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EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLA MASSA OSSEA

EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLA MASSA OSSEA. ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON L’ETA’. femmina maschio. Picco di massa ossea. 1000- 500 - 0 - . menopausa. Soglia di frattura. MASSA OSSEA (g/cm2).

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EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLA MASSA OSSEA

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Presentation Transcript

  1. EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLA MASSA OSSEA

  2. ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON L’ETA’ femmina maschio Picco di massa ossea 1000- 500 - 0 - menopausa Soglia di frattura MASSA OSSEA (g/cm2) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ETA’(anni)

  3. ANDAMENTO DELLA CRESCITA LINEARE E DELLA MASSA OSSEA NELLA FASE PERIPUBERALE FEMORE VERTEBRA 120- 100- 80 - 60 - 40 - 20 - 120- 100- 80 - 60 - 40 - 20 - Lunghezza Diametro Picco di massa ossea % BMC BMC pubertà pubertà 8 10 12 14 16 8 10 12 14 16 BMC: contenuto minerale osseo Bradney M ,J Bone Min Res 2000

  4. ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON L’ETA’ IL MODELING ED IL REMODELING _ Bilancio + 0 ALTA MODELING REMODELING MASSA OSSEA BASSA 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Eta’ Picco di massa ossea Menopausa

  5. DETERMINANTI DEL PICCO DI MASSA OSSEA GENETICA (60-80%) Picco di massa ossea 1000- 500 - 0 - • ALTRI FATTORI (20-40%) • NUTRIZIONE • CALCIO • VIT D • PROTEINE • ATTIVITA’ FISICA • ASSETTO ORMONALE • ETA’ PUBERTA’ • ORMONE CRESCITA • AMENORREA MASSA OSSEA (g/cm2) 0 10 20 30 40 50 60 ETA’(anni)

  6. DETERMINANTI DEL PICCO DI MASSA OSSEA Interazione geni/determinanti non genetici PICCO DI MASSA OSSEA ALTO NORMALE RIDOTTO 0 10 20 30 anni Assetto genetico favorevole ( ) ; sfavorevole ( ) ( ) Introito di calcio/vitD, attività fisica, assetto ormonale

  7. CICLO CELLULARE DEL RIMODELLAMENTO OSSEO PTH E2 Fase quiescente .. ... riassorbimento IL-6 TNF riassorbimento neoformazione “reversal phase” TGFb1 neoformazione completa

  8. GENESI DEGLI OSTEOCITI FORZA deformazione + + + + + + neoformazione riassorbimento - - - -- - ---- TRASDUTTORE MECCANICO: OSTEOCITA (GLUTAMATERGIC SYNAPSIS)

  9. Aumento del Turnover Osseo Alterazione Microarchitettura Accelerata Perdita di Massa Ossea Fragilità Scheletrica Frattura

  10. Le trabecole sono importanti per la solidità delle ossa:Teoria di Eulero delle interconnessioni Ipotesi: Volume 1 = Volume 2 materiali e dimensioni identiche Struttura1 Struttura 2 La struttura 1 è 16 volte più solida della struttura 2

  11. Stimoli meccanici e metabolismo osseo • Durante l’attività, l'apparato scheletrico riceve due tipi fondamentali di stimoli meccanici: • carico del peso corporeo per azione della forza di gravità • trazioni dei gruppi muscolari che si inseriscono sull'osso • Variazioni di tali stimoli possono modificare la stessa struttura ossea, agendo sull'attivita' di modellamento e rimodellamento dello scheletro.

  12. Adaptation of bone to mechanical usageThe mechanostat Bone structure Bone mass Mechanical loads Deformation (Strain) Bone formation Bone resorption Signal detection Signal error Mechanostat Comparison with set point

  13. Bone response to mechanical strains Remodeling threshold Modeling threshold Microdamage threshold Ultimate strength Bone strains 50-100  ~1000-1500  3000  25000  Disuse Adaptation Failure Mild overload Pathologic overload Bone loss Bone conservation Bone gain Microdamage accumulation Bone fracture Modified from Frost HM, Bone, 1997

  14. Bone loss Bone conservation Bone gain Microdamage accumulation Bone fracture Remodeling threshold Modeling threshold Microdamage threshold Ultimate strength 3000  Bone strains ~1000-1500  25000  50-100  Pathologic overload Failure Mild overload Disuse Adaptation Modified from Frost HM, Bone, 1997 Strain: deformazione del tessuto in risposta al carico

  15. Strain components potentially relevant to osteogenesis • Magnitude • Rate • Distribution • Frequency • Duration

  16. COMPONENTI DELLA DEFORMAZIONE RESPONSABIILI DELL’ADDATTAMENTO SCHELETRICO • Il carico ciclico induce un’incremento della neoformazione • dipendente dall’entità della deformazione • A parità di entità di deformazione, la frequenza delle deformazioni • è direttamente proporzionale alla quantità di osso neoformato • Il numero dei cicli e la durata influenzano l’effetto sull’osso • (in modelli sperimentali 4 cicli /die (15 min) prevengono la perdita di • massa ossea da disuso; 36 cicli (2 min) sono necessari per indurre un • incremento della neoformazione TRASDUTTORE MECCANICO: OSTEOCITA (GLUTAMATERGIC SYNAPSIS)

  17. DELLA SOGLIA DELLA SOGLIA Deformazione al di sotto della norma Perdita di massa ossea Riduzione dell’attività Stimolazione Meccanica “Normale” Neoformazione Ossea Aumento dell’attività Deformazioni al di sopra la norma

  18. COMPLESSITA’ DELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO • Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed • endocrini/biochimici • Esercizio fisico/ attività sportiva/attività agonistica • Tipo di sport • Fascia di età (pre-post puberi /postmenopausa) • Tipo di struttura ossea analizzata • Stato endocrino (amenorrea/no) • Studi longitudinali o trasversali

  19. THE GH/IGF-1 AXIS AND BONE MARKERS IN ELITE ATHLETES IN RESPONSE TO A MAXIMUM EXERCISE TEST

  20. COMPLESSITA’ DELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO • Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed • endocrini/biochimici • Esercizio fisico/ attività sportiva/attività agonistica • Tipo di sport • Fascia di età (pre-post puberi /postmenopausa) • Tipo di struttura ossea analizzata • Stato endocrino (amenorrea/no) • Studi longitudinali o trasversali

  21. 0.32 0.28 0.24 0.20 Bone density (g/cc) 0.16 0.12 Inactive Active Ordinary Elite 0.08 0.04 0.00 Comparisons of bone densitybetween athletes and controls Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971

  22. Weight training Controls Comparisons of bone density in subjects undergoing weight training and controls 1.50 +11% +15% +16% 1.25 0% 1.00 BMD (g/cm2) 0.75 0.50 0.25 0 Lumbar Spine Femoral Neck Midradius Trochanter Modified from Colletti et al, JBMR, 1989

  23. EFFECTS OF LOW IMPACT EXERCISE ON BONE MASS BMD HIP BMD SPINE BMI Cavanaugh 1998 (cross-sect) Loss Loss Dalen F 1974 (cross-sect) Loss/maint. Loss Martin M 1993 (retrospect) Loss Loss Ribot 1987 Loss Loss reduced Dowson-Hughes 1987 mantained Loss reduced Carter 1984 Loss reduced

  24. EFFECTS OF PHYSICAL TRAINING ON BONE MINERAL DENSITY AND BONE METABOLISM (RF 1.1 x BW) WALKING (10.000 steps/day) WALKING and JUMPING Shibata Y J Physiol Anthropol Appl Human Sci 2003

  25. EFFECTS OF PHYSICAL TRAINING ON BONE MINERAL DENSITY AND BONE METABOLISM Shibata Y J Physiol Anthropol Appl Human Sci 2003

  26. COMPLESSITA’ DELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO • Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed • endocrini/biochimici • Esercizio fisico/ attività sportiva/attività agonistica • Tipo di sport • Fascia di età (pre-post puberi /postmenopausa) • Tipo di struttura ossea analizzata • Stato endocrino (amenorrea/no) • Studi longitudinali o trasversali

  27. Different types of exercise and skeletal loading patterns • Strength • Weight-bearing • High impact • High intensity • Ground-reaction forces • Low repetitions • Endurance • Non weight-bearing • Low impact • Low intensity • Joint-reaction forces • High repetitions

  28. Athletic activities and skeletal loading patterns • Weight-bearing • High impact • Ground-reaction forces • Fast ball games • (soccer, squash, tennis, volleyball, basketball) • Gymnastics • Dancing • Figure skating • Weight-bearing • Low impact • Muscular contractions • Weight lifting • Body building • Rowing • Cross-country skiing • Non weight-bearing • Low impact • Muscular contractions • Swimming • Cyclism • Speed skating

  29. Comparisons of bone densitybetween athletes and controls 0.32 0.28 0.24 0.20 Bone density (g/cc) 0.16 Soccer players 0.12 Swimmers Weight lifters Weight throwers Runners Inactive Active Ordinary Elite 0.08 0.04 0.00 Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971

  30. Bone mineral density in different activities Differences from the control group -5% 0% 5% 10% 15% 20% Volleyball Total Body Gymnastic Swimming Arms Legs Lumbar Spine Femoral Neck Modified from Fehling et al, Bone, 1995

  31. Bone mineral density in different activities (Heinonen et al., 1995) 30 30 Lumbar Spine Calcaneus 20 20 10 10 0 0 % % 30 30 Femoral neck Distal radius 20 20 10 10 0 0 % % Squash Dancers Skaters Cyclists Squash Dancers Skaters Cyclists Weight lifters Orienteers Cross-c. skiers Active controls Weight lifters Orienteers Cross-c. skiers Active controls

  32. Players Controls Bone mineral content in tennis players Difference between dominant and nondominant arm 18 16 14 12 10 % difference 8 6 4 2 0 Proximal Humeral Radial Distal humerus shaft shaft radius Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996

  33. Cortical cross-sectional areas of the humerusin professional tennis players Area cm2 2.84 Non-playing arm 4.01 Playing arm Difference: +41% +34% on the outer side + 7% on the inner side Modified from Parfitt AM, Osteoporos Int, 1994

  34. Effect of Long Term Impact Loading on Mass Size and Strength by pQCT in Young and Old Strater Tennis Players Young Starter MODELING EFFETC Old Starter Control BMC + 19% + 9% Cortical Area +20% + 9% Torsional&Bending Index + 26% +11% Kontulainen S J BMR 2003

  35. COMPLESSITA’ DELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO • Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed • endocrini/biochimici • Esercizio fisico/ attività sportiva/attività agonistica • Tipo di sport • Fascia di età (pre-post puberi /adulti) (persistenza effetti) • Tipo di struttura ossea analizzata • Stato endocrino (amenorrea/no) • Studi longitudinali o trasversali

  36. Amenorrhea • Eating Disorders • Osteoporosis THE FEMALE ATLETE TRIAD High caloric expenditur for training and exercise Inadequate nutrition Sustained negative caloric balance Low energy availability Hyperandrogenism hypothalamus Amenorrhea Osteoporosis Stress Fractures

  37. COMPLESSITA’ DELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO • Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed • endocrini/biochimici • Esercizio fisico/ attività sportiva/attività agonistica • Tipo di sport • Fascia di età (pre-post puberi /adulti) (persistenza effetti) • Tipo di struttura ossea analizzata • Stato endocrino (amenorrea/no) • Studi longitudinali o trasversali

  38. Difference between playing and non playing arm according to starting age of training Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996 30 20 BMC difference (%) 10 0 >5 yr 3-5 yr 0-2 yr 1-5 yr 6-15 yr >15 yr Before menarche After menarche Control

  39. Differences in proximal humerus variables in tennis players % difference between dominant and non-dominant side 30 Young starters Old starters 25 Athletes 20 Controls 15 10 5 0 Width BMD CSMI Z Width BMD CSMI Z Modified from Haapasalo et al., JBMR, 1996

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