DOI: 10.18508/endo2480
Авторы: К.В. Раскина1, Ю.Е. Потешкин2
Информация об авторах: 1Первый МГМУ им. И.М. Сеченова, Клиника эндокринологии, 119435, Россия, Москва, Погодинская ул. 1-1. kvr@actmed.ru, 2ООО «Актуальная медицина», 129515, Россия, Москва, ул. Академика Королёва, д. 13-1-IV/1. yep@actmed.ru.
Authors: K.V. Raskina1, Y.E. Poteshkin2
Authors affiliation: 1I.M. Sechenov First MSMU, Department of endocrinology, 119435, Pogodinskaya str. 1-1, Moscow, Russia. kvr@actmed.ru, 2LLC “Relevant medicine”, 129515, Akademika Koroleva Str. 13-1-IV/1, Moscow, Russia. yep@actmed.ru.
Abstract:
Vitamin D deficiency is a widespread phenomenon, affecting, according to some estimates, up to a billion people on Earth. Vitamin D deficiency plays a major role in the development of rickets in children. Important milestones in the history of rickets were the understanding that photosynthesized vitamin D and dietary vitamin D were similar, the discernment of the antirachitic potency of artificial and natural ultraviolet rays, and the discovery that ultraviolet irradiation could render various foods antirachitic. In XX century the discovery of vitamin D managed to stop the epidemic of rickets. The enrichment of milk and other foods with vitamin D, which required rigorous calculation and control, provided everyone with an opportunity to receive this essential vitamin in sufficient amounts. Here we present the story of vitamin D synthesis method invention, which has become a triumph in terms of public health.
Долгое время предпринимались попытки «заключить» энергию солнечного излучения в пищу, чтобы получить продукты с антирахитическими свойствами. Механизм влияния солнечного света на гиповитаминоз Д долго оставался тайной. Было показано, что прямое ультрафиолетовое излучение стимулирует рост крыс, получающих обедненное витамином Д питание с высоким содержанием кальция и низким содержанием фосфора. Ультрафиолетовое облучение с помощью ртутных люминесцентных ламп смогло эффективно поддерживать рост крыс, не способных благополучно существовать на обедненной витамином А диете, несмотря на то, что признаки дефицита витамина А у этих крыс сохранялись (прогрессирующая ксерофтальмия). Нагретый и окисленный рыбий жир, лишенный витамина А, оказывал схожий с ультрафиолетовым излучением эффект (стимуляция роста крыс), что дало основание для предположении об идентичности механизмов действия этих факторов.
В 1923 году английские ученые Элеонора Хьюм и Ханна Смит провели опыт, в котором установили, что крысы, помещенные в банки, прежде подвергшиеся ультрафиолетовому облучению, растут так же хорошо, как и крысы, находившиеся под прямым воздействием ультрафиолетового излучения. Ученые предположили, что способностью стимулировать рост обладал «облученный воздух». Попытки воспроизвести их эксперимент, однако, успехом не увенчались.
Нельсон и Стинбок из Университета Висконсина, Мэдисон, изучив дизайн исследования Хьюм и Смит, выдвинули предположение, что описанный эффект был достигнут благодаря употреблению крысами пищи или пылевых частиц, не удаленных из банок перед облучением. Ученые были заинтригованы результатами и собственных экспериментов. К их величайшему изумлению, крысы, содержавшиеся на рахитогенной диете, начинали расти после того, как в их клетку подселяли облученных ультрафиолетом крыс. Исследователи пришли к заключению, что активация роста необлученных крыс происходила вследствие потребления ими продуктов жизнедеятельности облученных сородичей.
Стинбок и Арчи Блэк облучали пищевые продукты, желая выяснить, будут ли они обладать антирахитическим эффектом. Они предположили, что в пище, вызывавшей задержку роста крыс без признаков дефицита витамина А, не хватало антирахитического компонента. Ученые подвергли эту пищу ультрафиолетовому облучению и накормили ей страдающих рахитом крыс. Облученная пища стимулировала рост и кальцификацию костей крыс, что наблюдалось и после облучения самих крыс ультрафиолетом. Стинбок, осознав величину потенциала своего открытия, запатентовал обнаруженный эффект, желая предотвратить нарушения методики облучения пищи и быть в курсе новых требований к качеству получаемых продуктов.
Вскоре после того, как Стинбок опубликовал результаты своей работы, Хесс и Вейнсток подтвердили его выводы в своих опытах. Льняное и хлопковое масло, ростки пшеницы и салат латук, ранее считавшиеся бесполезными в лечении гиповитаминоза Д, путем ультрафиолетового облучения были превращены в мощные антирахитические средства. Ученые предположили, что, поскольку антирахитический агент в облученной пище обладает теми же свойствами, что и рыбий жир, этот агент следует признать витамином. Так они объявили результатом своего исследования «первую в мире демонстрацию получения витамина in vitro».
Хесс не предвидел коммерческого успеха активации пищи ультрафиолетом, считая что «терапевтическая ценность этой процедуры второстепенна» и может оказаться значима только в случае нехватки рыбьего жира.
Открытие, показавшее, что ультрафиолетовое облучение может придать продуктам питания антирахитические свойства, стало настоящим прорывом. Стало возможным обогащать витамином Д детское питание, такое как молоко или кукурузные хлопья, недорогим и удобным способом. Потребление обогащенных витамином Д продуктов прекратило эпидемию рахита. Людям рекомендовали добавить «дневную дозу солнечного света» в еду. За 20 лет огромное количество еды и напитков, в том числе хлеб, соусы, газировка, хот-доги и даже пиво, было обогащено витамином Д.
Патенты Стинбока
Стинбок хотел запатентовать разработанный им механизм облучения продуктов, чтобы иметь возможность гарантировать качество обогащенных витамином Д продуктов и защитить молочную индустрию Висконсина от распространения олеомаргарина. В отличие от сливочного масла в маргарине, дешевом заменителе масла, не содержалось витаминов А и Д, однако, существовала методика обогащения его витамином А. Стинбок был уверен, что если производители маргарина каким-либо образом получат доступ к информации о том, как следует производить обогащение продуктов витамином Д, то молочная индустрия Висконсина сильно пострадает. Стинбок обратился в Университет Висконсина с просьбой управлять его патентом, однако получил от попечительского совета осторожный и прохладный ответ с отказом.
Оценив перспективы, которые открывало изобретение Стинбока, Гарри Рассел, декан Агрономического Колледжа, и Чарльз Слихтер, глава отделения аспирантуры Университета Висконсина, убедили нескольких выпускников создать независимую организацию для управления патентами Стинбока. Так 14 ноября 1925 года был создан Исследовательский фонд выпускников Висконсина (WARF), который стал посреднической структурой между университетом и коммерсантами и начал выдавать лицензии на процесс облучения. Фонд следил за качеством облученных по указанной методике продуктов и оценивал приемлемость рекламных текстов, предоставляемых производителями. WARF отказал в лицензии производителям олеомаргарина и таким образом обеспечил конкурентоспособность молочной промышленности Висконсина, главной движущей силы сельскохозяйственной экономики штата.
Деньги, полученные от продажи лицензий, направлялись исключительно на исследовательские нужды Университета Висконсина. Первой компанией, получившей лицензию от WARF, была Quaker Oats – компания, производившая кукурузные хлопья. Лицензии были также выданы фармакологическим компаниям для производства лекарственной формы витамина Д, Виостерола (облученный эргостерол). К 1934 году в продаже появилось обогащенное витамином Д молоко. Появление обогащенных витамином Д продуктов в широкой продаже стало победой над рахитом. Синтез витамина Д в продуктах питания путем прямого УФ-облучения, обнаруженный Стинбоком и Хессом и поставленный на поток, обернулся триумфом системы общественного здравоохранения.
Природа витамина Д
Химическую структуру витамина Д еще предстояло определить. Было установлено, что предшественник витамина Д, который и активируется УФ-излучением, относится к фракции стеролов: фитостерол у растений и холестерин в продуктах животного происхождения. Хесс с соавторами смогли наглядно продемонстрировать, что фитостерол, полученный из хлопкового масла, и холестерин, выделенный из мозговой ткани животного, приобретают антирахитические свойства после облучения. Исследователи выдвинули предположение, что ультрафиолет, попадающий на кожу при контакте с солнечными лучами или излучением от искусственного источника, активирует холестерин в коже, и не только придает ему антирахитические свойства, но и обеспечивает транспорт полезного активированного холестерина в кровоток.
В опыте Хальдшинского по УФ-облучению одной из парных конечностей обнаружилось, что признаки рахита исчезают и на другой конечности. Это подтвердило ранее озвученную идею о том, что некий антирахитический агент, производимый в коже, затем должен попадать в кровеносное русло.
Была предпринята попытка химической очистки стеролов: ученые стремились обнаружить единственного непосредственного предшественника витамина Д. Однако, к досаде исследователей, выяснилось, что искомый агент являлся не частью чистого холестерина, а одной из его примесей.
За выделение этой особой примеси взялась группа ученых в лице Хесса (Нью-Йорк, США), Адольфа Виндауса (Гёттинген, Германия) и Отто Розенхейма (Лондон, Англия). Спектральный анализ фракции холестерина, содержащей предшественника витамина Д, выявил 3 пика абсорбции (269, 280 и 293 нм). По этим данным исследователи смогли определить, что предшественником витамина Д является эргостерол, в большом количестве присутствующий в дрожжах и грибах. Облученный эргостерол (также известный как эргокальциферол, кальциферол, виостерол или витамин Д2) стал первым обнаруженным антирахитическим агентом, получаемом в процессе фотосинтеза.
У людей и животных предшественник витамин Д должен был быть иным, поскольку эргостерол имеется только в растениях и грибах. В 1934 году Дж. Ваделл продемонстрировал, что предшественник витамина Д в рыбьем жире и облученном неочищенном холестерине отличался от эргостерола. Виндаус и Ф. Бок уточнили, что предшественником витамина Д в коже животных является 7-дегидрохолестерол. Подвергаясь ультрафиолетовому облучению, 7-дегидрохолестерол превращался в антирахитический агент в коже и продуктах животного происхождения. Этот агент получил название витамин Д3, или холекальциферол.
Заключение
Мы рассказали вам историю открытия фотосинтезируемого витамина Д. Эдвард Парк утверждает: «С целью излечить людей от рахита витамин Д не был бы открыт. Его открытие было никак не связано с рахитом. Его применение стало лекарством от этой болезни». Открытие витамина Д остановило эпидемию рахита в XX веке.
С 1915 по 1935 год было совершено несколько прорывов в понимании связи витамина Д с рахитом. Изобретение метода синтеза витамина Д путем УФ-облучения пищевых продуктов стало «бриллиантом в короне» открытий, связанных с витамином Д. Это открытие стало триумфальным с точки зрения обеспечения общественного здоровья. Стало возможным обогащать молоко и другие продукты витамином Д дало населению возможность получать этот необходимый витамин в достаточном количестве.
Обогащение молока витамином Д началось и в Европе, однако процесс облучения продуктов контролировался не так строго, что вызвало вспышку интоксикации витамином Д, или гиперкальциемии, в Великобритании. Симптомами интоксикации были потеря аппетита, заторможенность, сонливость, сильная жажда и учащенное мочеиспускание, тошнота и рвота, запоры, мышечная слабость и, если гиперкальциемия оставалась нераспознанной и не лечилась, острая почечная недостаточность. В результате это привело к запрету на обогащение волока витамином Д в большинстве стран Европы. В настоящее время во многих европейских странах можно приобрести маргарин и овсяные хлопья, обогащенные витамином Д. Учитывая острую нехватку витамина Д в зимние месяцы, финское правительство вновь разрешило обогащение молока витамином Д3 в 2002 году.
В США процесс обогащения молока витамином Д строго контролировался WARF, что предотвратило появление гиперкальциемии как следствия интоксикации витамином Д.
В настоящее время также существует риск развития гиповитаминоза Д, в особенности у детей из социально неблагополучных семей. В связи с этим проводятся просветительские кампании, посвященные необходимости достаточного потребления витамина Д для здоровья скелета и организма в целом. Необходимо разработать эффективные стратегии оценки наличия рахита и дефицита витамина Д (такие как измерение плазменной концентрации 25(ОН)D) среди новорожденных. Для предотвращения развития рахита необходимо поддерживать нормальный уровень витамина Д как у матери, так и у ребенка.
Кампания общественного здравоохранения, направленная на обеспечение всех младенцев, находящихся на грудном вскармливании, достаточным количеством витамина Д и регулярный мониторинг на предмет наличия рахита смогут предотвратить угрозу новой эпидемии рахита.
Список литературы:
1. Rajakumar K, Greenspan SL, Thomas SB, Holick MF. SOLAR Ultraviolet Radiation AND Vitamin D: A Historical Perspective. Am J Public Health. 2007;97(10):1746-1754. doi:10.2105/AJPH.2006.091736.
2. Hume EM, Smith HH. The Effect of Air, which has been exposed to the Radiations of the Mercury-vapour Quartz Lamp, in Promoting the Growth of Rats, Fed on a Diet Deficient in Fat-soluble Vitamins. Biochem J. 1923;17(2):364-372. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1259353/.
3. Steenbock H, Nelson E. Fat-soluble vitamine, XIII: light in its relation to ophthalmia and growth. J Biol Chem. 1923;56:355-373.
4. Hess A. Influence of light in the prevention and cure of rickets. Lancet. 1922;367.
5. Hess A, Weinstock M. Antirachitic properties imparted to inert fluids and to green vegetables by ultraviolet radiation. J Biol Chem. 62:301-313.
6. Apple R. Patenting university research: Harry Steenbock and the Wisconsin Alumni Research Foundation. Isis. 1989;(80):375-394.
7. Hess A, Weinstock M, Helman F. The antirachitic value of irradiated phytosterol and cholesterol. J Biol Chem. 1925;63:305-309.
8. Wolf G. The Discovery of Vitamin D: The Contribution of Adolf Windaus. J Nutr. 2004;134(6):1299-1302. http://jn.nutrition.org/cgi/content/long/134/6/1299.
9. Huldschinsky K. Heilung von Rachitis durch Kunstliche Hohensonne. [Rickets Cured by Ultraviolet Irradiation]. Dtsch Med Wochenschr. 1919;45:712-713.
10. Hess A, Windaus A. Contaminating substances as a factor in the activation of cholesterol by irradiation. Proc Soc Exper Biol Med. 1927;26:369-370.
11. Heilbron IM, Kamm ED, Morton RA. The Absorption Spectrum of Cholesterol and its Biological Significance with Reference to Vitamin D. Part I: Preliminary Observations. Biochem J. 1927;21(1):78-85. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1251875/.
12. Macintyre I, Evans I, Larkins R. Vitamin D. Clin Endocrinol. 1977;1(6):65-79.
13. Tylavsky FA, Cheng S, Lyytikainen A, Viljakainen H, Lamberg-Allardt C. Strategies to Improve Vitamin D Status in Northern European Children: Exploring the Merits of Vitamin D Fortification and Supplementation. J Nutr. 2006;136(4):1130-1134. http://jn.nutrition.org/cgi/content/long/136/4/1130.
14. Ovesen L, Andersen R, Jakobsen J. Geographical differences in vitamin D status, with particular reference to European countries. Proc Nutr Soc. 2003;62(04):813-821. doi:10.1079/PNS2003297.