Wirkungsmechanismus

Das Steroid Vitamin D stimuliert die Transkription verschiedener Gene in Darm, den Knochen, der Niere und Nebenniere. Nach dem Eintritt in die Zielzelle bindet es an den Vitamin D-Rezeptor (VDR) (Honscha 2002a), einem Mitglied der Familie der nukleären Rezeptoren, auch ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren genannt (Evans 1988a). Diese Bindung fördert die Bildung von Heterodimeren, bestehend aus VDR und dem Cofactor RXR (Retinoid-X-Receptor) (Kimmel-Jehan 1997a). Die Bildung dieser Heterodimere führt zu einer Konformationsänderung der DNA an der Promotorregion und initiiert die Genexspression (Jones 1998b). Vitamin D hat zudem eine klassische endokrine Funktion, da es die Parathormon-Sekretion reguliert und seine eigene Produktion hemmt. Zudem hat es auch eine autokrine und parakrine Wirkung, in dem es die Zellproliferation und Differenzierung beeinflusst (Taskapan 2013a).
 

Darm

Vitamin D stimuliert den Kalzium- und Phosphattransport im Dünndarm (Bronner 1986a; Fettman 2001c) durch die Regulation der Synthese und des vermehrten Einbaus von apikal gelegenen Kalziumkanälen (TRPV6) (Christakos 2011a; Honscha 2002a) und basolateralen Kalziumpumpen (Honscha 2002a). Studien lassen vermuten, dass es den Kalziumtransport auch passiv, durch Erhöhung der parazellulären Ionenpermeabilität, steigert (Kutuzova 2004a; Fujita 2008a).
 

Effekt von oral verabreichtem 25-Hydroxyvitamin D3 (Calcidiol) auf den Kalziumspiegel im Serum in mg/dl bei Kühen (Rivera 2005a)
25-OH D3 Dosis in mg/Tier	0	10	100	1000
Zeitpunkt 0h	11,0	10,5	10,5	10,9
Zeitpunkt 6h	10,5	10,7	11,0	11,0
Zeitpunkt 12h	10,7	10,9	11,6	12,5

 

Niere

Die Kalzium Absorption im distalen Nephron wird durch die Calcitriol-medierte Synthese des intrazellulären kalziumbindenden Proteins Calbindin gewährleistet. Dabei spielt das Parathormon (PTH) eine wichtige Rolle. In der Henle-Schleife stimuliert PTH die aktive Kalzium Absorption durch einen 3,5-Monphosphat (cAMP)-medierten Prozess. Zudem wirkt es direkt auf dem proximalen Nierentubulus und inhibiert die Resorption der Solute: Natrium, Bikarbonat, Kalzium und Phosphor. Da die Niere der einzige Ort für die Phosphat-Resorption ist, wird somit dessen Ausscheidung gesteigert. Aus dem Zusammenspiel zwischen PTH und Calcitriol resultiert eine gesteigerte Kalzium-Resorption aus den Nieren (Fettman 2001c; Jones 1998b; Yamamoto 1984a; Kumar 2012a). Zugleich vermindert Calcitriol die Phosphat-Reabsorption durch die Produktion von Fibroblasten-Wachstumsfaktor 23 (FGF23) (Jurutka 2007a). Dieser wird in den Knochen produziert und wirkt in der Niere durch ein spezifisches Rezeptorsystem (Fukumoto 2008a). FGF reduziert die Serum-Phosphatspiegel durch die Hemmung der tubulären Phophat-Resorption der Niere und der Phosphat-Resorption des Darmes (Fukumoto 2008a).
 

Immunsystem

Bei rachitischen Kindern wurde ein Anstieg der Häufigkeit und des Krankheitsgrades infektiöser Erkrankungen beobachtet. Dies hängt mit einem Verlust der Lymphozyten-Proliferationsregulation und der Alteration der phagozytischen Zellfunktion zusammen. Studien mit Ratten, Mäusen und Kindern haben gezeigt, dass eine Calcitriolsupplementation den Schweregrad einer natürlichen und experimentell erworbenen Infektion senkt (Reinhardt 1987a; Fettman 2001c). Viele Zellen des unspezifischen und spezifischen Immunsystems exprimieren Vitamin D-Rezeptoren (VDR); zudem können antigenpräsentierende Zellen wie Makrophagen und dendritische Zellen die 1α-Hydroxylase exprimieren. Dieses Enzym hydroxyliert das Calcidiol in das aktive Hormon Calcitriol. Calcitriol bindet dann an den VDR und reguliert so die Transkription und somit auch die Immunantwort (Christakos 2013a). Experimentell konnte aus dem Blut von Individuen mit einer Vitamin D-hypovitaminose gezeigt werden, dass Calcitriol die Monozyten-Differenzierung zu Makrophagen fördert und die chemotaktische, phagozytische und/oder bakterizide Funktion der Neutrophilen und Makrophagen verbessert. Die Verabreichung von 1,25(OH)₂D₃ an Mäuse, die mit Mycobatecterium paratuberculosis infiziert waren, erhöhte die Sekretion von IL-6, IL-1 und des Tumornekrosefaktors (TNF), wodurch die bakterielle Wachstumsrate verkleinert wurde (Stabel 1996a). Ebenfalls wird bei Kontakt mit pathogenen Keimen die Expression von VDR und der 1α-Hydroxylase, und somit die Wirkung von Calcitriol, gesteigert (Liu 2006a).
 
Calcitriol hat aber auch eine immunsuppresive Wirkung, in dem es die Interleukin-2 (IL-2)-Produktion von mitogen-stimulierten Lymphozyten hemmt. Durch die geringere IL-2 Produktion wird die Lymphozytenproliferation gehemmt. Dies wiederum hat einen direkten inhibitorischen Effekt auf die T-Zell-abhängige, antigeninduzierte Antikörperproduktion der B-Zellen. Zudem hemmt es die Entwicklung der zytotoxischen-T-Zellen und der T-Helferzellen. (Jeffery 2012a; Hewison 2003a; DeLuca 2001a; Ritterhouse 2011a; Honscha 2002a; Fettman 2001c).
 
Bei Menschen mit einer terminalen Nierenerkrankung wurde durch eine orale Verabreichung von Calcitriol über 4 Wochen eine erhöhte Monocyten-Superoxid (ein Nebenprodukt der Mitochondrialen Atmung, das zur Bildung von Sauerstoffradikalen beiträgt) Synthese und eine verstärkte bakterizide Aktivität festgestellt (Hübel 1991a). In einem Versuch mit Kälbern konnte gezeigt werden, dass eine kontinuierliche Infusion von Calcitriol eine um 70% erhöhte Proliferation der Lymphozyten, welche mit Concanavalin A behandelten wurden (Concanavalin A ist ein Protein aus der Jackbohne welches in der immunologischen Forschung als Mitogen eingesetzt wird (European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) 2014a)), zur Folge hatte. Die Beendigung der Infusion führte zu einem Abfall der lymphoproliferativen Antwort auf das Concanavalin A (Hustmyer 1994a).
 

Knochen

Die normale Knochenentwicklung hängt von Vitamin D ab. Das Vitamin hat sowohl regulierende Effekte auf die Osteoclasten wie auch auf die Osteozyten (European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) 2014a; Mansell 2014a). Für das Knochenwachstum ist Calcitriol für die normale Lysyloxidaseaktivität (ein Enzym, das vorwiegend im extrazellulären Raum des Bindegewebes der Wirbeltiere vorkommt und die Quervernetzung von Kollagen und Elastin katalysiert (European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) 2014a)), notwendig. Zudem wird es für das Kollagen-crosslinking und für die normale Mineralisation der organischen Matrix benötigt. Diese Effekte werden unter anderem durch die Einleitung der Osteoklastenexpression erzielt (Fettman 2001c; Masuyama 2014a).
 

Hämatopoese

Bei sich im Wachstum befindenden Ratten, Kücken und Kindern ist Rachitis mit einer nichtregenerativen Anämie und verringerter Knochenmarkszellularität vergesellschaftet. Beides spricht positiv auf eine Calcitrioltherapie an.
 
Experimentell konnte mit Vitamin D-Analogen die zelluläre Differenzierung bei einer myeloischen Leukämie ausgelöst werden. Dadurch wurde die neoplastische Proliferation reduziert (Reinhardt 1987a).
 

Kardiovaskuläres System

Vitamin D spielt eine wesentliche Rolle als negativer Regulator für das Renin-Angiotensin-System. In vitro konnte gezeigt werden, dass es die Renin-Expression durch einen VDR-medierten Mechanismus unterdrückt (Li 2002b; Tomaschitz 2010a; Forman 2010a). Zudem lassen Studien auf einen Zusammenhang zwischen einer Hypovitaminose und verschiedenen kardiovaskulären Erkrankungen (z.B. ventrikuläre Dysfunktionen) vermuten (Artaza 2009a; Simpson 2007a; Beveridge 2013a).
 

Muskeln

Das Vitamin D hat eine wichtige Funktion in der Myogenese, da es eine schnelle, nicht transkriptionelle Antwort induziert. Es stimuliert folgende transmembrane sekundäre Botenstoffe: die Adenylylcyclase, die Phosphoinositid-Phospholipase C (PLC), das Ca²⁺-Botenstoff System und die Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK) (Boland 2002a; Boland 2011a).
 

Haut

In vitro konnte gezeigt werden, dass Vitamin D die Proliferation der Keratinozyten reguliert (Gniadecki 1996a; Lehmann 2004a). Es konnte ein Einfluss des 1,25-Dihydroxyvitamins D₃ auf die Expression des Tyrosine-Phosphatase-Interacting-Proteins 51 (PTPIP51) in den Keratinozyten festgestellt werden (Stenzinger 2006a). Ob dies der ausschlaggebende Faktor für die Wirkung des Vitamins auf die Keratinozytenproliferation ist, ist noch Gegenstand der Forschung (Brobeil 2012a).
 

Genexpression

Vitamin D hat einen direkten Einfluss auf die Expression von verschiedenen Genen. Diese codieren Osteocalcin (Demay 1990a), Osteopontin (Noda 1990a), PTH (Okazaki 1988a), Calbindin (Christakos 1992a) und die Hydroxylasen CYP24 und CYP1α (Shinki 1997a; Zierold 1995a).
 
In vitro konnte eine Inhibition der Proliferation und eine Stimulierung der Differenzierung von menschlichen Melanom-Zellen und myeloischen Leukämie-Zellen von Mäusen gezeigt werden (Abe 1981a; Colston 1981a). Wegen dieser wachstumsregulierenden Eigenschaft wird die Wirkung von Calcitriol in der Krebsforschung bereits seit Jahren untersucht. 1,25-(OH)₂D₃ und Vitamin D₃-Analoge können den Zellzyklus in der G₁/G₀ Phase verschiedener Tumorzelllinien wie Osteosarkomen, Prostata-, Colon-, Malignes Myelom und Plattenepithelkarzinomem stoppen (Elstner 1995a; Puthier 1996a; Blutt 1997a; Campbell 1997b; Getzenberg 1997a; Verlinden 1998a; Hisatake 1999a; Elstner 1999a; Hershberger 1999a; Verlinden 2000a; Blutt 2000a). Sowohl in normalen wie auch in Krebszellen inhibiert 1,25-(OH)₂D₃ die Expression und die Phosphorylierung des Retinoblastom-Tumorsuppresorgens p110^RB und hemmt damit den Übergang von der G₁ in die S Phase und somit das Zellwachstum (Verlinden 2000a; Lania 1999a; Kobayashi 1993a; Yen 1994a; Lasky 1994a).
 
Der stimulierende Effekt des Vitamins auf die Zelldifferenzierung wurde auch im Bereich der Prostatakrebsbekämpfung erforscht. Dieser führte zu höher differenzierten Zell-Phänotypen. Ebenfalls konnte in den verschiedenen Studien gezeigt werden, dass 1,25-(OH)₂D₃ die Apoptose in Tumorzellen wie Brust- (James 1995a), Colon-(Berkovich 2013a), Lungen-(Güzey 1998a), Blasenkrebs (Konety 2001a), Melanome (Danielsson 1998a), Osteosarkome (Fife 1997a), Prostata (Blutt 2000a), Myelome (Puthier 1996a) und Leukämie (Elstner 1996a) auslöst. Der genaue Mechanismus ist dabei nicht bekannt (van den Bemd 2002a). In Brustkrebszellkulturen konnte gezeigt werden, dass 1,25-(OH)₂D₃ in der Lage ist, die Endothel-Wachstumsfaktor-Proliferation zu inhibieren und somit die Angiogenese zu beeinflussen (Mantell 2000a).
 
Auch auf die Metastasenbildung haben das 1,25-(OH)₂D₃ und seine Analoge einen inhibierenden Einfluss. Der genaue Mechanismus ist bisher noch nicht genau bekannt, scheint aber mit dem antiproliferativen Effekt des Calcitriols zusammen zu hängen (Schwartz 1997a; Yudoh 1999a). Seine Tendenz eine Hyperkalzämie/Hyperkalzurie zu verursachen, limitiert allerdings seinen in vivo-Einsatz (van den Bemd 2002a).
 

Speziesbedingte Unterschiede beim Pferd

Der Metabolismus und die Funktionen des Vitamin D unterscheiden sich beim Pferd stark von anderen Spezies. Die Calcidiol- und Calcitriol-Plasmawerte sind beim Pferd konstant sehr tief (Breidenbach 1998a; Harmeyer 2004a). Rachitis und Osteomalazie kommen aber trotz diesen tiefen Werten nur sehr selten vor (Harmeyer 2004a). Ebenfalls weniger stark ausgeprägt fällt beim Pferd die Reaktion auf eine Überdosierung von Cholecalciferol aus. Es kommt zu einem starken Serum-Phosphat- aber nur zu einem moderaten Serum-Kalziumanstieg (Harmeyer 2004a).
 

Hypovitaminose

Mangelerscheinungen kommen in der Regel nur dann vor, wenn die Tiere keinem UV-Licht ausgesetzt sind oder bei Hunden und Katzen (welche nicht genügend Vitamin D endogen synthetisieren), die nicht richtig ernährt werden (Hazewinkel 2002a; How 1994a). Ausserdem wurde von Katzen berichtet, welche einen Gendefekt besitzen der die Vitamin D-Synthese beeinträchtigt (Kroker 1997b). Genmutationen des CYP27B1-Gens führen bei der Katze zu der Vitamin D-abhängigen Rachitis Typ 1A (VDDR-1A) (Grahn 2012a). Ausserdem kann eine Hypovitaminose D aufgrund von hohen Carotenkonzentrationen im Futter, welche eine antagonisierende Wirkung auf das Vitamin D haben, auftreten (Johansson 2001a; Dittmer 2011a).
 
Eine Vitamin D-Unterversorgung führt zu einer ungenügenden Resorption von Kalzium aus dem Darm und einer ungenügenden Rückresorption von Phosphat in den Nierentubuli. Daraus resultiert ein magelhafter Kalziumaustausch zwischen dem Skelett und dem Blut, der den Mineral- und Knochenstoffwechsel beinflusst und zu einem Hyperparathyreoidismus führt. Dieser hat eine übermässige Kalziumresorption aus den Knochen und eine gesteigerte Phosphatausscheidung zur Folge (Friedman 2006a; Hildebrandt 1998a).
 
Bei Kameliden, die jünger als 7 Monate sind, gilt der Vitamin D-Mangel als primäre Ursache für die hypophosphatämische Rachitis. Bei erkrankten Tieren konnten Serum-Phosphatkonzentration unter 4,5 mg/dl und Serum-25(OH)D₃-Konzentration unter 15 nmol/l gemessen werden (Van Saun 2006a; Van Saun 1996a).
 

Symptome

Pferd: Verringerte Fresslust, vermindertes Wachstum, gestörtes Knochenwachstum (El Shorafa 1979a).
 
Huhn: Abnormalitäten im Kalzium- und Phosphormetabolismus können zu reduzierter Eierschalendicke und verminderter Schlupffähigkeit wegen mandibularen Abnormalitäten der Kücken führen (Fettman 2001c). Bei Broilern kann eine Hypovitaminose zu Rachitis führen. Diese manifestiert sich durch Störungen der Ossifikation, welche zu dismorphen Gliedmassen führt (Dinev 2012a).
 
Schwein: Schwäche, Lahmheit, Tremor, Tetanie, weiche Rippen, rachitische Läsionen an den costochondralen Gelenken, multiple Frakturen, Tod (Madson 2012a).
 
Schaf: Steifer Gang, Lahmheit, vergrösserte Gelenke (hauptsächlich das Radiokarpalgelenk), vermindertes Wachstum und Gewichtsverlust (Van Saun 2004a; Dittmer 2011a).
 
Hund und Katze: Diese entwickeln bei zu geringem Vitamin D-Gehalt der Nahrung eine fibröse Osteodystophie (Dittmer 2011a).
 

Osteomalazie

Unter Osteomalazie versteht man eine erhöhte Weichheit und Verbiegungstendenz der Knochen, bedingt durch einen mangelhaften Einbau von Mineralstoffen in die Knochenmatrix (Osteoid). Somit handelt es sich um eine sekundäre Ossifikationsstörung (Hildebrandt 1998a). Der durch die Osteoklasten abgebaute Knochen kann beim Wiederaufbau durch die Osteblasten nur ungenügend mineralisiert werden. Bei langanhaltendem Mangel kommt es zu Mikrofrakuren und Deformationen von stark belasteten Knochen (Honscha 2002a; De Gruyter 1988a; Kroker 1997b; Stöber 1994b).
 

Radiologische Befunde:

Verlust der Darstellung trabekulärer Details, Verdünnung der Wirbelgrund- und Wirbeldeckplatten, Aufblättern der Kompaktaschichten und unscharfe Absetzung gegen die Markspongiosa, mitunter Looser-Umbauzonen. Frühstadien sind röntgendiagnostisch aber nicht erkennbar (Hildebrandt 1998a).
 

Rachitis

Rachitis ist Bezeichnung der Osteomalazie bei Kindern und Jungtieren. Es handelt sich um eine gestörte Mineralisation der Grundsubstanz (Matrix) des wachsenden Knochens infolge eines unzureichenden Kalzium- bzw. Phosphatangebotes. Man unterscheidet beim Menschen zwischen Vitamin D-Mangel-Rachitis und Vitamin D-resistente-Rachitis (Hildebrandt 1998a).
 
Die Vitamin D-Mangel-Rachitis tritt im juvenilen Alter auf. Dies führt zu typischen Skelettveränderungen infolge einer ungenügenden Verkalkung des Osteoids; die Knorpel der Epiphysenfugen verkalken nicht oder nicht genügend, daraus resultiert ein vermindertes Längenwachstum. Typische Auftreibungen im Bereich der Epiphysen sind zu beobachten. Die mangelhafte Mineralisation der Knochen führt zu Deformationen des Skelettes, zudem tritt der Zahnwechsel verzögert ein und charakteristische Schmelzdefekte sind erkennbar (Hildebrandt 1998a).
 
Die Vitamin D-resistente-Rachitis spricht nicht auf die Calciferolzufuhr in therapeutischen Dosierungen an. Dies kann verschiedene Ursachen haben:
 

-	Primäre Vitamin D-resistente-Rachitis (chronischer Phosphatdiabetes) (Hildebrandt 1998a)
-	Hyperphosphatämische renale Rachitis (Störung der Reabsorption von Phosphat bzw. Kalzium durch eine renale tubuläre Azidose und bei chronischer Niereninsuffizienz) (Hildebrandt 1998a).

 

Radiologische Befunde:

Osteopenie, verspätete Ausreifung und Verkalkung der Knochenkerne, verbreiterte und unregelmässige Epiphysenlinien, becherförmige Metaphysengrenzen, subperiostale Aufhellungen mit doppelter Konturierung, Looser-Umbauzonen im meta- und epiphysären Bereich (im Knochen sichtbare Aufhellungsstreifen, die durch Auflockerung des kristalloiden Systems und kompensatortischer Bildung von osteoidem Gewebe zustande kommen und zu Frakturen führen können) (Hildebrandt 1998a; Honscha 2002a; De Gruyter 1988a; Kroker 1997b; Stöber 1994b).
 

Vitamin-Status

Als Kriterien für die Evaluierung des Vitamin D-Status gelten: die biologische Antwort auf eine Supplementation (d.h. verschwinden der Symptome), radiologische Untersuchungen der skelettalen Abnormitäten und histologische Untersuchungen der Knochenläsionen. Vitamin D Plasmawerte und/oder tiefe Blutkalziumwerte und hohe alkalische Phosphatasewerte können auch zur Diagnosestellung beitragen. Die 1,25-(OH)₂D-Werte lassen auf die renale Aktivierung des Vitamins und die Aufnahme über die Nahrung schliessen (Fettman 2001c).
 

Bedarf

Gesunde Tiere benötigen keine Vitamin D-Supplementierung, wenn sie der Sonnenstrahlung genügend ausgesetzt sind und den täglichen Bedarf an Kalzium und Phosphat (bei Hund und Katze zudem Vitamin D) durch die Nahrung abdecken. Individuelle Unterschiede in der Pigmentierung der Haut, Felldichte und Hautdicke beeinflussen die Penetration der UV-Strahlen und somit die Vitamin D-Aktivierung (Fettman 2001c).
 
Abgesehen von der UV-Strahlung beeinflussen noch andere Faktoren den diätetischen Vitamin D-Bedarf, wie z.B. das Verhältnis von Kalzium zu Phosphat in der Nahrung oder auch deren biologische Verfügbarkeit. Durch zu geringe Mengen dieser Mineralstoffe in der Nahrung oder durch Mineralstoff-Missverhältnisse, steigt der Vitamin D-Bedarf. Der pH spielt ebenfalls eine wichtige Rolle: Wird die Nahrung angesäuert, verbessert dies die Kalzium- und Phosphataufnahme aus dem Gastrointestinaltrakt. Andere Komponenten, welche in der Nahrung enthalten sind, können Kalzium oder Phosphat ausfällen und somit deren biologische Verfügbarkeit senken und den Vitamin D-Bedarf erhöhen (Fettman 2001c).
 
Eine metabolische Azidose führt zur Resorption von Mineralien aus den Knochen und steigert den Effekt des PTH auf den Knochen, dies führt zu einer gesteigerten Kalziumresorption aus den Knochen und somit zu einem erhöhten Kalzium-Plasmaspiegel. Gleichzeitig hemmt eine Azidose die Wirkung des PTHs auf die Niere und die Aktivität der renalen 25-OH-Vitamin-D1α-Hydroxylase und somit die Produktion von Calcitriol. Eine geringere Kalzium- und Phosphataufnahme aus dem Gastrointestinaltrakt und eine erhöhte Kalziumausscheidung über die Niere sind die Folge (Fettman 2001c).
 
Erkrankungen, welche die Aktivierung des Vitamin D in der Leber oder Niere beeinflussen, erhöhen den Bedarf des Vitamin D über die Nahrung. Von grosser Bedeutung sind chronische Nierenerkrankungen, welche die renale 25-OH-Vitamin-D1α-Hydroxylase durch eine Erhöhung der Phosphatspigel im Blut oder durch die Entwicklung einer Azidose inhibieren (Fettman 2001c).