EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLA MASSA OSSEA

0 10 20 30 40 50 60 70 80

MA

SS

A O

SS

EA

(g/

cm2)

ETA’(anni)

1000-

500 -

0 -

ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON L’ETA’

Picco di massa ossea

femminamaschio

menopausa

Soglia di frattura

ANDAMENTO DELLA CRESCITA LINEARE E DELLA MASSA OSSEA NELLA FASE PERIPUBERALE

Pic

co d

i mas

sa o

ssea

%

120-

100-

80 -

60 -

40 -

20 -

Lunghezza

BMC

FEMORE

120-

100-

80 -

60 -

40 -

20 -

VERTEBRA

Diametro

BMC

8 10 12 14 16 8 10 12 14 16

Bradney M ,J Bone Min Res 2000

BMC: contenuto minerale osseo

pubertà pubertà

0 10 20 30 40 50 60 70 80

MA

SS

A O

SS

EA

Eta’

BASSA

ALTA

Menopausa

REMODELINGMODELING


ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON L’ETA’ IL MODELING ED IL REMODELING

Bilancio + 0 _

0 10 20 30 40 50 60

MA

SS

A O

SS

EA

(g/

cm2)

ETA’(anni)

1000-

500 -

0 -


DETERMINANTI DEL PICCO DI MASSA OSSEA

GENETICA (60-80%)

ALTRI FATTORI (20-40%)

•NUTRIZIONE

CALCIOVIT DPROTEINE

•ATTIVITA’ FISICA

•ASSETTO ORMONALE

ETA’ PUBERTA’ ORMONE CRESCITA AMENORREA

PICCO DI MASSA OSSEA

0 10 20 30 anni

DETERMINANTI DEL PICCO DI MASSA OSSEA Interazione geni/determinanti non genetici

Assetto genetico favorevole ( ) ; sfavorevole ( )( ) Introito di calcio/vitD, attività fisica, assetto ormonale

ALTO

NORMALE

RIDOTTO

PTHE2

.. ...IL-6TNF

riassorbimento

neoformazione “reversal phase”

Fase quiescente

riassorbimento

neoformazione completa

TGF

CICLO CELLULARE DEL RIMODELLAMENTO OSSEO

GENESI DEGLI OSTEOCITI

+ + + + + +

- - - -- - ----

FORZA

deformazione

neoformazione

riassorbimento

TRASDUTTORE MECCANICO: OSTEOCITA (GLUTAMATERGIC SYNAPSIS)

Aumento del Turnover Osseo

AlterazioneMicroarchitettura

Accelerata Perdita di Massa Ossea

Fragilità Scheletrica

Frattura

1

Osteoporosigrave

Normale

Osteoporosimoderata

Diminuzione dello spessore delletrabecole, più pronunciata per letrabecole orizzontali che nonsostengono carichi.

Diminuzione del numero delleconnessioni tra le trabecole verticali.

Diminuzione della resistenzatrabecolare

In quale modo la microarchitetturainfluenza la resistenza ossea?

Moseki lde L. Calcified Tissue In ter. 53(Suppl 1): S121-S126. 1993

Le trabecole sono importanti per la solidità delle ossa:Teoria di Eulero delle interconnessioni

La struttura 1 è 16 volte più solida della struttura 2

Ipotesi: Volume 1 = Volume 2materiali e dimensioni identiche

Struttura 1

Struttura 2

Stimoli meccanici e metabolismo osseoStimoli meccanici e metabolismo osseo

• Durante l’attività, l'apparato scheletrico riceve due tipi Durante l’attività, l'apparato scheletrico riceve due tipi fondamentali di stimoli meccanici:fondamentali di stimoli meccanici:

– carico del peso corporeo per azione della forza di carico del peso corporeo per azione della forza di gravitàgravità

– trazioni dei gruppi muscolari che si inseriscono trazioni dei gruppi muscolari che si inseriscono sull'ossosull'osso

• Variazioni di tali stimoli possono modificare la stessa Variazioni di tali stimoli possono modificare la stessa struttura ossea, agendo sull'attivita' di modellamento e struttura ossea, agendo sull'attivita' di modellamento e rimodellamento dello scheletro. rimodellamento dello scheletro.

Adaptation of bone to mechanical usageAdaptation of bone to mechanical usageThe mechanostatThe mechanostat

MechanicalMechanicalloadsloads

Bone structureBone structureBone massBone mass

DeformationDeformation(Strain)(Strain)

SignalSignaldetectiondetection

Comparison Comparison with set pointwith set point

SignalSignalerrorerror

Bone formationBone formationBone resorptionBone resorption

MechanostatMechanostat

Bone response to mechanical strains

~1000-1500

3000

50-100

25000

Remodelingthreshold

Modelingthreshold

Disuse

Boneloss

Boneconservation

Bonegain

Adaptation Mildoverload

Failure

Bonefracture

Microdamagethreshold

Microdamageaccumulation

Modified from Frost HM, Bone, 1997

Bonestrains

Pathologicoverload

Ultimatestrength

~1000-1500~1000-1500

3000300050-10050-100

2500025000

RemodelingRemodelingthresholdthreshold

ModelingModelingthresholdthreshold

DisuseDisuse AdaptationAdaptationMildMild

overloadoverloadFailureFailure

MicrodamageMicrodamagethresholdthreshold

BoneBonestrainsstrains

PathologicPathologicoverloadoverload

UltimateUltimatestrengthstrength

BoneBonelossloss

BoneBoneconservationconservation

BoneBonegaingain

BoneBonefracturefracture

MicrodamageMicrodamageaccumulationaccumulation

Modified from Frost HM, Bone, 1997Modified from Frost HM, Bone, 1997Strain: deformazione del tessuto in risposta al carico

Strain components potentially relevant to Strain components potentially relevant to osteogenesisosteogenesis

• MagnitudeMagnitude

• RateRate

• DistributionDistribution

• FrequencyFrequency

• DurationDuration

•Il carico ciclico induce un’incremento della neoformazionedipendente 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

COMPONENTI DELLA DEFORMAZIONE RESPONSABIILI DELL’ADDATTAMENTO SCHELETRICO

TRASDUTTORE MECCANICO: OSTEOCITA(GLUTAMATERGIC SYNAPSIS)

Deformazioneal di sotto della norma

Perdita di massa ossea

Stimolazione Meccanica“Normale”

NeoformazioneOssea

Deformazioni al disopra la norma

Aumento dell’attività

Riduzione dell’attività DELLA SOGLIA

DELLA SOGLIA

•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

COMPLESSITA’ DELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO

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

Comparisons of bone densityComparisons of bone densitybetween athletes and controlsbetween athletes and controls

Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971

Inac

tive

Inac

tive

Act

ive

Act

ive

Ord

inar

yO

rdin

ary

Eli

teE

lite

Bon

e de

nsity

(g/

cc)

Bon

e de

nsity

(g/

cc)

0.320.32

0.280.28

0.240.24

0.200.20

0.160.16

0.120.12

0.080.08

0.040.04

0.000.00

00

0.250.25

0.500.50

0.750.75

1.001.00

1.251.25

1.501.50

LumbarLumbarSpineSpine

FemoralFemoralNeckNeck TrochanterTrochanter

MidradiusMidradius

Weight trainingWeight training

ControlsControls

+11%+11%+15%+15%

+16%+16%

0%0%

BM

D (

g/c

mB

MD

(g

/cm

22 ))

Modified from Colletti et al, JBMR, 1989Modified from Colletti et al, JBMR, 1989

Comparisons of bone density in subjects Comparisons of bone density in subjects undergoing weight training and controlsundergoing weight training and controls

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

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

EFFECTS OF PHYSICAL TRAINING ON BONE MINERAL DENSITY AND BONE METABOLISM

Shibata Y J Physiol Anthropol Appl Human Sci 2003

Different types of exercise Different types of exercise and skeletal loading patternsand skeletal loading patterns

• StrengthStrength• Weight-bearingWeight-bearing• High impactHigh impact• High intensityHigh intensity• Ground-reaction forcesGround-reaction forces• Low repetitionsLow repetitions

• EnduranceEndurance• Non weight-bearingNon weight-bearing• Low impactLow impact• Low intensityLow intensity• Joint-reaction forcesJoint-reaction forces• High repetitionsHigh repetitions

Athletic activities and skeletal loading patterns• Non weight-bearing• Low impact• Muscular

contractions

– Swimming– Cyclism– Speed skating

• Weight-bearing• Low impact• Muscular

contractions

– Weight lifting– Body building– Rowing– Cross-country

skiing

• Weight-bearing• High impact• Ground-reaction

forces

– Fast ball games(soccer, squash, tennis, volleyball, basketball)

– Gymnastics– Dancing– Figure skating

Comparisons of bone densitybetween athletes and controls

Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971

Inac

tive

Act

ive

Ord

inar

y

Eli

te

Sw

imm

ers

Soc

cer

play

ers

Run

ners

Wei

ght t

hrow

ers

Wei

ght l

ifte

rs

Bon

e de

nsity

(g/

cc)

0.32

0.28

0.24

0.20

0.16

0.12

0.08

0.04

0.00

Bone mineral density in different activities Bone mineral density in different activities

-5%-5% 0%0% 5%5% 10%10% 15%15% 20%20%

Total BodyTotal Body

ArmsArms

LegsLegs

Lumbar SpineLumbar Spine

Femoral NeckFemoral Neck

VolleyballVolleyball

GymnasticGymnastic

SwimmingSwimming

Modified from Fehling et al, Bone, 1995Modified from Fehling et al, Bone, 1995

Differences from the control groupDifferences from the control group

2020

1010

00

Lumbar SpineLumbar Spine

2020

1010

00

3030Femoral neckFemoral neck

CalcaneusCalcaneus3030

Distal radiusDistal radius

00

3030

2020

1010

00

3030

2020

1010

SquashSquash

WeightWeightlifterslifters

DancersDancers

OrienteersOrienteers

SkatersSkaters

Cross-c.Cross-c.skiersskiers

CyclistsCyclists

ActiveActivecontrolscontrols

SquashSquash

WeightWeightlifterslifters

DancersDancers

OrienteersOrienteers

SkatersSkaters

Cross-c.Cross-c.skiersskiers

CyclistsCyclists

ActiveActivecontrolscontrols

Bone mineral density in different activities Bone mineral density in different activities (Heinonen et al., 1995)(Heinonen et al., 1995)

%% %%

%% %%

Bone mineral content in tennis players Bone mineral content in tennis players Difference between dominant and nondominant armDifference between dominant and nondominant arm

00

22

44

66

88

1010

1212

1414

1616

1818

ProximalProximalhumerushumerus

HumeralHumeralshaftshaft

RadialRadialshaftshaft

DistalDistalradiusradius

PlayersPlayersControlsControls

% d

iffe

renc

e%

diff

ere

nce

Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996

Cortical cross-sectional areas of the humerusCortical cross-sectional areas of the humerusin professional tennis playersin professional tennis players

Playing armPlaying arm

Non-playing armNon-playing arm

AreaAreacmcm22

4.014.01

2.842.84

Difference: +41%Difference: +41% +34% on the outer side+34% on the outer side + 7% on the inner side+ 7% on the inner side

Modified from Parfitt AM, Osteoporos Int, 1994Modified from Parfitt AM, Osteoporos Int, 1994

YoungStarter

OldStarter

Control

BMC + 19% + 9%Cortical Area +20% + 9%Torsional&Bending Index + 26% +11%

Effect of Long Term Impact Loading on Mass Size and Strength by pQCT in Young and Old Strater Tennis Players

Kontulainen S J BMR 2003

MODELINGEFFETC

•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


THE FEMALE ATLETE TRIAD•Amenorrhea•Eating Disorders•Osteoporosis

High caloric expenditurfor training and exercise

Inadequate nutrition

Sustained negative caloric balance

Low energy availability

hypothalamus

Amenorrhea

Osteoporosis Stress Fractures

Hyperandrogenism

•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


Difference between playing and non playing arm Difference between playing and non playing arm according to starting age of trainingaccording to starting age of training

BM

C d

iffe

renc

e (

%)

BM

C d

iffe

renc

e (

%)

BeforeBeforemenarchemenarche

AfterAftermenarchemenarche

ControlControl

3030

2020

1010

00>5 yr>5 yr 3-5 yr3-5 yr 0-2 yr0-2 yr 1-5 yr1-5 yr 6-15 yr6-15 yr >15 yr>15 yr

Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996

Differences in proximal humerus variables in tennis players

Modified from Haapasalo et al., JBMR, 1996

% difference between dominant and non-dominant side

Width BMD CSMI Z0

5

10

15

20

25

30Young starters Old starters

Athletes

Controls

Width BMD CSMI Z

EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLA MASSA OSSEA

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