Arzneistoffporträt

Calcium und Vitamin D – Physiologische Funktionen und Bedarfmengen

Nicht-ossäre Effekte von Calcium und Vitamin D rücken zunehmend in den Blickpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Die vielfältigen Funktionen, an denen Calcium und Vitamin D im Körper beteiligt sind, wurden erst in den letzten Jahren zunehmend erforscht. Genannt seien z.B. die Aufgaben von Vitamin D bei der Muskelfunktion oder der Einfluss von Calcium und Vitamin D auf die Blutdruckregulation. Epidemiologische Untersuchungen geben zudem Hinweise, dass der Vitamin-D-Status die Häufigkeit verschiedener Tumorerkrankungen beeinflusst. Diesen neuen Erkenntnissen kommt deshalb ein hoher Stellenwert zu, weil wiederholt für verschiedene Altersgruppen eine unzureichende Vitamin-D- und Calciumversorgung dokumentiert wurde.

Versorgung mit Calcium

Es ist bekannt, dass die Calciumversorgung besonders bei Jugendlichen deutlich defizitär ist. Legt man die Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) zugrunde (Tab. 1), dann erreichen in Deutschland weder Jugendliche noch Erwachsene die empfohlene tägliche Zufuhr von Calcium [19].

Beispielsweise werden in der Altersgruppe der 13- bis 14-jährigen Mädchen nur 57%, in der Altersgruppe 15- bis 18-Jährigen nur 59% der empfohlenen Calciumaufnahme realisiert. Für eine ausreichende Calciumversorgung fehlen diesen Jugendlichen jeden Tag über zwei Gläser (à 0,2 l) Milch.

Die Empfehlung von 1000 mg Calcium für die Altersgruppe der über 50-jährigen Frauen wird von Experten als deutlich zu gering eingestuft [6, 9, 50]. Orientiert an den Empfehlungen für eine optimale Knochengesundheit (täglich 1200 – 1500 mg Calcium) fehlen den über 50-jährigen Frauen täglich zwischen 400 und 700 mg Calcium [19].

Physiologische Wirkungen von Calcium

Die Calciumkonzentration im Blut wird im Vergleich zu anderen Mineralstoffen in einem sehr engen Bereich reguliert; dies macht deutlich, dass dem Calcium eine sehr zentrale Rolle im Stoffwechsel zukommt, die weit über die Stabilisierung des Knochens hinausgeht. Es ist u. a. auch wichtig für die Nerven- und Muskelfunktion, die Blutgerinnung und die Sekretion von Hormonen und Neurotransmittern.

Knochengesundheit

Um die Entstehung der Osteoporose im höheren Lebensalter möglichst lange hinauszuzögern oder ganz zu vermeiden, ist es wichtig, besonders im Kindes- und Jugendalter, eine hohe Knochendichte aufzubauen. Voraussetzung ist eine entsprechend gute Calciumversorgung und ausreichend körperliche Aktivität zur Stimulation des Knochenaufbaus. Für die Calciumaufnahme aus dem Darm ist zudem der Vitamin-D-Status von großer Bedeutung.

Blutdruckregulation

Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass nicht einzelne Mineralstoffe, wie z.B. Natrium, isoliert die Blutdruckregulation beeinflussen, sondern dass die Kombination mehrerer Mineralstoffe entscheidend ist. Die teilweise sehr gegensätzlichen Erkenntnisse zur Wirkung von Natrium auf den Blutdruck können möglicherweise durch den Einfluss des Calciumstatus auf den Blutdruck erklärt werden [66, 67]. Demnach hat eine hohe Kochsalzzufuhr nur dann einen negativen Effekt auf den Blutdruck, wenn gleichzeitig eine Unterversorgung mit Calcium vorliegt [67].

Der positive Effekt einer optimalen Calciumzufuhr auf erhöhte Blutdruckwerte ist wiederholt in klinischen Untersuchungen dokumentiert worden [7, 30]. Eine Meta-Analyse bestätigt, dass die Erhöhung der täglichen Calciumaufnahme bei hypertensiven Patienten einen mäßig blutdrucksenkenden Effekt aufweist [7] (zu den additiven Effekten von Vitamin D siehe unten).

Ferner gibt es deutliche Hinweise, dass schwangere Frauen mit einem hohen Risiko für die Entwicklung einer leichten Spätgestose (EPH-Gestose) oder Präeklampsie und zusätzlich schlechter Calciumversorgung eindeutig von einer Calciumsubstitution profitieren, d.h. wesentlich seltener einen schwangerschaftsinduzierten Bluthochdruck entwickeln [1, 8].

Übergewicht

Es schien reiner Zufall, als vor über 20 Jahren in der ersten großen Studie über das Ernährungsverhalten der Amerikaner (NHANES-I) ein bis dahin unbekannter Zusammenhang zwischen der Höhe der Calciumaufnahme und dem Körpergewicht beobachtet wurde.

Erst als man im Jahre 2000 die Daten einer weiteren umfangreichen Ernährungsstudie (NHANES-III) auswertete und eine ausgeprägte inverse Korrelation zwischen der Höhe der täglichen Calciumzufuhr und dem Körpergewicht fand [65], wurde die Fachwelt aufmerksam. In der Zwischenzeit hatten zudem mehrere Arbeitsgruppen diesen Zusammenhang für junge Frauen und Schulkinder bestätigt [10, 59, 61].

Nachfolgende epidemiologische Untersuchungen kamen zu dem Schluss: je höher die tägliche Calciumaufnahme, desto niedriger das Körpergewicht [15]. Diese Beobachtung war für alle Altersgruppen zutreffend. Frauen mit der niedrigsten Calciumzufuhr wiesen dabei ein mehr als doppelt so hohes Risiko auf, in Zukunft übergewichtig zu werden [15].

Andererseits konnte bei übergewichtigen Frauen durch die Erhöhung der Calciumzufuhr (400 bis 1000 mg/Tag) innerhalb eines Jahres das Körpergewicht um 4,9 kg reduziert werden [66]. Die langfristig deutliche Erhöhung der täglichen Calciumzufuhr (600 mg) kann das Risiko von Übergewicht möglicherweise um bis zu 70% reduzieren [26].

Prävention von kolorektalen Tumoren

Epidemiologische Untersuchungen ließen schon früh vermuten, dass eine hohe Calciumaufnahme das Risiko für das Auftreten von kolorektalen Tumoren senkt [43]. 1999 konnte in einer plazebokontrollierten Doppelblindstudie der sichere Nachweis geführt werden, dass der Supplementation von täglich 1200 mg Calcium eine protektive Wirkung auf die Entstehung von Darmtumoren zukommt [3].

Der Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Darmpolypen und der Entwicklung eines kolorektalen Karzinoms (Adenom-Karzinom-Sequenz) gilt als allgemein akzeptiert. Eine Tumorprävention wird derzeit durch eine frühzeitige endoskopische Entfernung dieser Polypen praktiziert.

Eine kontrollierte klinische Studie an 930 Patienten belegt, dass eine zusätzliche Calciumgabe das Wiederauftreten von Polypen signifikant reduziert und damit das Risiko für die Entwicklung eines kolorektalen Karzinoms senkt [3].

Vitamin-D-Versorgung

Körpereigene Synthese

Vitamine sind lebensnotwendige Nahrungsbestandteile, deren Nichtzufuhr Mangelerscheinungen auslöst. Für das Vitamin D trifft diese Definition nicht uneingeschränkt zu. Junge Menschen sind nämlich in der Lage, im Sommer bei ausreichender Sonnenexposition ihren Vitamin-D-Bedarf fast vollständig durch die intrakutane Synthese von Vitamin D zu decken.

Das unter dem Einfluss von Sonnenlicht in der Haut gebildete Vitamin D3 (Colecalciferol) wird in der Leber zum 25-Hydroxy-Vitamin D3 (Calcidiol), der Speicherform von Vitamin D3, umgewandelt. Bedarfsabhängig wird es anschließend in der Niere in die aktive Form 1,25-Dihydroxy-Vitamin D3 (Calcitriol) überführt.

Zwischen Oktober und Anfang April enthält das Sonnenlicht in unseren Breiten jedoch sehr wenig UV-B-Strahlung (290 – 315 nm), die für die Vitamin-D-Synthese notwendig ist [64]. Das führt dazu, dass bei uns besonders in den Wintermonaten der Vitamin-D-Mangel eine hohe Prävalenz aufweist.

Im Sommer trägt die Verwendung von Sonnschutzcreme mit hohem Lichtschutzfaktor, die zum Hautschutz notwendig und sinnvoll ist, dazu bei, dass die Vitamin-D-Speicher für den Winter weniger stark aufgefüllt werden [44].

Zufuhr über die Nahrung

Die durchschnittliche Vitamin-D-Zufuhr über die Nahrung liegt in Europa bei ca. 100 IE pro Tag [40] und bleibt damit deutlich unter den Empfehlungen z. B. der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) für Erwachsene (Tab. 2).

Gemessen an den Empfehlungen der amerikanischen Gesundheitsbehörde (FDA), muss die Versorgungslage als sehr unbefriedigend angesehen werden. In den USA werden ab dem 51. Lebensjahr 400 IE (10 µg) und ab dem 71. Lebensjahr 600 IE (15 µg) empfohlen (Tab. 2).

Obwohl Vitamin D als fettlösliches Vitamin in den verschiedensten Nahrungsmitteln wie Milch und Milchprodukten, Fisch und Leber vorkommt, ist es schwierig, den täglichen Bedarf allein über die Nahrung zu decken. Um 400 IE Vitamin zuzuführen, müssen täglich z.B. folgende Nahrungsmittelmengen konsumiert werden:

  • 800 g Gouda oder
  • 8 Eier (400 g) oder
  • 500 g Leber oder
  • 45 g Hering oder
  • 170 g Thunfisch oder
  • 500 g Champignons.

Milch stellt besonders im Winter keine gute Vitamin-D-Quelle dar. Der tägliche Vitamin-D-Bedarf kann also rein nutritiv kaum gedeckt werden. Dies erklärt auch den schlechten Vitamin-D-Versorgungsstatus großer Bevölkerungsgruppen.

Versorgungsstatus

Epidemiologische Studien dokumentieren eine ungenügende Vitamin-D-Versorgung in fast allen industrialisierten Ländern. Bei bis zu 40 Prozent der Erwachsenen bestehen im Winter ein Defizit in der Vitamin-D-Versorgung [31, 57, 62]. Von der älteren Bevölkerung weisen mindestens 50% einen laborchemisch nachweisbaren Vitamin-D-Mangel auf [42]. Bei den Bewohnern von Altenheimen beträgt der Anteil der Vitamin-D-Mangelversorgten sogar 60 bis 90% [12, 14, 41].

Weniger bekannt ist, dass auch der Vitamin-D-Status bei vielen Jugendlichen und jungen Erwachsenen besonders im Winter als unzureichend angesehen werden muss. Die hohe Prävalenz des Vitamin-D-Mangels im Winter bei Jugendlichen in skandinavischen Ländern scheint aufgrund der fehlenden Sonnenexposition nicht überraschend.

Zwei Untersuchungen aus Finnland dokumentieren für 61% (68%) der 14- bis 16-Jährigen (9- bis 15-J.) im Winter einen Vitamin-D-Mangel (< 40 bzw. 37,5 nmol/l) [39, 51]. Darüber hinaus wiesen diese Jugendlichen eine signifikant niedrigere Knochendichte als eine Kontrollgruppe ohne Vitamin-D-Mangel auf [51].

In einer aktuellen Untersuchung aus Paris hatten 70% der untersuchten Jugendlichen (13 – 16 J.) in den Wintermonaten einen Vitamin-D-Mangel (< 25 nmol/l) [24]. Mit ähnlichen Befunden ist auch in Deutschland zu rechnen.

Besonderheiten bei älteren Personen

Die höheren Empfehlungen für die Vitamin-D-Aufnahme bei älteren Personen werden zum einen dadurch begründet, dass die Haut im Alter einiges von ihrer Fähigkeit eingebüßt hat, Vitamin D zu synthetisieren. Bei gleicher Sonnenexposition werden im Vergleich zum jungen Erwachsenen etwa 75% weniger Vitamin D produziert [27]. Zum anderen halten sich ältere Menschen weniger lange in der Sonne auf, und wenn, dann häufig in hoch verschlossener Kleidung, sodass die Vitamin-D-Synthese unzureichend bleibt [17].

Ein wesentlicher Grund für die höheren Empfehlungen zur Vitamin-D-Aufnahme im Alter ist die hohe Prävalenz eines sekundären Hyperparathyreoidismus, der auf eine allgemein unzureichende Versorgung mit Calcium und Vitamin D zurückzuführen ist (42).

Vitamin-D-Referenzbereiche in der Diskussion

Beim Vitamin D ist die Grenze der Serumkonzentration, die gesund von krank unterscheidet, in die Diskussion geraten. Diese Grenze, die einen Mangelzustand anzeigt und damit eine Substitution notwendig macht, muss nach Experten-Meinung deutlich nach oben korrigiert werden.

Die Bestimmung des 25-Hydroxy-Vitamin D3 (25-OH-D3) gilt als beste Methode zum Nachweis eines Vitamin-D-Mangels. Die Definition des Normalwertbereichs des 25-OH-D3 variiert aufgrund sehr unterschiedlicher Referenzbereiche der einzelnen Labors (Tab. 3). Der Referenzbereich basiert in der Regel auf dem 95%-Konfidenz-Intervall einer Stichprobe der Normalbevölkerung (populationsbasierter Referenzbereich).

Auch im Ausland sind die populationsbasierten Grenzwertbereiche sehr unterschiedlich. In den USA liegt der untere Grenzwert vieler Laboratorien bei 45 nmol/l im Vergleich zu 10 nmol/l in England. Durch die Anreicherung besonders von Milch mit umgerechnet 9,6 µg/l (384 IE/l) Vitamin D ist die Versorgungssituation in den USA deutlich besser als in England.

Kritiker der populationsbasierten Referenzbereiche halten einen Referenzbereich, der sich an einem nachweislich gesunden Kollektiv orientiert (gesundheitsbezogener Referenzbereich), für eine notwendige Voraussetzung, um die hohe Prävalenz des Vitamin-D-Mangels zu senken [42].

Vitamin-D-Mangel und sekundärer Hyperparathyreoidismus

Bis vor wenigen Jahren orientierte sich die Definition des unteren Grenzwertes des Normalbereichs ausschließlich am Auftreten einer Osteomalazie bzw. Rachitis (< 20 nmol/l) [63]. Mittlerweile gilt es als wissenschaftlicher Konsens, dass es noch bei deutlich höheren 25-OH-D3-Konzentrationen zu einem sekundären Hyperparathyreoidismus mit Knochenverlust kommt. Eindeutig negative Effekte auf das Skelett werden noch bei 25-OH-D3-Konzentrationen von 37,5 nmol/l beobachtet [48].

Verschiedene Untersucher reservieren den Begriff "Vitamin D Deficiency" für den schweren Vitamin-D-Mangel, der mit einer Osteomalazie verbunden ist. Hingegen wird der Begriff "Vitamin D Insufficiency" für die mäßiggradige Hypovitaminose D verwandt, die durch einen sekundären Hyperparathyreoidismus gekennzeichnet ist (Tab. 4) [11, 42, 46, 47].

Aber auch der sekundäre Hyperparathyreoidismus ist nicht klar definiert. Wenn es in den Wintermonaten aufgrund abfallender Vitamin-D-Spiegel bei gesunden jungen Erwachsenen zu einem Anstieg des Parathormons (PTH) kommt, wird diese Reaktion von vielen Autoren als sekundärer Hyperparathyreoidismus aufgefasst, auch wenn die PTH-Konzentrationen sehr häufig noch im Referenzbereich liegen [42].

Verschiedene Untersuchungen dokumentieren, dass es noch bei bisher als befriedigend angesehenen Vitamin-D-Konzentration von 50 bis 80 nmol/l zu einem Anstieg des PTH kommt [11, 31, 33, 36]. Als Konsequenz fordern daher viele Experten, dass eine Behandlung viel früher notwendig sei als bisher praktiziert. Entsprechend wurden gesundheitsbezogene Referenzbereiche vorgeschlagen (Tab. 4) [46, 47, 63].

Als nicht akzeptabel wird ein unterschiedlicher Normalwertbereich in Abhängigkeit von der Jahreszeit angesehen (Tab. 3), da er sich medizinisch nicht rechtfertigen lässt. Egal, ob Sommer oder Winter: Unzureichende Vitamin-D-Spiegel führen zu einem PTH-Anstieg mit allen negativen Konsequenzen für den Knochen.

Weitere physiologische Wirkungen von Vitamin D

Bis vor wenigen Jahren galt der Knochen als einziges Zielorgan der Vitamin-D-Wirkung. Heute ist klar, dass dem Vitamin D im Körper eine weitreichende Bedeutung zukommt, die wesentlich über das Zielorgan Knochen hinausgeht [4, 5, 17, 49, 52 – 53, 54].

Muskelfunktion

Es liegen deutliche Hinweise vor, dass die Muskelfunktion bei Vitamin-D-Konzentrationen von < 50 nmol beeinträchtigt ist [17, 54]. Patienten mit niedrigen Vitamin-D-Spiegeln stürzen häufiger [60]. Bei älteren Patienten konnte durch eine Vitamin-D-Calcium-Supplementation (Ossofortin® forte) die Sturzhäufigkeit reduziert und die Muskelkraft verbessert werden [4, 52].

Weitere positive Auswirkungen einer Vitamin-D-Supplementation betreffen eine Abnahme der Körperschwankung, eine Verlängerung der Gehstrecke und eine verbesserte muskuläre Aktivität unter Alltagsbedingungen [28, 52].

Blutdruckregulation

Auch die Regulation des Blutdruckes wird durch den Vitamin-D- und Calcium-Status beeinflusst (s. o.). Der Zusammenhang zwischen erhöhten PTH-Konzentrationen und Bluthochdruck ist für Frauen gut dokumentiert [30]. Ansonsten lässt sich ein möglicher Zusammenhang zwischen der Sonnenexposition bzw. dem Vitamin-D-Status und dem Blutdruck aus folgenden Beobachtungen ableiten:

  • Mit zunehmender Entfernung vom Äquator steigt der Blutdruck linear an [56].
  • In unseren Breiten liegen die Blutdruckwerte im Winter höher als im Sommer [56].
  • Ein Anheben der Vitamin-D-Konzentration auf über 50 nmol/l senkt erhöhte Blutdruckwerte [53].
  • Bei Hochdruck-Patienten mit einer Vitamin-D-Konzentration von über 100 nmol/l liegen die Blutdruckwerte deutlich niedriger [34].
  • Mäßig erhöhte Blutdruckwerte können auch durch eine kombinierte Calcium-Vitamin-D-Supplementation (Ossofortin® forte) normalisiert werden [53].

Tumorerkrankungen

Epidemiologische Untersuchungen geben Hinweise, dass der Vitamin-D-Status die Häufigkeit verschiedener Tumorerkrankungen beeinflusst [20 – 23, 29, 38]. Beispielsweise steigt die Todesrate des Mammakarzinoms mit zunehmender Entfernung vom Äquator und liegt am höchsten in Regionen mit langem Winter und daher über Monate fehlender UV-B-Strahlung [22]. Neben dem deutlichen Einfluss der Sonnenexposition ist auch der protektive Effekt einer hohen Vitamin-D-Zufuhr über die Nahrung gut dokumentiert [22].

Ein ähnlicher Zusammenhang zwischen der Sonnenlicht-Exposition und der Häufigkeit des Kolonkarzinoms wird für die USA beschrieben [20]. Serum-Spiegel von 65 bis 100 nmol/l 25-Hydroxyvitamin D3 sind mit einer Abnahme der Inzidenz eines kolorektalen Karzinoms assoziiert [23].

Chronische Erkrankungen

Für eine Reihe weiterer chronischer Erkrankungen wird dem Vitamin-D-Status ein zumindest modifizierender Einfluss auf die Entstehung bzw. Progression zugeschrieben, ohne dass der Wirkmechanismus im Einzelnen bekannt ist [16, 25, 35, 37, 45, 58]:

  • Eine Multiple Sklerose ist in Populationen mit niedrigen Vitamin-D-Spiegeln wesentlich häufiger [16, 25, 58].
  • Das Fortschreiten einer Arthrose scheint ebenfalls durch den Vitamin-D-Status beeinflusst zu werden [37, 45]. Arthrose-Patienten wird daher empfohlen, Vitamin-D-Spiegel über 75 nmol/l anzustreben, um die Progression der Gelenkerkrankung günstig zu beeinflussen [45].
  • Darüber hinaus gibt es Hinweise, dass der Ausgleich eines Vitamin-D-Defizits die Glucosetoleranz von Diabetes-Patienten verbessert [35].

Zusammenfassung

Die zentrale Rolle von Calcium und Vitamin D bei der Prävention bzw. Therapie der Osteoporose ist allgemein anerkannt. Darüber hinaus scheint eine ausreichende Versorgung mit Calcium einen positiven Einfluss auf erhöhte Blutdruckwerte auszuüben. Zudem wird dem Calcium eine Bedeutung bei der Regulation des Körpergewichts zugeschrieben.

Neue Erkenntnisse zur Wirkung von Vitamin D machen deutlich, dass die unteren Grenzen der bei uns gängigen Normalwertbereiche einer Korrektur bedürfen. Die Häufigkeit eines Vitamin-D-Mangels von bis zu 50% in der Normalbevölkerung [31, 57, 62] bestätigt die Auffassung vieler Experten, dass die Werte der derzeit in Deutschland empfohlenen Vitamin-D-Aufnahme eindeutig zu niedrig sind.

Experten fordern insbesondere, die empfohlene Vitamin-D-Aufnahme bei älteren Menschen von täglich 400 IE auf 800 IE anzuheben [13, 63]. Diese Vitamin-D-Menge wird als toxikologisch unbedenklich angesehen und stellt daher eine sichere Maßnahme dar, den Vitamin-D-Status großer Teile der Bevölkerung zu verbessern. In Nord- und Mitteleuropa erscheint darüber hinaus eine Substitution mit Vitamin D auch bei jüngeren Menschen, insbesondere im Winterhalbjahr, sinnvoll.

Literatur beim Verfasser bzw. unter www.strathmannag.de/sag/all/down/daz_Literaturliste.pdf

Zusammenspiel von Calcium und Vitamin D Für einen ungestörten Knochenstoffwechsel sind Calcium und Vitamin D von zentraler Bedeutung. Die ausreichende Versorgung mit Vitamin D und Calcium wird als wichtige präventive Maßnahme zur Vermeidung der Osteoporose angesehen. Vitamin D fördert dabei die intestinale Calcium-Resorption und die Mineralisation der Knochenmatrix. Darüber hinaus hemmt es die Sekretion von Parathormon.

Mehr Vitamin D Experten fordern, die empfohlene Vitamin-D-Aufnahme bei älteren Menschen von täglich 400 IE auf 800 IE anzuheben.

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