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) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ETA’(anni)

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

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

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)

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 IL-6 TNF TGFb1 PTH E2 Fase quiescente .. ... riassorbimento IL-6 TNF riassorbimento neoformazione “reversal phase” TGFb1 neoformazione completa

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

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

La struttura 1 è 16 volte più solida della struttura 2 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 Questa diapositiva mostra l’importanza delle trabecole orizzontali. In questo esempio abbiamo considerato due strutture di uguale volume, materiale e dimensioni. L’unica differenza è che nella prima struttura sono state inserite tre coppie di collegamenti orizzontali. La struttura 1 sulla sinistra è 16 volte più solida della struttura 2 La ragione per cui la struttura 1 è così solida è che la resistenza delle colonne verticali è inversamente proporzionale al quadrato della porzione di colonna non sostenuta da strutture orizzontali. Le trabecole orizzontali accorciano la porzione di colonna non sostenuta, aumentando la resistenza nella prima struttura. 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 Modeling threshold Microdamage threshold Ultimate strength Bone strains 50-100  ~1000-1500  3000  25000  Disuse Adaptation Mild overload Pathologic overload Failure Bone loss Bone conservation Bone gain Microdamage accumulation Bone fracture Modified from Frost HM, Bone, 1997

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

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)

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

Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed endocrini/biochimici 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

Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed endocrini/biochimici 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 Inactive Active Ordinary Elite Bone density (g/cc) 0.32 0.28 0.24 0.20 0.16 0.12 0.08 0.04 0.00 Modified from Nilsson & Westlin, Clin Orthop, 1971

Comparisons of bone density in subjects undergoing weight training and controls 1.50 +11% Weight training +15% Controls 1.25 +16% 1.00 0% BMD (g/cm2) 0.75 0.50 0.25 Lumbar Spine Femoral Neck Midradius 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 (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 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 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

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

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

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

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

Cortical cross-sectional areas of the humerus in professional tennis players 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 Young Starter MODELING EFFETC Old Starter Control BMC + 19% + 9% Cortical Area +20% + 9% Torsional&Bending Index + 26% +11% Kontulainen S J BMR 2003

Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed endocrini/biochimici 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

THE FEMALE ATLETE TRIAD 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

Rapporti fisiopatologici tra effetti meccanici ed endocrini/biochimici 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 30 20 BMC difference (%) 10 >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 20 Athletes Controls 15 10 5 Width BMD CSMI Z Width BMD CSMI Z Modified from Haapasalo et al., JBMR, 1996