Witamina D [1,3,4] to rozpuszczalna w tłuszczach witamina, zbudowana z pierścienia sterolowego i pełniąca funkcję regulacyjną gospodarki wapniowo-fosforanowej. Produkowana jest w skórze pod wpływem światła UV w nieenzymatycznej reakcji z prekursora witaminy D3 – 7-dehydrocholesterolu (7-DHC). Prekursorem witaminy D3 jest także ergokalcyferol - pochodna ergosterolu roślinnych steroli. Wpływ na cykl przemian, którego pierwszym etapem jest otwarcie pierścienia B szkieletu sterolowego ma nie tylko natężenie promieniowania UV oraz osłonięcie skóry odzieżą – ujemną korelację z wydajnością przemiany wykazuje także pigmentacja skóry, czyli stężenie melatoniny. Dlatego też ilość produkowanej witaminy D jest zależna od nasłonecznienia i pory roku.

Witaminę D można również uzyskać z diety - dużą ilość witaminy D3 zawierają tłuste ryby. Natomiast jako dodatek do żywności i suplementów diety często jest stosowany ergokalcyferol (produkowany z ergosterolu przez rośliny i grzyby), który w porównaniu z D3 różni się podwójnym wiązaniem pomiędzy C22 i C23 oraz grupą metylową w łańcuchu bocznym przy C24. Różnice te wpływają na mniejsze powinowactwo witaminy D2 do białka wiążącego witaminę D (DBP), co z kolei powoduje szybszą eliminację tej postaci witaminy z krążenia oraz potrzebę częstszej suplementacji. Natomiast 1,25(OH)2 D2 i 1,25(OH)2 D3 mają porównywalne powinowactwo do receptora jądrowego hormonów sterydowych - VDR. Poniżej przedstawiono zalecany [12] poziom 25OHD w surowicy (tabela1) oraz zalecaną suplementację z podziałem na grupy (tabela2).

Kolejną częścią podróży  witaminy D w organizmie jest metabolizm, w którego skład wchodzą trzy główne etapy katalizowane przez cytochrom P450 (CYP) zlokalizowany w siateczce endoplazmatycznej (ER) – np. CYP2R1 oraz w mitochondriach – np. CYP27A1, CYP27B1, CYP24A1: 25-hydroksylacja, 1α-hydroksylcja oraz 24-hydroksylacja.

25-hydroksylacja zachodząca głównie w wątrobie jest pierwszym etapem metabolizmu rozpoczynającym szlak przemian witaminy D. Substratem dla zidentyfikowanej formy mitochondrialnej CYP27A1 jest tylko forma D3, natomiast mikrosomalna forma CYP2R1 hydroksyluje zarówno D3, jak i D2. Wykazano [2], że CYP2R1 jest głównym enzymem katalizującym 25-hydroksylację witaminy D, chociaż wiele innych wykazuje aktywność 25-hydroksylazy (m.in. CYP27A1, CYP3A4, CYP2J2, CYP2C11).

W kolejnym etapie zachodzi 1α-hydroksylcja, która ma miejsce głównie w nerkach, jednak w tym przypadku 25OHD jest substratem tylko dla jednego enzymu – CYP27B1. Ekspresja enzymu zachodzi również w wielu innych komórkach np. w komórkach nabłonka w skórze, płucach, piersi, jelit, prostaty, przytarczyc, wysepek trzustki, jąder, jajników, układu immunologicznego, a także w guzach wywodzących się z tych tkanek. Reakcja 1α-hydroksylcji w nerkach jest ściśle regulowana przy udziale parathormonu (PTH) i czynnika wzrostu fibroblastów 23 (FGF23) oraz jest także hamowana zwrotnie przez 1,25(OH)2D. PTH stymuluje, natomiast FGF23 oraz 1,25(OH)2D działają jako inhibitory CYP27B1.

24-hydroksylacja zachodząca przy udziale CYP24A1 prowadzi do powstania nieaktywnej formy witaminy D. Większe powinowactwo do enzymu wykazuje 1,25(OH)2D, ale substrat może także stanowić 25OHD. Produkt reakcji 1,24,25(OH)3D wykazuje powinowactwo do receptora VDR, natomiast wydaje się, że zarówno 1,25(OH)2D, jak i 24,25(OH)2D są niezbędne do prawidłowego formownia kości. Jednak głównym zadaniem CYP24A1 jest zapobieganie nagromadzeniu toksycznych stężeń 1,25(OH)2D oraz 25OHD, na co wskazuje także pobudzanie ekspresji CYP24A1 przez 1,25(OH)2D oraz FGF23.

Forma 1,25(OH)2D krąży we krwi w postaci związanej z białkiem wiążącym witaminę D (DBP) do różnych tkanek wywierając wpływ na gospodarkę wapniowo-fosforanową – wzmaga wchłanianie w jelitach i reabsorpcję w nerkach podnosząc ich poziom we krwi, przyczyniając się następnie do mineralizacji oraz przebudowy kości. Witamina D wywołuje wspomniane działania poprzez czynnik transkrypcyjny będący członkiem rodziny receptorów jądrowych hormonów steroidowych (VDR), składający się z trzech domen: N-końcowej domeny wiążącej DNA poprzez dwa palce cynkowe, które wiążą się w rowkach DNA w specyficznych miejscach (VDRE),  domenę C-końcową wiążącą ligand, a także region zawiasowy wiążący obie domeny razem.

VDR wiąże się z wysokim powinowactwem i specyficznością 1,25(OH)2D, aby następnie związać się z receptorem retinoidów X (RXR), tworząc w rezultacie heterodimer VDR-RXR zdolny do wiązania specyficznych sekwencji DNA promotora regulowanych genów.

Ekspresja receptora VDR zachodzi m.in. w komórkach przytarczyc, gdzie po związaniu z ligandem (1,25(OH)2D) hamuje syntezę parathormonu (PTH), co ogranicza – na zasadzie sprzężenia zwrotnego – stymulację CYP27B1 oraz resorpcję kości spowodowaną przez PTH, ochraniając przed hiperkalcemią, która mogłaby być wynikiem synergistycznego działania z 1,25(OH)2D.

Ponadto także podwyższone stężenie wapnia pośrednio hamuje CYP27B1 poprzez supresję PTH, a wzrost stężenia jonów fosforanowych oraz 1,25(OH)2D wpływa ujemnie na CYP27B1 poprzez stymulowanie wydzielania FGF23 z kości, zwłaszcza z osteocytów linii osteoblastycznej. FGF23 wpływa także na pobudzanie CYP24A1, prowadząc do zmniejszenia poziomu 1,25(OH)2D i chroniąc w ten sposób przed skutkami hiperwitaminozy oraz podobnie jak PTH - wywołuje fosfaturię.

Poza wpływem na gospodarkę wapniowo-fosforanową w jelitach, nerkach, kościach i przytarczycach, 1,25(OH)2D poprzez receptor VDR oddziałuje również na inne komórki, w których zaobserwowano również ekspresję CYP27B1 i lokalną produkcję 1,25(OH)2D, wpływając m.in. na różnicowanie niektórych komórek skóry oraz na układ immunologiczny.

Ponadto wydaje się, że wyższe stężenie krążącej 25OHD chroni przed wieloma przewlekłymi chorobami - zmniejsza ryzyko zawału serca, udaru oraz reguluje działanie układu immunologicznego wywierając wpływ na występowanie chorób autoimmunologicznych, a także oddziałuje przeciwzapalnie i przeciwnowotworowo w stosunku do komórek nabłonka poprzez lokalną produkcję 1,25(OH)2D.

Wpływ na kości

Aktywna postać witaminy D reguluje ekspresję wielu genów odpowiedzialnych na przebudowę kości [3,4]. W zależności od efektu netto, może wywierać wpływ anaboliczny bądź kataboliczny na tkankę kostną. Powoduje także, wydzielanie hormonów, które są odpowiedzialne za metabolizm minerałów, kontrolę glukozy oraz płodność.

Kompleks 1,25(OH)2D-VDR powoduje wzrost ekspresji ligandu aktywatora receptora jądrowego czynnika κB (RANKL) przez osteoblasty, pobudzając w ten sposób osteoklasty i resorpcję kości, a także przesuwając równowagę w kierunku katabolizmu dzięki zmniejszeniu aktywności osteoprotegeryny – rozpuszczalnego receptora „wabika” dla RANKL wydzielanego przez osteoblasty.

Co więcej, 1,25(OH)2D obniża ekspresję Runx2 wpływając w ten sposób negatywnie na różnicowanie osteoblastów poprzez  białko morfogenetyczne kości (BMP). Poza tym witamina D stymuluje wydzielania innych białek jak np. osteopontyny (hamującej mineralizację kości jednocześnie wpływając na przeżywalność osteoblastów) oraz osteokalcyny (hormonu wydzielanego przez kości, wpływającego m.in. na wzrost wydzielania insuliny przez trzustkę, wzrost wrażliwości na insulinę, a także stabilizującego płodność u samców myszy).

Wpływ na jelito cienkie

W jelicie cienkim funkcja witaminy D [3,4] ogranicza się głównie do wpływu na wchłanianie wapnia, które odbywa się na drodze transkomórkowej i parakomórkowej. Mechanizm transkomórkowy odbywa się głównie w dwunastnicy i odgrywa szczególną rolę przy diecie ubogo-wapniowej. Kompleks 1,25(OH)2D-VDR przyłączając się do genów w miejscach VDRE wpływa na indukcję transkrypcji genów dla białek odpowiedzialnych za transport wapnia: TRPV6 – kanał wapniowy zlokalizowany po stronie apikalnej, CaBP9k – białko wiążące wapń w komórce po przetransportowaniu dzięki TRPV6, PMCA1b – pompa wapniowa (Ca-ATPaza) odpowiedzialna za transport wapnia przez błonę podstawną komórki.

Mechanizm parakomórkowy i udział w nim witaminy D nie jest do końca poznany, wiadomo jednak, że 1,25(OH)2D promuje ekspresję genów białek biorących udział w tym mechanizmie takich jak kanały wapniowe m.in. claudin-2 i -12 oraz cząsteczek adhezyjnych, jak kadheryny i koneksyny.

Jak się okazało witamina D pobudza ekspresję fosfatazy zasadowej (ALP), która bierze udział we wchłanianiu tłuszczów oraz prawdopodobnie wspomaga transport wapnia ze światła jelita.

Poza tym witamina D wpływa na wzrost ekspresji Npt2b – kotransportera sodowo-fosforanowego biorącego udział we wchłanianiu fosforanów ze światła jelit.

Wpływ na nerki

W nerkach odbywa się ścisła regulacja stężenia najbardziej aktywnej postaci witaminy D [3,4] – 1,25(OH)2D poprzez wpływ na równowagę pomiędzy 1α-hydroksylcją oraz 24-hydroksylacją. Poza tym nerki wydzielają przezbłonowe białko Klotho, które tworzy kompleksy z FGFR1c, FGFR3c oraz FGFR4. Białko Klotho stanowi więc niezbędny koreceptor wymagany do aktywacji FGFR przez FGF23 i następnie zmniejszenia ekspresji genu dla CYP27B1 oraz indukcji CYP24A1. Co ciekawe, 1,25(OH)2D stymuluje poprzez receptor VDRE ekspresję genu kodującego białko Klotho, wpływając w ten sposób pośrednio na swój metabolizm.

Nerki poza udziałem w metabolizmie witaminy D oraz ścisłej regulacji stężenia jej aktywnej postaci 1,25(OH)2D są także celem jej działania, które jest skierowane głównie na regulację reabsorpcji wapnia i fosforanów obywającego się podobnie, jak ma to miejsce w dwunastnicy.

Reabsorpcja wapnia zachodzi w kanaliku dystalnym nerki w sposób analogiczny do dwunastnicy. Kompleks 1,25(OH)2D-VDR stymuluje TRPV5 – kanał wapniowy umieszczony na błonie po stronie światła kanalika, który odpowiada za transport wapnia do komórki. Wewnątrz komórki wapń jest wiązany i transportowany przez CaBP28k – białko wiążące wapń zależne od 1,25(OH)2D. W ostatniej fazie działa pompa wapniowa taka jak w dwunastnicy – PMCA1b oraz wymiennik sodowo-wapniowy – NCX1.

Natomiast FGF23 pochodzący z kości oraz PTH obniżają reabsorpcję fosforanów w kanaliku proksymalnym nerki poprzez hamownie transportera NPT2A. Natomiast 1,25(OH)2D poprzez swój receptor wpływa na indukcję NPT2A oraz NPT2C, w efekcie stymulując reabsorpcję fosforanów.

Wpływ na jelito grube

W komórkach okrężnicy zaobserwowano [4] wysokie stężenie receptora VDR, podobne do występującego w nerkach czy kościach. Wykazano, że w okrężnicy receptor VDR działa analogicznie do receptora PXR oraz CAR w wątrobie – indukując enzymy z rodziny CYP zaangażowane w detoksykację ksenobiotyków m.in. CYP3A4, którego substratem jest kwas litocholowy. Poza tym zaobserwowano, że 1,25(OH)2D poza stymulowaniem ekspresji mRNA zaangażowanego w gospodarkę wapniowo-fosforanową, stymuluje także mRNA kodujące czynniki odpowiedzialne za detoksykację m.in. enzymy z rodziny CYP, SULT oraz transportery ABC. Poza tym wykazano, że 1,25(OH)2D hamuje szlak sygnalizacyjny β-cateniny, który bierze udział w aktywacji szlaku Wnt stymulującym wzrost i jest odpowiedzialny za rozwój raka jelita grubego.

Wpływ na skórę

Produkowana lokalnie, a także wytwarzana w nerkach 1,25(OH)2D wywiera w skórze poprzez receptor VDR wpływ hamujący wzrost oraz pobudzający różnicowanie keratynocytów, co wykorzystuje się w terapii łuszczycy [4]. Chroni również naskórek przed uszkadzającym wpływem promieniowania UV, dzięki czemu zmniejsza prawdopodobieństwo rozwoju raka skóry.

Ponadto wydaje się, że sam receptor VDR bez udziału witaminy D wywiera wpływ regulujący na cykl włosa [4].

Wpływ na układ immunologiczny

W licznych badaniach [6,7] zaobserwowano ekspresję receptora VDR na komórkach układu immunologicznego, takich jak limfocyty T i B, a także monocytach i makrofagach. Co więcej wykazano, że makrofagi są zdolne do katalizowania reakcji 1α-hydroksylacji nawet podczas braku choroby. Analiza genomu wykazała również istnienie elementów wiązania receptora witaminy D (VDRE) w obrębie promotorów licznych genów m.in. białek przeciwbakteryjnych (CAMP czy DEFB4).

Natomiast w innych badaniach zaobserwowano, że celem heterodimeru Toll-like receptor 2/1 (TLR2/1) w makrofagach, biorących udział we wrodzonej odpowiedzi immunologicznej, jest pobudzenie ekspresji receptora VDR oraz CYP27B1, co wskazuje na udział witaminy D w odpowiedzi wrodzonej.

Poza tym zaobserwowano odwrotną korelację pomiędzy ekspresją białka przeciwbakteryjnego hepcydyny (HAMP) – biorącego udział w powstawaniu anemii chorób przewlekłych - oraz stężeniem 25OHD i 1,25(OH)2D. Obserwacja ta może być istotna u osób z przewlekłą chorobą nerek, u których obserwujemy obniżone stężenie aktywnej postaci witaminy D.

Jak wspomniano ekspresja VDR ma miejsce także na limfocytach T. Dalsze badania wykazały, że witamina D wpływa na różnicowanie limfocytów T. Głównie wywiera wpływ na limfocyty Th – promujący dla różnicowania w kierunku Th2 oraz hamujący Th2, a także Th17, co ma znaczenie w chorobach autoimmunologicznych. Poza tym w receptor VDR są także wyposażone limfocyty T CD8+ oraz CD8αα (odpowiadających za regulację procesu zapalnego w jelitach). Wobec tych drugich zaobserwowano wzrost procesu zapalnego w jelitach u myszy, u których zastosowano knockout receptora VDR. Ponadto zaobserwowano w limfocytach CD8 obecność enzymu katalizującego 1α-hydroksylację. W badaniach uwidoczniono wpływ regulujący witaminy D na komórki dendrytyczne poprzez obniżenie prezentacji antygenów. Wydaje się zatem, że regulacja ekspresji genów przy udziale 1,25(OH)2D zachodzi głównie pod wpływem pozanerkowego mechanizmu aktywacji witaminy D. 

Wpływ na układ sercowo-naczyniowy

Jak wykazano w licznych badaniach [8], 1,25(OH)2D stymuluje wapniową pompę (Ca-ATPazę) i prowadzi do wychwytu wapnia przez kardiomiocyty oraz mięśnie gładkie naczyń. Poza tym witamina D wpływa na obniżenie wydzielania reniny, dzięki czemu obniża aktywację układu renina-angiotensyna-aldosteron (RAA), wpływając na obniżenie ciśnienia tętniczego krwi.

Udowodniono również związek pomiędzy deficytem witaminy D a wzrostem ryzyka wystąpienia chorób sercowo-naczyniowych, jak nadciśnienie czy choroby wieńcowej. Dodatkowo zaobserwowano zwiększone ryzyko ostrego zawału serca, niewydolności serca czy udaru u osób z obniżonym stężeniem 25OHD. Witamina D wpływa ponadto na rozwój miażdżycy [10] poprzez hamowanie i regulację mechanizmów sprzyjających rozwojowi m.in. wpływa na pobudzenie syntezy tlenku azotu w śródbłonku naczyń, a także poprzez wspomniany wpływ na RAA obniża ciśnienie tętnicze krwi. Prawidłowy poziom 25OHD w surowicy poprawia insulino-wrażliwość, a także metabolizm lipidów – prawdopodobnie m.in. dzięki wpływowi na lipazę lipoproteinową oraz reguluje odpowiedź immunologiczną – wpływając wspólnie na obniżenie ryzyka rozwoju miażdżycy poprzez jeszcze nie do końca wyjaśnione szlaki oddziaływania witaminy D.

Wpływ na OUN

Poza wyżej wspomnianymi, także w mózgu zostały wykryte [9] enzymy CYP27B1 oraz CYP24A1 odpowiedzialne za metabolizm witaminy D. CYP27B1 zaobserwowano w różnych rejonach mózgu m.in. w substancji czarnej, jądrze nadwzrokowym i przykomorowym, komórkach Purkinjego w móżdżku czy neuronach kory mózgu. Natomiast CYP24A1 został wykryty w hodowli in vitro komórek szczurzego glejaka.

1,25(OH)2D – jak zaobserwowano – wydaje się wywierać wpływ regulacyjny na wydzielanie amin katecholowych czy acetylocholiny m.in. wykazano wzrost wydzielania dopaminy pod wpływem witaminy D, co może mieć istotny wpływ w zapobieganiu i leczeniu np. choroby Parkinsona – związanej z niedoborem dopaminy.

Postulowany jest związek pomiędzy ryzykiem rozwoju schizofrenii, autyzmu oraz depresji a poziomem 25OHD w surowicy. W licznych badaniach wykazano, że obniżone stężenie postaci 25OHD witaminy wykazuje odwrotną korelację z zapadalnością na wymienione choroby. Ponadto uwidoczniono związek pomiędzy obniżonym stężeniem witaminy D u noworodków a zwiększonym ryzykiem schizofrenii oraz autyzmu. Jednakże dokładny mechanizm działania wciąż wymaga dodatkowych badań prospektywnych.

Niejasny jest także związek między demencję oraz chorobą Alzheimera, a poziomem witaminy D w surowicy. Niemniej jednak warto wspomnieć o wynikach badań, które sugerują, że suplementacja 1,25(OH)2D pozwoliła na odzyskanie zdolności do fagocytozy przez makrofagi oraz korelację tej obserwacji ze zmniejszeniem stężenia B-amyloidu.

Wpływ na insulinooporność

Interesujące są wyniki badań [11] wykazujące, że sumplementacja witaminy D jest w stanie poprawić insulinowrażliwość oraz regulować wydzielanie insuliny u osób z cukrzycą typu 2. Istnieje kilka mechanizmów, które wydają się odgrywać tutaj rolę: obecność receptora dla witaminy D na komórkach wysp β trzustki oraz aktywacja w nich 1α-hydroksylacji, obecność receptora VDR w mięśniach szkieletowych, wpływ pobudzający 1,25(OH)2D na transkrypcję receptora insulinowego, a także obniżenie poziomu reniny i cytokin prozapalnych (IL-1, IL-6 czy TNF-α). Ponadto w wydzielaniu insuliny bierze udział wapń, którego gospodarka jest regulowana przy udziale witaminy D. Jednakże wymagane są dalsze badania celem potwierdzenia obserwacji, a także opisania konkretnych szlaków oddziaływania.

Rola w nowotworach

W ostatnich latach zaobserwowano [5], że zachowana ekspresja receptora VDR w komórkach nowotworowych, a także ekspresja CYP27B1 wiąże się z lepszym rokowaniem. Natomiast ekspresja CYP24A1 występuje w roli negatywnego czynnika rokowniczego. Jak już wspomniano ma to związek z działaniem hamującym wzrost i pobudzającym różnicowanie komórek przez 1,25(OH)2D.

Poza tym 1,25(OH)2D jest w stanie indukować proces apoptozy w komórkach nowotworowych poprzez wpływ zarówno na białka antyapoptotyczne (BCL2, Bcl-xl0, jak i apoptotyczne (Bax). Zaobserwowano także wpływ antyapoptotyczny na komórki w ostrej białaczce szpikowej (AML). Ponadto wykazano także wpływ witaminy D na macierzyste komórki nowotworowe (CSC) w raku prostaty oraz piersi. Postulowany jest także udział mikroRNA oraz polimorfizm genów DBP oraz CYP24A1 w regulacji działania witaminy D oraz receptora VDR. Wszystkie powyższe hipotezy wymagają jednak dalszych dokładnych badań celem wykrycia szlaków oddziaływania, aby można było zaprojektować odpowiednie leczenie.

Podsumowując wyżej opisaną rolę witaminy D w organizmie zasadne wydaje się stosowanie suplementów. Wiele mechanizmów oddziaływania pozostaje wciąż tajemnicą, jednak nie bez przyczyny w wielu komórkach następuje ekspresja receptora witaminy D, a także enzymów biorących udział w jej metabolizmie. Jak można wywnioskować z opisanych oddziaływań, witamina D może pomóc w obniżeniu ryzyka zachorowania na różne choroby, w tym: nadciśnienie, miażdżycę, cukrzycę, obniża ryzyko rozwoju chorób nowotworowych, a także moduluje odporność organizmu. Ciekawy jest także związek pomiędzy obniżonym stężeniem witaminy D a wpływem na ośrodkowy układ nerwowy.

Łukasz Głowacki