Neuralrørsdefekter

E-mail til en ven

Gem på mit instrumentbord

Du har gemt denne side

CENTRALE PUNKTER

Neurale rørdefekter (NTD'er) er fødselsdefekter i hjernen og rygmarven. NTD'er kan forårsage alvorlige problemer for babyer.

For at forhindre NTD'er skal du tage et vitamintilskud, der har 400 mikrogram folsyre i det hver dag, selvom du ikke prøver at blive gravid.

Hvis du har en høj risiko for NTD'er, skal du tage 4.000 mikrogram folsyre hver dag. Tal med din udbyder om, hvordan du sikkert får så meget.

Du har en høj risiko for NTD'er, hvis du har fået en baby med en NTD, eller du, din partner eller dine familiemedlemmer har en NTD.

Folinsyre hjælper kun med at forhindre NTD'er, hvis du tager den før og i de første uger af graviditeten.

Hvad er neuralrørsdefekter?

Neuralrørsdefekter (også kaldet NTD'er) er fødselsdefekter i hjernen og rygmarven. Fødselsdefekter er sundhedsmæssige forhold, der er til stede ved fødslen. De ændrer form eller funktion på en eller flere dele af kroppen. Fødselsdefekter kan forårsage problemer i det generelle helbred, hvordan kroppen udvikler sig, eller hvordan kroppen fungerer.

En babys neurale rør starter normalt som et lille, fladt bånd, der forvandles til et rør ved udgangen af den første måned af graviditeten. Hvis røret ikke lukkes helt, kan en NTD ske. NTD'er kan forårsage alvorlige problemer for babyer, herunder død.

NTD'er forekommer i cirka 3.000 graviditeter hvert år i De Forenede Stater. Latinamerikanske kvinder er mere tilbøjelige end ikke-latinamerikanske kvinder til at have en baby med en NTD.

De to mest almindelige NTD'er er spina bifida og anencephaly. Spina bifida påvirker omkring 1.500 babyer om året i USA. Hvis din baby har spina bifida, lukker de små knogler i rygsøjlen ikke helt, og en del af rygmarven ryger gennem rygsøjlen. Børn med spina bifida kan have lammede ben (ikke i stand til at bevæge sig) og problemer med at kontrollere deres blære og tarm (går på badeværelset). Mildere former for spina bifida kan medføre færre problemer for børn.

Anencephaly er en af de mest alvorlige NTD'er. Det påvirker omkring 1.000 babyer hvert år i USA. Anencefali forårsages, når den øverste del af det neurale rør, der danner hjernen, ikke lukker helt. Babyer med denne tilstand mangler større dele af hjernen, kraniet og hovedbunden. De overlever ikke længe efter fødslen, normalt kun i nogle få timer. Piger er 3 gange mere tilbøjelige end drenge til at få anencefali.

At tage folsyre før og under den tidlige graviditet kan hjælpe med at forhindre NTD'er i din baby. Folinsyre er et B-vitamin, som hver celle i din krop har brug for til normal vækst og udvikling.

Hvad forårsager NTD'er?

Vi er ikke helt sikre på, hvad der forårsager NTD'er. Eksperter mener, at nogle kan være forårsaget af genetik. Dette betyder, at en NTD kan overføres fra forældre til børn gennem gener. Gener er en del af din krops celler, der gemmer instruktioner for, hvordan din krop vokser, ser ud og fungerer.

NTD'er kan også være forårsaget af ting i dit miljø. Dit miljø er alle de ting, du kommer i kontakt med, der påvirker din hverdag, herunder ting som hvor du bor, hvor du arbejder, den slags mad du spiser og hvordan du kan lide at tilbringe din tid. Nogle ting i dit miljø kan være skadeligt for en graviditet, som visse medikamenter, cigaretrøg, luftforurening og bly.

Er du i fare for at have en baby med en NTD?

Enhver kvinde kan have en baby med en NTD. Men der er ting, der kan gøre dig mere sandsynlig end andre kvinder til at have en baby med en NTD. Disse kaldes risikofaktorer.

Hvis du har disse risikofaktorer, er du i høj risiko for NTD'er:

Du har haft en baby med en NTD. Hvis du har haft en baby med en NTD, er der en 2- til 3 procent chance for at få en baby med en NTD i en anden graviditet. For at finde ud af om din risiko for NTD'er, skal du tale med en genetisk rådgiver. Dette er en person, der er trænet til at hjælpe dig med at forstå gener, fødselsdefekter og andre medicinske tilstande, der kører i familier, og hvordan de kan påvirke dit helbred og din babys helbred.
Du eller din partner har en NTD, din partner har et barn med en NTD eller nogen i en af dine familier har en NTD. Dette betyder, at du har en familiehistorie med NTD'er. For at finde ud af om sundhedsmæssige tilstande som NTD, der kan køre i din familie, skal du bruge formularen til familiens sundhedshistorie for marts. Udfyld det, og del det med din sundhedsudbyder eller genetisk rådgiver.

Andre risikofaktorer for NTD'er inkluderer:

Du tager bestemte medicin mod anfald. Hvis du tager medicin for at forhindre anfald, skal du tale med din sundhedsudbyder, inden du bliver gravid om, hvordan medicinen kan påvirke din graviditet.
Du er overvægtig. Nogle undersøgelser viser, at det at være overvægtigt øger din risiko for at få en baby med en NTD. Hvis du er overvægtig, har du en overskydende mængde kropsfedt, og dit kropsmasseindeks (BMI) er 30 eller højere. Gå til cdc.gov/bmi for at finde ud af din BMI. Tal med din udbyder om at komme i en sund vægt før graviditet.
Du har diabetes. Diabetes er en medicinsk tilstand, hvor din krop har for meget sukker (kaldet glukose) i dit blod. Dette kan skade organer i din krop, inklusive blodkar, nerver, øjne og nyrer. Hvis din diabetes ikke er kontrolleret, kan du have en øget risiko for at få en baby med en NTD. Du kan hjælpe med at kontrollere diabetes ved at spise sunde fødevarer og være aktiv hver dag.
Du bruger opioider i de første 2 måneder af graviditeten. Opioider er meget vanedannende stoffer. Din udbyder kan ordinere en opioid til dig som smertestillende, hvis du er blevet såret eller har fået operation. Almindelige receptpligtige opioider inkluderer kodein, hydrocodon og oxycodon. Disse sælges og bruges ofte ulovligt. Hvis du tager noget opioid under graviditet, kan det forårsage alvorlige problemer for din baby, som for tidligt fødsel og abstinens, som kaldes neonatal abstinenssyndrom (også kaldet NAS). Hvis du er gravid og tager noget lægemiddel eller medicin, der kan være en opioid, skal du med det samme fortælle din læge.
Du har en høj kropstemperatur tidligt i graviditeten. Dette kan være forårsaget af feber eller tilbringe en masse tid i et boblebad eller sauna. Hvis du er gravid, skal du holde dig ude af boblebad og saunaer. Hvis du bruger dem, skal du begrænse tiden til mindre end 10 minutter.

$config[ads_text5] not found

Hvordan kan du hjælpe med at forhindre NTD'er i din baby?

At tage folsyre før og under den tidlige graviditet kan hjælpe med at forhindre NTD'er i din baby. NTD'er sker i den første måned af graviditeten, før du måske ved, at du er gravid. Derfor er det vigtigt at have nok folsyre i kroppen, inden du bliver gravid.

De fleste kvinder
For at hjælpe med at forhindre NTD'er i din baby, skal du tage et vitamintilskud med 400 mcg folinsyre før graviditet hver dag. Et supplement er et produkt, du tager for at kompensere for visse næringsstoffer, som du ikke får nok af i de fødevarer, du spiser. Begynd at tage 400 mcg folinsyre hver dag mindst 1 måned før graviditet gennem de første 12 uger af graviditeten. Dit folinsyretilskud kan være:

En multivitamin. Dette er en pille, der indeholder mange vitaminer og andre næringsstoffer, der hjælper din krop med at forblive sund.
Et prenatal vitamin. Dette er en multivitamin, der har næringsstoffer, du har brug for under graviditeten. Din sundhedsudbyder kan muligvis give dig en recept på prænatal vitaminer, eller du kan få dem uden disk.
Et supplement, der kun indeholder folsyre

Tag et vitamintilskud med 400 mcg folsyre hver dag, selvom du ikke prøver at blive gravid.

Kvinder med høj risiko for NTD'er
Hvis du har en høj risiko for at få en baby med en NTD, skal du tage 4.000 mcg folinsyre hver dag for at hjælpe med at forhindre en NTD. Begynd at tage 4.000 mcg 3 måneder, før du bliver gravid gennem 12 ugers graviditet. Du er i høj risiko, hvis:

$config[ads_text6] not found

Du har haft en graviditet med en NTD i fortiden.
Du eller din partner har en NTD.
Din partner har et barn med en NTD.

Undersøgelser viser, at det at tage 4.000 mcg folinsyre før og under den tidlige graviditet kan hjælpe med at reducere din risiko for at få en anden baby med en NTD med ca. 70 procent. Spørg din udbyder, hvordan du sikkert får så meget folsyre. Det er ikke sikkert at tage flere multivitaminer eller prenatal vitaminer, fordi du kan få for meget af andre næringsstoffer, som kan være skadelige for dit helbred. Din udbyder kan hjælpe dig med at finde ud af den bedste og sikreste måde for dig at få den rigtige mængde folsyre.

Kan du få folsyre fra mad?

Ja! Du kan få folsyre fra fødevarer, der er beriget med folsyre. Befæstet betyder, at en mad tilsættes folinsyre. Kontroller produktets etiket for at se, hvor meget folsyre du får i hver portion. Se efter ordet "befæstet" eller "beriget" på etiketter på fødevarer som:

Brød
Morgenmadsprodukt
cornmeal
Mel
pasta
Produkter fremstillet af en slags mel kaldet majsmasa, som tortillas, tortillachips, tacoskaller, tamales og pupusas
hvide ris

Nogle frugter og grøntsager er gode kilder til folsyre. Når folsyre er naturligt i en mad, kaldes den folat. Mad, der er gode kilder til folat, er:

Bønner, som linser, pintobønner og sorte bønner
Blade grønne grøntsager, som spinat og romansk salat
Asparges
broccoli
Jordnødder (men ikke spis dem, hvis du har en jordnødeallergi.)
Citrusfrugter, som appelsiner og grapefrugt
Appelsinsaft (100 procent juice er bedst. Det betyder, at en portion juice er lig med en portion frugt.)

$config[ads_text7] not found

Det er svært at få al den folinsyre, du har brug for, fra mad. Selv hvis du spiser mad, der har folinsyre i dem, skal du også tage dit vitamintilskud hver dag.

Kan du finde ud af, om din baby har en NTD før fødslen?

Ja. Du kan få prenatal test (medicinske tests, du får under graviditet), kaldet screeningstest for at finde ud af, om din baby har en øget risiko for at få en NTD. Screeningtest for NTD'er inkluderer:

Moderselskabscreening (også kaldet en firhjulsskærm). Det kaldes en firhjulsskærm, fordi den måler fire stoffer i dit blod. Testen udføres ved 15 til 22 ugers graviditet.
Ultralyd. Denne test bruger lydbølger og en computerskærm til at vise et billede af din baby inde i livmoderen. Du får normalt en ultralyd ved 16 til 20 ugers graviditet.

Hvis en screeningtest viser en øget risiko for NTD'er, kan din udbyder anbefale en diagnostisk test for at finde ud af, om din baby har en NTD. Diagnostiske test for NTD'er inkluderer:

Fostervandsprøve. I denne test tager din udbyder noget fostervand fra omkring din baby i livmoderen (livmoderen) for at kontrollere for fødselsdefekter, som NTD'er, i din baby. Du kan få denne test ved 15 til 20 ugers graviditet.
Detaljeret ultralyd af din babys kranium og rygsøjle

Hvis du under graviditeten finder ud af, at din baby har en NTD, skal du tale med din sundhedsudbyder for at lære mere om din babys tilstand og mulighederne for fødsel og behandling. For eksempel:

Du kan planlægge at have din baby på et hospital, der er specialiseret i pleje af babyer med NTD'er. På denne måde kan din baby få enhver nødvendig operation eller behandling kort efter fødslen.
Du kan beslutte, om du vil have en vaginal eller cesarean fødsel (også kaldet c-sektion). Under vaginal fødsel trækkes livmoderen sammen for at hjælpe med at skubbe babyen ud gennem skeden. Et c-afsnit er en operation, hvor din baby bliver født gennem et snit, som din læge foretager i din mave og livmoder. I nogle tilfælde kan et c-afsnit være mere sikkert for dig og din baby end vaginal fødsel.
Hvis din baby har spina bifida, kan du finde ud af om operation for din baby i livmoderen før fødslen. Kirurgi til reparation af spina bifida i livmoderen før fødslen er mere effektiv end kirurgi efter fødslen.

$config[ads_text8] not found

Neurale rørdefekter

Lær mere

Se, leg og lær

Ingen links tilgængelige

Neuralrørsdefekter er fødselsdefekter i hjernen, rygsøjlen eller rygmarven. De sker i den første måned af graviditeten, ofte før en kvinde endda ved, at hun er gravid. De to mest almindelige neuralrørsdefekter er spina bifida og anencephaly. I spina bifida lukker fosterets rygsøjle ikke helt. Der er normalt nerveskader, der forårsager mindst en vis lammelse af benene. I anencefali udvikler det meste af hjernen og kraniet sig ikke. Babyer med anencefali er normalt enten dødfødte eller dør kort efter fødslen. En anden type defekt, Chiari-misdannelse, får hjernevævet til at strække sig ind i rygmarven.

De nøjagtige årsager til neuralrørsdefekter er ikke kendt. Du har større risiko for at få et spædbørn med en defekt i neuralrøret, hvis du

Har fedme
Har dårligt kontrolleret diabetes
Tag visse antiseizuremediciner

At få nok folsyre, en type B-vitamin, før og under graviditet forhindrer de fleste neurale rørdefekter.

Neurale rørdefekter diagnosticeres normalt før spædbarnet fødes gennem laboratorie- eller billeddannelsesprøver. Der er ingen kur mod neuralrørsdefekter. Den nerveskade og funktionstab, der er til stede ved fødslen, er normalt permanente. Imidlertid kan forskellige behandlinger undertiden forhindre yderligere skader og hjælpe med komplikationer.

NIH: National Institute of Children Health and Human Development

$config[ads_text9] not found

medlineplus.gov

Neurale rørdefekter

Neuralrørsdefekter (NTD'er), inklusive spina bifida og anencephaly, er alvorlige fødselsdefekter i det centrale nervesystem, der stammer fra embryonisk udvikling, når neuralrøret ikke lukker helt. Humane NTD'er er multifaktorielle med bidrag fra både genetiske og miljømæssige faktorer. Det genetiske grundlag er endnu ikke godt forstået, men flere nongenetiske risikofaktorer er blevet identificeret som muligheder for forebyggelse ved fødselssupplementering af moder. Mekanismer, der ligger til grund for lukning af neurale rør og NTD'er, kan informeres af eksperimentelle modeller, som har afsløret adskillige gener, hvis unormale funktion forårsager NTD'er og har givet detaljer om kritiske cellulære og morfologiske begivenheder, hvis regulering er væsentlig for lukning. Sådanne modeller giver også en mulighed for at undersøge mulige risikofaktorer og udvikle nye forebyggende terapier.

INTRODUKTION

Neurale rørdefekter (NTD'er) er alvorlige fødselsdefekter i det centrale nervesystem, der stammer fra embryogenese og er resultatet af svigt i den morfogenetiske proces med lukning af neurale rør (se sidebjælke). I højere hvirveldyr genereres det neurale rør af de processer, der former, bøjes og smelter neuralepladen, og fusion i den rygglige midtlinie forsegler gradvist det neurale rør, når det dannes. Hvis lukningen ikke er afsluttet, forbliver neuroepitheliet udsat for miljøet og følgelig udsat for degeneration og neuronalt underskud. Type og alvorlighed af disse åbne NTD'er varierer med niveauet for den berørte kropsakse. Således resulterer svigt i lukningen i den blivende hjerne og rygmarv henholdsvis i anencefali og åben spina bifida (myelomeningocele).

$config[ads_text10] not found

Selvom det samlende træk ved åbne NTD'er er ufuldstændig lukning af neurale rør, peger bevis på mange forskellige mulige årsager, både genetiske og miljømæssige. Hos mennesker ser det ud til, at de fleste NTD'er er multifaktorielle, som et resultat af et additivt bidrag fra flere risikofaktorer, som hver for sig er utilstrækkelige til at forstyrre lukningen af neurale rør (multifaktoriel tærskelmodel) (Harris & Juriloff 2007). Udfordringen med at identificere den primære årsag til NTD'er hos individuelle patienter fremhæves af de mange kandidatgener og miljøfaktorer, der er indikeret af epidemiologiske studier og eksperimentelle modeller. Desuden indfører potentialet for gen-gen og gen-miljø-interaktioner yderligere potentiel kompleksitet.

FORSTÅR DEN EMBRYONISKE GRUNDLÆGGENDE AF NTD'er: NEURAL TUBE CLOSURE

Bestemmelse af de specifikke årsager til NTD'er opnås bedst i sammenhæng med en forståelse af mekanismerne, der ligger til grund for lukning af neurale rør (gennemgået af Copp & Greene 2013, Greene & Copp 2009). I betragtning af utilgængeligheden af det menneskelige embryo i neuruleringsfasen kommer vores viden om de centrale principper for lukning af neurale rør hovedsageligt fra analyse af eksperimentelle modeller, især andre pattedyr, amfibier og fugle, hvor primær neurale rørlukning opnås gennem foldning og fusion af neuroepithelium.

Primær neurulation: Undertyper af NTD'er vedrører lukketid

I den fremtidige hjerne og det meste af rygmarven involverer dannelse af neurale rør i det væsentlige bøjning af neuroepithelium ved midtlinjen for at generere neurale folder, der løfter, mødes og smeltes sammen i den rygte midtlinie (primær neurulation). I stedet for samtidig at rulle op langs rostrocaudalaksen, er neuralrørets lukning kontinuerlig med forskellige indledningssteder placeret ved karakteristiske aksiale niveauer. Desuden varierer de morfologiske og molekylære krav til lukning langs kropsaksen, således at en individuel NTD kun påvirker en del af det neurale rør. NTD'er kan således tilskrives svigt i bestemte initieringsbegivenheder eller forstyrrelse af udviklingen af lukning mellem disse steder (figur 1).

Diagrammatisk gengivelse af misdannelsers udviklingsmæssige oprindelse bredt klassificeret som neuralrørsdefekter hos mennesker. ( a, b ) Forstyrrelser ved primær neurulation inkluderer craniorachischisis ( a ), hvor det neurale rør undlader at starte lukning, hvilket lader det meste af hjernen og hele rygsøjlen være åben. Hvis lukningen starter med succes, kan de kraniale og / eller spinale neurale folder muligvis ikke lukke ( b ) generere henholdsvis exencephaly / anencephaly og open spina bifida (myelomeningocele). ( c ) Forstyrrelser ved sekundær neurulation omfatter svigt i det neurale rør til at adskille sig fuldstændigt fra tilstødende væv, hvilket resulterer i bindning og nedsat mobilitet. Rygmarven er dækket af hud og ofte forbundet med akkumulering af fedtvæv (lipoma) gennem hidtil ukendte mekanismer. ( d ) Postneurulationsdefekter kan opstå, når knoglens struktur på knoglen ikke udvikler sig fuldt ud. Herniation af hjernehinderne, med eller uden hjernevæv, gennem en kraniumdefekt (her vist som occipital men nogle gange parietal eller fronto-etmodial) genererer encephalocele, mens en analog defekt i rygmarvsområdet producerer meningocele.

Hos mus opnås først lukning på embryonal dag 8.5 på niveauet for baghoved / cervikale grænse (lukning 1) (figur 1 a ), og svigt af denne begivenhed fører til craniorachischisis (Copp et al. 2003). Lukning initieres på et andet sted på embryonal dag 9, lukning 2, i den caudale forhjerne eller forhjernen / mellemhovedgrænsen. Når først initial kontakt og fusion er blevet etableret mellem spidserne af de neurale folder, spreder lukningen sig i to retninger fra stederne for lukninger 1 og 2 og i en kaudal retning fra den rostrale ende af det neurale rør (lukning 3). De åbne regioner i neurale folder, benævnt neuroporer, forkortes gradvist, hvilket fører til fuldstændig lukning af den forreste neuropore (mellem lukninger 2 og 3) på embryonal dag 9 og baghjernens neuropore (mellem lukninger 1 og 2) et par timer senere. Kraniale NTD'er (anencephaly) skyldes fiasko i lukning 2 eller ufuldstændig "lynlåsning" mellem lukningerne 1 og 2, der lukker midterhjernen og baghovedet. Hvis fusion ikke skrider frem fra den forreste ende af den neurale plade (lukning 3), er den resulterende fænotype et splittet ansigt, som normalt ledsages af forebrain-anencefali.

I modsætning til den kraniale region, hvor lukningen fortsætter tovejs, er spinalneurulation fuldstændigt forsigtigt rettet, når embryoet fortsætter med at vokse. Primær neurulation afsluttes med den endelige lukning af den bageste neuropore på embryonal dag 10. Nedsat progression af lukning, og følgelig tilstedeværelsen af en vedvarende åben posterior neuropore, resulterer i spina bifida, og størrelsen af den efterfølgende læsion relaterer sig direkte til det aksiale niveau ved hvilken lukning stopper.

Primær neurulation hos mennesker

Undersøgelse af humane embryoner antyder, at initiering af lukning er diskontinuerlig, som i musen (Nakatsu et al. 2000, O'Rahilly & Müller 2002). Bøjning af den neurale plade begynder cirka 18 dage efter befrugtning, med en begivenhed, der svarer til lukning 1 ca. 21 dage og færdiggørelse af lukning ved den bageste neuropore med 26-28 dage efter befrugtning (figur 1 a, b ). Det ser ud til, at lukning af forhjernen og mellemhovedet i humane embryoner kan opnås ved progression mellem stedet for lukning 1 og den rostrale ende af neuralpladen uden et mellemliggende indledningssted analogt med lukning 2 (O'Rahilly & Müller 2002, Sulik et al. 1998).

Sekundær neurulation

Hos mus og mennesker er det neurale rør, der er caudalt til midsacralregionen, kontinuerligt med den kaudale ende af det primære neurale rør, men dannes ved en særskilt proces, kaldet sekundær neurulation (Copp & Brook 1989, Schoenwolf 1984). Denne proces involverer kondensering af en population af haleknap-afledte celler til dannelse af en epitelstang, der gennemgår kanalisering for at danne rørets lumen i de nedre sakrale og coccygealregioner. Misdannelser, der skyldes forstyrrelse af sekundær neurulation, lukkes (hudoverdækkes) og involverer ofte bundning af rygmarven med tilhørende ektopisk lipomatøst materiale (figur 1 c ) (Lew & Kothbauer 2007).

MEKANISMER UNDERLEDNING AF NEURAL RØR

Undersøgelser af neurulationsfaseembryoer, både normale og udviklende NTD'er, giver indsigt i nøglemolekylære og cellulære veje, der ligger til grund for de morfologiske vævsbevægelser i neuralrørslukning (Copp & Greene 2010). Forekomsten af isolerede NTD'er ved kraniale eller caudale niveauer hos mennesker og forskellige musemodeller antyder den sandsynlige involvering af regionsspecifikke mekanismer, afhængig af forskellige genprodukter, ud over allestedsnærværende krav, der er væsentlige på alle niveauer.

Formning af den neurale plade: Konvergent forlængelse er påkrævet for at starte lukning

Samtidig med begyndelsen af lukning af neurale rør gennemgår den neurale plade indsnævring i den mediolaterale akse (konvergens) og forlængelse i den rostrocaudale akse (forlængelse) på grund af intercalation af celler ved midtlinjen (Keller 2002). Konvergent udvidelse afhænger af aktiviteten af en ikke-kanonisk Wnt-signalveje, homolog med den plane cellepolaritet (PCP) -vej, der først blev beskrevet i Drosophila som regulerende cellepolaritet i epithelia-planet (Goodrich & Strutt 2011). Signalering sker via Frizzled (Fzd) membranreceptorer og cytoplasmatiske opvaskede (Dvl) men uden stabilisering af ß-catenin.

PCP: plan cellepolaritet

Funktionel forstyrrelse af PCP-mediatorer forhindrer konvergent udvidelse, og den neurale plade forbliver bred i Xenopus (Wallingford & Harland 2001, 2002) og musembryoer (Greene et al. 1998, Ybot-Gonzalez et al. 2007b). Derfor mislykkes lukning 1, hvilket fører til craniorachischisis hos mus, der er homozygote for mutationer i centrale PCP-gener, herunder Vangl2 og Celsr1, eller dobbeltmutanter for Dvl-1 og - 2 eller Fzd-3 og - 6 (Juriloff & Harris 2012a). Craniorachischisis er også resultatet af mutation af de PCP-relaterede gener Scrb1 (Murdoch et al. 2001) og Ptk7 (Lu et al. 2004) eller gener, der koder for tilbehørsproteiner, såsom Sec24b, som påvirker Vangl2-transport (Merte et al. 2010). I sidste ende antages svigt i lukning af initiering i PCP-mutante embryoner skyldes utilstrækkelig nærhed af de neurale folder, på grund af den udvidede midtlinie.

Manglende lukning 1 i de fleste af de centrale PCP-mutantembryoer udelukker analyse af et krav om konvergent udvidelse i senere neuruleringsstadier. Spina bifida forekommer imidlertid i nogle heterozygoter med loop-tail ( Vangl2 Lp / + ) (Copp et al. 1994) og i sammensatte heterozygoter af Vangl2 Lp / + med mutationer af Ptk7, Sec24b eller Sdc4 (Escobedo et al. 2013, Lu et al. 2004, Merte et al. 2010). Desuden kompromitteres ikke-kanonisk Wnt-signalering i Lrp6-nollembryoer, der udvikler spina bifida (Gray et al. 2013). Disse observationer antyder, at PCP-signalering muligvis kan fortsætte med at være nødvendigt, når spinalneurulation fortsætter.

På trods af det helt åbne spinale neurale rør i Vangl2 Lp / Lp- embryoner med craniorachischisis, forekommer lukning i forhjernen og meget af mellemhovedet, hvilket antyder, at PCP-afhængig konvergent udvidelse ikke er påkrævet i hele kranialområdet. Ikke desto mindre observeres exencephaly i digeniske kombinationer af Vangl2 Lp / + med nogle Wnt-pathway-gener (f.eks. Dvl3 +/−, Fzd1 +/−, og Fzd2 +/−) (Etheridge et al. 2008, Yu et al. 2010) . Exencephaly udvikler sig også i mutanter til PCP-effektorgenerne Fuz eller Intu, men rollen af disse gener i ciliumafhængig pindsvin-signalering synes mere sandsynligt at forklare deres tab af funktionseffekt på lukning af neuralrøret end en rolle i reguleringen af konvergent udvidelse (Gray et al. 2009, Heydeck & Liu 2011, Zeng et al. 2010) (se Bøjning af de neurale folder: Regulering af Shh og BMP Signaling, nedenfor). Således påvirker komponenter af PCP-signalering potentielt neurale rørlukning via flere cellulære mekanismer.

Bøjning af de neurale folder: Regulering ved Shh og BMP-signalering

For at opnå lukning skal neuroepitheliet bøjes for at bringe spidserne af de neurale folder i placering. Bøjning sker på en stereotype måde ved hængselspunkter: et median hængselspunkt (MHP) i midtlinjen og parrede dorsolaterale hængselspunkter (DLHP'er), der opstår lateralt (Shum & Copp 1996). Morfologien varierer langs kropsaksen med forskellige tilstande i de øverste (kun MHP), midtryggen (MHP og DLHP'er) og caudale (kun DLHP'er) regioner i det primære spinale neurale rør.

Mekanismerne, der ligger til grund for neuroepithelbøjning, er ikke fuldt ud forstået, men et bemærkelsesværdigt træk ved MHP er overvejelsen af kileformede celler (bredere grundlæggende end apisk) sammenlignet med ikke-bøjende regioner (Schoenwolf & Smith 1990). Ved neurale pladetrin er neuroepitheliet et pseudostratificeret epitel, hvor kerner bevæger sig til basalpolen under S-fase på grund af interkinetisk nuklear migration . Forlængelse af S-fase ved MHP tilvejebringer et muligt middel, hvormed regulering af cellecyklussen kan bidrage til cellekilning og dermed MHP-dannelse (Schoenwolf & Smith 1990).

Bøjning reguleres af signaler, der stammer fra ikke-neurale væv dorsal og ventral til de neurale folder (gennemgået af Greene & Copp 2009). MHP induceres af signaler fra notokorden, der er placeret umiddelbart ventralt til midtlinjen af neuroepithelium (Smith & Schoenwolf 1989, Ybot-Gonzalez et al. 2002). På molekylært niveau inducerer notokord-afledt Shh gulvpladen i det neurale rør ved MHP (Chiang et al. 1996, Placzek & Briscoe 2005). Imidlertid er denne handling ikke væsentlig for lukning af rygmarven, som afsluttes i fravær af en gulvplade i musembryoner, der mangler Shh eller Fox A2 (Ang & Rossant 1994, Chiang et al. 1996). MHP kan således være funktionelt vigtig ved udvikling af gulvplade, men er ikke væsentlig for lukning af neurale rør.

I modsætning til MHP forekommer DLHP'er væsentlige for, at det neurale rør skal lukkes i det lave rygmarvsregion. For eksempel udvikler Zic2- mutante embryoner, hvor DLHP'er er fraværende, svær spina bifida (Ybot-Gonzalez et al. 2007a). Dannelsen af DLHP'er er aktivt reguleret; samspillet mellem hæmmende og induktive signaler bestemmer deres udseende på forskellige aksiale niveauer (Copp & Greene 2013). Disse signaler inkluderer hæmmende effekter af Shh fra notokorden og BMP-signalering fra overfladen ectoderm ved rygspidserne af de neurale folder. Disse signaler modsættes af BMP-antagonisten noggin, hvis ekspression i dorsale neurale folder er tilstrækkelig til at inducere DLHP'er (Ybot-Gonzalez et al. 2002, 2007a).

I modsætning til virkningerne af et fravær af Shh-signalering skyldes NTD'er mutationer, der forbedrer Shh-signalering, for eksempel gennem mangelfuld funktion af hæmmende eller cilia-relaterede gener, såsom Gli3, Rab23, Fkbp8, Tulp3 og Ift40 (Miller et al. 2013, Murdoch & Copp 2010). Mutanter, der involverer øget Shh-signalering, viser NTD'er på kraniale og / eller rygmarvsniveauer. Selvom spina bifida i nogle af disse modeller ser ud til at være forbundet med undertrykkelse af dorsolateral bøjning af de neurale folder (Murdoch & Copp 2010), er mekanismen, der ligger til grund for kraniale NTD'er, ikke klar.

Kranial neurulation: Ekstra kompleksitet og følsomhed for forstyrrelser

De neurale folder i kranialområdet bøjes i midtlinjen og dorsolateralt som i midten af rygmarven, men lukkeprocessen forekommer morfologisk mere kompleks. Foldene er oprindeligt bikonveks, med spidserne vendt væk fra midtlinjen, og skift derefter til en biconcave form, der giver tipene mulighed for at nærme sig i midtlinjen. Den ekstra kompleksitet af kranial sammenlignet med spinalneurulation ser ud til at afspejles i en mere omfattende genetisk underbygning og en større følsomhed for forstyrrelser, i det mindste i gnavere. Exencephaly forekommer i cirka tre gange så mange knockout-musemodeller som spina bifida og er den NTD-type, der oftest induceres af teratogener (Copp et al. 1990, Harris & Juriloff 2010).

Kranial neurulation kan være afhængig af specifikke medvirkende faktorer, der ikke er involveret i rygmarvsområdet, såsom ekspansion af mesenchymet bag de neurale folder (Greene & Copp 2009, Zohn & Sarkar 2012). Desuden forhindrer forstyrrelse af actin-cytoskelettet lukning i kranialen, men ikke i rygmarvsområdet (Morriss-Kay & Tuckett 1985, Ybot-Gonzalez & Copp 1999). Tilsvarende observeres exencephaly, men spinal neurulation afsluttes med succes i nullmutanter for flere cytoskeletale komponenter (f.eks. N-cofilin, vinculin ) (Gurniak et al. 2005, Xu et al. 1998). Ikke desto mindre er apik placerede actinmikrofilamenter til stede i hele neuroepithelium (Sadler et al. 1982) og funktionel forstyrrelse af de cytoskeleton-associerede proteiner MARCKS-relateret protein eller Shroom3 forårsager både spinale og kraniale NTD'er (Hildebrand & Soriano 1999, Xu et al. 1998) ) hvilket antyder, at regulering af actomyosin-cytoskelettet spiller en rolle i lukningen i begge regioner. Shroom-proteiner ser ud til at spille en nøglerolle: Ekspression af Shroom i Xenopus er tilstrækkelig til at inducere apikal indsnævring af epitelceller, hvorimod funktionel forstyrrelse hæmmer neural foldbøjning og undertrykker lukning (Haigo et al. 2003).

Vedhæftning og fusion af de neurale folder

Når de neurale folder foldes sammen på den dorsale midtlinje, giver processer med vedhæftning, fusion og ombygging anledning til to adskilte epitelag, hvor det nascerende neurale rør overlejres af en intakt overflade ectoderm (Pai et al. 2012). På lukningsstedet er de neurale foldespidser sammensat af neuroepithelium kontinuerligt med den ikke-neurale overflade ectoderm. Den celletype, der klæber til først, kan variere ved forskellige aksiale niveauer (Geelen & Langman 1979, Ray & Niswander 2012). Ikke desto mindre ser det ud til, at initial kontakt i alle niveauer involverer subcellulære fremspring, der ligner lamellipodia og filopodia, observeret ved elektronmikroskopi (Geelen & Langman 1979) og i levende embryoner (Pyrgaki et al. 2010). Det molekylære basis for adhæsion er ikke godt karakteriseret, måske på grund af funktionel redundans blandt de involverede proteiner. Imidlertid foreslås en rolle for interaktion mellem celleoverflade-ephrinreceptorer med Eph-ligander ved forekomsten af kraniale NTD'er hos mus, der mangler ephrin-A5 eller EphA7 (Holmberg et al. 2000), og ved forsinket rygmarvslukning i embryoner udsat for peptider, der blokerer ephrin-A / EphA-interaktioner (Abdul-Aziz et al. 2009).

Knockout of protease-activated receptors (PAR1 and PAR2) in the surface ectoderm also causes cranial NTDs, implicating a role for signaling via these G protein—coupled receptors in closure (Camerer et al. 2010). Further evidence for the function of the nonneural ectoderm is provided by Grhl2 null mutants, which fail in closure throughout the cranial region and exhibit spina bifida (Brouns et al. 2011, Rifat et al. 2010, Werth et al. 2010). Grhl2 is expressed in the surface ectoderm overlying the neural folds and regulates expression of several components of the apical adhesion junction complex, including E-cadherin (Pyrgaki et al. 2011, Werth et al. 2010).

Regulation of Cell Proliferation and Cell Death

During neurulation the embryo grows rapidly. Cell cycle exit and neuronal differentiation begin in the neuroepithelium shortly after closure, and maintenance of adequate proliferation in the neuroepithelium appears crucial for closure, particularly in the cranial region. Thus, in mice, NTDs can be caused by exposure to antimitotic agents (Copp et al. 1990) or mutation of genes encoding proteins associated with cell-cycle progression (eg, neurofibromin 1, nucleoporin ) or prevention of neuronal differentiation (eg, Notch pathway genes Hes1, Hes3, RBP-Jκ ) (Harris & Juriloff 2007, 2010). Conversely, excessive cell proliferation is also associated with NTDs in several mouse models, such as Phactr4 mutants (Kim et al. 2007).

Characteristic patterns of apoptotic cell death occur in the neural folds and the midline of the closed neural tube (Geelen & Langman 1979, Massa et al. 2009, Yamaguchi et al. 2011). Increased cell death could inhibit closure by compromising the functional and/or mechanical integrity of the neuroepithelium. It is associated with NTDs in several teratogen-induced and genetic models, although only rarely has a direct causal link been definitively established (Copp & Greene 2013, Fukuda et al. 2011). The occurrence of exencephaly in mice lacking apoptosis-related genes such as caspase3 or Apaf1 suggests a requirement for apoptosis in closure (Harris & Juriloff 2010). However, forebrain and spinal closure occurs normally in these models and pharmacological suppression of apoptosis does not cause NTDs, suggesting that it is dispensable to complete closure (Massa et al. 2009).

CLINICAL FEATURES OF NEURAL TUBE DEFECTS

Owing to their multifactorial causation NTDs represent a group of disorders. However, after failure of neural fold closure has occurred defects, originating from various primary causes, may share similar pathogenic features.

Open NTDs and Associated Conditions

Open NTDs can result from failure of closure at a de novo initiation site or incomplete progression of closure following successful initiation ( Figure 1 ). Where embryos are available for examination, as in experimental models, NTDs can be recognized during or immediately after neurulation stages owing to the persistently open neural folds. However, at later embryonic and fetal stages, the morphological appearance changes considerably owing to secondary changes and degeneration.

In cranial NTDs, the open neural folds undergo growth and differentiation and typically appear to bulge from the developing brain, termed exencephaly. Inability to form the skull vault over the open region causes the exposed neural tissue to degenerate, leading to the characteristic appearance of anencephaly, observed later in human or rodent pregnancy (Wood & Smith 1984, Seller 1995). Both anencephaly and craniorachischisis (

10% of NTDs) are lethal conditions at or shortly after birth.

Open neural folds in the spinal region prevent the sclerotome-derived vertebral arches from covering the neuroepithelium, the consequent opening in the vertebral column giving rise to the term spina bifida (Copp et al. 2013). The neural tissues may be contained within a meninges-covered sac that protrudes through the open vertebrae (myelomeningocele; spina bifida cystica) or exposed directly to the amniotic fluid (myelocele). Babies born with open spina bifida usually survive with appropriate medical care but suffer neurological impairment, the severity of which depends on the level of the lesion. Associated conditions include hydrocephalus, Chiari malformation type II, and vertebral abnormalities as well as genitourinary and gastrointestinal disorders.

Diagnosis, Treatment, and Maternal-Fetal Surgery

NTDs can be diagnosed prenatally by ultrasound (Cameron & Moran 2009). However, where prenatal diagnosis is not routinely available and/or therapeutic abortion is not an option, many babies with NTDs are born. Postnatal medical care for babies born with open spina bifida usually involves surgery to close and cover the lesion. Multiple subsequent surgeries are commonly required to alleviate tethering of the spinal cord, treat hydrocephalus, and/or address orthopedic and urological problems.

As open NTDs arise early during pregnancy, there is a prolonged period during which secondary neurological damage may occur owing to exposure of nervous tissue to the amniotic fluid environment. These considerations provided impetus for the development of in utero fetal surgery for spina bifida, which may improve neurological outcomes compared with postnatal repair, although with fetal and maternal risks (Adzick et al. 1998, 2011). Experimental models of spina bifida are being used to investigate the possible combination of surgical intervention with additional therapy, intended to remediate neural damage. Examples include the implantation of biodegradable scaffolds to promote neural regeneration and/or neural stem cells to populate the damaged spinal cord (Saadai et al. 2011, 2013).

Disorders of the Closed Neural Tube

This review focuses on open NTDs, characterized by failure of neural tube closure. Various other conditions are also associated with abnormalities of the closed brain or spinal cord and are often categorized as NTDs under a broader definition ( Figure 1 ). There is also a less well-defined group of closed spinal NTDs in which the vertebral arches are malformed but covered by skin. These conditions, including spina bifida occulta and spinal dysraphisms, vary widely in clinical presentation. The more severe subtypes are associated with various abnormalities of the spinal cord, lipoma ( Figure 1 c ), and/or anorectal abnormalities. The embryonic origin of closed spina bifida is not well defined but is hypothesized to involve abnormalities of secondary neurulation (Copp et al. 2013). Abnormal development of the skull or vertebrae may also allow herniation of the closed neural tube through the affected bony region, as in encephalocele ( Figure 1 d ) or meningocele, respectively.

CAUSES OF NTDs

NTDs are among the most common birth defects worldwide with a prevalence that varies from 0.5 to more than 10 per 1, 000 pregnancies. This variance likely reflects differing contributions from risk factors such as nutritional status, prevalence of obesity and diabetes, usage of folic acid supplementation and/or fortification, the presence of environmental toxicants, and differing genetic predisposition among ethnic groups. In most populations, there is also a striking gender bias: Anencephaly is more prevalent among females than males. Many NTD mouse strains also show a female preponderance among cranial NTDs, apparently reflecting a fundamental higher sensitivity of cranial neural tube closure to disturbance in female embryos (Juriloff & Harris 2012b). Overall, although studies have identified numerous risk factors, these may account for less than half of NTDs, suggesting that additional genetic and nongenetic factors remain to be identified (Agopian et al. 2013).

ENVIRONMENT FACTORS

Various teratogenic agents induce NTDs in rodent models (Copp et al. 1990, Copp & Greene 2010). In humans, teratogens that have been associated with NTDs include the anticonvulsant drug valproic acid (Wlodarczyk et al. 2012) and the fungal product fumonisin (Missmer et al. 2006). Other nongenetic risk factors include maternal fever and excessive use of hot tubs (Moretti et al. 2005), consistent with the induction of NTDs by hypothermia in rodent models.

Maternal obesity and diabetes are well-recognized risk factors for NTDs (Correa et al. 2003). Determining the cause of diabetes-related NTDs is hampered by the complexity of the diabetic milieu, although hyperglycemia alone is sufficient to cause NTDs in cultured rodent embryos. NTDs may result from increased oxidative stress, altered expression of genes such as Pax3, and neuroepithelial cell apoptosis (Fine et al. 1999, Reece 2012). Recent findings suggest that activation of apoptosis signal-regulating kinase 1 (ASK1) in hyperglycemic conditions leads to activation of the apoptosis mediator caspase 8 by stimulating the FoxO3a transcription factor (Yang et al. 2013).

Nutritional factors and folate

The historical link between lower socioeconomic status and higher risk of birth defects led investigators to examine the possible involvement of nutritional factors in NTDs. Lower blood levels of the B-vitamin folate were observed in mothers of NTD fetuses (Smithells et al. 1976), prompting an intervention trial of a folic acid—containing multivitamin supplement to prevent NTD recurrence (Schorah 2008, Smithells et al. 1981). A multicenter randomized controlled trial confirmed that maternal folic acid supplementation (at 4 mg per day) significantly reduces the recurrence risk (Wald et al. 1991). Additional clinical trials provided evidence for reduction of occurrence risk (Berry et al. 1999, Czeizel et al. 2011, Czeizel & Dudás 1992).

Questions remain concerning the mechanism by which folic acid prevents NTDs (Blom et al. 2006, Copp et al. 2013). Although maternal folate status is a risk factor, in most cases, maternal folate levels are within the normal range and rarely clinically deficient. Nonetheless, data have shown an inverse relationship between blood folate concentration and risk of an affected pregnancy (Daly et al. 1995). Suboptimal folate levels may contribute to NTD development in individuals who are genetically susceptible. Such a gene-environment interaction has been demonstrated in mice, where folate deficiency does not cause NTDs unless deficiency is present in combination with a mutation of a predisposing gene, such as Pax3 (Burren et al. 2008).

Folate one-carbon metabolism ( Figure 2 ) comprises a complex network of interlinked reactions that mediate transfer of one-carbon groups for several biosynthetic processes (Stover 2009). Among these, attention has focused particularly on the requirement for nucleotide biosynthesis and methylation reactions in neural tube closure. Abnormal thymidylate and purine biosynthesis have been identified in mouse NTD models (Beaudin et al. 2011, Fleming & Copp 1998) and in a proportion of NTD cases (Dunlevy et al. 2007), whereas deficient methylation may also be implicated in NTDs (see Gene-Regulatory Mechanisms and NTDs, below).

Folates provide a backbone for the transfer of one-carbon units. Key outputs (in green) include nucleotide biosynthesis and methylation. Among methylation cycle intermediates, homocysteine may also be converted to cystathionine in the transulfuration pathway and S-adenosylmethionine is involved in polyamine biosynthesis. FOCM is compartmentalised: one-carbon units from the mitochondria enter cytoplasmic FOCM as formate while reactions of thymidylate biosynthesis also operate in the nucleus (catalysed by SHMT1, TYMS and DHFR). In loss-of-function mouse models, NTDs arise in mutants for Mthfd1l and genes encoding the glycine cleavage system (GCS). Shmt1 and Mthfr null mice are viable to birth but may develop NTDs under folate-deficient conditions.

GENETICS OF NTDS

Most NTDs occur sporadically, with a relative scarcity ofmultigenerational families. Nevertheless, strong evidence demonstrates a genetic component in the etiology of NTDs, and the pattern of inheritance favors a multifactorial polygenic or oligogenic model, as opposed to an effect of single genes with partial penetrance (Harris & Juriloff 2007). Most studies of NTD genetics have focused on one or more candidate genes (reviewed by Boyles et al. 2005, Greene et al. 2009, Harris & Juriloff 2010). In general, candidates have been ( a ) human orthologs of genes whose mutation causes NTDs in mice, of which there are more than 200 examples; or ( b ) genes related to environmental risk factors, particularly folate metabolism.

Case-control association studies have implicated several genes, whereas mutation screening by sequencing has identified putative pathogenic mutations. However, the definitive assignment of a gene variant as causative is complicated by the apparent multigenic nature of NTDs and by the large number of possible candidate genes, modifier genes, epigenetic factors, and environmental influences. Moreover, where putative mutations have been identified in specific genes, each has been involved in only a small proportion of NTD patients, suggesting that there is considerable heterogeneity underlying the genetic basis of NTDs. Thus, although the morphological and cellular bases of neural tube closure have become increasingly well understood, the genetic basis of NTDs in individual cases remains largely unclear.

Gene-gene interactions and effect of modifier genes

Mouse studies suggest three broad mechanisms by which genetic interactions may result in NTDs. First, in some instances functional redundancy makes it necessary for two orthologous genes to be mutated [eg, Dvl1-Dvl2 (Hamblet et al. 2002), Cdx1-Cdx2 double knockouts (Savory et al. 2011)], in order to reveal a requirement in neural tube closure. Second, additive effects of heterozygous mutations may result in NTDs that resemble those of individual homozygotes [eg, Dvl3 with Vangl2 Lp (Etheridge et al. 2008)]. Third, variation in the penetrance and expressivity of NTD phenotypes between inbred mouse strains is widely reported to reflect variants in modifier genes. For example, the rate of exencephaly resulting from Cecr1 mutation is strongly affected by strain background (Davidson et al. 2007). Whereas the identity of modifier genes for NTDs has rarely been determined, a variant in Lmnb1 is present in some mouse strains and significantly increases the frequency of NTDs in curly tail ( Grhl3 ct ) embryos (de Castro et al. 2012).

Genes implicated through experimental models

In mice, mutation of genes encoding components of the PCP pathway causes NTDs (see Shaping of the Neural Plate, above). Sequencing of PCP genes in humans has identified putative mutations in CELSR1, VANGL1, VANGL2, FZD6, SCRIB1, and DVL2 in some patients with craniorachischisis, spina bifida, anencephaly, or closed forms of spina bifida (Chandler et al. 2012; De Marco et al. 2013; Kibar et al. 2007; Lei et al. 2010, 2013; Robinson et al. 2012; and reviewed by Juriloff & Harris 2012a). As in mice, heterozygous human PCP mutations may interact with other genetic NTD risk factors in a digenic or polygenic fashion to cause a range of NTD types. This interaction could involve summation of multiple variants in PCP genes. For example, a putative mutation in DVL2 was identified in a spina bifida patient in combination with a second, previously identified missense variant in VANGL2 (De Marco et al. 2013).

Among other genes implicated in NTDs from mouse models, association studies have not provided evidence for a major contribution to risk, and few positive results have emerged from sequencing-based mutation screens. As data begin to emerge from large-scale exome sequencing studies of NTD patients, it will become possible to evaluate the contribution of multiple genes in the same patient cohorts and the mutational load associated with individual risk.

Analysis of genes related to environmental risk factors

The identification of environmental factors such as maternal diabetes and folate status as risk factors for NTDs provides impetus for researchers to analyze related genes in affected families. Risk could be associated with maternal genotype if genetic variation alters maternal metabolism and secondarily affects the developing embryo. However, the inheritance of maternal alleles by the embryo complicates interpretation of such effects. Alternatively, a genetically determined abnormality in the embryo itself could influence risk of NTDs, potentially through interaction with a predisposing environmental factor. For example, it may be informative to analyze genetic data on folate-related genes in the context of maternal folate status (Etheredge et al. 2012).

Association with risk of spina bifida has been reported for several genes implicated in diabetes, obesity, glucose metabolism, and oxidative stress. These potential 'risk' genes include GLUT1, SOD1, and SOD2 (Davidson et al. 2008, Kase et al. 2012). Maternal variants in the obesity-related genes FTO, LEP, and TCF7L2 are also associated with NTDs, consistent with maternal obesity as a risk factor (Lupo et al. 2012).

Genes related to folate one-carbon metabolism have been perhaps the most intensively studied group of candidates for NTDs (reviewed by Blom et al. 2006, Greene et al. 2009, Shaw et al. 2009). The C677T polymorphism of MTHFR, which encodes an alanine-to-valine substitution, has been associated with NTDs. The TT genotype is found at higher frequency among NTD cases than in controls in some populations (eg, Irish) but not others (eg, Hispanics) (Botto & Yang 2000). Several studies indicate positive associations with other folate-related genes, including MTRR, although these have generally not been observed in all study populations.

In mice, mutations in folate-metabolizing enzymes (eg, Mthfd1 ) are sometimes lethal before the stage of neural tube closure (eg, Christensen et al. 2013, MacFarlane et al. 2009), whereas others do not disrupt closure (eg, Chen et al. 2001, Di Pietro et al. 2002). Null embryos for the folate receptor, Folr1, die preneurulation but develop NTDs when supplemented with sufficient folic acid to prevent early lethality (Piedrahita et al. 1999). NTDs are also observed in Shmt1 knockouts, under folate-deficient conditions (Beaudin et al. 2011). In contrast, NTDs occur spontaneously in mice carrying loss-of-function alleles of Amt (Narisawa et al. 2012) or Mthfd1L (Momb et al. 2013), both of which encode enzymes of mitochondrial folate metabolism (see sidebar and Figure 2 ) (Tibbetts & Appling 2010). The homologous genes in humans have also been linked to NTDs. Missense mutations have been identified in NTD patients in AMT as well as in GLDC, which encodes its partner enzyme in the glycine cleavage system (Narisawa et al. 2012). Genetic associations with NTDs have been reported for MTHFD1L (Parle-McDermott et al. 2009) and SLC23A32 ( MFTC ), encoding a mitochondrial folate transporter (Pangilinan et al. 2012). Altogether, these findings suggest that NTD risk is influenced by the function of mitochondrial folate metabolism, a major source of one-carbon units to the cytoplasm.

Gene-Regulatory Mechanisms and NTDs

Identification of causative genes may be complicated, in addition to the potential multigenic nature of NTDs, by the potential involvement of aberrant gene expression, perhaps resulting from mutations in regulatory elements. For example, mutations resulting in insufficient expression of Grhl3 or excess expression of Grhl2 cause NTDs in mice in the absence of coding mutations (Brouns et al. 2011, Gustavsson et al. 2007). Further complexity may be added by the potential for regulation by epigenetic modifications such as DNA methylation, histone modification, or chromatin remodeling, each of which has been associated with NTDs in mice and in some cases in humans (reviewed by Greene et al. 2011, Harris & Juriloff 2010). For example, methylation of LINE-1 genomic elements was lower than normal in DNA of anencephalic but not spina bifida fetuses (Wang et al. 2010).

A simple model predicts a positive correlation between folate status and methylation. However, data from human pregnancy suggest that the relationship is not straightforward (Crider et al. 2012). A recent study found an inverse correlation of LINE-1 methylation with maternal and cord blood folate, whereas different imprinted genes showed positive or negative associations (Haggarty et al. 2013). Somewhat counterintuitively, use of folic acid supplements was associated with reduced LINE-1 methylation.

A requirement for DNA methylation in mouse neural tube closure is suggested by the occurrence of NTDs in knockouts of Dnmt3b, encoding a DNA methyltransferase, and in embryos cultured with 5-azacytidine (Matsuda & Yasutomi 1992, Okano et al. 1999). Similarly, inhibition of the methylation cycle reduces DNA methylation and causes NTDs in cultured mouse embryos (Burren et al. 2008, Dunlevy et al. 2006). However, Mthfr null embryos do not develop NTDs despite a significant reduction in global DNA methylation (Chen et al. 2001), nor is there an exacerbating effect of Mthfr loss-of-function on Pax3 or curly tail mutants, although both show increased rates of NTDs under folate-deficient conditions (Burren et al. 2008, de Castro et al. 2010, Pickell et al. 2009). Thus, questions remain about the relationships among folate status, DNA methylation, and risk of NTDs.

Other epigenetic mechanisms include various modifications of histone proteins, which potentially misregulate genes that influence neurulation. NTDs occur in mice carrying mutations in the histone demethylases Jarid2 (Takeuchi et al. 1999) and Fbxl10 (Fukuda et al. 2011). Similarly, histone acetylases and deacetylases, which regulate the equilibrium of histone acetylation, are implicated in NTDs. An acetylase-specific knockin mutation of Gcn5 causes cranial NTDs (Bu et al. 2007), as does loss-of-function of another histone acetylase, p300 (Yao et al. 1998). Increased acetylation is also associated with NTDs. For example, cranial NTDs occur in mice carrying mutations in histone deacetylases Sirt1 or Hdac4 (Cheng et al. 2003, Vega et al. 2004). The teratogenic effects of valproic acid and trichostin A may also be mediated through their inhibition of histone deacetylases (Finnell et al. 2002).

PRIMARY PREVENTION OF NTDs

Once the neural tube has failed to close, ensuing damage to the exposed neural tissue is irreversible, despite possible palliative benefit of in utero surgery (see Diagnosis, Treatment, and Maternal-Fetal Surgery) . Therefore, primary prevention is the optimal approach for reducing the burden of NTDs.

Folic Ac >The reduction in risk of NTDs following maternal folic acid supplementation led to public health recommendations that women who may become pregnant should consume 0.4 mg of folic acid daily or 4 mg daily following a previous affected pregnancy (Czeizel et al. 2011). To ensure that additional folate was received, food fortification programs were introduced in many countries. This approach has raised blood folate levels and has been associated with lower NTD frequency (Crider et al. 2011). The magnitude of effect varies, with greatest reduction found where preexisting rates were highest (Blencowe et al. 2010, Rosenthal et al. 2013). Some countries have delayed a decision on fortification owing to safety concerns (eg, possible enhancement of bowel cancer), but a recent meta-analysis found no evidence for increased cancer rates following folic acid supplementation (Vollset et al. 2013).

Folate-Resistant NTDs

Folic acid supplementation in clinical trials has not approached 100% NTD prevention, and an estimated one-third of NTDs may be folic acid resistant (Blencowe et al. 2010). A study in the United States, where folate fortification of food is mandatory, found no apparent protective effect of folic acid supplements (Mosley et al. 2009), suggesting that increased dosage would not necessarily provide additional preventive effects.

Given the multifactorial causation of NTDs it seems reasonable to suppose that optimal prevention will require a combination of multiple interventions. Possible approaches may relate to folate one-carbon metabolism. For example, as with folate, evidence shows a graded relationship between lower levels of circulating vitamin B ₁₂ and increased risk of an NTD-affected pregnancy (Molloy et al. 2009). Perhaps use of B ₁₂ supplements would further reduce NTD frequency, although this approach remains to be tested.

Another possibility is that folic acid cannot ameliorate some defects that result from abnormal folate metabolism, owing to defects in the intervening enzymes required to transfer one-carbon units to key downstream metabolites. In this case, supplementation with alternative folates, such as 5-methyl THF (Czeizel et al. 2011), or key downstream molecules may be advantageous. For example, supplementation with formate prevented NTDs in Mthfd1L null mice (Momb et al. 2013), whereas combinations of thymidine and purine precursors prevented NTDs in curly tail mice, in which folic acid is not protective (Leung et al. 2013).

In addition to low levels of folate and vitamin B ₁₂, lower maternal levels of other vitamins, including vitamin C, have been reported in NTDs (Smithells et al. 1976). Conversely, intake of several vitamins and maternal diet are associated with lower risk of NTDs, which suggests that nutrients other than folic acid may be beneficial (Chandler et al. 2012, Sotres-Alvarez et al. 2013). Experimental analysis of individual vitamins found that myo -inositol deficiency caused NTDs in cultured rodent embryos (Cockroft 1988). Inositol supplementation significantly reduced NTD frequency in curly tail mice (Greene & Copp 1997) and in rodent models of diabetes (Reece et al. 1997) and inositol is in clinical testing for prevention of NTD recurrence.

Experimental models provide systems for analysis of the developmental events of neural tube closure, and fundamental cellular and morphological processes continue to be defined in more detail. In principle, NTDs may result from insufficiency of one or more of the key driving forces (eg, cellular properties and/or morphogenetic movements) that are necessary to achieve closure, for example, through mutation of a PCP gene. Alternatively, a genetic lesion or environmental insult may disrupt the closure process even where the underlying machinery is intact, for example through induction of aberrant cellular behaviors such as excess apoptosis. Experimental models require careful analysis to disentangle these possibilities. A key challenge will be to understand how the molecular and cellular determinants of neurulation relate to the biomechanical forces required to fold the neuroepithelium to achieve closure.

Advances in exome and whole-genome sequencing may help researchers begin to understand the genetic basis of NTDs in humans. The multifactorial complexity of NTDs means that analysis of data from such studies will present a major challenge. Moreover, investigators will need to integrate genetic data with information on epigenetic and environmental factors to obtain a more complete understanding of the cause of individual NTDs.

Folic acid supplementation provides a means to reduce NTD risk and represents a major public health advance. Nevertheless, the heterogeneity of NTDs suggests that primary prevention may be achieved best by multiple interventions, and use of additional micronutrients alongside folic acid may provide additional opportunities to further reduce risk.

ACKNOWLEDGMENTS

Work in the authors' laboratory is funded by the Medical Research Council (J003794), the Newlife Foundation (11-1206), and the Wellcome Trust (087525).

The authors are not aware of any affiliations, memberships, funding, or financial holdings that might be perceived as affecting the objectivity of this review.