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).

Poza wpływem na proliferację i różnicowanie, witamina D (poprzez regulację transkrypcji genów) wpływa na syntezę kluczowych białek osteoblasta. Jednym z najważniejszych białek niekolagenowej tkanki kostnej, syntetyzowanym przez osteoblasty pod wpływem aktywnego metabolitu witaminy D, jest osteokalcyna (OC) (11, 12). Osteokalcyna charakteryzuje się dużym powinowactwem do jonów wapnia w kryształach hydroksyapatytu, uczestniczy w wiązaniu soli wapnia i odkładaniu ich w macierzy kości. Kolejne białko to osteopontyna (OP), która z jednej strony, wiążąc wapń i hydroksyapatyty w tkance kostnej, przyczynia się do mineralizacji organicznego osteoidu kości, z drugiej zaś odgrywa znaczącą rolę w procesie resorpcji kości, stanowiąc czynnik wiążący osteoklasty w zatoce resorpcyjnej (12, 13). Witamina D reguluje również syntezę sialoproteiny kostnej (BSP1), która odgrywa istotną rolę w adhezji komórek do macierzy kostnej oraz w organizacji macierzy tkanek zmineralizowanych (14).

Aktywna postać witaminy D wpływa także na ekspresję białek osteocyta. Należy w tym miejscu wspomnieć o osi nerkowo-kostnej kontrolującej stężenie fosforanów w organizmie. Czynnik FGF23 to jeden z najnowszych członków rodziny FGF – pochodzący z kości hormon fosfaturyczny, którego synteza w osteoblastach i osteocytach jest pobudzana przez 1,25(OH)₂D. Czynnik ten hamuje nerkową reabsorpcję fosforanów i powoduje ich wydalanie, zmniejsza syntezę PTH przez przytarczyce, a także poprzez hamowanie 1a-hydroksylazy i stymulowanie 24-hydroksylazy zmniejsza stężenie 1,25(OH) witaminy D₃ (15, 16).

1,25(OH)₂D kontroluje również syntezę białka macierzy dentyny 1 (DMP1) przez osteocyt (4). Jest to kluczowe białko regulujące powstawanie osteocytów, homeostazę fosforanową, bierze ono udział w mineralizacji, adhezji komórkowej, jest regulatorem transkrypcji (17, 18).

Witamina D jest niezbędna do prawidłowego dojrzewania i funkcjonowania osteoklastów. Pierwszym czynnikiem na szlaku dojrzewania osteoklastów jest czynnik stymulujący wzrost kolonii makrofagów (M-CSF), który pobudza komórki prekursorowe osteoklastów do proliferacji i zapobiega ich apoptozie. M-CSF jest uwalniany przez preosteoblasty pod kontrolą 1,25(OH)₂D (4, 19, 20). Kolejnym elementem niezbędnym do właściwego dojrzewania i funkcjonowania osteoklastów jest szlak, którego głównymi uczestnikami są osteoprotegeryna (OPG), receptor aktywujący jądrowy czynnik NF-κB (RANK) oraz ligand RANK (RANKL). Receptor RANK znajduje się w błonie preosteoklastów. Przyłączenie się do niego ligandu RANKL, uwalnianego przez preosteoblasty, wyzwala w prekursorach osteoklastów całą kaskadę reakcji pozwalających na różnicowanie i aktywację komórek kościogubnych. Dochodzi m.in. do indukcji syntezy białek fuzji umożliwiających wzajemne połączenie się preosteoklastów i wytworzenie dojrzałej komórki wielojądrzastej. Osteoprotegeryna, syntetyzowana przez preosteoblasty, jest rozpuszczalnym receptorem i ma zdolność wiązania się z ligandem RANKL, co uniemożliwia wiązanie się RANKL z RANK i w konsekwencji zatrzymuje cały szlak dojrzewania osteoklastów już na jego początkowych etapach. 1,25(OH)₂D pobudza osteoklastogenezę poprzez wzrost ekspresji RANKL oraz hamowanie ekspresji OPG w preosteoblastach. Dodatkowo wykazano, że aktywna postać witaminy D ułatwia adhezję prekursorów osteoklastów do osteoblastów zrębu poprzez zwiększenie ekspresji międzykomórkowej molekuły adhezyjnej ICAM-1. Badania sugerują również, że 1,25(OH)₂D wywiera bezpośredni wpływ na prekursory osteoklastów, zwiększając ekspresję kluczowej molekuły adhezyjnej – integryny αVβ3, co zaobserwowano w prekursorach osteoklastów ptasich, jak i w ludzkiej linii komórek mielomonocytowych HL-60. W linii komórkowej HL-60 stwierdzono również wzrost ekspresji RANK pod wpływem 1,25(OH)₂D (21). Metabolizm 25(OH)D do 1,25(OH)₂D w ludzkich osteoklastach wywodzących się z populacji jednojądrzastych komórek krwi obwodowej (PBMC), powoduje wzrost ekspresji mRNA dla czynnika jądrowego pobudzonych limfoctów (NFATc1) (4, 21). Jest to czynnik transkrypcyjny, odpowiedzialny za ekspresję genów warunkujących różnicowanie, aktywację i ochronę osteoklastów przed apoptozą oraz genów kluczowych dla funkcjonownia osteoklasta: receptora dla kalcytoniny (CTR), winianoopornej kwaśnej fosfatazy (TRAP); katepsyny K (CATK) – lizosomalnej proteazy cysteinowej odgrywającej ważną rolę w degradacji macierzy organicznej (4). Wpływ witaminy D na komórki kostne podsumowano w tabeli 1.

Jednym z głównych efektów działania aktywnego metabolitu witaminy D – 1,25(OH)₂D jest stymulacja absorpcji wapnia z przewodu pokarmowego oraz w cewkach nerkowych. Niedobór witaminy D skutkuje ujemnym bilansem wapniowym i wtórną nadczynnością przytarczyc, prowadzącą do utraty masy kostnej i w jej konsekwencji do osteoporozy i złamań. Długotrwały niedobór witaminy D może się wiązać z zaburzeniami mineralizacji i osteomalacją.

Absorpcja wapnia (Ca²⁺) ze światła przewodu pokarmowego oraz cewek nerkowych może się odbywać poprzez transport drogą transcelularną i paracelularną. Paracelularny transport Ca²⁺ odbywa się poprzez ścisłe połączenia międzykomórkowe (tight junctions) zgodnie z elektrochemicznym gradientem stężeń. Poszczególne etapy transcelularnego transportu Ca²⁺ pozostają pod kontrolą 1,25(OH)₂D, pobudzającej ekspresję kanałów wapniowych, kalbindyny i systemów usuwających wapń z komórki. Wapń dostaje się do wnętrza komórki nabłonka poprzez kanał wapniowy TRPV5 lub TRPV6 umieszczony w rąbku szczoteczkowym. W obrębie komórki, od rąbka szczoteczkowego do błony podstawno-bocznej, wapń jest transportowany przez kalbindynę, która, oprócz roli transportującej, pełni również rolę bufora chroniącego komórkę przed niekorzystnym działaniem wapnia. Ca²⁺ jest usuwany z wnętrza komórki poprzez pompę wapniową – Ca²⁺-ATPazę (PMCA1b) oraz wymiennik Na⁺/Ca²⁺ (NCX1), które są zlokalizowane w błonie podstawno-bocznej (22).

W badaniach dotyczących myszy pozbawionych receptora dla witaminy D (VDR KO) wykazano, że u zwierząt tych poziom mRNA dla TRPV6 w dwunastnicy jest obniżony o więcej niż 90%. W kulturach komórek jelita i dwunastnicy zarówno u myszy, jak i ludzi, zaobserwowano, że ekspresja genu dla TRPV6 podlega ścisłej regulacji przez 1,25(OH)₂D. U zwierząt z niedoborem witaminy D oraz u myszy KO VDR stwierdzono istotną redukcję poziomu kalbindyny, a suplementacja pozajelitowa 1,25(OH)₂D istotnie podwyższała stężenie kalbindyny. Sugeruje to, że ekspresja genu dla kalbindyny jest regulowana przez witaminę D. Podobnie mRNA dla Ca ATPazy (PMCA1b) było istotnie obniżone u kurcząt z niedoborem witaminy D i wzrastało (2-3)-krotnie w wyniku suplementacji witaminy D (23). U zwierząt tych stwierdzono również wzrost aktywności wymiennika Na/Ca (NCX) w jelicie pod wpływem 1,25(OH)₂D w mechanizmie genomowym i niegenomowym (24).

Pewne obserwacje sugerują, że transcelularny transport wapnia odbywa się również poprzez jego sekwestrację w pęcherzykach wewnątrzkomórkowych. Leczenie 1,25(OH)₂D powoduje zwiększenie liczby lizosomów w komórkach jelita kurcząt oraz uwolnienie enzymów lizosomalnych z izolowanych enterocytów szczurzych. Świadczy to o kontroli przez witaminę D również i tego rodzaju transportu wapnia (23).

Pomimo że większość badań dotyczących jelitowej absorpcji wapnia skupia się na próbie wyjaśnienia wpływu witaminy D na transport transcelularny, dominujący w proksymalnym odcinku jelita cienkiego, istnieją doniesienia o pobudzającym wpływie witaminy D na mechanizm paracelularny, dominujący w jelicie czczym i końcowej części jelita krętego (23).

Niezależenie od wpływu na jelitową absorpcję wapnia i stężenie wapnia w surowicy krwi, 1,25(OH)₂D hamuje transkrypcję genu dla PTH poprzez połączenie z receptorem VDR, heterodimeryzację z receptorem kwasu 9-cis retinowego (RXR) i przyłączenie do specyficznej sekwencji DNA (VDR) w genie PTH (25). W badaniach in vitro na komórkach przytarczyc bydlęcych 1,25(OH)₂D powodowała istotne obniżenie poziomu mRNA dla PTH, a w konsekwencji obniżenie sekrecji PTH. Obserwację tę potwierdzono w badaniach in vivo. U szczurów, którym podawano iniekcje z 1,25(OH)₂D w dawce niepowodującej wzrostu stężenia wapnia w surowicy, stwierdzano obniżenie poziomu mRNA dla PTH < 4% w porównaniu do grupy kontrolnej (26).

1,25(OH)₂D reguluje ekspresję receptora wapniowego, przez co również pośrednio wpływa na sekrecję PTH (25). Wzrost transkrypcji genu kodującego receptor wapniowy może powodować wzrost wrażliwości komórek przytarczyc na aktualne stężenie wapnia w surowicy i w ten sposób obniżać stężenie PTH. Witamina D oddziałuje na przytarczyce dodatkowo poprzez zmniejszenie proliferacji komórek tego gruczołu (27).

Witamina D to niezwykle istotny czynnik zapewniający prawidłowe funkcjonowanie tkanki kostnej. 1,25(OH)₂D jest hormonem bezpośrednio oddziałującym na różne populacje komórek kostnych, jak i wywierającym pośredni wpływ na kość poprzez regulację gospodarki wapniowej oraz ekspresji PTH. Aktywna postać witaminy D pobudza różnicowanie osteoblastów, warunkuje prawidłową mineralizację osteoidu, pobudza powstawanie i dojrzewanie osteoklastów, a także reguluje ekspresję licznych genów w osteoblastach i osteoklastach. Regulacja ekspresji genów dla białek biorących udział w nabłonkowej absorpcji wapnia, powoduje wzrost wchłaniania wapnia w przewodzie pokarmowym i reabsorpcję tego pierwiastka w cewkach nerkowych, co zapewnia prawidłowe stężenie wapnia w surowicy krwi i prawidłową mineralizację tkanki kostnej. Poprzez hamowanie sekrecji PTH, witamina D hamuje resorpcję kostną. Nie dziwi zatem fakt, że masa kostna i obrót kostny są zależne od prawidłowego zaopatrzenia organizmu w witaminę D. Suplementacja witaminą D może obniżać obrót kostny i zwiększać masę kostną. W kilku randomizowanych, kontrolowanych placebo badaniach klinicznych dotyczących suplementacji witaminy D i wapnia wykazano istotne zmniejszenie ilości złamań pod wpływem tych czynników (28). U pacjentów z niską masą kostną, w diagnostyce różnicowej, zawsze należy uwzględniać niedobory witaminy D.