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
Picco di massa ossea
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 -
Picco di massa ossea
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
•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
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
•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
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
COMPLESSITA’ DELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO
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
COMPLESSITA’ DELLA VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO
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
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