Huidige inzichten in de preventie van
neuralebuisdefecten door foliumzuur supplementatie
Karlijn van Benthem, s1863428 Rijksuniversiteit Groningen 10-7-2013
Inhoudsopgave
Abstract 2
Introductie 3
Neurale buis sluiting 5
Neurale buis defecten (NTD) 7
Een-koolstof metabolisme foliumzuur 9
DNA methylatie 11
Folaat transport mechanismen 12
Autolichamen tegen de folaat receptor 1 en homocysteïne 13
Diermodellen 15
Folaat transport mechanismen 15
Cart1 muismodel 17
Cited2 muismodel 17
Splotch muismodel 18
Conclusie 19
Referenties 21
Abstract
Foliumzuur supplementatie wordt wereldwijd meer dan twintig jaar geadviseerd om het risico op een ontwikkelend embryo met een neuraalbuisdefect (NTD) te reduceren. Echter, het mechanisme achter het voorkomen van NTD door foliumzuur blijft tot op heden grotendeels onbekend. In dit review worden de huidige inzichten in de preventieve werking van foliumzuur op het ontwikkelen van een embryo met NTD besproken.
Het cellulaire een-koolstof metabolisme is betrokken in de novo synthese van DNA
bouwstenen, aminozuur metabolisme en DNA methylatie processen. In het humane embryo is celgroei, differentiatie en ontwikkeling cruciaal voor een reguliere ontwikkeling. Disbalansen in bijbehorende reacties initiëren processen in het humane embryo die resulteren in NTD.
Het primaire mechanisme voor folaat afgifte in de humane cel is afhankelijk van folaat transport eiwitten. Aangezien disfuncties in het transport van maternaal folaat over de placenta of in de eiwitten die betrokken zijn bij het folaat transport in het embryo, een cellulair tekort aan foliumzuur tot gevolg hebben, biedt dit onderzoeksgebied
wetenschappers veel mogelijkheden wat betreft het ontstaan van NTD. Eenzelfde cellulair tekort aan foliumzuur treedt op bij de recente ontdekking van maternale autoantilichamen tegen de folaat receptor.
Evidentie dat gebeurtenissen in neuralebuissluiting sterk bewaard zijn gebleven tussen muizen en mensen, maken de muis een waardevol modelsysteem voor het bestuderen van effecten van foliumzuur op de humane neurulatie. Een selecte groep muismutanten verschaft tot dusver aanvullende informatie voor de mechanistische werking van foliumzuur.
Foliumzuur lijkt een directe of indirecte invloed uit te oefenen op de neuralebuissluiting in Cart1, Cited2 en Splotch muismodellen, mogelijk via verminderde apoptose in het
ontwikkelende brein of via verhoogde cel proliferatie. Ondanks een niet aangetoonde directe associatie tussen neuralebuissluiting en foliumzuur supplementatie valt te concluderen dat foliumzuur het voorkomen van NTD in folaat transport eiwit mutanten reduceert.
Al met al is het een prioriteit voor vervolgonderzoek om het begrip in cellulaire mechanismen van de preventieve werking van folaat op het ontstaan van NTD te verbeteren. Dit zou verregaande implicaties kunnen hebben voor het verder terugdringen van geboortes met NTD.
Introductie
Overtuigend bewijs van >20 jaar is beschikbaar over het feit dat maternale foliumzuur
supplementatie de incidentie van neuralebuisdefecten (NTD) in het ontwikkelende embryo met 70%
kan reduceren (Czeizel et al, 1992). NTD zijn ernstige congenitale malformaties in de foetus, die 0,5- 2/1000 geconstateerde zwangerschappen wereldwijd affecteren. Ze ontstaan tijdens de embryonale ontwikkeling en kunnen toegeschreven worden aan het niet goed sluiten van de neuralebuis, de voorloper van het brein en het ruggenmerg. Dergelijk bewijs van reducerend vermogen, heeft duidelijke effectieve wereldwijde aanbevelingen in foliumzuur supplementatie tot gevolg gehad.
Echter, het exacte mechanisme waarin foliumzuur zijn positieve effecten uitoefent op het embryo met betrekking tot preventie van NTD blijft vooralsnog onbekend. De sleutel in het begrijpen van humane NTD ligt in het ontrafelen van cellulaire foliumzuur interacties. Uitgesloten is dat het effect invloed uitoefent op de embryonale implantatie (Gao et al, 2012). Testen van responsiviteit van foliumzuur in genetisch gemanipuleerde diermodellen verschaffen inzichten in de exacte werking van foliumzuur.
Foliumzuur, een water-oplosbare B-vitamine, is een synthetische en stabiele vorm van de natuurlijk voorkomende folaten die worden in onder andere spinazie, droge groenten (erwten, linzen), volle granen, verscheidene vruchten (bananen en citrusvruchten) en noten (Taparia et al, 2007; Shohag et al, 2012). Folaat is betrokken in de novo synthese van de bouwstenen van DNA, de purines (adenine en guanine) en thymidylaat (een pyrimidine (thymine, cytosine, uracil) deoxynucleotide). Daarnaast, is het een essentiële factor in het aminozuren metabolisme en in DNA methylatie processen
(McNulty et al, 2013).
Vrouwen die een zwangerschap plannen worden geadviseerd om dagelijks 400μg foliumzuur in te nemen in de periconceptionele periode, de periode voor de bevruchting tot in de vroege
zwangerschap. In vrouwen met hoog-risico op het ontwikkelen van een embryo met NTD, zoals familiaire NTD of extreem roken, wordt een dagelijkse dosis van 4mg geadviseerd (Leemans, 2012).
Momenteel is er veel discussie over de vraag of vrouwen met obesitas eveneens onder de hoge risico categorie vallen en een individueel aangepaste dosis foliumzuur moeten ontvangen. Data suggereert dat distributie van folaat in het lichaam een significant veranderd effect uitoefent op zwangere vrouwen met obesitas. De hoeveelheid folaat beschikbaar voor het ontwikkelende embryo zou verminderd kunnen zijn in vrouwen met obesitas (da Silva et al, 2013). Deze bevindingen pleiten voor een BMI-aangepaste foliumzuur aanbeveling om hetzelfde reducerende effect voor NTD te
veroorzaken.
Foliumzuur supplementatie wordt doorgezet tot en met de 13e week van de zwangerschap aangezien in deze periode de neurale buis sluit. Recent onderzoek heeft aangetoond dat foliumzuur
supplementatie tijdens de resterende weken van de zwangerschap mogelijk additionele voordelen kan bieden (McNulty et al, 2013). De tijdens de zwangerschap normaal gesproken afname in folaat concentraties en de verhoging van het metaboliet met een bekend negatief effect, homocysteïne, wordt voorkomen. Additioneel onderzoek is noodzakelijk om de consequenties voor de
zwangerschap en de lange termijn effecten vast te stellen. Immers, wijzen recente onderzoeken op een mogelijk negatief effect van foliumzuur op het nageslacht. Maternaal foliumzuur inname blijkt een associatie te hebben met een korte-termijn verhoogde incidentie van allergie-gerelateerde ademhalingsstoornissen in kinderen en algehele ademhalingsstoornissen in ratten (Burdge en
Lillycrop, 2012). Daarenboven, is een hogere maternale folaat status tijdens de zwangerschap positief gecorreleerd met insuline resistentie in 6-jarige kinderen (Burdge en Lillycrop, 2012). Echter, de hoeveelheid studies is gelimiteerd en onvoldoende om de huidige aanbevelingen voor foliumzuur inname tijdens de zwangerschap te veranderen. Desondanks, is het noodzakelijk om grondig
onderzoek te verrichten naar de humane lange termijn risico’s van maternale foliumzuur supplementatie.
Hoewel foliumzuur supplementen tijdens de zwangerschap wereldwijd al meer dan twintig jaar gebruikt worden is het mechanisme waarbij foliumzuur neurale buis defecten (NTD) voorkomt grotendeels onbekend. In dit review worden de huidige inzichten in de preventieve werking van foliumzuur op het ontwikkelen van een embryo met NTD besproken. Doordat onderzoek naar preventie van NTD of embryonale letaliteit door foliumzuur in muismodellen veel aanvullende informatie heeft geleverd zullen, naast recente humane bevindingen, enkele muismodellen worden behandeld.
Neurale buis sluiting
Een bevruchte eicel deelt meerdere malen tot een blastula, een holle klomp epitheliale cellen die een holte omsluiten. In het gastrulatie proces vouwen de cellen naar binnen tot de gastrula, een
drielagige structuur inclusief het endoderm, het ectoderm en het mesoderm (Fig. 1) (Alberts et al, 2008). Het centrale zenuwstelsel ontstaat uit het ectoderm in het neurulatie proces. Het neurulatie proces is in het humane embryo voor het eerst gezien vanaf de embryonale dag 18 (E18) en op E28 is de neurale buis in een gezond embryo compleet gesloten (O’Rahilly, 1994). In de muis komt dit overeen met E7 t/m E10,5 (Gray, 2011).
Figuur 1: Deling van een bevruchte eicel tot de blastula en vervolgens tot de gastrula.
Cummings B. (2000), verkregen via:
http://www.bio.miami.edu/dana/106/106F06_10print.html
De ontwikkelingsstructuur die als basis dient van het centrale zenuwstelsel is de neurale plaat. De neurale plaat ontstaat door signalen, neurale inductie, van een onderliggend mesodermale structuur, de notochord (Fig. 2a) (Alberts et al, 2008). Aansluitend hieraan transformeren cellen uit het
ectoderm naar de dorsale middenlijn van het embryo. Lateraal aan de neurale plaat, vormt het ectoderm een dunne epitheliale laag, wat in een latere fase ontwikkelt tot epidermis (Copp et al, 1990).
Na voltooiing van de neurale plaat ontstaat de eerste morfologische verandering. De uiteinden van de neurale plaat buigen naar elkaar toe, waardoor de neurale plaat wordt verdeeld in bilaterale symmetrische regio’s (Fig. 2b). De laterale regio’s verhogen vervolgens door intrinsieke neuro- ectodermale cel bewegingen om een verticale verhoging van neuro-epitheel te creëren die de neurale vouwingen vormen (Fig. 2c). Deze vouwing continueert zich, met verdieping van de groeve en verwijding in de dorsolaterale regio (Fig. 2d), totdat de oorspronkelijk tegenovergestelde kanten van de neurale plaat naast elkaar komen te liggen en fuseren (Fig. 2e). Zodra de buis gesloten is wordt de dorsale middenlijn hersteld om het binnenste neuro-ectoderm te scheiden van de buitenste laag (Fig. 2f) (Yamacuchi et al, 2012). Het sluiten van de neurale buis start in de cervicale regio, in het midden van het embryo. Vanuit hier verspreidt de sluiting zich in craniale en caudale richting (Fig. 3).
Figuur 2: Morfologische veranderingen van de neurale plaat tot de neurale buis.
Yamacuchi Y et al. (2012), verkregen via: How to form and close the brain: insights into the mechanism of cranial neural tube closure in mammals. Cell Mol Life Sci
Figuur 3: 3D-weergave van de
neuralebuissluiting met de daarbij behorende dwarsdoorsnedes in het humane embryo van cervicaal verspreidt naar craniaal en caudaal.
Verkregen via:
http://www.studyblue.com/notes/note/n/gastrulation-- neurulation/deck/2689656
Neurale buis defecten (NTD)
Indien het ingewikkelde proces van neuralebuissluiting niet volbracht wordt, blijft een gedeelte van de neurale buis geopend en ontwikkelen er neuralebuisdefecten (NTD). Neuralebuisdefecten vormen de meest frequente ondervonden groep van ernstige congenitale anomalieën van het centrale zenuwstelsel (0,5-2/1000 geaffecteerde zwangerschappen). De drie voornaamste types malformaties die ontstaan zijn, anencefalie/exencefalie, spina bifida en encefalocele. De eerste twee omvatten 95% van alle NTD en encefalocele 5%. (Yamacuchi et al, 2012; Poe et al, 1989).
Bij mislukte craniale sluiting ontstaat anencefalie, een extreme malformatie onverenigbaar met postnatale overleving (Fig. 4) . De schedel is grotendeels of totaal afwezig (acranie) en de frontale, parietale en occipitale botten zijn uitsluitend aanwezig in een rudimentaire vorm. Van het brein kunnen slechts primordiale restanten van de hersenstam en basale ganglia herkend worden (Copp et al, 1990). Dit sluit de mogelijkheid op bewuste reacties en autonome functies, zoals ademhalen, van het embryo permanent uit. Het craniale defect kan zich uitbreiden over de gehele lengte van het ruggenmerg (craniorachischisis) of kan, vaker voorkomend, samengaan met spina bifida (Poe LB et al, 1989). Exencefalie is een eveneens letaal NTD waarin het brein zich buiten de schedel bevindt (Fig.
5). Wanneer een exencefalische zwangerschap zich voortzet, degenereert het neurale weefsel door de aanwezigheid van een groot aantal macrofagen in de foetale circulatie en het vruchtwater, met anencefalie tot gevolg. Deze cellulaire reactie kan geïdentificeerd worden met een
vruchtwaterpunctie en is nuttig in prenatale diagnose (Wilkinsh et al, 1991). Ultrasound in de zwangerschap laat een steeds minder uitstekende cerebrale massa zien, hoewel deze conditie vaak onopgemerkt blijft (Copp et al, 1990). Opvallend is dat vrouwelijke foetussen vaker anencefalie vertonen maar de reden voor dit gegeven blijft tot op heden onbekend (Poe et al, 1989).
Figuur 4: Anencefalie in geboren embryo.
Vera AR. (2004), verkregen via:
http://emedicalppt.blogspot.nl/2011/04/anencephaly.html
Figuur 5: Exencefalie in embryo.
Agamanolis DP (2012), verkregen via:
http://neuropathology-web.org/chapter11/chapter11bNTD.html
Spina bifida, ofwel open-rug, is het gevolg van het niet goed sluiten van caudale neurale buis
(Yamacuchi et al, 2012). Wanneer er geen uitstekend weefsel aanwezig is in het defect en het wordt bedekt door normale huid, wordt de term spina bifida occulta toegepast (Fig. 6a). Indien het defect een uitstekende ‘zak’ vormt, gebruikt men de term spina bifida cystica (Fig. 6b). Laatstgenoemde, is een ernstige malformatie waar normaal gesproken met spina bifida naar gerefereerd wordt (Poe et al, 1989). Wanneer de ‘zak’ formatie cerebrospinale vloeistof bevat en uitstekend hersenvlies weefsel, maar geen neurale elementen, wordt het aangeduid als myelomeningocele (Fig. 6c).
Occasioneel bevindt zich er geen beschermend membraan om de spina bifida en is de neurale buis compleet open, niet bedekt door huid of vliezen, het defect stelt het centrale kanaal van het merg tentoon, myeloschisis genoemd (Fig. 6d). Vormen van spina bifida cystica leiden frequent tot een neonatale dood. Slechts een-derde bereikt de vijf jaar en 5-10% is in staat om een compleet normaal leven te volgen. Chirurgische behandeling omvat het direct sluiten van het defect door
huidtransplantatie, insertie van shunts en operaties om urinaire en intestinale obstructie te verminderen. Desondanks, bevatten vele overlevenden paralyse van de onderste extremiteiten, urinaire en fecale incontinentie, mentale retardatie, focale neurologische schade en hydrocefalus (waterhoofd) (Poe et al, 1989). Spina bifida is lastig te diagnosticeren met ultrasound (Copp et al, 2010).
Figuur 6: Verschillende vormen van Spina Bifida.
Vigilar MV. (2013), Verkregen via:
http://www.personal.psu.edu/mgv5030/blogs/pla /2013/04/where-do-we-go-now.html
Een encefalocele is een hernia-achtige uitsteeksel van hersenvliezen en/of hersenweefsel door een craniale opening (Fig. 7). Encefaloceles veroorzaken een gleuf in het midden van de schelden of tussen het voorhoofd en de neus of aan de achterkant van de schedel. Het occipitale bot is hier vaak bij betrokken. Vele betrokken zuigelingen overleven deze aandoening niet, ondanks chirurgische behandeling, en overlevenden bezitten doorgaans serieuze neurologische handicappen (Copp et al, 2010). Evenals spina bifida is encefalocele lastig te identificeren door ultrasound tijdens de
zwangerschap (Copp et al, 1990). De laatste jaren zijn vraagtekens gezet bij de classificatie van encefalocele als NTD maar wetenschappelijk onderzoek heeft laten zien dat de karakteristieken meer vergelijkingen dan verschillen vertonen met spina bifida en anencefalie (Rowland et al, 2006).
Figuur 7: Groot encefalocele van een pasgeborene.
Verkregen via:
http://en.wikipedia.org/wiki/Encephalocele
Verschillende risicofactoren zijn bekend, of zeer aannemelijk, dat ze de kans op een ontwikkelend embryo met NTD verhogen, hieronder valt een vrouwelijke zuigeling en familie geschiedenis van NTD, alsmede maternale Hispanische etniciteit, obesitas, folaat status, diabetes voor de
zwangerschap, zwangerschapdiabetes, anti-epileptica en hot tub en sauna gebruik (Agopian et al, 2013). Deze bekende risicofactoren vormen ongeveer 28% van de spina bifida risico en 44% van het anencefalie risico. (Duong et al, 2011; Werler et al, 2011). NTD preventie moet zich om deze reden richten op het verminderen van obesitas onder vrouwen en verhoogde voedsel foliumzuur inname en foliumzuur supplementatie. In China zijn bijvoorbeeld 19,6% van de mensen foliumzuur deficiënt en dit is geassocieerd met sterk verhoogde geboortecijfers van NTD (14/1000 geaffecteerde
zwangerschappen). Door middel van foliumzuur inname van 400 µg per dag en eten van
foliumzuurrijk voedsel kan het aantal met 85% gereduceerd worden (Shohag et al, 2012). Ondanks deze bekende risicofactoren valt 70% van de geboortes met NTD niet onder de bekende
risicofactoren. Gebaseerd op de hoge erfelijkheid graad en het hoge risico op een herhaalde zwangerschap met NTD is het aannemelijk dat een fikse proportie van NTD te wijten is aan
genetische factoren. Desalniettemin, zijn tot dusver geen NTD inducerende genen vastgesteld in de mens (Shohag et al, 2012). Om verdere aandelen van de ziekte te ontrafelen, die niet verklaard kunnen worden door de bekende risicofactoren, is het essentieel dat onderzoek zich richt op het identificeren van nieuwe genetische risicofactoren.
Een-koolstof metabolisme foliumzuur
Het cellulaire een-koolstof metabolisme is cruciaal voor celgroei, differentiatie en ontwikkeling. Het is een netwerk van met elkaar verbonden biochemische reacties waarbij een koolstof groep van het ene molecuul naar het andere wordt overgezet. Het een-koolstof metabolisme bestaat uit de
methylatie- en de folaat cyclus (Fig. 8). Wetenschappelijk onderzoek toont de essentie van deze cycli in de humane craniale neuralebuissluiting, aangezien inhibitie de neuralebuissluiting tegengaat of vertraagd (Anderson et al, 2012).
In het cellulaire een-koolstof metabolisme wordt folaat omgezet tot dihydrofolaat (DHF) en vervolgens tot tetrahydrofolaat (THF), die dient als een koolstof donor in de vorming van 5,10- Methyleen THF (Fig. 8). Dit wordt of gebruikt voor de vorming van purines en pyrimidines, wat noodzakelijk is voor celdivisie, of het wordt omgezet tot 5-Methyl THF wat gebruikt wordt om homocysteïne om te zetten tot het aminozuur methionine (Taparia et al , 2007; Finkelstein, 1998).
Laatstgenoemde reactie is folaat afhankelijk en wordt gekatalyseerd door een methyltransferase.
Veel van het methionine wordt omgezet tot de universele methyl groep donor S-adenosylmethionine (SAM), dit wordt gebruikt in meer dan 100 reacties inclusief methylatie van DNA, eiwitten en
fosfolipiden. In een transsulfuratie stap kan homocysteïne worden omgezet tot het aminozuur cysteïne. Defecten in deze reacties initiëren processen die leiden tot NTD (Anderson et al, 2012).
Figuur 8: Betrokkenheid van folaat in het een-koolstof metabolisme.
Anderson OS et al. (2012), verkregen via Nutrition and epigenetics: an interplay of dietary methyl donors, one-carbon metabolism and DNA methylation.
Journal of Nutritional Biochemistry
Verlaagde folaat opname resulteert in hoger circulerende concentraties van homocysteïne,
hyperhomocysteïnemie (Solanky et al, 2010). Hyperhomocysteïnemie is geassocieerd met verhoogde risico’s in enkele zwangerschap complicaties, inclusief NTD, pre-eclampsie, placenta abruptie, miskramen, laag geboorte gewicht en verstoorde groei. Moeders met kinderen met NTD tonen verhoogde post-natale homocysteïne concentraties en foliumzuur kan deze hoge waardes reduceren (Taparia et al, 2007). Daarenboven, is duidelijk geworden dat foliumzuur de bepalende factor in de homocysteïne concentraties is (McNulty et al, 2013).
Cel proliferatie en/of cel overleving zijn afhankelijk van de voortzetting van DNA synthese, eiwit en lipide methylatie en deze effecten worden door folaat supplementatie en zodoende het een-koolstof metabolisme ondersteund (Copp en Greene, 2010). In NTD worden verhoogde apoptose waardes aangetroffen en wordt er verminderde cel proliferatie in het embryo geobserveerd. Op deze manier kan het voordelige effect van folaat op cellen ingepast worden in een mogelijkheid om NTD te voorkomen (Copp en Greene, 2010).
DNA methylatie
DNA-methylatie is een epigenetische modificatie van het genoom dat een essentiële rol speelt in transcriptionele regulatie, X-chromosoom inactivatie, genetische inprinting, weefsel-specifieke gen expressie en chromosomale stabiliteit in eukaryoten (Bird, 2002). Insgelijks, is het essentieel voor embryogenese en normale foetale ontwikkeling (Bird, 2002). DNA methylatie profielen in zoogdieren zijn weefsel-specifiek. Genetische methylatie patronen worden verwijderd in het vroege embryo, hervormt in een cel- of weefselspecifiek patroon wanneer de embryogenese vervolgt en blijven grotendeels onveranderd in volwassen cellen.
Steeds meer wetenschappelijke studies tonen het bewijs dat DNA methylatie veranderingen in het nageslacht kunnen induceren in respons op maternale voeding en dat deze veranderingen
geassocieerd zijn met veranderingen in gen expressie en het fenotype van de nakomelingen (McKay et al, 2011). Omdat folaat een belangrijke bron van methylgroepen levert voor de synthese van SAM, de universele methyl donor, is gesuggereerd dat lage folaat-geïnduceerde afwijkende patronen van methylatie een oorzakelijke rol spelen in NTD (Blom, 2009).
SAM is de hoofdzakelijke methyl donor in vele biochemische reacties, inclusief de methylatie van cytosine in DNA. Humane en dierstudies suggereren dat folaat status de globale patronen van DNA methylatie beïnvloedt (Rampersaud et al, 2000). Samenhangend met dit verhogen suppressie van het een-koolstof metabolisme of onvoldoende methionine inname, de incidentie van NTD (Dunlevy et al, 2006; Shoob et al, 2001). Verminderde DNA methylatie is eveneens geassocieerd met
onvolledige sluiting van de neurale buis in rat embryo’s (Rampersaud et al, 2000). Folaat deficiëntie zou dus het risico van NTD kunnen verhogen door DNA methylatie te verlagen.
Zoogdier DNA methyltransferases (Dnmts) katalyseren DNA methylatie waarbij SAM als methyl donor dient. Eliminatie van bepaalde Dnmts reduceren DNA methylatie in embryo’s en veroorzaken
embryonale letaliteit in muizen (Li et al, 1992). Dier studies hebben een link gelegd tussen afwijkende DNA methylatie en NTD en de hoeveelheid DNA methylatie in zoogdieren DNA is gereguleerd in een weefsel-specifieke manier (Afman et al, 2005). In oudere vrouwen is aangetoond dat lage foliumzuur inname geassocieerd is met globale DNA hypomethylatie, wat teruggedraaid kan worden door foliumzuur supplementatie (Schiepers et al, 2011). Om deze reden kan veronderstelt worden dan DNA methylatie in mensen eveneens leidt tot veranderde genexpressie tijdens de embryonale ontwikkeling, wat vervolgens ontwikkelingsdefecten zoals malformaties van foetale neurale
structuren veroorzaakt. Hypomethylatie in de neurale ontwikkeling zou afwijkende expressie van een of meer genen die noodzakelijk zijn voor neurulatie tot gevolg kunnen hebben. Samenhangend met dit idee zou verstoring van Dnmt tijdens de embryonale ontwikkeling NTD kunnen veroorzaken.
Dergelijke effecten in mensen moeten uitvoerig worden onderzocht.
Opvallend is dat stimulatie van specifieke DNA-methylatie op genen eveneens een mogelijk negatief resultaat van foliumzuur supplementatie teweeg zou kunnen brengen. Verstoring of modificatie van het inprinten van het humane genoom door DNA-methylatie heeft in een humane studie
geresulteerd in klinisch significante fenotypen inclusief diabetes en obesitas (Haggarty et al, 2013).
Hoyo en collega’s (2011) hebben hypomethylatie van het IGF2 gen gedemonstreerd. Deze uitkomsten zouden om deze reden het gevolg kunnen zijn van methylatie variaties in IGF2 regio’s aangezien IGF2 de ontwikkeling van de pancreas bèta cellen induceert en obesitas reeds
geassocieerd is met weefsel specifieke veranderingen in DNA methylatie van IGF2 (Chen et al, 2012).
Echter, de hoeveelheid studies is gelimiteerd en verder wetenschappelijk onderzoek moet deze feiten ondersteunen en verder uitdiepen.
Folaat transport mechanismen
Aangezien zoogdiercellen niet in staat zijn om folaat de novo te synthetiseren spelen de transport mechanismen gerelateerd aan de carriers en receptoren een belangrijke rol in de distributie van folaat in de weefsels. Wetenschappelijk onderzoek levert voortdurend aanvullende informatie over het functioneren van de folaat transport mechanismen. Dit is van groot belang voor NTD omdat disfunctie van routes in het folaat transport mechanisme sterk geassocieerd zijn met NTD (Harris, 2009; Gelineau-van Waes et al, 2008; Birn et al, 2005; Hansen et al, 2003).
Het primaire mechanisme voor folaat afgifte in de humane cel is afhankelijk van de reduced folate carrier (RFC1) en/of de folaat bindingseiwitten (FBP) (Birn et al, 2005). RFC-1 komt in volwassen weefsel tot expressie in de vili van de dunne en dikke darm, in het basolaterale membraan van renaal tubulair epitheel, in hepatocyten, in de choroid plexus en in retinaal pigment epitheel (Gelineau-van Waes et al, 2008). Van de FBP’s zijn minstens drie isovormen geïdentificeerd. De
glycosylfosfatidylinositol (GPI)-gebonden, membraan geassocieerde folaat 1 en 2 receptoren (Folr1, Folr2), deze komen hoog tot expressie in bepaalde epitheliale weefsels. En als laatst een door de cel gesecreteerd oplosbaar eiwit (Folr3) die in serum en andere biologische vloeistoffen, zoals melk, speeksel en semen, voorkomt (Birn et al, 2005; Gelineau-van Waes et al, 2008; Michelle et al, 2010).
Folaat transport over de humane placenta vindt plaats door middel van folaat transporters, die een hogere concentratie folaat in de foetus ten opzicht van de moeder teweeg brengen (Tamura en Picciano, 2006). Het initiële model vergt binding van folaat aan Folr1, gelokaliseerd op de maternale kant van het micro-villi plasmamembraan (MVM) op de syncytiotrofoblast, wat wordt gevolgd door receptor-gemedieerde endocytose en vervolgens efflux in het basale plasmamembraan (BM) van de foetus via de RFC1 (Ganapathy, 2004). Echter, is dit model recent aangepast door de ontdekking van een proton-gekoppelde, hoge-affiniteit folaat transporteur (PCFT) (Zhao, 2009), die tot expressie komt in de humane placenta en betrokken is bij folaat transport over de placenta (Solankky et al, 2010).
Solanky en collega’s (2010) hebben een nieuw model opgezet, gebaseerd op ondervonden
wetenschappelijk bewijs (Fig. 9). De Folr1 (FRα) op het MVM oppervlakte bindt 5-MTHF (folaat). Co- localisatie van Folr1 en PCTF op het MVM zorgt voor de internalisatie van beide tranporters in een endosomale structuur. Door verzuring in het endosoom ontstaat een gunstige H+ gradiënt wat H+
gekoppelde beweging van folaat door PCFT in het cytoplasma mogelijk maakt. Folr1 en PCFT worden vervolgens gerecycled naar het MVM oppervlak. RFC1 op het MVM oppervlak verzorgt een
alternatief folaat opname mechanisme waarvan de exacte mechanismen uitgebreid moeten worden onderzocht. Efflux over het BM betreft een uitwisselingsmechanisme door de RFC1. Aanvullend onderzoek moet de rol van andere transport mechanismen gelokaliseerd in het BM met betrekking tot het transport van folaat over het plasmamembraan uitwijzen.
Figuur 9: Model voor folaat transport over de humane placenta.
FRα=Folaat receptor 1
MVM= micro-villi plasmamembraan BM= basale plasmamembraan
PCFT= proton-gekoppelde, hoge-affiniteit folaat transporteur
Solanky et al. (2010)
Verkregen via: Expression of folate transporters in human placenta and implications for homocysteine metabolism. Placenta
Farkas en collega’s (2013), hebben weefsel-specifieke verschillen in DNA methylatie regio’s geïdentificeerd in de placenta van zwangere vrouwen met NTD, in de drie bovenstaande folaat transport genen Folr1, RFC1 en PCFT (Fig. 9). Folr1 en RFC1 genen tonen eveneens een omgekeerde relatie tussen DNA methylatie en aanwezigheid van mRNA. Dit impliceert dat de folaat transport mechanismen over de placenta een essentiële rol vervullen in een normale embryonale ontwikkeling en dat afwijkingen in het mechanisme, door onder andere DNA methylatie, geassocieerd zijn met NTD.
Een ander transport mechanisme over de placenta wordt mogelijkerwijs gereguleerd via cubiline en megaline. Cubiline en megaline zijn celoppervlak eiwitten die tot expressie komen in de embryonale blastocyst en samenwerken om endocytose van lipo-proteïnen en vitamine complexen, zoals folaat en vitamine B12, te mediëren (Moestrup en Verroust, 2001; Moestrup, 2006). Megaline (Lrp2) is een lipo-proteïne receptor-gerelateerd eiwit dat tot coexpressie komt met cubiline in veel absorberend epitheel (bv. neuro-epitheel en de dooierzaak) van het ontwikkelende embryo. Het bindt vele liganden, waaronder het oplosbare FBP-1 (Folr1) (Barth en Argraves, 2001; Christensen en Birn, 2002). In de afwezigheid van RFC1 zou de primaire route van folaat opname in het endoderm van de dooierzak daarom via de GPI-gebonden folaat receptor, Folr1, of via de oplosbare vorm van de folaat receptor gebonden aan megaline plaatsvinden (Birn et al, 2005).
Autoantilichamen tegen de folaat receptor 1 en homocysteïne
Autoantilichamen tegen de Folr1 zijn aanwezig in het serum van vrouwen met een gecompliceerde zwangerschap door NTD. Deze maternale autoantilichamen binden eveneens aan de Folr1 aanwezig op de placenta en remmen de binding en dus het transport van foliumzuur van de moeder naar het ontwikkelende embryo (Boyles et al, 2011).
Onduidelijkheid bestaat over de associatie tussen verhoogde hoeveelheid antilichamen tegen Folr1 en een foetus geaffecteerd met NTD. Boyles et al. (2011) toont opvallende significante resultaten die een positieve associatie tonen. Daarentegen, ondersteunen resultaten gepubliceerd door Bliek et al.
(2006) en Molloy et al. (2009) deze wetenschappelijke feiten niet. Een verklaring voor deze verschillen zou kunnen liggen in de periode van bloedafname. Molloy et al. (2009) en Bliek et al.
(2006) hebben maternale bloedwaardes na de zwangerschap geïnspecteerd terwijl Boyles et al.
(2011) deze metingen tijdens de zwangerschap heeft uitgevoerd. Beide periodes moeten worden meegenomen om uitsluitsel over deze associatie te geven.
Uitgaande van een positieve correlatie, is niet vastgesteld of maternale inhibitie van foliumzuurbinding aan Folr1 leidt tot een verhoogd risico op een kind met NTD, of dat een
zwangerschap reeds geaffecteerd door een NTD de oorzaak is voor het ontwikkelen van antilichamen in het maternale serum die foliumzuurbinding aan Folr1 remmen. Maternaal bloed voor de
zwangerschap moet in vervolgonderzoek getest worden om hier duidelijkheid over te scheppen.
In een hypothese, waarin wordt uitgegaan dat de aanwezigheid van maternale autoantilichamen de oorzaak is voor het ontwikkelen van NTD, wordt er een verband gelegd tussen de maternale
homocysteïne concentraties en het ontstaan van de maternale autoantilichamen (Jakubowski, 2006;
Undas et al, 2004). Naast de omzetting van homocysteïne tot methionine (Fig. 8) wordt
homocysteïne ook gemetaboliseerd tot een reactief thiolactoon (Fig. 10) (Perla, 2004). Het enzym methionyl tRNA synthetase kataboliseert deze reactie, zodat de verkeerde incorporatie van homocysteïne in een ander eiwit dan methionine wordt voorkomen (Perla, 2004).
Figuur 10: Omzetting van homocysteïne tot een
gehomocysteïnyleerd eiwit die immunogeen is en een imuunrespons uitlokt.
Zelf gemaakt
Normaal gesproken gaan lage folaat concentraties gepaard met hyperhomocysteïnie (Solanky et al, 2010). Wanneer de methionine synthase activiteit of remethylatie wordt geremd door folaat of vitamine B12 deficiëntie (Fig. 8), wordt bijna al het homocysteïne omgezet tot thiolacton. Thiolacton reageert op zijn beurt met de lysine residuen van cellulaire en extracellulaire eiwitten, wat additie tot een beschadigd eiwit met een veranderde functie veroorzaakt, een lysine-gehomocysteïnyleerd-eiwit (Fig. 10). Het is aannemelijk dat dergelijke gehomocysteïnyleerde-eiwitten herkend worden als niet- zelf antigenen en een auto-immuun respons oproepen (Boyles et al, 2011; Jakubowski, 2006). Indien de geaffecteerde eiwitten betrokken zijn bij cruciale cellulaire functies kan dit bijdragen aan onder andere NTD. IgG en IgM autoantilichamen tegen gehomocysteïnyleerde hemoglobine en albumine zijn reeds aangetoond (Jakubowski, 2006).
Homocysteïne
Met tRNA synthetase Homocysteïne thiolactone
Gehomocysteïnyleerde folaat receptor
Autoimmuunreactie
Productie van autoantilichaam
Verminderd folaat transport
Geboorte defecten
Antigen specifieke testen waarin lysine-gehomocyteïnleerde-eiwitten zijn gebruikt hebben laten zien het menselijke IgG autoantilichaam deze eiwitten herkend (Undas et al, 2004; Perla, 2004). Dit wekt de suggeratie dat elk eiwit met een lysine-gehomocyteïnleerde-eiwitten immunogeen is in de mens en homocysteïnylatie van de folaat receptor kan niet worden uitgesloten. In feite is het een
aannemelijke gedachte achter het risico van lage folaat concentraties, immers zijn serum levels van anti-homocysteïnylatie-eiwit direct gecorreleerd met de totale hoeveelheid homocysteïne
(Jakobowski, 2006; Undas et al, 2004).
Foliumzuur transport van de maternale bloedcirculatie naar het ontwikkelende embryo via Folr1 kan zodoende geblokkeerd worden door een autoantilichaam dat ontstaat door een lysine-
gehomocysteïnyleerd-eiwit en NTD induceren. Autoantilichamen voor de overige folaat receptoren zijn tot dusver onbekend. Het verder specificeren van het mechanisme achter het ontstaan van de autoantilichamen tegen de folaat receptoren, wat resulteert in een verlaagde folaat concentratie in de foetus, is van belang voor het verder terugdringen van de hoeveelheid NTD.
Diermodellen
De vraag of foliumzuur supplementatie een positief effect uitoefent op een NTD muismutant kan bijzonder relevant zijn voor het begrip achter de cellulaire mechanismen rondom NTD. Ondanks dit gegeven zijn slechts enkele, van de meer dan 200 bestaande NTD genetische mutanten en knockouts, getest op de gevoeligheid voor foliumzuur. Een selecte groep verschaft tot dusver aanvullende informatie voor de mechanistische werking van foliumzuur (Lakhwani et al, 2010, Harris, 2009). In de Cart1, Cited2 en Splotch 2H diermodellen codeert het gen voor een transcriptioneel regulator eiwit en is er geen bewijs van embryonale letaliteit voorafgaand het stadium van neurale buis sluiting zodat foliumzuur een directe of indirecte invloed lijkt uit te oefenen op het proces van neurale buis sluiting (Lakhwani et al, 2010; Harris, 2009). Tegengesteld aan deze diermodellen zijn de folaat transport eiwit mutanten, tot op heden heeft wetenschappelijk onderzoek geen aanwijzingen voor een directe associatie tussen neurale buis sluiting en het toedienen van foliumzuur (Harris, 2009).
Echter, beschikt foliumzuur supplementatie in deze diermodellen wel over de mogelijkheid de kwaliteit van het dier in andere opzichten te verbeteren.
Alle onderstaande resultaten in de diermodellen moeten echter wel sceptisch bekeken worden. De menselijke orale dosis van 4 mg/dag foliumzuur resulteert, in een vrouw met een gewicht van 70 kg, in een dosis van 0,06 mg/kg/dag. De minimale gebruikte foliumzuur dosering in onderstaande folaat responsieve muis mutanten is 3mg/kg/dag. Een dosering wat 50 keer hoger ligts dan de humane waarde. Grootschalig onderzoek moet uitwijzen wat een overeenkomstige dosering in de verscheidene muismodellen, welk effect deze reële dosering in muizen teweeg brengt en wat de voornaamste humane dosering is.
Folaat transport eiwit mutanten
Ondanks disfuncties in folaat transportmechanismen, die op alle niveaus tijdens de embryonale ontwikkeling kunnen optreden, geven deze homozygote knockout diermodellen inzicht in de essentie van de verschillende transporteiwitten tijdens de embryonale ontwikkeling.
RFC1
De voornaamste route van folaat transport in zoogdiercellen is via RFC1, een bidirectionele
transporter die gekarakteriseerd wordt door 12 transmembraan domeinen (Matherly en Goldman, 2003; Sirotnak en Tolner, 1999). RFC1 transporteert bij voorkeur de natuurlijke circulerende folaten (reduced folaten), zoals N(5)-methyltetrahydrofolaat of N(5)-formyltatrahydrofolaat.
Nulzygoten, gen knockouts zonder eiwit functie van het desbetreffende gen, met een inactief RFC1 gen sterven kort na implantatie, rond E6,5, voor het proces van neurale buis sluiting (Zhao et al, 2001; Ma et al, 2005; Gelineau-van Waes et al, 2008; Harris, 2008). Zhao et al (2001) rekende de postnatale mortaliteit van RFC1 knockout muizen toe aan verstoorde erytropoëse maar bevindingen van Gelineau-van Waes en zijn collega’s (2008) tonen eveneens cardio-pulmonaire congenitale malformaties in RFC1 nul embryo’s, die ongetwijfeld de mogelijkheid tot overleving beperken.
De duur en kwaliteit van overleving van de RFC1 knockout muizen, na foliumzuur toediening voor en tijdens de zwangerschap, is sterk afhankelijk van de gebruikte dosering. Maternale folaat
supplementatie van 25 mg/kg/dag verlengt de embryonale levensduur tot E11 met fenotypisch falen in placenta vorming, duidelijk afneembare erytropoëse en geen neurale buis sluiting (Zhao et al, 2001; Gelineau-van Waes et al, 2008; Harris, 2009). Door verhoogde toediening van foliumzuur, 50 mg/kg/dag, is de ontwikkeling van 22% van de knockout embryo’s verlengd en vindt er sluiting van de neurale buis plaats. Bijkomende malformaties van de overleefde foetussen ontstaan en de huidige malformaties verergeren (Gelineau-van Waes et al, 2008). Dit impliceert dat opname van foliumzuur in de cellen door de RFC1 essentieel is voor de ontwikkeling van de neurale buis. Alles samennemend speelt foliumzuur naast neurulatie eveneens een kritische rol tijdens de vroege postimplantatie periode, initiatie van gastrulatie, vorming van de placenta en erytropoëse.
Folr1
Folaat deficiëntie door middel van een folaat-deficiënt dieet voorafgaand aan paring is onvoldoende om NTD te veroorzaken in muizen (Burgoon et al, 2002). Residuaal folaat is waarschijnlijk voldoende voor overleving van het embryo aangezien genetische uitschakeling van het FBP-1, wat allicht verdere folaat deficiëntie veroorzaakt, resulteert in een ernstig vertraagde groei en een niet- ontwikkelde neurale buis sluiting op E10 (Piedrahita et al, 1999). De niet gesloten neurale buis kan een niet-specifiek kenmerk zijn van een disfunctioneel embryo. Alhoewel, na redding van de embryo’s door foliumzuur supplementatie (25 mg/kg/dag, voorafgaand aan en tijdens de
zwangerschap), overleven de meeste homozygoten tot E18 en bezit 20-30% exencefalie, naast de andere defecten aan het embryo (Finnel et al, 2002; Spiegelstein et al, 2004).
Folr1 mRNA bevat een specifiek expressie patroon in het neuro epitheel van de craniale neurale vouwingen tijdens sluiting van de neurale buis (Saitsu et al, 2003). In veel NTD mutanten, leidt de verminderde verhoging van de middenbrein neurale vouwingen tot exencefalie (Harris en Juriloff, 2007). De anencefalie aanwezig in folaat behandelde Folr1 embryo´s gecombineerd met het specifieke Folr1 expressie domein suggereert dat deficiëntie van binnenkomend folaat in de cellen bijdraagt aan de niet gesloten craniale neurale buis (Spiegelstein et al, 2004). Een essentiële rol voor Folr1 en zodoende folaat deficiëntie in neurale buissluiting wordt eveneens ondersteund door het ontstaan van NTD na toevoeging van complementaire strengen aan het Folr1 mRNA aan muis embryo’s (Hansen et al, 2003).
Folr2
Onbehandelde knockout muizen voor Folr2 worden normaal geboren, vitaal en vruchtbaar als nestgenoten. Dit impliceert een minder schadelijk effect op het ontstaan van NTD dan Folr1 nulzygoten, door een verminderde affiniteit van deze receptor voor folaten en een ander
werkingsmechanisme dan de overige folaat transport eiwitten (Piedrahita et al, 1999). Het exacte mechanisme en de rol tijdens de embryogenese achter de Folr2 moet uitvoerig wetenschappelijk onderzoek uitwijzen.
Folr3
Tot op heden is er matige informatie beschikbaar wat betreft de functie Folr3 in folaat transport in de foetus. De studie van Michelle en collega’s (2010) is de eerste studie die de associatie legt tussen het ontstaan van NTD en het Folr3 gen. Resultaten moeten kritisch worden bekeken door het gebruik van een populatie met verscheidene etniciteiten. Ondersteuning door aanvullend wetenschappelijk onderzoek waarin hetzelfde effect wordt geconstateerd in een onafhankelijke populatie is
noodzakelijk. Wanneer dezelfde variaties worden vastgesteld moet een functionele studie opgezet worden om de biologische rol van Folr3 vast te stellen.
Cart1 muismodel
Het Cart1 gen codeert voor kraakbeen homeo eiwit1, dit bevat een DNA-bindingsdomein en
induceert op deze manier transcriptie ofwel het is homeobox bevattende transcriptie factor (Lu et al, 2010). Het gen is vereist voor mesenchymale overleving in het embryonale voorbrein. NTD in homozygoot mutante embryo’s met deze mutatie ontstaan vermoedelijk door excessieve celdood in het voorbrein mesenchym wat resulteert in een verminderde hoeveelheid mesenchymale cellen in het voorbrein op dag 9 van de embryonale ontwikkeling (E9). Homozygote Cart1 mutante muizen worden dan geboren met neurale buis sluitingsdefecten en sterven kort na de geboorte (Zhao et al, 1996).
Foliumzuur supplementatie (3 mg/kg/dag vanaf de bevruchting tot de E9,5) verminderd de incidentie van exencefalie in Cart1 nul embryo’s met ongeveer 60% (Zhao et al, 1996; Yadav et al, 2003).
Ondanks de kleine steekproefgrootte kan uit de grootte van de respons worden opgemaakt dat er sprake is van een daadwerkelijk significant resultaat. Dat de overleefde Cart1 muizen overlijden in de perinatale periode suggereert resterende defecten die niet worden voorkomen door foliumzuur. Het effect van foliumzuur zou bewerkstelligd kunnen worden door het voorkomen van apoptose in het voorbrein mesenchym.
Cited2 muismodel
Cited2 is een nucleaire co-activator dat bindt aan Creb Binding Protein (CPB) en p300. Deze essentiële genen komen hoog tot expressie in neurale vouwingen tijdens de embryonale ontwikkeling en mutanten zijn eveneens gerelateerd met exencefalie (Lu et al, 2010).
Cited2 is noodzakelijk voor de activatie van belangrijke transcriptie factoren. Verstoring van het Cited2 gen in muizen is lethaal en homozygote mutanten resulteren in defecten in cel proliferatie, cardiale ontwikkeling en in neurulatie, de laatste ontstaat door incorrecte sluiting van het
middenbrein en het achterbrein (Martinez-barbera et al, 2002; Yin et al, 2002; Bamforth et al, 2001;
Yao et al, 1998; Tanaka et al, 2000). Het voorkomen van NTD verschilt in onderzoeken tussen 57% en 80%, wellicht door verschillen in genetische achtergrond tussen de muizensoorten.
Kleuren van de mutante embryo’s tijdens de embryonale ontwikkeling laat apoptotische cellen zien in het dorsale neuroepitheel van het middenbrein, een regio dat normaal hoge waardes van Cited2 tot expressie brengt (Bamforth et al, 2001). Verhoogde hoeveelheden aan apoptotische cellen zijn ook gedetecteerd voorafgaand aan en tijdens de periode van craniale neurale buis sluiting (Martinez- Barbera et al, 2002). Dit suggereert een rol van excessieve celdood in foutieve neurale sluiting van het midden brein.
Foliumzuur supplementatie, vanaf conceptie tot E9,5, aan Cited2 mutanten resulteert in een
significante vermindering in de incidentie van exencefalie (Martinez-Barbera et al, 2002). Echter is er geen evidente verbetering van de overmatige middenbrein apoptose in overlevende foliumzuur embryo’s te zien. Dit suggereert dat verhoogde mate van apoptose niet de directe oorzaak is van NTD in deze mutant, dat er een subtiele verlaging is in apoptose dat voldoende is voor de neurale buis om te sluiten of dat foliumzuur een alternatief mechanisme induceert om sluiting van de neurale buis te bevorderen. Een mogelijkheid is dat foliumzuur proliferatie stimuleert en zo het
onderliggende defect in Cited2 nul embryo’s te boven komt. Immers wordt suboptimale proliferatie, een alternatieve oorzaak van NTD, gesuggereerd door de observatie dat fibroblasten van Cited2 nul embryo’s de proliferatie stilleggen en vervroegd verouderen (Kranc et al, 2003). Vervroegd
verouderen is in dit onderzoek geassocieerd met overexpressie van cel proliferatie remmers, gecodeerd door de INK4a/ARF locus (Kranc et al, 2003). Hoewel, eliminatie van INK4a/ARF de proliferatie in de defecte fibroblasten opheft, wordt exencefalie niet voorkomen in dubbele homozygote nul mutanten voor Cited2 en INK4a/ARF, wat suggereert dat mis-regulatie van additionele genen resulteren in NTD (Kranc eta al, 2003).
Splotch muismodel
Het splotch muismodel (Sp 2H), met een Pax3 transcriptie factor gen mutatie, is het meest bestudeerde foliumzuur-responsieve diermodel. Homozygote mutante embryo’s ontwikkelen encefalie en/of spina bifida in combinatie met abnormaliteiten zoals hartfalen (Flemming en Copp, 1998, Wlodarczyk et al, 2006).
Door middel van de deoxyuridine(du) test kan de mate van de novo DNA synthese, wat afhankelijk is van foliumzuur, getest worden (Metz, 1984). De test is gebaseerd op competatieve incorporatie van ongelabelde thymidine (deoxyribonucleoside) met radioactief 3H-thymidine in DNA. Deoxyuridine (deoxyribonucleoside) is de bron voor ongelabelde thymidine. Het wordt omgezet tot
deoxythymidine monofosfaat door thymidilaat synthase, een enzym dat 5,10-methyleen tetrahydrofolaat gebruikt als cofactor en waarvan de activiteit wordt gemeten. Op deze manier wordt de mogelijkheid van deoxyuridine om 3H-thymidine in te bouwen in DNA gemeten. De cofactor 5,10-methyleen tetrahydrofolaat is afhankelijk van de input van foliumzuur. Zodoende is het een sensitieve en specifieke functionele test voor het functioneren van foliumzuur in het lichaam.
Homozygote Sp 2H embryo’s incorporeren grotere hoeveelheden aan 3H-thymidine in het DNA dan wildtype nestgenoten, wat eveneens blijkt uit de deoxyuridine test (Flemming en Copp, 1998).
Doordat dit afhankelijk is van de aanwezigheid van foliumzuur suggereert de verminderde respons in Sp 2H mutanten de aanwezigheid van genetisch afwijkingen in het foliumzuur metabolisme (Fleming en Copp, 1998; Harris, 2009). Foliumzuur supplementatie (10mg/kg/dag tijdens de normale neurale buis sluiting E7,5-10.5) verminderd niet alleen de incidentie van Spina bifida in Sp 2H mutante muizen maar normaliseert ook de thymidine opname (Harris, 2009). Cited2 nul embryo’s gedragen
zich normaal in de du test wat een verschillend beschermend mechanisme van foliumzuur doet vermoeden (Martinez-Barbera, 2002). Of de frequentie van exencefalie reduceert na behandeling met foliumzuur Splotch muismodellen is controversieel. Wlodarczyk en collega’s (2006) toonde geen significante reductie doch toonde een studie door Burren en collega’s (2008) met een hogere controle frequentie van exencefalie een reductie van 40% in het voorkomen van exencefalie. Het daadwerkelijke effect op de frequentie van exencefalie en de juiste doseringen moeten blijken uit aanvullend grootschalig onderzoek.
Zoals in de andere folaat-gevoelige mutanten, wordt het voorkomen van NTD in het splotch muismodel gezocht in een verhoogde apoptotische waarde in het brein (Pani et al, 2002). Dit idee hangt samen met de observatie dat door farmacologische inhibitie of deletie van het apoptotische eiwit p53 in Sp 2H embryo’s, door het genereren van dubbele knockout embryo’s, vele NTD muizen overleven (Pani et al, 2002). Het exacte cellulaire mechanisme onderliggend aan het voorkomen van splotch NTD door foliumzuur moet aanvullend onderzoek uitwijzen.
Conclusie
Vrouwen worden geadviseerd dagelijkse foliumzuur supplementaties in te nemen in de
periconceptionele periode tot de 13e week van de zwangerschap om het risico op NTD te reduceren.
In dit review zijn enkele onderdelen in het voorkomen van NTD met betrekking tot het mechanisme van foliumzuur supplementatie bespreekbaar gemaakt. Begrip in mechanismen van foliumzuur op het embryo zijn van groot belang voor het verder terugdringen van de hoeveelheid NTD.
Humane experimenten die mogelijke inzichten geven in het ontstaan van NTD door foliumzuur deficiëntie kunnen gezocht worden in het een-koolstof metabolisme met bijbehorende DNA
methylatie, in folaat transport mechanismen en antilichamen tegen Folr1. Een disbalans van het een- koolstof metabolisme geïnduceerd door folaat deficiëntie oefent invloed uit op het ontstaan van NTD in embryo’s (Anderson et al, 2012). Mogelijke oorzaken hiervoor zijn te vinden in
hyperhomocysteïnemie, verstoorde DNA synthese en DNA-methylatie. Interrupties in folaat transport over de placenta en in het embryo zelf en autoantilichamen tegen deze receptoren zijn eveneens doelwitten voor het ontstaan van NTD. Aanvullend onderzoek moet het belang van deze informatie voor het reduceren van NTD uitwijzen.
Evidentie dat gebeurtenissen in neuralebuissluiting sterk bewaard zijn gebleven tussen muizen en mensen maken de muis een waardevol model systeem voor het bestuderen van effecten van foliumzuur op de humane neurulatie (Copp en Greene, 2009). Bovendien, het overvloed aan genetische muismodellen met NTD verschaft mogelijkheden om moleculaire en cellulaire mechanismen van niet-geslaagde neuralebuissluitingen te onderzoeken die relevant zijn voor de overeenkomstige humane defecten. Noodzakelijkerwijs, dienen de geïdentificeerde pathways die relevant zijn voor het begrijpen van het foliumzuur mechanisme achter NTD in muizen kritisch bekeken te worden door mogelijke variaties in de humane pathways. Ondanks deze feiten moet grootschalig onderzoek uitwijzen wat een correcte dosering is in de verscheidene muismodellen, welk effect deze reële dosering in muizen teweeg brengt, wat de voornaamste humane dosering is en wat de veiligheid is van foliumzuur supplementatie voor het humane embryo.
Voor de folaat transport eiwit mutanten zijn vooralsnog geen directe cellulaire associaties tussen neuralebuissluiting en het toedienen van foliumzuur gedetecteerd. Desalniettemin, is naar voren gekomen dat foliumzuur supplementatie aan RFC1 en Folr1 embryonale muis knockouts een reducerend effect toont op het voorkomen van NTD (Gelineau-van Waes, 2008; Spiegelstein et al, 2004). Recent, is de eerste associatie gelegd tussen het ontstaan van NTD en het Folr3 gen. Folr2 mutanten worden zonder afwijkingen geboren wat een minder schadelijk effect op het ontstaan van NTD impliceert dan RFC1 en Folr1 nulzygoten. Een mogelijke verklaring kan liggen in verminderde affiniteit van deze receptor voor folaten en een ander werkingsmechanisme dan de overige folaat transport eiwitten.
Daarentegen, lijkt foliumzuur een directe of indirecte invloed uit te oefenen op de
neuralebuissluiting in Cart1, Cited2 en Splotch muismodellen. De voornaamste reden voor het ontstaan van NTD in Cart1 en Splotch muismodellen is excessieve celdood in het ontwikkelende brein wat resulteert in foutieve neuralebuissluiting. Volgens de hypothese zou foliumzuur deze effecten kunnen opheffen. In het splotch gen zou een pathway die de productie van p53 aanschakelt een oorzaak kunnen zijn voor de verhoogde apoptotische waarden (Pani et al, 2002). Aanvankelijk lijkt apoptose eveneens de oorzaak van het ontstaan van NTD in Cited2 knockout muizen. Echter is er geen evidente verbetering van de overmatige middenbrein apoptose in overlevende foliumzuur embryo’s te zien. Een mogelijkheid is dat foliumzuur proliferatie stimuleert en zo het onderliggende defect in Cited2 nul embryo’s te boven komt.
Al met al is het een prioriteit voor vervolgonderzoek om het begrip in de cellulaire mechanismen van de preventieve werking van folaat op het ontstaan van NTD te verbeteren. Dit zou verregaande implicaties kunnen hebben voor het verder terugdringen van geboortes met NTD.
Referenties
Anderson OS, Sant KE, Dolinoy DC. 2012. Nutrition and epigenetics: an interplay of dietary methyl donors, one-carbon metabolism and DNA methylation. Journal of Nutrional Biochamistry. 853-859.
Afman LA, Blom HJ, Drittij MR, et al. 2005. Inhibition of transmethylation disturbs neurulation in chick embryos. Brain Res Dev Brain Res. 59- 65.
Agopian AJ, Tinker SC, Lupo PJ, et al. 2013. Proportion of neural tube defects attributable to known risk factor. 42-46.
Aslinia F, Mazza JJ, Yale SH. 2006. Megaloblastic anemia and other causes of macrocytosis. Clin met Res. 236-241.
Baron MH. 2001. Molecular regulation of embryonic hematopoiesis and vascular development: a novel pathway. J Hematother Stem Cell Res. 587-594.
Barth JL, Argraves WS. 2001. Cubilin and megalin: partners in lipoprotein and vitamin metabolism. Trends Cardiovasc Med. 26-31.
Bamforth SD, Braganta J, Eloranta JJ, et al. 2001. Cardiac malformations, adrenal agenesis, neural crest defects and exencephaly in mice lacking Cited2, a new Tfap2 coactivator. Nat Genet. 469–474.
Bird A. 2002. DNA methylation patterns and epigenetic memory. Genes Dev. 6-21.
Birn H, Zhai X, Holm J, et al. 2005. Megalin binds and mediates cellular internalization of folate binding protein. Febs J. 4423-4430.
Bliek JB, Rothenberg SP, Steegers-Theunissen RP. 2006. Maternal folate receptor autoantibodies and cleft lip and/or palate. Int J Gynaecol Obstet. 142-143.
Blom HJ. 2009. Folic acid, methylation and neural tube closure in humans. Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. 295-302.
Boyles AL, Ballard, JL, Gorman EB, et al. 2011. Association between inhibited binding of folic acid to folate receptor α in maternal serum and folate-related birth defects in Norway. Human Reproduction. 2232-2238.
Burgoon JM, Selhub J, Nadeau M, et al. 2002. Investigation of the effects of folate deficiency on embryonic development through the establishment of a folate deficient mouse model. Teratology. 219-227.
Burren KA, Savery D, Massa V, et al. 2008. Gene-environment interactions in the causation of neural tube defects: folate deficiency increases susceptibility conferred by loss of Pax 3 function. Hum Mol Genet. 3675-3685.
Burdge GC, Lillycrop KA. 2012. Folic acid supplementation in pregnancy: Are there devils in the detail?. Br J Nutr. 1924-1930.
Bruce Alberts, BA (2008). Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Science, Taylor & Francis Group
Chen M, Macpherson A, Owen J, et al. 2012. Obesity alone or with type 2 diabetes is associated with tissue specific alterations in DNA methylation and gene expression of PPARGC1A and IGF2. Journal of Diabetes Research & Clinical Metabolism. 1-16.
Christensen EI, Birn H. 2002. Megalin and cubilin: multifunctional endocytic receptors. Nat Rev Mol Cell Biol. 256-266.
Copp AJ, Brook AF, Estibeiro P, et al. 1990. The embryonic development of mammalian neural tube defects. Prog Neurobiol. 363-403.
Copp AJ, Greene NDE. 2010. Genetics and development of neural tube defects. J Pathol. 217-230.
Czeizel AE, Dudas I. 1992. Prevention of the first occurrence of neural-tube defects by periconceptional vitamin supplementation. 1832- 1845.
Dunlevy LP, Burren KA, Mills K, et al. 2006. Integrity of the methylation cycle is essential for mammalian neural tube closure. Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. 544-552.
Duong HT, Shahrukh Hashmi S, Ramadhani T, et al. 2011. Maternal use of hot tub and major structural birth defects. Birth Defects Res A Clin Mol Teratol 836841.
Finkelstein JD. 1998. The metabolism of homocysteine: pathways and regulation. Eur J Pediatr. S40-S44.
Finnel RH, Spiegelstein O, Wlodarczyk B, et al. 2002. DNA methylation in Folbp1 knockout mice spupplemented with folic acid during gestation. J Nutr. 2457S-2416S.
Fleming A, Copp AJ. 1998. Embryonic folate metabolism and mouse neural tube defects. Science. 2107–2109.
Ganapathy V, Smith SB, Prasad PD. 2004. SLC19: the folate/thiamine transporter family. Pflugers Arch. 641-646.
Gao R, Ding Y, Liu X, et al. 2012. Effect of folate deficiency on promoter methylation and gene expression of Esr1, Cdh1 and Pgr, and its influence on endometrial receptivity andembryo implantation. Human Reproduction. 2756-2765.
Gelineau-van Waes J, Heller S, Bauer LK, et al. 2008. Embryonic development in the reduced folate carrier knockout mouse is modulated by maternal folate supplementation. Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. 494–507.
Gray J, Ross ME. 2011. Neural tube closure in mouse whole embryo culture. J Vis Exp. 3791-3132.
Haggarty P, Hoad G, Campbell DM, et al. 2013. Folate in pregnancy and imprinted gene and repeat element memthylation in the offspring.
Am J Clin Nutr. 94-99.
Hansen DK, Streck RD, Antony AC. 2003. Antisense modulation of the coding or regulatory sequence of the folate receptor(folate binding protein-1) in mouse embryos leads to neural tube defects. Birth Defects Research (Part A). 475-487.
Harris JH. 2009. Insights into Prevention of Human Neural Tube Defects by Folic Acid Arising from Consideration of Mouse Mutants. Birth Defects Research. 331-339.
Harris MJ, Juriloff DM. 2007. Mouse mutants with neural tube closure defects and their role in understanding human neural tube defects.
Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. 187-210.
Hoyo C, Murtha AP, Schildkraut JM, et al. 2011. Methylation variation at IGF2 differentially methylated regions and maternal folic acid use before and during pregnancy. Epigenetics. 928-936.
Jakubowski H. 2006. Pathophysiological consequences of homocysteine excess. J Nutr. 1741S-1749S.
Kranc KR, Bamforth SD, Braganca J, et al. 2003. Transcriptional coactivator Cited2 induces Bmi1 and Mel18 and controls fibroblast proliferation via Ink4a/ARF. Mol Cell Biol. 7658–7666.
Leemans L. 2012. Does 5-methyltetrahydrofolate offer any advantage over folic acid?. J Pharm Belg. 16-22.
Li E, Bestor TH, Jaenisch R. 1992. Targeted mutation of the DNA methyltransferase gene results in embryonic lethality. Cell. 915-926.
Matherly LH, Goldman DI. 2003. Membrane transport of folates. Vitam Horm. 403–456.
Martinez-Barbera JP, Rodriguez TA, Greene NDE, et al. 2002. Folic acid prevents exencephaly in Cited2 deficient mice. Hum Mol Genet. 283–
293.
Ma DW, Finnell RH, Davidson LA, et al. 2005. Folate transport gene inactivation in mice increases sensitivity tot colon carcinogenesis. Cancer res. 887-897.
McKay JA, Wong YK, Relton CL, et al. 2011. Maternal folate supply and sex influence gene-specific DNA methylation in the fetal gut. 1717- 1723
Metz J. The deoxyuridine suppression test. 1984. Crit Rev Clin Lab Sci. 205-241.
McNulty B, McNulty H, Marshall B, et al. 2013. Impact of continuing folic acid after the first trimester of pregnancy: findings of a randomized trial of Folic Acid Supplmentation in te Second and Third Trimesters. Am J Clin Nutr. 92-98.
Michelle R, O’Byrne, Kit Sing AU, et al. 2010. Association of Folate Receptor (FOLR1, FOLR2, FOLR3) and Reduced Folate Carrier (SLC19A1) Genes with Meningomyelocele. Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. 689-694.
Moestrup SK. 2006. New insights into carrier binding and epithelial uptake of the erythropoietic nutrients cobalamin and folate. Curr Opin Hematol. 119-123.
Moestrup SK, Verroust PJ. 2001. Megalin- and cubilin-mediated endocytosis of protein-bound vitamins, lipids, and hormones in polarized epithelia. Annu Rev Nutr. 407-428.
Molloy AM, Quadros EV, Sequeira JM, et al. 2009. Lack of association between folate-receptor autoantibodies and neural-tube defects. N Engl J Med. 152-160.
O’Rahilly R, Müller F. 1994. Neurulation in the normal human embryo. Ciba Found Symp. 70-82.
Pani L, Horal M, Loeken MR. 2002. Rescue of neural tube defects in Pax-3-deficient embryos by p53 loss of function: Implications for Pax-3- dependent development and tumorigenesis. Genes Dev . 676–680.
Perla J, Undas A, Twardowski T, et al. 2004. Purification of antibodies against N-homocysteinylateds preoteins by affinity chromatography on N-ε-homocysteinylaminohexyl-agarose. J Chromatogr B Analyt Technog Biomed Life Sci. 257-261.
Piedrahita JA, Octama B, Bennett GD, et al. 1999. Mice lacking the folic acid-binding protein Folbp1 are defective in early embryonic development. Nat Genet. 228-232.
Poe LB, Coleman LL, Mahmud F. 1989. Congenital central nervous system anomalies. Radiographics. 801-826.
Rampersaud GC, Kauwell GP, Hutson AD, et al. 2000. Genomic methylation decreases in response to moderate folate depletion in elderly women. Am J Clin Nutr. 998-1003.
Rowland CA, Correa A, Cragan JD, et al. 2006. Are encephaloceles neural tube defects? Pediatrics. 916-923.
Saitsu H, Ishibashi M, Nakano H, et al. 2003. Spatial and temporal expression of folate-binding protein 1 (Fbp 1) is closely associated with anterior neural tube closure in mice. Dev Dyn. 112-117.
Schiepers OJG, van Boxtel MPJ, de Groot RHM, et al. 2011. DNA methylation and cognitive functioning in healthy older adults. British Journal of Nutrition. 744-748.
Shohag MJJ, Wei Y, Yu N, et al. 2012. Folate Content and Composition of Vegetables Commonly Consumed in China. Journal of Food Science.
239-245.
Shoob HD, Sargent RG, Thompson SJ, et al. 2001. Dietary methionine is involved in the etiology of neural tube defect-affected pragnancies in humans. J Nutr. 2653-2658.
da Silva VR, Hausman DB, Kauwell GP, et al. 2013. Obesity affects short-term folate pharmocokinetics in women of childbearing age. Int J Obes. 1038-1046.
Sirotnak FM, Tolner B. 1999. Carrier-mediated membrane transport of folates in mammalian cells. Annu Rev Nutr. 91–122.
Solanky N, Requena Jimenez A, D’Souza SW, et al. 2010. Expression of folate transporters in human placenta and implications for homocysteine metabolism. Placenta. 134-143.
Spiegelstein O, Mitchell LE, Merriweather MY, et al. 2004. Embryonic development of folate binding protein-1 (Folbp1) knockout mice:
effects of the chemical form, dose and timing of maternal folate supplementation. Dev Dyn. 221-231.
Tamura T, Picciano MF. 2006. Folate and human reproduction. Am J Clin Nutr . 993-1016.
Tanaka Y, Naruse I, Hongo T, et al. 2000. Extensive brain hemorrhage and embryonic lethality in a mouse null mutant of CREB-binding protein. Mech Dev. 133-145.
Taparia S, Gelineau-van Waes J, Rosenquist TH, et al. 2007. Importance of folate-homocysteine homeostasis during early embryonic development. Clin Chem Lab Med. 1717-1727.
Uncas A, Perla J, Lacinski M, et al. 2004. Autoantibodies against N-homocysteinylated proteins in humans: implications for atherosclerosis.
Stroke. 1299-1304.
Werler MM, Ahrens KA, Bosco JL, et al. 2011. Use of antiepileptic medications in pregnancy in relation to risks of birth defects. Ann Epidemiol 842850.
Wilkinsh L, Freedman W. 1991. Progression of exencephaly to anencephaly in the human fetus, An ultrasound perspective. Prental Diagn.
227-233.
Wlodarczyk BJ, Tang LS, Triplett A, et al. 2006. Spontaneous neural tube defects in splotch mice supplemented with selected micronutrients.
Toxicol Appl Pharmacol. 55–63.
Yadav N, Lee J, Kim J, et al. 2003. Specific protein methylation defects and gene expression perturbations in coactivator-associated arginine methyltransferase 1-deficient mice. Proc Natl Acad Sci. 6464-6468.
Yamaguchi Y, Miura M. 2012. How to form and close the brain: insights into the mechanism of cranial neural tube closure in mammals. Cell Mol Life Sci. 1227-1245.
Yao TP, Oh SP, Fuchs M, et al. 1998. Gene dosage-dependent embryonic development and proliferation defects in mice lacking the transcriptional integrator p300. Cell. 361-372.
Yin Z, Haynie J, Yang XM, et al. 2002. The essential role of Cited2, a negative regulator for HIF-1a, in heart development and neurulation.
Proc Natl Acad Sci USA. 10488–10493.
Zhao R, Matherly LH, Goldman ID. 2009. Membrane transporters and folate homeostasis: intestinal absorption and transport into systemic compartments and tissues. Expert Rev Mol Med. 11:e4
Zhao R, Russell RG, Wang Y, et al. 2001. Rescue of embryonic lethality in reduced folate carrier-deficient mice by maternal folic acid supplementation reveals early neonatal failure of hematopoietic organs. J Biol Chem. 10224–10228.
Zhao Q, Behringer RR, de Crombrugghe B. 1996. Prenatal folic acid treatment suppresses acrania and meroanencephaly in mice mutant for the Cart1 homeobox gene. Nat Genet. 275-283.
