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EFFETTI DELLESERCIZIO FISICO SULLA MASSA OSSEA. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 MASSA OSSEA (g/cm2) ETA(anni) 1000- 500 - 0 - ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON.

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1 EFFETTI DELLESERCIZIO FISICO SULLA MASSA OSSEA

2 MASSA OSSEA (g/cm2) ETA(anni) ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON LETA Picco di massa ossea femmina maschio menopausa Soglia di frattura

3 ANDAMENTO DELLA CRESCITA LINEARE E DELLA MASSA OSSEA NELLA FASE PERIPUBERALE Picco di massa ossea % Lunghezza BMC FEMORE VERTEBRA Diametro BMC Bradney M,J Bone Min Res 2000 BMC: contenuto minerale osseo pubertà

4 MASSA OSSEA Eta BASSA ALTA Menopausa REMODELINGMODELING Picco di massa ossea ANDAMENTO DELLA MASSA OSSEA CON LETA IL MODELING ED IL REMODELING Bilancio + 0 _

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

6 PICCO DI MASSA OSSEA 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

7 PTH E IL-6 TNF riassorbimento neoformazione reversal phase Fase quiescente riassorbimento neoformazione completa TGF CICLO CELLULARE DEL RIMODELLAMENTO OSSEO

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

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12 L e 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 2 materiali e dimensioni identiche Struttura 1Struttura 2

13 Stimoli meccanici e metabolismo osseo Durante lattività, l'apparato scheletrico riceve due tipi fondamentali di stimoli meccanici:Durante lattività, 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.Variazioni di tali stimoli possono modificare la stessa struttura ossea, agendo sull'attivita' di modellamento e rimodellamento dello scheletro.

14 Adaptation of bone to mechanical usage The mechanostat Mechanicalloads Bone structure Bone mass Deformation(Strain) Signaldetection Comparison with set point Signalerror Bone formation Bone resorption Mechanostat

15 Bone response to mechanical strains ~ Remodeling threshold Modeling threshold Disuse Bone loss Bone conservation Bone gain Adaptation Mild overload Failure Bone fracture Microdamage threshold Microdamage accumulation Modified from Frost HM, Bone, 1997 Bone strains Pathologic overload Ultimate strength

16 ~ RemodelingthresholdModelingthreshold DisuseAdaptation Mildoverload Failure Microdamagethreshold Bonestrains Pathologicoverload Ultimatestrength Boneloss BoneconservationBonegainBonefractureMicrodamageaccumulation Modified from Frost HM, Bone, 1997 Strain: deformazione del tessuto in risposta al carico

17 Strain components potentially relevant to osteogenesis MagnitudeMagnitude RateRate DistributionDistribution FrequencyFrequency DurationDuration

18 Il carico ciclico induce unincremento della neoformazione dipendente dallentità 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 leffetto sullosso (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 DELLADDATTAMENTO SCHELETRICO TRASDUTTORE MECCANICO: OSTEOCITA (GLUTAMATERGIC SYNAPSIS )

19 Deformazione al di sotto della norma Perdita di massa ossea Stimolazione Meccanica Normale Neoformazione Ossea Deformazioni al di sopra la norma Aumento dellattività Riduzione dellattività DELLA SOGLIA

20 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 DELLESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO

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

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23 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 DELLESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO

24 Comparisons of bone density between athletes and controls Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971 Inactive Active Ordinary Elite Bone density (g/cc)

25 LumbarSpineFemoralNeck Trochanter Midradius Weight training Controls+11% +15% +16% 0% BMD (g/cm 2 ) Modified from Colletti et al, JBMR, 1989 Comparisons of bone density in subjects undergoing weight training and controls

26 EFFECTS OF LOW IMPACT EXERCISE ON BONE MASS BMD HIP BMD SPINEBMI Cavanaugh 1998 (cross-sect)Loss Loss Dalen F 1974 (cross-sect) Loss/maint. Loss Martin M 1993 (retrospect) LossLoss Ribot 1987LossLossreduced Dowson-Hughes 1987mantainedLossreduced Carter 1984Lossreduced

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

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

29 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 DELLESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO

30 Different types of exercise and 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

31 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

32 Comparisons of bone density between athletes and controls Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971 Inactive Active Ordinary Elite Swimmers Soccer players Runners Weight throwers Weight lifters Bone density (g/cc)

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

34 Lumbar Spine Femoral neck Calcaneus 30 Distal radius Squash Weightlifters Dancers Orienteers Skaters Cross-c.skiers Cyclists Activecontrols Squash Weightlifters Dancers Orienteers Skaters Cross-c.skiers Cyclists Activecontrols Bone mineral density in different activities (Heinonen et al., 1995) % %

35 Bone mineral content in tennis players Difference between dominant and nondominant arm Proximal humerus Humeral shaft Radial shaft Distal radius Players Controls % difference Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996

36 Cortical cross-sectional areas of the humerus in professional tennis players Playing arm Non-playing arm Area cm 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, 1994

37 Young Starter Old Starter 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 MODELING EFFETC

38 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 DELLESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO

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

40 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 DELLESERCIZIO FISICO SULLO SCHELETRO

41 Difference between playing and non playing arm according to starting age of training BMC difference (%) BeforemenarcheAftermenarcheControl >5 yr 3-5 yr 0-2 yr 1-5 yr 6-15 yr >15 yr Modified from Kannus et al, Ann Int Med, 1996

42 Differences in proximal humerus variables in tennis players Modified from Haapasalo et al., JBMR, 1996 % difference between dominant and non-dominant side WidthBMDCSMIZ Young startersOld starters Athletes Controls WidthBMDCSMIZ


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