够在CNS中发挥生理学效应。同时，Parviainen等[21]通过鉴定健康患者脑脊液中VDH的代谢产物，进一步证实了这一假设。最初的观点认为，CNS中VDH的浓度的高低与其通过血脑屏障的转运方式有关[22]。然而，后续的研究发现25-羟化酶和1α-羟化酶广泛分布于人类大脑中，说明维生素D的生物活化过程发生在CNS中[23]。另一方面，生理条件下CNS中的VDH浓度与血浆中VDH水平不存在相关性，但在口服补充维生素D3后，二者呈密切相关[24]。

二、VDH治疗TBI的神经保护机制

VDH能够在CNS中发挥重要的神经保护作用，其作用机制是复杂多样的[25,26]。首先，已有研究证明，VDH治疗可以减轻受损脑组织内的炎症反应，减少神经元的凋亡和损伤，从而改善TBI大鼠的神经功能[27,28]。其次，VDH可以通过下调L型电压敏感的Ca2+通道和上调细胞内Ca2+的缓冲作用，减少钙内流，降低细胞内钙离子浓度，从而使兴奋性毒性谷氨酸释放减少[25]。再次，VDH能够通过增加细胞内抗氧化剂谷胱甘肽的水平加速自由基的清除，以此降低脑组织内的氧化应激反应[29,30]。最后，VDH可以维持神经元细胞骨架的完整性，促进其结构和功能的恢复，从而促进轴突的出芽和再生[31]。此外，VDH能够上调神经营养因子，促进与神经元存活、发育和修复相关蛋白的表达[32]。

三、VDH治疗TBI的研究现状

最近，为了探讨VDH辅助孕酮（progesteron，PROG）治疗在TBI后神经损伤和炎症反应中的作用。Tang等[33]通过控制性皮质撞击法制作大鼠模型，给予多种干预手段，观察神经元凋亡情况和星形胶质细胞的活化程度，并进一步检测炎症因子白细胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）及核苷酸转录因子（nuclear factor kappa B，NF-κB）的表达水平。大鼠随机分为3个治疗组，分别为VDH（1μg/kg）组、PROG（16 mg/kg）组和VDH辅助PROG治疗组，VDH和/或PROG于造模后1 h和6 h后注射。TBI引起的神经炎症级联反应最初由 Toll样受体-4（Tolllike receptor 4，TLR-4）的表达而触发，其进一步激活核因子NF-κB和核因子κB抑制因子α（NF-κB inhibitor alpha，IκBα）的表达。这些核因子的磷酸化（p-NF-κB和p-IκBα）通过调控下游基因（如TNF-α、IL-1β、COX2和iNOS）的表达，进一步加速急性炎症级联反应进程。该研究发现，TBI后TLR4、p-NF-κB、p-IκBα、TNF-α、IL-1β、COX2和 iNOS的表达均升高，而在VDH辅助PROG治疗后所有标记物含量均明显下降，用VDH单独治疗则降低了IL-1β和p-IκBα的表达[33]。此外，进一步研究能够观察到 TBI后发生微管相关蛋白-2（microtubule associated protein-2，MAP-2）的丢失和胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）的过度激活。经VDH和/或PROG治疗后显示，MAP-2明显升高，同时GFAP的表达亦显著降低，该变化在VDH辅助PROG治疗后更为显著。这项研究表明，VDH辅助治疗能够增强PROG在TBI后的神经保护作用，而VDH单独用药亦可以降低大鼠TBI后神经元损伤和炎症反应。之后，Tang等[27]对TBI后VDH辅助治疗的作用机制做了进一步研究。在大鼠造模后1 h后分别给予VDH（5μg/kg）、PROG（16 mg/kg）或VDH辅助PROG治疗，后两组大鼠PROG[16 mg/(kg·d)]治疗维持一周。在TBI后10、21和22 d，对各组大鼠进行认知功能（空间记忆）、运动功能和组织学检测。经VDH和/或PROG治疗后，虽然皮层脑组织中MAP-2的表达增加、神经元损伤减轻，星形胶质细胞的活化被抑制，但TBI大鼠的运动功能障碍并未得到缓解。值得注意的是，该研究发现VDH和/或PROG治疗能够改善TBI导致的认知功能障碍。该研究证明，尽管TBI后VDH单药治疗能够发挥神经保护作用，但是VDH辅助PROG治疗能够发挥更好的效果。

为了探讨3种不同剂量（1、2.5或5μg/kg）的VDH辅助PROG（16 mg/kg）治疗对TBI的神经保护作用，Hua等[9]于TBI后1 h腹腔注射PROG和不同剂量的VDH，之后连续8 d皮下注射相同剂量的PROG维持治疗，最后2 d梯度减量，并在TBI后21 d对各组大鼠进行神经功能和组织学检测。结果发现，与对照组相比，所有治疗组均可改善TBI大鼠的空间学习和记忆功能，而以低剂量（1μg/kg）VDH辅助PROG组的治疗效果最为明显。VDH辅助PROG治疗可有效减少大鼠TBI后应激所致的焦虑样行为，并且低剂量（1μg/kg）VDH辅助PROG的治疗效果优于中剂量（2.5μg/kg）VDH，而高剂量（5μg/kg）VDH辅助PROG组无效。虽然各治疗组受损脑组织中GFAP阳性细胞数与对照组相比无明显差异，但是低剂量VDH（1μg/kg）辅助PROG组的GFAP阳性细胞胞体明显肥大，这或许与VDH辅助PROG治疗的神经保护作用有关。这些结果表明，VDH辅助PROG治疗可以发挥神经保护作用，改善TBI大鼠的神经功能障碍，而低剂量VDH（1μg/kg）能够发挥更好的效果。

为了探讨VDH辅助PROG治疗对临床TBI患者的作用，Aminmansour等[34]将GCS低于8分的60名严重TBI患者纳入试验。患者被随机分为3组：安慰剂治疗组、PROG治疗组（1 mg/kg，每隔12 h 1次，连续5 d）、VDH辅助PROG治疗组（5μg/kg，1次/d，连续5 d）。各组患者在TBI后8 h内开始接受治疗，并在其住院3个月后进行GCS和格拉斯哥结局量表评分（glasgow outcome scale，GOS）。结果发现，VDH辅助PROG治疗组TBI患者的死亡率为10%，显著低于PROG组（20%）和安慰剂组（40%）；在住院3个月后，3组GCS平均得分差异有统计学意义，VDH辅助PROG治疗组、PROG组、安慰剂组的患者GCS平均得分分别为11.27、10.25和9.16；根据GOS评分将患者分为预后良好组和预后不良组，VDH辅助PROG治疗组患者预后最好，预后良好率为60%，高于PROG治疗组（45%）和安慰剂治疗组（25%）。这些结果表明，重度TBI患者采取VDH辅助PROG治疗效果显著，能够有效改善患者预后。

另一方面，VD缺乏在老年人中发生率较高，并且随着年龄的增长呈上升趋势。已有大量基础实验和临床实践证实，PROG有助于TBI后神经功能的恢复。为了探讨PROG对VD缺乏TBI大鼠神经功能障碍的影响，国外Cekic等[35]在制作TBI模型前将老年大鼠随机分为VD缺乏组和VD正常组，至少喂养21 d。与VD正常组比较，TBI后72 h VD缺乏组受损脑组织中炎症标志物（如TNF-α、IL-6、NF-κB、COX2）表达升高，神经元凋亡数量增多。VD缺乏大鼠在经PROG治疗后炎症反应减轻，而进一步给予VDH（5μg/kg）可增强PROG的保护作用。尽管VD缺乏大鼠在经VDH和PROG单药治疗后均可降低炎症标志物的表达，但是VDH辅助PROG的治疗效果更为显著。另一方面，经VDH辅助PROG治疗后，老年TBI大鼠损伤脑组织内凋亡因子Caspase-3活性片段及细胞周期调控蛋白P53的表达均明显降低。此外，TBI导致了老年大鼠短期内自发活动减少，而PROG治疗能够改善VD正常TBI大鼠的行为活动障碍。当给予VD缺乏组TBI老年大鼠PROG治疗后，其行为活动障碍并未得到改善。而进一步的VDH治疗则能明显增加TBI老年大鼠短期内的自发活动。该研究表明，TBI能够导致VD缺乏老年大鼠较强的炎症反应，而经VDH单药治疗和VDH辅助PROG治疗后均可抑制该现象，从而减少神经元凋亡，改善大鼠的行为活动障碍。

四、小结与展望

近年来，动物实验和临床试验表明，VDH治疗在TBI后发挥了重要的神经保护作用。VD缺乏在人群中较为普遍，且与多种创伤性脑损伤的合并症有关，如认知功能障碍、抑郁焦虑等精神疾病。因此，设计合理的观察性研究、临床病例对照实验，甚至是前瞻性队列研究来考察VDH对TBI后神经精神疾病的改善作用是十分必要的。另一方面，目前大部分学者更多的将VDR作为PROG治疗的一种辅助手段进行研究，关于VDH单体治疗与TBI及其合并症的关系还存在很多疑惑，例如：VDH对TBI疾病的神经保护分子机制研究还不够深入；VDH缺乏与TBI及其合并症之间具体关系尚未阐述清晰；VDH补充的最小剂量和安全范围等问题仍不明确等。VDH作为神经甾体，很可能成为一种颇有前景的TBI疾病治疗药物，其具有经济实惠、较易获取、不良反应少和能够长期应用等优点，有望为TBI及其合并症的治疗打开新思路。

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Review of the neuroprotective role of vitamin D in traumatic brain injury

Cui Changmeng1,Guo Xin2,Song Sixin3,Liu Zhengang2,Jiang Pei4.1Department of Neurosurgery,Affiliated Hospital of Jining Medical University,Jining 272029,China;2Graduate School in North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,China;3Department of Neurosurgery,Affiliated Hospital of Taishan Medical University,Taian 271000,China;4Institute of Clinical Pharmacy and Pharmacology,Jining First People’s Hospital,Jining 272029,China

Jiang Pei,Email:jiangpeicsu@sina.com

Traumatic brain injury (TBI),one of the most common diseases of neurosurgery, remains high mortality and disability in the population under 45 years.TBI patients suffer permanent cognitive neurological and psychological disabilities.In recent years,basic and clinical experiments have shown that the active form of vitamin D3(vitamin D hormone,VDH)treatment can improve TBI-induced cognitive impairment and mental disorders.Therefore,in this paper,we focused on the physiological role of vitamin D and the possible mechanism of VDH supplementation following TBI.

Vitamin D;Traumatic brain injury;Treatment

2017-05-03）

（本文编辑：张丽）

10.3877/cma.j.issn.2095-9141.2017.03.012

2016年度国家自然科学基金项目（81602846）

272029 济宁，济宁医学院附属医院神经外科1；063000 唐山，华北理工大学研究生学院2；271000 泰安，泰山医学院附属医院神经外科3；272029 济宁市第一人民医院临床药学科4

江沛，Email：jiangpeicsu@sina.com

崔昌萌,郭鑫,宋思新,等.维生素 D在创伤性脑损伤中神经保护作用的研究进展[J/CD].中华神经创伤外科电子杂志,2017,3(3)：175-178.