Określenie „witamina D” lub „witaminy D” obejmuje grupę związków chemicznych, o ogólnym wzorze C₂₈H₄₃OH, z grupy steroidów wykazujących działanie przeciwkrzywicze; spośród nich największe znaczenie praktyczne dla człowieka ma witamina D₂ i witamina D₃.

Witaminy D (D₂ i D₃) nie wykazują działania biologicznego. Są one substancjami wyjściowymi, które w organizmie ulegają cyklowi przemian prowadzącemu do wytworzenia czynnych metabolitów. Pierwszy etap to hydroksylacja witaminy D w wątrobie, w wyniku której powstaje 25-hydroksywitamina D [25(OH)D] – substancja o umiarkowanej aktywności biologicznej (przeciwkrzywiczej), stanowiąca główną formę witaminy D w krwiobiegu. Drugi etap przemian odbywa się w nerkach, gdzie zachodzi hydroksylacja w pozycji 1α prowadząc do syntezy 1,25-dihydroksywitaminy D [1,25(OH)₂D], powszechnie uznanej za najbardziej aktywną postać witaminy D.

Postęp w ostatnich latach poważnie rozszerzył wiedzę zarówno o metabolizmie witaminy D, jak i mechanizmach go regulujących, a także tkankach jej działania docelowego. W wyniku tego 1,25(OH)₂D uznano za hormon, a cykl przemian witaminy D objęto nazwą „system endokrynny witaminy D”.

Witamina D pełni niekwestionowaną rolę w procesach wzrostu i mineralizacji kości. Powoduje ona zwiększenie wchłaniania wapnia w przewodzie pokarmowym, jego utylizację w kościach przez wzmaganie mineralizacji nowo powstałego osteoidu, a ponadto zwiększa absorpcję wapnia i fosforanu w nerkach. Niedobór witaminy D uznany został za czynnik ryzyka rozwoju osteoporozy, ponieważ zmniejsza wytrzymałość mechaniczną szkieletu, sprzyja upadkom zwiększając ryzyko złamań (1). Celem tego opracowania jest przybliżenie przyczyn narastającego niedoboru witaminy D przez pryzmat jej metabolizmu w warunkach fizjologii oraz omówienie skutków jej niedoboru dla kośćca.

Witamina D₃ (cholekalcyferol) pochodzi z dwóch źródeł. Znaczna jej część znajduje się w pokarmach (ryby, jaja, wątroba zwierzęca, produkty mleczne) i ulega wchłanianiu w przewodzie pokarmowym, a część powstaje pod wpływem promieniowania ultrafioletowego działającego na znajdujący się w skórze dehydrocholesterol. Witamina D₂ (ergokalcyferol) dostarczana jest do organizmu tylko doustnie w spożywanych pokarmach roślinnych oraz grzybach. Jednostką międzynarodową (IU) witaminy D jest 0,025 μg czystego kalcyferolu. Dzienna zalecana podaż (Recomended dietary allowance – RDA) witaminy D u osób dorosłych wynosi 400 IU.

Oceniając zaopatrzenie organizmu w witaminę D u osób z wyrównaną podażą doustną witaminy D₂ ustalono, że około 80% znajdującej się w ustroju witaminy D pochodzi z syntezy skórnej. W krajach nie stosujących wzbogacania żywności w witaminę D procent ten jest prawdopodobnie jeszcze wyższy.

Witamina D podana doustnie wraz z pożywieniem w ponad 80% wchłania się z przewodu pokarmowego, głównie w odcinku czczym jelita cienkiego. Wchłanianie jej ułatwione jest w obecności soli i kwasów żółciowych, kwasów tłuszczowych, monoglicerydów. Zaabsorbowana witamina D przechodzi następnie do limfy, gdzie wiąże się głównie z chylomikronami (90%); wynika to z jej dobrej rozpuszczalności w tłuszczach, a zarazem wysokiego stężenia chylomikronów w limfie. Z chwilą wymieszania limfy z krwią, witamina D transportowana jest do wątroby (głównie w połączeniu z białkiem wiążącym – vitamin D binding protein [DBP], którego stężenie w krwi jest sześć razy większe niż w limfie) w celu jej hydroksylacji (1, 2).

Endogenna synteza skórna witaminy D odbywa się zasadniczo w dwóch etapach: pierwszy – znajdujący się w skórze substrat, 7-dehydrocholesterol (7DHC), ulega przekształceniu w prowitaminę D (pre-D₃) pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (UV) o długości fali 290-320 nm (UVB), drugi – prowitamina D₃ pod wpływem temperatury ciała ulega przekształceniu w witaminę D₃. Witamina D₃ powstająca w głębszych warstwach naskórka w pobliżu naczyń krwionośnych i limfatycznych wiązana jest całkowicie przez DBP – białko cechujące się ogromną pojemnością i siłą wiązania witaminy D.

Badania nad syntezą skórną witaminy D ujawniły istotne różnice w jej fotosyntezie zależnie od czasu ekspozycji skóry na UVB. Ustalono, że po krótkiej jednorazowej ekspozycji skóry na promieniowanie UV następuje szybka (w ciągu 15 min.) przemiana 7DHC do pre-D₃, która magazynowana jest w naskórku, a następnie – pod wpływem temperatury ciała – pre-D₃ ulega przekształceniu w witaminę D₃ (10% w ciągu 6 h), która powoli uwalniana jest do krwiobiegu (3 dni). Przemiana taka sprzyja maksymalnemu wykorzystaniu pojedynczej krótkiej ekspozycji skóry na promienie UVB do zapoczątkowania reakcji syntezy witaminy D, która w dalszych etapach nie wymaga energii słonecznej.

Przedłużona ekspozycja skóry na promienie UV prowadzi do powstania nieaktywnych biologicznie związków, lumisterolu i tachysterolu, które zapobiegają niebezpieczeństwu zatrucia witaminą D₃ na skutek nadmiernego nasłonecznienia. Nieaktywne biologicznie fotoprodukty, wobec braku zdolności DBP do ich wiązania, ze złuszczającym się naskórkiem systematycznie są usuwane z organizmu.

Należy podkreślić, że przemiana pre-D₃ do lumisterolu i tachysterolu pod wpływem promieni UV jest odwracalna. W przypadku obniżenia zawartości pre-D₃ (w wyniku jej powolnej przemiany termicznej do witaminy D₃) jej ilość może wzrosnąć na skutek fotochemicznej przemiany lumisterolu do pre-D₃.

W badaniach klinicznych nad efektywnością skórnej syntezy witaminy D wykazano, że u osób o jasnym zabarwieniu skóry 1 dawka rumieniowa (1 MED), tj. dawka promieni UV wywołująca minimalny rumień skóry, doprowadza do 10-krotnego wzrostu stężenia witaminy D₃ w surowicy krwi na skutek uwolnienia około 30 μg D₃ z 1 m² powierzchni ciała w ciągu 24 h. Powrót do normalnego stężenia witaminy D₃ podwyższonego po naświetleniu skóry promieniami UV następuje po kilku dniach. Zmianom tym u ludzi zdrowych towarzyszy niewielki wzrost poziomu 25(OH)D; u osób z niedoborami witaminy D obserwuje się natomiast znaczny, bo aż 3-krotny, wzrost stężenia 25(OH)D w krwi.

Pierwszym etapem na drodze metabolizmu witaminy D jest jej hydroksylacja w pozycji 25 łańcucha bocznego, doprowadzająca do powstania 25-hydroksywitaminy D – 25(OH)D. Reakcja ta zachodzi w wątrobie – zarówno we frakcji mitochondrialnej, jak i mikrosomalnej hepatocytów, gdzie zlokalizowane są 25-hydroksylazy różniące się składem i powinowactwem z substratem (stałą Micheaelisa – Km).

W fizjologicznym stężeniu 25(OH)D nie ma biologicznego wpływu na metabolizm wapnia. Ten metabolit witaminy D wymaga dalszej hydroksylacji do powstania czynnego związku 1,25-dihydroksywitaminy D-1,25(OH)₂D (ryc. 1).

Nerka jest głównym miejscem syntezy 1,25(OH)₂D. Synteza 1,25(OH)₂D w nerkach zależna jest od wielofunkcyjnego receptora klirensującego – megaliny, występującej w cewkach proksymalnych. Megalina cewkowa wiążąc przesączoną w kłębuszkach 25(OH)D (związaną z białkiem nośnikowym) przekazuje ją do komórek cewkowych, gdzie zachodzi konwersja 25(OH)D do 1,25(OH)₂D. Megalina nerkowa wiąże również parathormon (PTH), uczestnicząc w jego inaktywacji oraz bierze udział w regulacji aktywności receptora dla PTH i peptydu PTH-podobnego (PTH – PTHrP – R). Ustalono, że w nerce oprócz 1,25(OH)₂D mogą powstać również inne dwuhydroksylowe pochodne witaminy D, jak 24, 25-dihydroksywitamina D (24, 25(OH)₂D) w wyniku działania 24-hydroksylazy) oraz 25, 26(OH)₂D (w wyniku działania 26-hydroksylazy). Pozanerkową konwersję 25(OH)D do 1,25(OH)₂D wykazano w tkance kostnej, łożysku, monocytach i tkankach ziarniczych (1, 2, 4).

W odróżnieniu od nieenzymatycznej syntezy witaminy D w skórze, przemiana witaminy D do 25(OH)D i 1,25(OH)₂D wymaga obecności enzymów – hydroksylaz, których aktywność zależy od wielu czynników. Ustalono, że aktywność 25-hydroksylazy wątrobowej ulega zwiększeniu pod wpływem ilości substratu, stężenia DBP i niektórych leków (np. przeciwpadaczkowych), a zmniejszeniu przez końcowe metabolity tej przemiany. Aktywność enzymu katalizującego 1-hydroksylację i/lub 24-hydroksylację 25(OH)D zależy natomiast od stężenia wapnia i fosforanów w surowicy krwi oraz od wielu hormonów i prostaglandyn.

Najaktywniejszym stymulatorem syntezy 1,25(OH)₂D jest parathormon (PTH) i peptyd PTH-podobny (PTHrP) oraz obniżenie kalcemii i fosfatemii. Działanie hamujące na powstawanie 1,25(OH)₂D ma wzrost stężenia tego hormonu (1,25(OH)₂D tworzy z 1α-hydroksylazą układ sprzężenia zwrotnego), niedobór PTH i PTHrP, hiperkalcemia, hiperfosfatemia, kalcytonina, a także kwasicza konstelacja metaboliczna.

Czynniki pobudzające 1α-hydroksylację 25(OH)D wykazują najczęściej hamujący wpływ na powstawanie 24,25(OH)₂D i odwrotnie – inhibitory 1α-hydroksylazy 25(OH)D z reguły stymulują syntezę 24,25(OH)₂D (1, 4).

W warunkach fizjologicznych w surowicy krwi obecne są trzy główne metabolity witaminy D: 25(OH)D, 1,25(OH)₂D i 24,25(OH)₂D, które w miarę upływu czasu są eliminowane z ustroju. Odbywa się to na skutek konwersji w związki bardziej polarne w tkankach docelowych, a także wydalania z żółcią. Metabolit wątrobowy 25(OH)D ulega eliminacji przez 1- i 24-hydroksylację oraz wydaleniu z żółcią, po uprzednim jego sprzężeniu z kwasem glukuronowym lub siarkowym.

Podobnie jak 25(OH)D, pozostałe metabolity witaminy D po sprzężeniu z kwasem glukuronowym lub siarkowym w wątrobie, są wydalane wraz z żółcią do jelita i podlegają krążeniu jelitowo-wątrobowemu (analogicznie do kwasów żółciowych). Ustalono, że w warunkach fizjologicznych zaledwie 3% z krążących w krwi metabolitów ulega wydaleniu z moczem i z kałem. Tak więc stężenie metabolitów witaminy D w krwi jest determinowane nie tylko przez ich syntezę, ale i przez katabolizm oraz wydalanie (2, 4).

W ostatnich latach udowodniono jednoznacznie wiodącą rolę metabolitów witaminy D w regulacji gospodarki wapniowo-fosforanowej przez oddziaływanie ich na jelito, nerki, kości, skórę, przytarczyce.

Dzięki odkryciu receptorów specyficznych dla 1,25(OH)₂D poznano bliżej mechanizm działania witaminy D w regulacji homeostazy wapniowo-fosforanowej. Jest on podobny do działania większości hormonów steroidowych. Cząsteczka steroidu wnika do komórki receptorowej na zasadzie dyfuzji niejonowej (lipofilna z łatwością pokonuje bariery lipidowe), łączy się z białkiem receptorowym i jako zaktywowany kompleks indukuje w jądrze biosyntezę nowej molekuły mRNA, a następnie nowego białka lub białek. Ten sposób działania ma miejsce we wszystkich komórkach tkanek klasycznie docelowych dla witaminy D: w jelicie, kościach, nerkach. Efekty biologiczne 1,25(OH)₂D zależne są od liczby receptorów (VDR) i ich powinowactwa do 1,25(OH)₂D, heterodimeryzacji kompleksu VDR – 1,25(OH)₂D z receptorem retinoidowym X i powinowactwem tego heterodimeru do odpowiedniego elementu odpowiedzi na poziomie DNA jądrowego oraz od katabolizmu kalcitriolu. Jedną z najważniejszych funkcji 1,25(OH)₂D jest wpływ tego hormonu na jelito, nerkę i kość (1, 5, 6).

Kalcytriol (1,25(OH)₂D) działa na enterocyt w sposób bezpośredni i pośredni, doprowadzając w efekcie do wzrostu absorpcji wapnia z przewodu pokarmowego. Mechanizm bezpośredniego oddziaływania kalcytriolu polega na modyfikacji struktury fosfolipidów błony luminalnej, co może powodować lokalny wzrost przepuszczalności błony luminalnej dla jonów. Ten etap działania witaminy D jest niezależny od syntezy białek de novo.

Drugiemu pośredniemu mechanizmowi działania 1,25(OH)₂D na poziomie komórki towarzyszy aktywacja genomu i synteza de novo białka wiążącego wapń CaBP.

Czas biologicznej reakcji jelita w postaci wzrostu absorpcji wapnia na podanie 1,25(OH)₂D pojawia się po 8-10 godzinach. W wyniku obserwacji odpowiedzi jelita na różne dawki 1,25(OH)₂D podawane w odstępach 3-tygodniowych ustalono, że istnieje zależność liniowa między jelitową akumulacją 1,25(OH)₂D a ilością stężenia jelitowego CaBP. Oznacza to, że im więcej 1,25(OH)₂D lokalizuje się w jelicie, tym większa jest produkcja CaBP, tym większe jest również wchłanianie wapnia z przewodu pokarmowego.

Udowodniono jeszcze jeden bardzo ważny aspekt działania witaminy D jako systemu endokrynnego, a mianowicie: wpływ zawartości wapnia i fosforu w diecie na stężenie jelitowe CaBP, a tym samym na absorpcję wapnia z przewodu pokarmowego (AbCa).

Wykazano, że jelito odznacza się dużymi zdolnościami adaptacyjnymi w tym zakresie. Przy stosowaniu diety o niskiej zawartości wapnia jelito wytwarza znacznie więcej CaBP niż przy podawaniu diet o dużej zawartości wapnia, gdy synteza CaBP jest kilka razy mniejsza. W przypadku stosowania diety o niskiej zawartości wapnia dochodzi do hipokalcemii, która jest bodźcem do wydzielania parathormonu (PTH) przez przytarczyce. Parathormon natomiast jest silnym stymulatorem działania 1α-hydroksylazy nerkowej, doprowadzającym do wzrostu syntezy 1,25(OH)₂D. Z chwilą normalizacji stężenia wapnia w surowicy zmniejsza się synteza PTH i dzięki temu zmniejsza się aktywność 1α-hydroksylazy nerkowej, doprowadzając do zmniejszonej syntezy 1,25(OH)₂D, spadku syntezy CaBP w jelicie, co w ostateczności prowadzi do spadku absorpcji wapnia w przewodzie pokarmowym (1, 4).

Nerki są miejscem biosyntezy 1,25(OH)₂D oraz organem jej docelowego działania. 1,25(OH)₂D stymuluje wchłanianie zwrotne wapnia i fosforanów z płynu cewkowego do krwi. Jak już wspomniano, 1,25(OH)₂D wpływa pobudzająco na aktywność 24-hydroksylazy, a hamująco na 1α-hydroksylazę (2, 4).

Powszechnie wiadomo, że witamina D niezbędna jest do prawidłowego rozwoju i mineralizacji kości. Receptory dla 1,25(OH)₂D oraz białko wiążące wapń (CaBP) o ciężarze cząsteczkowym 28 tys. daltonów odkryto w osteoblastach i chondrocytach. 1,25(OH)₂D stymuluje receptory jądrowe witaminy D w osteoblastach, zwiększając ekspresję ligandu aktywującego jądrowy czynnik transkrypcyjny κB (NFκB) RANKL. Stwierdzono ich obecność również w prekursorach osteoklastów, w monocytach, ale nie znaleziono w dojrzałych osteoklastach, co sugeruje, że 1,25(OH)₂D wywiera wpływ na formowanie osteoklastów, nie wpływa natomiast na ich aktywność.

Niedobór tego hormonu jest przyczyną krzywicy u dzieci, a u osób dorosłych osteomalacji lub osteoporozy. Nadmiar 1,25(OH)₂D powoduje wzrost resorpcji kostnej (osteolizę osteoklastyczną) i hamuje syntezę kolagenu, naśladując w swym działaniu efekt jaki PTH wywiera na kość; nadmiar 1,25(OH)₂D poza tym może blokować replikację komórek i hamować wzrastanie kości (2, 4).

Niedobór witaminy D jest następstwem: zmniejszonego jej „dowozu” z pożywieniem, upośledzonej syntezy skórnej, zaburzonej hydroksylacji, nadmiernego katabolizmu. Może się ujawnić (mimo dostarczania witaminy D w dostatecznej ilości) na skutek zmniejszonej wrażliwości tkanek docelowych na 1,25(OH)₂D (np. defekt receptora). Prowadzi on do hipokalcemii, rozwoju wtórnej nadczynności przytarczyc i hipofosfatemii, zaburzeń dojrzewania i mineralizacji nowo powstającej tkanki kostnej w miejscach jej przebudowy bądź gromadzenia się tkanki chrzęstnej w kościach dzieci rosnących.

Krzywica z niedoboru witaminy D u dzieci, a osteomalacja u dorosłych, często jeszcze występują wśród osób o ciemnym zabarwieniu skóry, żyjących w krajach o umiarkowanym klimacie oraz u osób starszych, stale przebywających w zamkniętych pomieszczeniach. Przyczyną niedoborów witaminy D u tych osób jest niedostateczna synteza skórna witaminy D i/lub niedobory egzogennej witaminy D podawanej z pożywieniem.

Do niedoboru witaminy D dochodzi u osób z zespołem złego wchłaniania, który zazwyczaj ujawnia się u osób z przewlekłymi chorobami przewodu pokarmowego lub przewlekłymi chorobami wątroby. Ustalono, że w tej grupie dominują zaburzenia metabolizmu witaminy D, spowodowane jej zmniejszoną biodostępnością w wyniku upośledzonej syntezy skórnej, upośledzonego wchłaniania z przewodu pokarmowego, zaburzeń w krążeniu jelitowo-wątrobowym witaminy D i jej metabolitów. Niskie stężenie 25(OH)D u osób z marskością wątroby, które ulega zwiększeniu po podaniu witaminy D drogą pozajelitową sugeruje, że w większości przypadków w tej grupie chorych przyczyną niedoborów witaminy D jest jej upośledzona biodostępność, a nie zaburzona hydroksylacja wątrobowa. Do zaburzeń hydroksylacji witaminy D do 25(OH)D w wątrobie dochodzi bowiem tylko w skrajnie ciężkiej niewyrównanej marskości wątroby.

Krzywica lub osteomalacja po lekach przeciwdrgawkowych stanowi, obok ciężkich chorób wątroby, jeden z nielicznych przykładów zaburzenia metabolizmu witaminy D₃ na etapie jej wątrobowej hydroksylacji. Ustalono, że barbiturany, fenydantoina i piramidon są induktorami mikrosomalnych enzymów wątrobowych (np. glukuronidaz), do których należy również nadzorująca wątrobowy etap aktywacji witaminy D 25-hydroksylaza cholekalcyferolu. Indukcja wątrobowej hydroksylacji witaminy D₃ oddziałuje niekorzystnie, przyspiesza bowiem wydalanie z żółcią glukuronowych nieaktywnych metabolitów witaminy D. U pacjentów przewlekle leczonych przeciwdrgawkowo stwierdzono niskie stężenie 25(OH)D w surowicy i zmieniony jej stosunek do 1,25(OH)₂D, ale stężenie 1,25(OH)₂D jest prawidłowe lub wysokie.

Zaburzenia metabolizmu witaminy D na etapie jej 1α-hydroksylacji prowadzą do znacznego obniżenia stężenia 1,25(OH)₂D i ujawnienia objawów niedoboru witaminy D. Występują one zarówno w chorobach dziedzicznych – witamino-D zależnej krzywicy typu II, w krzywicy hipofosfatemicznej, jak i w nabytych – w przewlekłej niewydolności nerek, w ciężkich tubulopatiach, w niedoczynności przytarczyc, w rzekomej niedoczynności przytarczyc. Obniżona aktywność 1α-hydroksylazy jest przyczyną zmniejszonego stężenia 1,25(OH)₂D w osteoporozie, zwłaszcza starczej, zaburzeniach wydzielania GH, prolaktyny oraz insuliny (1, 2, 4).

Najbardziej reprezentatywnym zespołem chorobowym, w którym dochodzi do zaburzeń receptora tkankowego 1,25(OH)₂D, jest krzywica witamino-D zależna typu II. Zespół ten jest uwarunkowany genetycznie. Cechuje go obniżona absorpcja wapnia z przewodu pokarmowego – mimo bardzo wysokiego stężenia 1,25(OH)₂D w krwi. Przyczyn nieprawidłowej odpowiedzi jelita na 1,25(OH)₂D upatruje się w zmniejszeniu liczby receptorów dla 1,25(OH)₂D w nabłonku jelitowym i/lub w zaburzeniach – w połączeniu 1,25(OH)₂D z białkiem receptorowym albo w zaburzeniach w wewnątrzkomórkowym przesuwaniu kompleksu 1,25(OH)₂D z receptorem. Zaburzenia te nie zapewniają syntezy dostatecznej ilości CaBP – niezbędnego do wchłonięcia wapnia z przewodu pokarmowego, prowadząc do hipokalcemii, hipersekrecji parathormonu, który z kolei wzmaga fosfaturię i mobilizację mineralnych składników kości. W rezultacie rozwija się pełen obraz klinicznego niedoboru witaminy D, mimo jej dostatecznej podaży, czego wykładnikiem jest wysokie stężenie w surowicy krwi zarówno 25(OH)D, jak i 1,25(OH)₂D (2, 7).

Oznaczenie stężenia 25-hydroksywitaminy D w surowicy krwi jest najlepszym, biochemicznym wskaźnikiem odzwierciedlającym zasoby witaminy D w organizmie. Oznaczanie stężenia najbardziej aktywnego biologicznie metabolitu witaminy D tj. 1,25(OH)₂D jest nieprzydatne, a nawet zwodnicze, ponieważ przy niedoborze witaminy D może być ono prawidłowe a nawet podwyższone. Nie bez znaczenia jest także fakt, że: jego stężenie jest 1000 razy mniejsze niż 25(OH)D, ma krótki czas półtrwania (4-6 godz. vs 2 tyg.).

Należy podkreślić, że ustalone i podawane przez referencyjne laboratoria, jako prawidłowe, stężenia witaminy D (10-55 ng/ml) w świetle obecnej wiedzy są nieprawidłowe. Dowiedziono bowiem, że pomimo stężenia 25(OH)D w granicach normy laboratoryjnej, wiele osób dorosłych ma ogólnoustrojowy niedobór witaminy D, który prowadzi do wtórnej nadczynności przytarczyc z następową, stałą, wzmożoną resorpcją kości .

Obserwacje, że wydzielanie PTH jest minimalne, a efektywność wchłaniania wapnia w jelitach największa przy stężeniu 25(OH)D przekraczającym 30 ng/ml (75 nmol/l), stała się podstawą uznania za minimalne prawidłowe stężenie 25(OH)D – wartość 30 ng/ml (75 nmol/l). Wartości 21-29 ng/ml uważa się za niewystarczające, ponieważ nie powodują odpowiedniej supresji PTH, ani nie wiążą się z optymalnym wchłanianiem wapnia w jelitach. Stężenie 25(OH)D poniżej 20 ng/ml (50 nmol/l) uważane jest za granicę niedoboru witaminy D (8, 9).