Kość jest rodzajem tkanki łącznej zbudowanej głównie ze zmineralizowanej macierzy zewnątrzkomórkowej. 90% masy kości u osób dorosłych stanowi wapń i fosfor w postaci kryształów hydroksyapatytu [Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]. Prawidłowa mineralizacja tkanki kostnej uzależniona jest od witaminy D, choć niezbędna jest także odpowiednia podaż wapnia i fosforu w diecie oraz ich prawidłowe wchłanianie z przewodu pokarmowego. Szkielet kostny pełni funkcję podporową, stanowi ochronę dla narządów wewnętrznych oraz jest rezerwuarem niezbędnych dla życia jonów. Poprzez utrzymywanie prawidłowej homeostazy wapniowej kość bierze udział w regulacji funkcji wszystkich komórek organizmu. W odpowiedzi na obniżenie stężenia wapnia w surowicy krwi dochodzi do zwiększenia jego wchłaniania w przewodzie pokarmowym oraz wzrostu reabsorpcji w cewkach nerkowych. Jednocześnie wapń jest mobilizowany z kości poprzez wzrost resorpcji kostnej za pośrednictwem skoordynowanej czynności osteoblastów i osteoklastów podlegających regulacji przez witaminę D (1).

Witamina D w swej aktywnej postaci 1,25(OH)₂D jest hormonem kalcytropowym. Hormony to biologicznie czynne związki, będące nośnikami informacji przenoszonej z komórki regulatorowej do regulowanej, w której łączą się ze specyficznym receptorem, powodując swoistą odpowiedź. Hormon może wywierać działanie tylko na te komórki, które mają dla niego specyficzne receptory (2). Witamina D łączy się z receptorem jądrowym (VDR), a następnie tworzy heterodimer z receptorem kwasu 9-cis retinowego (RXR) o własnościach czynnika transkrypcyjnego, przez co zapoczątkowuje działania genomowe. Działania niegenomowe mediowane są przez receptor zlokalizowany w błonie komórkowej, odmienny od receptora jądrowego. Połączenie z receptorem błonowym powoduje uruchomienie wewnątrzkomórkowych szlaków metabolicznych, modulujących działania wynikające z ekspresji genowej (3).

Witamina D, poprzez oddziaływanie na różne populacje komórek kostnych, wpływa na funkcję metaboliczną tkanki kostnej, jak również utrzymuje właściwą proporcję między resorpcją kostną a kościotworzeniem. Aktywna postać witaminy D łączy się ze swoim receptorem w osteoblastach i aktywuje geny kodujące białka niezbędne do różnicowania osteoklastów i resorpcji kostnej. Z drugiej strony 1,25(OH)₂D kontroluje kluczowe geny dla białek macierzy kostnej. Tak więc podstawowa fizjologiczna rola witaminy D związana jest z regulacją gospodarki wapniowo-fosforanowej i utrzymaniem prawidłowej budowy i funkcji kośćca poprzez bezpośredni wpływ na komórki kostne, jak i pośrednio przez jelito, nerki i przytarczyce (1).

Aktywna forma witaminy D w krążeniu pochodzi głównie z syntezy nerkowej. Nerka posiada układ enzymatyczny CYP27B1 (1-alfa hydroksylaza) przekształcający 25(OH)D w aktywny hormon 1,25(OH)₂D. CYP27B1 jest jednak obecny w wielu innych tkankach organizmu, w tym w kości. W warunkach fizjologicznych produkcja 1,25(OH)₂D w tkankach „pozanerkowych” nie powoduje istotnego wzrostu stężenia aktywnego hormonu w krążeniu. Ta lokalna produkcja aktywnej formy witaminy D służy autokrynnej lub parakrynnej regulacji procesów wzrostu i różnicowania komórkowego. We wszystkich rodzajach komórek kostnych stwierdzono obecność 1-alfa hydroksylazy, tak więc głównym źródłem aktywnej formy witaminy D w tkance kostnej jest kość sama w sobie (4).

Głównym zadaniem osteoblastów jest produkcja macierzy kostnej składającej się przede wszystkim z kolagenu typu I oraz licznych białek niekolagenowych. Macierz organiczna ulega następnie mineralizacji przy udziale wapnia i fosforu. Badania in vitro wykazały, że 1,25(OH)₂D reguluje transkrypcję genów osteoblasta, proliferację, różnicowanie i mineralizację (4).

Szczególnie ważną rolę w osteogenezie odgrywa szlak Wnt będący jedną z dróg wewnątrzkomórkowego przekazywania sygnałów. Glikoproteiny Wnt pobudzają wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe poprzez połączenie z kompleksem receptorowym składającym się z receptora dla lipoprotein o bardzo niskiej gęstości LRP5 lub LRP6 (low density lipoproteid co-receptor) i jednej z dziesięciu molekuł Frizzled (Fz). Aktywacja powyższego kompleksu uruchamia kaskadę sygnałów powodującą stabilizację kluczowego białka odpowiedzialnego za ekspresję genów, czyli beta-kateniny. W procesach metabolizmu kości aktywacja szlaku Wnt powoduje stymulację procesów kościotwórczych (5). Osteoblasty powstają z mezodermalnych komórek macierzystych. Aktywacja szlaku Wnt hamuje różnicowanie komórek macierzystych w kierunku chondrocytów i adipocytów, pobudza natomiast różnicowanie osteoblastów i proliferację preosteoblastów (6). Witamina D indukuje ekspresję LRP5 – koreceptora Wnt Frizzled (7) oraz hamuje w komórkach zrębu ekspresję DKK1 i SFRP2 będących antagonistami szlaku Wnt (8).

Kluczową rolę w utrzymywaniu homeostazy osteoblastów odgrywa apoptoza. Witamina D jest dobrze znanym czynnikiem proapoptotycznym w komórkach nowotworowych, ale nie w osteoblastach (9). W tym rodzaju komórek 1,25(OH)₂D wywiera efekt antyapoptotyczny poprzez hamowanie czynników mitochondrialnych i związanych z FAS. W badaniach wykazano zmniejszoną ekspresję proteiny proapoptotycznej BAX z jednoczesnym zwiększeniem ekspresji proteiny antyapoptotycznej BCL-2 (10).