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PEER REVIEWED – IL CAMBIAMENTO CLIMATICO E LA VITAMINA D: UN ALLEATO PER LA SALUTE DEL CERVELLO

by info@teknoscienze.com
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Salute mentale e cognitiva – Nutra Horizons 3/2022

 

MARTINA BALDUCCI,  ANDREA TAROZZI
Università di Bologna | Italia

 

IL RUOLO DELLA VITAMINA D SULLA SALUTE DEL CERVELLO

La vitamina D rappresenta un promettente composto nutraceutico per la protezione della salute cellulare, intendendo con questo termine il colecalciferolo, ovvero la vitamina D contenuta in cibi di origine animale (propriamente detta vitamina D3), ma anche derivante dal processo di conversione del 7-deidrocolesterolo a livello cutaneo, in seguito all’esposizione solare. La vitamina D3 circolante è metabolizzata poi dalla 25 α – idrossilasi epatica a 25 – idrossi – vitamina D3 (25(OH) D3), che viene poi convertita dalla 1 α – idrossilasi renale a 1,25 – diidrossi – vitamina D3(1,25(OH) D3), la forma biologicamente attiva.

La carenza di vitamina D3 è associata ad uno squilibrio del metabolismo del calcio, che comporta osteomalacia e rachitismo, ma anche ad una serie di patologie non associate all’apparato scheletrico, come la sclerosi multipla, i disordini autoimmuni, le infezioni, le malattie respiratorie, cardiovascolari e a vari tipi di cancro (1). Recenti studi dimostrano che la vitamina D3, attraverso meccanismi epigenetici, è in grado di influenzare l’espressione di numerosi geni le cui funzioni biologiche sono quelle di preservare i diversi pathway cellulari (2). Numerose evidenze supportano il ruolo fondamentale della vitamina D3, anche, nella regolazione di funzioni neuronali come la plasticità sinaptica (3). Tra i meccanismi neuronali della vitamina D, di rilievo è la sua capacità di stimolare la sintesi di fattori neurotrofici come  il nerve growth factor (NGF), una proteina coinvolta nello sviluppo e differenziamento delle cellule nervose (4). In questo contesto, è stato dimostrato che la carenza di vitamina D3 durante il periodo gestazionale espone il nascituro a problemi di sviluppo cognitivo (5) ed, in età adulta, allo sviluppo di disordini neurologici, come depressione e schizofrenia (6, 7, 8). Studi più recenti hanno dimostrato che condizioni di carenza di vitamina D3 aumentano, inoltre, il rischio di patologie neurodegenerative caratterizzate da processi di neuroinfiammazione, come la malattia di Alzheimer, di Parkinson e la Sclerosi Multipla (9). Queste evidenze supportano, in particolare, l’azione anti-infiammatoria della vitamina D3 a livello neuronale, sia abbassando i livelli di Tumor Necrosis Factor (TNF-α), una citochina coinvolta nei processi di infiammazione, sia inibendo l’attivazione Nuclear Factor kappa B (NFkB), un fattore nucleare responsabile della trascrizione di geni con azione pro-infiammatoria (10). Gli effetti neuroendocrini della vitamina D con liberazione di cortisolo possono, inoltre, contribuire alla sua azione anti-infiammatoria a livello del cervello (11). L’integrazione di vitamina D3 nella dieta può svolgere, quindi, un ruolo fondamentale nel mantenimento dello stato salute del cervello. Recenti studi dimostrano la presenza nelle cellule cerebrali sia dei recettori per la vitamina D (12, 13) sia degli enzimi 25 e 1 α – idrossilasi, responsabili della formazione dei metaboliti attivi della vitamina D (14, 15) suggerendo che il signaling della vitamina D potrebbe avere una natura paracrina o autocrina nel sistema nervoso centrale (16). Nonostante ci siano evidenze scientifiche che supportano la capacità dei metaboliti attivi della vitamina D3 di oltrepassare la barriera emato-encefalica, la loro formazione a livello cerebrale è ancora da dimostrare (16, 17).

 

IL CAMBIAMENTO CLIMATICO INFLUENZA I LIVELLI DI VITAMINA D E LA SALUTE DEL CERVELLO

 

Il cambiamento climatico rappresenta una delle maggiori sfide del ventunesimo secolo (18), con conseguenze dirette ed indirette che si traducono in fattori di rischio per la salute umana, tra i quali numerosi potenzialmente nocivi per il benessere neuronale, come l’aumento delle malattie infettive, la diffusione di neurotossine, la malnutrizione, lo stress fisico e mentale e l’aumento della temperatura globale (19). In particolare, lo stress termico, che negli esseri umani viene innescato dall’aumento di anche un solo grado della temperatura esterna, attiva diversi meccanismi di acclimatizzazione ed induce, quando prolungato, diversi pathways biochimici legati alla neurodegenerazione, come lo stress ossidativo, la eccitotossicità e la neuroinfiammazione, aumentando il rischio di problemi neurologici od esacerbando i sintomi di quelli già esistenti (20, 21). Inoltre, lo stress termico attiva una serie di effetti endocrini, tra cui la produzione di cortisolo, tramite l’asse ipotalamo – ipofisi – surrene (HPA) (22), ed una cascata di glucocorticoidi che sono associati alla modifica del metabolismo cellulare ed allo sbilanciamento dell’equilibrio neuroendocrino (23).

Livelli elevati di cortisolo possono contribuire ai processi di neurodegenerazione attivati dallo stress termico. Recenti studi mostrano che la persistente attivazione dei recettori per il cortisolo, presenti in diverse aree cerebrali, si traduce in una perdita e funzione della plasticità neuronale, nonché nell’attivazione di meccanismi genetici ed epigenetici prodromici di eventi neuroinfiammatori e neurodegenerativi causali della malattia di Parkinson e di Alzheimer (24). L’esposizione al cortisolo per lunghi periodi di tempo potrebbe, inoltre, influenzare i livelli basali di vitamina D. Diversi studi supportano questa ipotesi registrando livelli subottimali di vitamina D sia in pazienti in terapia cronica con glucocorticoidi sia in soggetti con il morbo di Cushing, un disturbo ormonale caratterizzato da livelli ematici cronicamente elevati di cortisolo o di corticosteroidi ad esso correlati (25, 26). Nel loro insieme, queste evidenze supportano che lo stress termico può essere responsabile di eventi neurodegenerativi anche attraverso un aumento ed un calo dei livelli di cortisolo e di vitamina D, rispettivamente.

 

IL FABBISOGNO GIORNALIERO DI VITAMINA D

Il livello sierologico di 25(OH) D3 è riconosciuto come marcatore del contributo netto della sintesi cutanea e dell’assunzione totale (da alimentazione e integrazione) di vitamina D3 (27). Un comitato di esperti del Food and Nutrition Board (FNB) della National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (NASEM) ha convenuto che i livelli sierologici di 25(OH) D3 minori di 30 nmol/L sono considerati indicatori di una carenza di vitamina D3, mentre i livelli tra 30 e 50 nmol/L sono considerati insufficienti. Un livello di 25(OH) D3 superiore o uguale a 50 nmol/L è riconosciuto come ottimale per la salute negli individui adulti, mentre i livelli superiori a 125 nmol/L sono associati a condizioni di ipervitaminosi e a potenziali effetti avversi (28).

Le raccomandazioni di assunzione per la vitamina D e altri nutrienti sono fornite nelle assunzioni dietetiche di riferimento (DRI) sviluppate dagli esperti del NASEM. L’assunzione giornaliera raccomandata per mantenere costanti i livelli sierologici di 25(OH) D3, nelle diverse fasi di crescita, sono riportati nella tabella 1 (29). Tuttavia, la relazione tra la concentrazione di 25(OH) D3 nel siero e nei tessuti, in particolare il tessuto cerebrale, dopo integrazione di vitamina D3 non è stata ancora chiarita (16).

L’integrazione di vitamina D3 è la strategia più utilizzata per ripristinare la carenza di vitamina. L’assunzione raccomandata è di 800 UI per raggiungere 25 ng/mL di 25(OH) D3  totale nel siero, 1600 UI di vitamina D per 30 ng/mL di 25(OH)D3 totale nel siero. Il fabbisogno medio stimato è di 400 UI per raggiungere 20 ng/mL e 800 UI per livelli sierici totali di 30 ng/mL (30).

Tabella 1. quantità giornaliere raccomandate di vitamina D espressi in mcg e UI, suddivisi per sesso, età e stadio fisiologico. (29)

 

Riferimenti bibliografici

  1. Pfotenhauer, K. M., & Shubrook, J. H. (2017). Vitamin D Deficiency, Its Role in Health and Disease, and Current Supplementation Recommendations. The Journal of the American Osteopathic Association, 117(5), 301–305. https://doi.org/10.7556/jaoa.2017.055
  2. Pike, J.W.; Christakos, S. (2017). Biology and Mechanisms of Action of the Vitamin D Hormone. Endocrinol. Metab. Clin. N. Am., 46, 815–843.
  3. Bivona, G., Gambino, C. M., Iacolino, G., & Ciaccio, M. (2019). Vitamin D and the nervous system. Neurological research, 41(9), 827–835. https://doi.org/10.1080/01616412.2019.1622872
  4. Fernandes de Abreu, D. A., Eyles, D., & Féron, F. (2009). Vitamin D, a neuroimmunomodulator: implications for neurodegenerative and autoimmune diseases. Psychoneuroendocrinology, 34 Suppl 1, S265–S277. https://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2009.05.023
  5. García-Serna, A. M., & Morales, E. (2020). Neurodevelopmental effects of prenatal vitamin D in humans: systematic review and meta-analysis. Molecular psychiatry, 25(10), 2468–2481. https://doi.org/10.1038/s41380-019-0357-9
  6. Jamall, O. A., Feeney, C., Zaw-Linn, J., Malik, A., Niemi, M. E., Tenorio-Jimenez, C., Ham, T. E., Jilka, S. R., Jenkins, P. O., Scott, G., Li, L. M., Gorgoraptis, N., Baxter, D., Sharp, D. J., & Goldstone, A. P. (2016). Prevalence and correlates of vitamin D deficiency in adults after traumatic brain injury. Clinical endocrinology, 85(4), 636–644. https://doi.org/10.1111/cen.13045
  7. Larsson, S. C., Traylor, M., Markus, H. S., & Michaëlsson, K. (2018). Serum parathyroid hormone, 25-hydroxyvitamin D, and risk of Alzheimer’s disease: A Mendelian randomization study. Nutrients, 10(9), 1243. https://doi.org/10.3390/nu10091243
  8. Jylhä, P., Mantere, O., Melartin, T., Suominen, K., Vuorilehto, M., Arvilommi, P., … & Isometsä, E. (2010). Differences in neuroticism and extraversion between patients with bipolar I or II and general population subjects or major depressive disorder patients. Journal of affective disorders, 125(1-3), 42-52.
  9. Łukaszyk, E., Bień-Barkowska, K., & Bień, B. (2018). Cognitive Functioning of Geriatric Patients: Is Hypovitaminosis D the Next Marker of Cognitive Dysfunction and Dementia?. Nutrients, 10(8), 1104. https://doi.org/10.3390/nu10081104
  10. Tan, X., Gao, L., Cai, X., Zhang, M., Huang, D., Dang, Q., & Bao, L. (2021). Vitamin D3 alleviates cognitive impairment through regulating inflammatory stress in db/db mice. Food science & nutrition, 9(9), 4803–4814. https://doi.org/10.1002/fsn3.2397
  11. Norlin M. (2020). Effects of vitamin D in the nervous system: Special focus on interaction with steroid hormone signalling and a possible role in the treatment of brain cancer. Journal of neuroendocrinology, 32(1), e12799. https://doi.org/10.1111/jne.12799
  12. Cui, X., Gooch, H., Petty, A., McGrath, J. J., & Eyles, D. (2017). Vitamin D and the brain: Genomic and non-genomic actions. Molecular and cellular endocrinology, 453, 131–143. https://doi.org/10.1016/j.mce.2017.05.035
  13. Eyles, D. W., Smith, S., Kinobe, R., Hewison, M., & McGrath, J. J. (2005). Distribution of the vitamin D receptor and 1 alpha-hydroxylase in human brain. Journal of chemical neuroanatomy, 29(1), 21–30. https://doi.org/10.1016/j.jchemneu.2004.08.006
  14. Bikle, D. D., Patzek, S., & Wang, Y. (2018). Physiologic and pathophysiologic roles of extra renal CYP27b1: Case report and review. Bone reports, 8, 255–267. https://doi.org/10.1016/j.bonr.2018.02.004
  15. Veldurthy, V., Wei, R., Campbell, M., Lupicki, K., Dhawan, P., & Christakos, S. (2016). 25-Hydroxyvitamin D3 24-Hydroxylase: A Key Regulator of 1,25(OH)2D3 Catabolism and Calcium Homeostasis. Vitamins and hormones, 100, 137–150. https://doi.org/10.1016/bs.vh.2015.10.005
  16. Gáll, Z., & Székely, O. (2021). Role of Vitamin D in Cognitive Dysfunction: New Molecular Concepts and Discrepancies between Animal and Human Findings. Nutrients, 13(11), 3672. https://doi.org/10.3390/nu13113672
  17. Harms, L. R., Burne, T. H., Eyles, D. W., & McGrath, J. J. (2011). Vitamin D and the brain. Best practice & research. Clinical endocrinology & metabolism, 25(4), 657–669. https://doi.org/10.1016/j.beem.2011.05.009
  18. WHO, 2018 COP24 Special report: Health & Climate Change
  19. Ruszkiewicz, J. A., Tinkov, A. A., Skalny, A. V., Siokas, V., Dardiotis, E., Tsatsakis, A., Bowman, A. B., da Rocha, J., & Aschner, M. (2019). Brain diseases in changing climate. Environmental research, 177, 108637. https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.108637
  20. Bongioanni, P., Del Carratore, R., Corbianco, S., Diana, A., Cavallini, G., Masciandaro, S. M., Dini, M., & Buizza, R. (2021). Climate change and neurodegenerative diseases. Environmental research, 201, 111511. https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111511
  21. Zammit, C., Torzhenskaya, N., Ozarkar, P. D., & Calleja Agius, J. (2021). Neurological disorders vis-à-vis climate change. Early human development, 155, 105217. https://doi.org/10.1016/j.earlhumdev.2020.105217
  22. Follenius, M., Brandenberger, G., Oyono, S., & Candas, V. (1982). Cortisol as a sensitive index of heat-intolerance. Physiology & behavior, 29(3), 509–513. https://doi.org/10.1016/0031-9384(82)90274-8
  23. Sharma, V. K. and Singh, T. G. (2020). Chronic Stress and Diabetes Mellitus: Interwoven Pathologies. Current diabetes reviews, 16(6), 546–556. https://doi.org/10.2174/1573399815666191111152248
  24. Vyas, S., Rodrigues, A. J., Silva, J. M., Tronche, F., Almeida, O. F., Sousa, N., & Sotiropoulos, I. (2016). Chronic Stress and Glucocorticoids: From Neuronal Plasticity to Neurodegeneration. Neural plasticity, 2016, 6391686. https://doi.org/10.1155/2016/6391686
  25. Povaliaeva, A., Bogdanov, V., Pigarova, E., Zhukov, A., Dzeranova, L., Belaya, Z., Rozhinskaya, L., Mel’nichenko, G., & Mokrysheva, N. (2021). Assessment of Vitamin D Metabolism in Patients with Cushing’s Disease in Response to 150,000 IU Cholecalciferol Treatment. Nutrients, 13(12), 4329. https://doi.org/10.3390/nu13124329
  26. Davidson ZE, Walker KZ, Truby H. Clinical review: Do glucocorticosteroids alter vitamin D status? A systematic review with meta-analyses of observational studies. J Clin Endocrinol Metab. 2012 Mar;97(3):738-44. doi: 10.1210/jc.2011-2757. Epub 2011 Dec 21.
  27. IOM (Institute of Medicine). (2011). Dietary Reference Intakes for Calcium and Vitamin D. Washington, DC: The National Academies Press. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK56070/ doi: 10.17226/13050
  28. National Institutes of Health (NIH) Office of Dietary Supplements (ODS) (2021). Vitamin D – Fact Sheet for Health Professionals, available at: https://ods.od.nih.gov/factsheets/VitaminD-HealthProfessional/
  29. Institute of Medicine (2011) Dietary Reference Intakes for Calcium and Vitamin D. Washington, DC: National Academies Press.
  30. Smith, L. M., & Gallagher, J. C. (2017). Dietary Vitamin D Intake for the Elderly Population: Update on the Recommended Dietary Allowance for Vitamin D. Endocrinology and metabolism clinics of North America, 46(4), 871–884. https://doi.org/10.1016/j.ecl.2017.07.003

 

Biografie

Martina Balducci: Conseguita la Laurea Magistrale in Biologia della Salute, con un curriculum nutrizionale, svolge il primo anno di Dottorato in “Future Earth, Climate Change and Societal Challenges” presso il Dipartimento di Scienze per la Qualità della Vita dell’Università di Bologna. Sviluppa la sua ricerca sulla salute unica, l’approccio scientifico che collega la salute dell’uomo a quella di animali ed ambiente.

Andrea Tarozzi: Professore di Farmacologia e Tossicologia presso il Dipartimento di Scienze per la Qualità della Vita dell’Università di Bologna. L’interesse delle sue ricerche è rivolto principalmente allo sviluppo di strategie terapeutiche per la prevenzione e la riduzione dei fattori di rischio associati allo sviluppo di malattie neurodegenerative.

 

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