EFFETTI DELL’ESERCIZIO FISICO
SULLA MASSA OSSEA
ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON L’ETA’
femmina
maschio
Picco di massa ossea
MASSA OSSEA (g/cm2)
1000-
menopausa
Soglia di frattura
500 -
0-
0
10
20
30
40
ETA’(anni)
50
60
70
80
ANDAMENTO DELLA CRESCITA LINEARE E DELLA MASSA
OSSEA NELLA FASE PERIPUBERALE
FEMORE
VERTEBRA
Picco di massa ossea %
120-
120-
Lunghezza
100-
100-
Diametro
80 -
80 -
60 -
60 -
BMC
40 -
BMC
40 -
20 -
20 -
pubertà
8
10
12
14
16
8
pubertà
10
12
14
16
BMC: contenuto minerale osseo
Bradney M ,J Bone Min Res 2000
ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON L’ETA’
IL MODELING ED IL REMODELING
Bilancio +
_
0
ALTA
REMODELING
MASSA OSSEA
MODELING
BASSA
0
10
20
30
40
Picco di massa ossea
50
60
70
Menopausa
80
Eta’
DETERMINANTI DEL PICCO DI MASSA OSSEA
MASSA OSSEA (g/cm2)
GENETICA (60-80%)
Picco di massa ossea
1000-
ALTRI FATTORI (20-40%)
•NUTRIZIONE
CALCIO
VIT D
PROTEINE
500 -
•ATTIVITA’ FISICA
0-
•ASSETTO ORMONALE
0
10
20
30
40
ETA’(anni)
50
60ETA’ PUBERTA’
ORMONE CRESCITA
AMENORREA
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
CICLO CELLULARE DEL RIMODELLAMENTO OSSEO
PTH
E2
IL-6
TNF
Fase quiescente
.. ...
riassorbimento
riassorbimento
TGFb1
neoformazione
“reversal phase”
neoformazione
completa
GENESI DEGLI OSTEOCITI
FORZA
deformazione
+ +
+
+
+
+
neoformazione
riassorbimento
-
-
TRASDUTTORE MECCANICO: OSTEOCITA
-
--
-
----
(GLUTAMATERGIC SYNAPSIS)
Aumento del
Turnover Osseo
Alterazione
Microarchitettura
Accelerata
Perdita di Massa Ossea
Fragilità Scheletrica
Frattura
In quale modo la microarchitettura
influenza la resistenza ossea?
Normale
 Diminuzione dello spessore delle
trabecole, più pronunciata per le
trabecole orizzontali che non
sostengono carichi.
Osteoporosi
moderata
 Diminuzione del numero delle
connessioni tra le trabecole verticali.
 Diminuzione della resistenza
trabecolare
Osteoporosi
grave
1
Moseki lde L. Calcified Ti ssue In ter. 53(Sup pl 1 ): S121 -S126. 199 3
Le trabecole sono importanti per la solidità delle ossa:
Teoria di Eulero delle interconnessioni
Ipotesi:
Volume 1 = Volume 2
materiali e dimensioni identiche
Struttura 1
Struttura 2
La struttura 1 è 16 volte più solida della struttura 2
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.
Adaptation of bone to mechanical usage
The mechanostat
Bone structure
Bone mass
Mechanical
loads
Deformation
(Strain)
Bone formation
Bone resorption
Signal
detection
Signal
error
Mechanostat
Comparison
with set point
Bone response to mechanical strains
Remodeling
threshold
Bone 50-100
strains

Modeling
threshold
Microdamage
threshold
Ultimate
strength
~1000-1500

3000

25000

Disuse
Adaptation
Mild
overload
Bone
loss
Bone
conservation
Bone
gain
Pathologic
overload
Failure
Microdamage
Bone
accumulation fracture
Modified from Frost HM, Bone, 1997
Bone
loss
Bone
conservation
Remodeling
threshold
Bone
strains
50-100

Disuse
Bone
gain
Modeling
threshold
Microdamage
threshold
~1000-1500

Adaptation
Microdamage Bone
accumulation fracture
Mild
overload
3000

Ultimate
strength
25000

Pathologic
overload
Failure
Modified from Frost HM, Bone, 1997
Strain: deformazione del tessuto in risposta al carico
Strain components potentially relevant to
osteogenesis
•
•
•
•
•
Magnitude
Rate
Distribution
Frequency
Duration
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)
Deformazione
al di sotto della norma
Riduzione dell’attività
DELLA SOGLIA
Perdita di
massa ossea
Stimolazione
Meccanica
“Normale”
DELLA SOGLIA
Neoformazione
Ossea
Aumento dell’attività
Deformazioni al di
sopra la norma
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
THE GH/IGF-1 AXIS AND BONE MARKERS IN ELITE
ATHLETES IN RESPONSE TO A MAXIMUM EXERCISE TEST
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
Comparisons of bone density
between athletes and controls
0.32
0.24
0.20
0.04
Elite
0.08
Ordinary
0.12
Active
0.16
Inactive
Bone density (g/cc)
0.28
0.00
Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971
Comparisons of bone density in subjects
undergoing weight training and controls
1.50
+11%
+15%
Controls
+16%
1.25
BMD (g/cm2)
Weight training
0%
1.00
0.75
0.50
0.25
0
Lumbar
Spine
Femoral
Midradius
Neck
Trochanter
Modified from Colletti et al, JBMR, 1989
EFFECTS OF LOW IMPACT EXERCISE ON BONE MASS
BMD HIP
BMD SPINE
BMI
Cavanaugh 1998 (cross-sect)
Loss
Loss
Dalen F 1974
Loss/maint.
Loss
Martin M 1993 (retrospect)
Loss
Loss
Ribot
Loss
Loss
reduced
Dowson-Hughes 1987
mantained
Loss
reduced
Carter 1984
Loss
(cross-sect)
1987
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
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
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
Athletic activities and skeletal loading patterns
• Weight-bearing
• High impact
• Ground-reaction
forces
• Weight-bearing
• Low impact
• Muscular
contractions
• Non weight-bearing
• Low impact
• Muscular
contractions
– Fast ball games
(soccer, squash,
tennis, volleyball,
basketball)
– Gymnastics
– Dancing
– Figure skating
–
–
–
–
– Swimming
– Cyclism
– Speed skating
Weight lifting
Body building
Rowing
Cross-country
skiing
Comparisons of bone density
between athletes and controls
0.32
Weight lifters
Runners
Weight throwers
0.04
Elite
0.08
Ordinary
0.12
Active
0.16
Swimmers
0.20
Soccer players
0.24
Inactive
Bone density (g/cc)
0.28
0.00
Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971
Bone mineral density in different activities
Differences from the control group
-5%
Total Body
Arms
0%
5%
10%
15%
20%
Volleyball
Gymnastic
Swimming
Legs
Lumbar Spine
Femoral Neck
Modified from Fehling et al, Bone, 1995
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
20
20
Distal radius
10
10
0
0
%
%
Squash Dancers Skaters Cyclists
Weight Orienteers Cross-c. Active
lifters
skiers controls
Squash Dancers Skaters Cyclists
Weight Orienteers Cross-c. Active
lifters
skiers controls
Bone mineral content in tennis players
Difference between dominant and nondominant arm
18
16
% difference
14
12
Players
Controls
10
8
6
4
2
0
Proximal
humerus
Humeral
shaft
Radial
shaft
Distal
radius
Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996
Cortical cross-sectional areas of the humerus
in professional tennis players
Area
cm2
Non-playing arm
2.84
Playing arm
4.01
Difference: +41%
+34% on the outer side
+ 7% on the inner side
Modified from Parfitt AM, Osteoporos Int, 1994
Effect of Long Term Impact Loading on Mass Size and Strength by
pQCT in Young and Old Strater Tennis Players
MODELING
EFFETC
BMC
Cortical Area
Young
Starter
+ 19%
+20%
Torsional&Bending Index + 26%
Old
Starter
Control
+ 9%
+ 9%
+11%
Kontulainen S J BMR 2003
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
•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
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
Difference between playing and non playing arm
according to starting age of training
Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996
BMC difference (%)
30
20
10
0
>5 yr
3-5 yr
0-2 yr 1-5 yr 6-15 yr >15 yr
Before
menarche
After
menarche
Control
Differences in proximal humerus
variables in tennis players
% difference between
dominant and non-dominant side
30
Young starters
Old starters
25
Athletes
Controls
20
15
10
5
0
Width BMD CSMI
Z
Width BMD CSMI
Z
Modified from Haapasalo et al., JBMR, 1996