Роль витамина D в процессах биоминерализации
Витамин D является важным регулятором гомеостаза кальция и фосфатов. Синтезируемый в коже под воздействием ультрафиолета витамин D (холекальциферол) подвергается первичному гидроксилированию в 25-м положении в печени, в результате чего образуется 25-гидроксивитамин D (кальцифедиол). Затем кальцифедиол подвергается вторичному гидроксилированию с помощью 25-гидроксивитамин-D-1α-гидроксилазы в 1-ой позиции в почках, в результате чего образуется активный метаболит кальцитриол [66]. Последний этап стимулируется ПТГ, инсулиноподобным фактором роста 1 и низким потреблением кальция и фосфатов, или низкими внеклеточными концентрациями кальция или фосфата.
Поддерживая оптимальную концентрацию кальция и фосфатов вне клеток, витамин D обеспечивает минерализацию новообразованной костной ткани и гипертрофированного хрящевого матрикса [67]. Роль этого витамина в профилактике рахита у детей и остеомаляции у взрослых хорошо известна. Возникает вопрос о том, насколько действие витамина D является прямым и/или косвенным при профилактике и лечении рахита и остеомаляции, то есть он непосредственно влияет на клетки и/или же через изменение концентрации внеклеточного кальция и фосфатов.
Активный метаболит витамина D кальцитриол стимулирует трансэпителиальный транспорт кальция и фосфатов, поступающих с пищей, в кишечнике, как посредством геномных, так и негеномных механизмов [66]. Например, трансапикальный мембранный транспорт кальция через кальциевый канал TRPV6 стимулируется кальцитриолом, тогда как экструзия базолатеральной мембраны осуществляется кальций-АТФазой 1b (рис. 1). Кальцитриол также может регулировать параклеточный транспорт кальция через межклеточное пространство, воздействуя на различные белки плотных контактов [66]. Однако воздействие кальцитриола на эпителий кишечника может быть более комплексным, чем представленный классический трехэтапный регулируемый процесс [69]. В толстом кишечнике находится мощная система транспортировки кальция, функционирование которой зависит от витамина D. Она в недостаточной степени используется в обычных условиях, поскольку кальций находится в связанном виде с анионами, например, оксалатом, которые препятствуют поступлению кальция в транспортную систему [70]. На примерах животных моделей и у людей было показано, что пребиотики могут модифицировать кишечную микробиоту. Это приводит к снижению рН содержимого толстого кишечника, повышению биодоступности кальция и усилению его абсорбции в толстой кишке [71]. Следует отметить, что кальцитриол также стимулирует всасывание фосфатов в кишечнике [72]. Тяжелое нарушение минерализации наблюдается при селективной делеции Vdr в кишечнике (ген, кодирующий рецептор витамина D3). Этот дефект может быть устранен селективной экспрессией Vdr в дистальном отделе кишечника [73]. Это открытие подчеркивает важную роль систем транспортировки кальция и фосфатов, зависящих от витамина D, в кишечнике в процессе минерализации.
Рис. 1 | Кальцитриол–VDR-стимулируемый транспорт кальция в эпителии кишечника.Кальцитриол (1,25 (OD)2D) стимулирует сатурабельный активный трансклеточный и несатурабельный пассивный параклеточный транспорт кальция. Кальцитриол связывается с ядерным рецептором витамина D (VDR) и усиливает транскрипцию генов кальциевого канала TRPV6 апикальной мембраны, кальбиндина D9k и белка базолатеральной плазматической мембраны PMCA1b. В этом трехэтапном процессе кальцитриол стимулирует поглощение кальция из просвета кишечника, перенос кальция с апикальной мембраны на базолатеральную мембрану и активным транспортом кальция в кровь с помощью АТФ-опосредованного процесса. Повышая экспрессию генов белков плотных контактов клаудина-2 и клаудина-12, кадгерина-17 и аквапорина-8, взаимодействие VDR с кальцитриолом способствует увеличению пассивного параклеточного транспорта кальция.
В одном наблюдении (на примере животных моделей) подчеркивается важная роль концентрации внеклеточного фосфата в процессе минерализации: за счет мобилизации фосфата из запасов в мягких тканях при голодании клиническое течение рахита улучшалось [74]. Достаточный уровень фосфата необходим для нормального развития ростовых пластинок из-за фосфат-зависимого апоптоза гипертрофированных хондроцитов [75]. Введение кальция и фосфата крысам с дефицитом витамина D приводит к адекватной минерализации костной ткани [76]. Более того, в модели с системным нокаутом гена Vdr рахит и остеомаляцию можно предотвратить путем внедрения в диету продуктов, богатых кальцием и фосфатом [66,77]. Аналогичным образом, такой рацион улучшает состояние костей и хрящей у мышей с нокаутом гена Cyp27b1, у которых отсутствует 25-гидроксивитамин-D-1α-гидроксилаза [78]. Однако полностью исключить развитие заболеваний костей путем введения минеральных веществ у таких животных невозможно, что указывает на возможное прямое воздействие кальцитриола [79].
Кальцитриол является мощным стимулятором резорбции костей [80], который действует путем увеличения экспрессии и выработки остеобластами RANKL — фактора дифференциации и активации остеокластов [81]. Кроме того, кальцитриол регулирует дифференцировку и функцию остеобластов, взаимодействуя с сигнальным путем WNT [82]. В итоге, мобилизуя кальций и фосфат из кишечника и костей, кальцитриол повышает концентрацию внеклеточного кальция и фосфата до чрезмерных значений, обеспечивая минерализацию растущих хрящей и костей [66,67].
В исследованиях in vitro было показано, что кальцитриол способствует минерализации, стимулируя дифференцировку остеобластов и ускоряя образование зрелых везикул матрикса, которые участвуют в инициировании процесса кальцификации [83,84]. Кальцитриол стимулирует выработку остеобластами множества различных неколлагеновых белков матрикса, которые играют важную роль как в стимулировании, так и в ингибировании минерализации. Например, активин А, остеопонтин и остеокальцин являются матриксными белками, которые подавляют минерализацию [83]. В отчете 2020 года, посвященном клиническому случаю ребенка с гипофосфатазией и рахитом, вызванным дефицитом витамина D, концентрации кальция и фосфатов в сыворотке крови сохранялись нормальными [85]. У этого ребенка рахит был излечен только приемом витамина D. В совокупности имеющиеся данные свидетельствуют о том, что оптимальные концентрации внеклеточного кальция и фосфатов необходимы для минерализации хрящей и костей в процессе роста. Однако при определенных обстоятельствах витамин D также может непосредственно влиять на процесс минерализации.
Роль витамина К в процессах биоминерализации
Существует две основные формы витамина К: филлохинон (витамин К1), который содержится в зеленых листовых овощах, и менахиноны (витамин К2), которые содержатся в ферментированных продуктах. Оба они являются кофакторами для посттрансляционной модификации белков путем карбоксилирования остатков глутамата — γ-карбоксилированием [86]. γ-карбоксилирование остатков глутамата (то есть остатков карбоксиглутаминовой кислоты или Gla) необходимо для активности протромбина, поскольку в этом процессе формируется сайт связывания кальция, участвующий в каскаде коагуляции. Однако, по меньшей мере, 17 других белков содержат витамин К-зависимые остатки Gla, в том числе остеокальцин [86].
Остеокальцин является наиболее распространенным неколлагеновым компонентом в минерализованном матриксе кости. Наличие трех остатков Gla обеспечивает посттрансляционное γ-карбоксилирование в положениях 17, 21 и 24. Кальцификация ингибируется полностью карбоксилированной формой остеокальцина [87]. Напротив, некарбоксилированная форма остеокальцина, по-видимому, регулирует энергетический обмен и репродуктивную функцию [87]. Исследования, проведенные на мышах с дефицитом остеокальцина, у которых выявлено высокое содержание минеральных веществ в костной ткани, показывают, что остеокальцин влияет на рост и структуру кристаллов гидроксиапатита [86].
Внепеченочный витамин К-зависимый матриксный белок Gla, который синтезируется гладкомышечными клетками сосудов, является очень мощным ингибитором кальцификации мягких тканей и артерий [88]. Избыточная экспрессия матриксного белка Gla в ростовой зоне ингибирует кальцификацию хряща и эндохондральное окостенение. Спонтанное осаждение кальция и фосфата, которые присутствуют во внеклеточных жидкостях в перенасыщенных концентрациях, предотвращается такими ингибиторами, как матриксный белок Gla [89,90]. Важно отметить, что истощение запасов этого белка в мышиных моделях связывают с усиленной кальцификацией артерий [91]. Кроме того, предотвращение карбоксилирования матриксного белка Gla антагонистами витамина К также связано с кальцификацией артерий [91] (см. рис. 2). Другой карбоксилированный белок — уникальный белок, ассоциированный с матриксом хрящевой ткани — содержится в костях и кальцифицированных хрящах [86]. Таким образом, дефицит витамина К может быть связан с повышенным риском кальцификации мягких тканей [86].
Кумарины являются веществами-антагонистами витамина К, которые тормозят восстановление его активной формы и истощают запасы в тканях, что приводит к недостаточному карбоксилированию витамин К-зависимых белков [92]. В 2015 году было выявлено, что кальцификация сосудов является пагубным следствием действия антагонистов витамина К [93]. По сравнению с антикоагулянтами, не зависящими от витамина К, варфарин связан с более быстрым прогрессированием атеросклероза и кальциноза в коронарных артериях [94]. Однако данные о профилактике кальцификации сосудов с помощью пищевых добавок витамина К противоречивы [90,95].
Рис. 2 | Роль матриксного белка Gla в минерализацииНеактивный анепеченочный матриксный белок Gla (MGP) активируется при участии витамина K. РЕсинтез витамина K, в свою очередь, блокируется варфарином и дикумаролами. Активный MGP препятствует росту кристаллов гидроксиапатита, связываясь с ними, а также ингибирует дифференцировку гладкомышечных клеток (ГМК) сосудов в остеобластоподобные клетки, взаимодействуя с костными морфогенетичсекими белками.
Таким образом, дефицит витамина D связан с нарушением минерализации хрящей и костей, в то время как недостаток витамина К предрасполагает к кальцификации мягких тканей и артерий. В будущем, понимание механизмов, с помощью которых витамины D и К влияют на процесс кальцификации мягких тканей, может помочь выработке новых способов профилактики атеросклероза и кальцификации артериальных стенок.
