Effects of chronic stretching on soleus muscle of Wistar female rats / Efectos del estiramiento crónico en el músculo sóleo de ratas hembras Wistar

The purpose of this study was to evaluate the chronic effects of stretching exercise on soleus muscle histomorphology and histomorphometry of young and aged rats. Thirty-eight female rats were divided into young control group (YCG, n=10;274±50 g); young stretching group (YSG, n=8;274±12 g); aged control group (ACG, n=10;335±39 g); and aged stretching group (ASG, n=10;321±32g). A mechanical apparatus was used to stretch muscle in 4 repetitions, 60 s each, 30 s interval between repetitions in each session, 3 times a week for 3 weeks. Twenty-four hours after the last stretching session, soleus muscle was removed for micromorphology and immunostaining analysis. Data analyses were performed with one-way ANOVA, post-hoc Tukey, or Kruskal-Wallis tests for parametric and nonparametric, respectively (p≤0.05). Muscle fiber cross-sectional area (MFCSA) of ACG was lower (18 %) compared to the YCG. Stretching increased MFCSA comparing YSG to YCG (5,681.15± 1,943.61 µm2 vs 5,119.84±1,857.73 µm2, p=0.00), but decreased comparing ASG to ACG (3,919.54± 1,694.65 µm2 vs 4,172.82±1,446.08 µm2, p=0.00). More serial sarcomere numbers were found in the YSG than YCG (12,062.91±1,564.68 vs 10,070.39±1,072.38, p=0.03). Collagen I and collagen III were higher in YSG than ASG (7.44±7.18 % vs 0.07±0.09 %, p=0.04) and (14.37 %± 9.54 % vs 5.51 %±5.52 %, p=0.00), respectively. TNF-a was greater in ASG than YSG (43.42 %±40.19 % vs 1.72 ± 2.02 %, p=0.00). Epimysium was larger in the YSG compared to YCG (201.83±132.07 % vs 181.09±147.04 %, p=0.00). After 3-week stretching the soleus muscles from aged rats were smaller than their younger counter-parts. Interestingly, while stretching appeared to positively affect young soleus muscle, the opposite was detected in the muscle of the aged rats.

El propósito de este estudio fue evaluar los efectos crónicos del ejercicio de estiramiento sobre la histomorfología e histomorfometría del músculo sóleo de ratas jóvenes y envejecidas. Se dividieron 38 ratas hembras en un grupo control joven (YCG, n = 10; 274 ± 50 g); grupo de estiramiento joven (YSG, n = 8; 274 ± 12 g); grupo control de edad (ACG, n = 10; 335 ± 39 g); y grupo estiramiento envejecido (ASG, n = 10; 321 ± 32 g). Se usó un aparato mecánico para estirar el músculo en 4 repeticiones, 60 s cada una, intervalo de 30 s entre repeticiones en cada sesión, 3 veces por semana, durante 3 semanas. Veinticuatro horas después de la última sesión de estiramiento, se extrajo el músculo sóleo para análisis de micromorfología e inmunotinción. Los análisis de datos se realizaron con pruebas ANOVA de una vía, Tukey post-hoc o Kruskal-Wallis para pruebas paramétricas y no paramétricas, respectivamente (p≤0,05). El área de la sección transversal de fibra muscular (MFCSA) de GCE fue menor (18 %) en comparación con el GCJ. El estiramiento aumentó ASTFM comparando GEJ con GCJ (5.681,15 ± 1.943,61 µm2 vs 5.119,84 ± 1.857,73 µm2, p = 0,00), pero disminuyó comparando GEE con GCE (3.919,54 ± 1.694,65 µm2 vs 4.172,82 ± 1.446,08 µm2, p = 0,00). Se encontraron más sarcómeros en serie en el GEJ que en el GCJ (12.062,91 ± 1.564,68 vs 10.070,39 ± 1,072.38, p = 0,03). El colágeno I y el colágeno III fueron más numerosos en GEJ que en GEE (7,44 ± 7.18 % vs 0,07 ± 0,09 %, p = 0,04) y (14,37 % ± 9,54 % vs 5,51 % ± 5,52 %, p = 0,00), respectivamente. TNF-α fue mayor en GEE que GEJ (43,42 % ± 40,19 % vs 1,72 ± 2,02 %, p = 0,00). El epimisio fue mayor en el GEJ en comparación con el GCJ (201,83 ± 132,07 % vs 181,09 ± 147,04 %, p = 0,00). Después de 3 semanas de estiramiento, los músculos sóleo de las ratas envejecidas eran más pequeños que sus contrapartes más jóvenes. Curiosamente, si bien el estiramiento pareció afectar positivamente el músculo sóleo joven, se detectó lo contrario en el músculo de las ratas envejecidas.

Exercise Countermeasures for the Spine in Microgravity

Weakness and neuromuscular deconditioning of the anti-gravity spine muscles develop after 6-month missions in space. There is also a high incidence of herniated nucleus pulposus in cervical and lumbar discs with back pain post-flight. Prolonged microgravity reduces the physiological loading forces needed for spine homeostasis and may alter neuromuscular postural reflexes leading to injury upon return to 1G. Nine astronauts were tested using the Biering-Sorensen test to measure spine isometric endurance pre- and post-flight. The results show significant decrements in muscle isometric endurance and correlates with atrophy of the multifidus, erector spinae, quadratus lumborum and psoas, reduced cross-sectional area and functional cross-sectional area with MRI measurements. Current ISS exercise countermeasures appear to be insufficient in mitigating loss of spinal function due to lack of specifically designed exercises to address specific antigravity muscles. Intensity of resistance loading is proposed to be specific to the muscle isoform that needs the most optimal mechanotransduction using adjustable pulley resistance vectors in line or parallel to the target muscle fibre orientations. Pulley apparatus may be in the form of flywheel or pneumatic derived resistance. Since antigravity muscles are predominantly Type I muscle isoform, endurance and stability are the main functional qualities which would require higher repetitions in good form, moderate resistance, and multiple sets. This proposal is intended to define efficient type of spine exercises to counter the maladaptive effects from prolonged spaceflight and lead to accepted countermeasures. Supported by NASA Grants NNXlOAM18G and NNX13AM89G.

La debilidad y el desacondicionamiento neuromuscular de los músculos de la columna vertebral encargados de la anti-gravedad aparecen a partir del sexto mes de estancia en el espacio. En la etapa posterior al vuelo también se observa una elevada incidencia de núcleos pulposos herniados en discos cervicales y lumbares con dolor de espalda. La microgravedad prolongada reduce las fuerzas de carga fisiológica necesarias para la homeostasis de la columna vertebral, además de que puede alterar los reflejos posturales neuromusculares provocando lesiones al regresar a 1G. Nueve astronautas fueron evaluados con la prueba de Biering-Sorensen para medir la resistencia isométrica de la columna vertebral antes y después del vuelo. Los resultados muestran decrecimientos significativos en la resistencia isométrica muscular y correlatos con atrofia del multifidus, erector spinae, quadratus lumborum y psoas, reducción del área transversal y área transversal funcional con mediciones IRM. Las contramedidas actuales de la EEI para los ejercicios parecen ser insuficientes para mitigar la pérdida de función espinal provocada por la falta de ejercicios dirigidos a músculos antigravedad específicos. Se propone que la intensidad de la carga de resistencia sea específica para la isoforma muscular que requiere la mecanotransducción más óptima usando vectores de resistencia de polea ajustables alineados o paralelos a las orientaciones de la fibra muscular a que estén dirigidos. El dispositivo de poleas puede tomar la forma de volante o de resistencia derivada de fuerza neumática. Como los músculos antigravedad son predominantemente isoformas musculares Tipo I, la resistencia y la estabilidad son las principales cualidades funcionales que requerirían mayores repeticiones en buena forma, resistencia moderada y múltiples ciclos. La propuesta que aquí se presenta está dirigida a definir el tipo eficiente de ejercicios para la columna vertebral para contrarrestar los efectos de adaptación inadecuada provocados por un vuelo espacial prolongado, así como avanzar hacia la creación de contramedidas aceptables. Realizado con el apoyo de las subvenciones de la NASA NNXlOAM18G y NNX13AM89G.

Evaluation of apoptosis and osteopontin expression in osteocytes exposed to orthodontic forces of different magnitudes

The in vivo response of osteocytes to different force magnitudes soon after they are applied remains to be elucidated. The aim of this study was to examine the early effects of applying a very light (LF: 0,16 N) and a very strong (SF: 2,26 N) orthodontic force during one hour on apoptosis and osteopontin (OPN) expression on alveolar bone osteocytes, in rats. Results: LF: compared to the control group, they showed a significant increase in OPN expression, and a significant decrease in the number of TUNELpositive osteocytes. SF: compared to the control group, they showed a significant increase in OPN expression and a significant decrease in the number of TUNELpositive osteocytes. Our results show that osteocytes respond very early to the application of tension and pressure forces of different magnitudes, and application of forces decreases the number of apoptotic osteocytes and increases OPN expression. These results allow concluding that osteocytes activate rapidly when subjected to locally applied forces, whether these forces be pressure or tension, light or strong forces. Grants: UBACyT 200201301002270 BA and School of Dentistry, University of Buenos Aires (AU)

Hasta el momento no se ha dilucidado la respuesta temprana in vivo de los osteocitos a la aplicación de fuerzas de diferentes magnitudes sobre el hueso. El objetivo de este estudio fue examinar la respuesta temprana de la aplicación de una fuerza ortodóncica muy liviana (FL: 0,16 N) y muy fuerte (FF: 2,26 N) durante una hora sobre la expresión de apoptosis y osteopontina (OPN) en los osteocitos del hueso alveolar, en ratas. Resultados: FL: en comparación con el grupo control, mostraron un aumento significativo en la expresión de OPN y una disminución significativa en el número de osteocitos TUNELpositivos. FF: en comparación con el grupo control, mostraron un aumento significativo en la expresión de OPN y una disminución signi ficativa en el número de osteocitos TUNELpositivos. Nuestros resultados muestran que los osteocitos responden muy temprano a la aplicación de fuerzas de tensión y presión de diferentes magnitudes, y la aplicación de fuerzas disminuye el número de osteocitos apoptóticos y aumenta la expresión de OPN. Estos resultados permiten concluir que los osteocitos se activan rápidamente cuando se los somete a fuerzas aplicadas localmente, ya sean estas fuerzas de presión o tensión, livianas o fuertes (AU)

Visión celular y molecular de la ortopedia funcional de los maxilares

Actualmente, los mecanismos biológicos que subyacen a la estimulación ortopédica funcional están en proceso de entendimiento; sin embargo, se sabe que el osteocito juega un rol esencial, al recibir y transformar dicho estímulo funcional hacia una señal bioquímica, lo que da como consecuencia la secreción de diversas moléculas. Estas se movilizan entre los osteocitos, gracias a su extensa red de uniones comunicantes, y llegan en última instancia a activar a las células efectoras del tejido óseo: osteoblastos y osteoclastos. El objetivo de la revisión es actualizar y compendiar algunos de los más importantes mecanismos celulares y moleculares subyacentes a la terapia ortopédica funcional de los maxilares.

Currently, the biological mechanisms underlying functional orthopedic stimulation are in process of understanding. However, it is known that osteocyte plays an essential role, to receive and process the functional stimulus to biochemical signals giving as result the secretion of various molecules. Such molecules are mobilized between the osteocytes, thanks to its extensive network of gap junctions, ultimately coming to activate effector cells of bone tissue: osteoblasts and osteoclasts. The aim of the review is to update some of the cellular and molecular mechanisms underlying functional orthopedic therapy of the maxillary.

Carga mecánica oomo regulador de la osteogénesis en células madre mesenquimales humaaas / Mechanicl stresss as osteogenesis regulator in human mesenchymal stem cells / Carga mecânic coomo regulador da osteogênese em célulastronco mesenquimais humanas

El papel de la estimulación mecánica en la diferenciación de las células madre mesenquimales humanas (CMMHs) es una alternativa terapéutica para aplicaciones en ingeniería tisular. Este estudio evaluó el efecto de cargas mecánicas sobre la diferenciación de las CMMHs, y los mecanismos celulares que intervienen en el proceso de mecanotransducción. Las CMMHs se sembraron en frascos de cultivo de 75cm2 y fueron expuestas a tensión uniaxial de deformación de 500, 1000, 1500 y 2000 micro strains (με), con una intensidad de 9 ciclos/minuto por 3 horas durante 4 días consecutivos. Se evaluó la actividad transcripcional de los factores de transcripción Runx2 y Sox9 y de los genes de Osteocalcina (OC), Colágeno tipo 1 (Col1) y Fosfatasa Alcalina (ALP). Después de la exposición al estímulo, los marcadores osteogénicos Col1, OC, y ALP se expresaron temporalmente; y los factores de transcripción Runx2 y Sox9 disminuyeron la expresión con respecto a las células de grupo control (sin estímulo), sugiriendo que el estímulo mecánico indujo la diferenciación de las células CMMHs a linaje osteoblástico. La identificación de los genes que traducen los estímulos mecánicos en las CMMHs y modulan la diferenciación osteogénica, tienen proyección directa en medicina regenerativa a través del desarrollo y perfeccionamiento del enfoque de ingeniería de tejidos funcionales.

The role of mechanical stimulation for mesenchymal stem cells (MSCs) differentiation is a therapeutic alternative for applications in tissue engineering. The aim of this study was to evaluate the effect of mechanical strain on the differentiation and cellular mechanisms of mechanotransduction in MSCs. The cells were seeded in 75cm2 culture flasks and then exposed to uniaxial mechanical tensile strain of 500, 1000, 1500 and 2000 micro strains (με), 9 cycles / minute during 3 hours for 4 consecutive days. Runx2 and Sox9 transcription factors andOsteocalcin (OC), Collagen Type 1 (Col1) and Alkaline Phosphatase (ALP) gene expression was ascertained. After exposure to mechanical strain, osteogenic marker genes Col1, OC, and ALP were expressed temporally, while Runx2 and Sox9 transcription factors expression decreased, compared with control cells without stimulation, suggesting that mechanical stimulus induced differentiation of mesenchymal stem cells into osteoblast lineage. Identification of genes that translate mechanical stimuli in MSCs and modulate osteogenic differentiation hasimportant implications in regenerative medicine as an approach to functional tissue engineering.

O papel da estimulação mecânica na diferenciação das célulastronco mesenquimais humanas (CMMHs) é uma alternativa terapêutica para aplicações em engenharia tissular. Este estudo avaliou o efeito de cargas mecânicas sobre a diferenciação das CMMHs, e os mecanismos celulares que intervém no processo de Mecanotransdução. As CMMHs foram cultivadas em frascos de cultivo de 75cm2 e foram expostas a tensão uniaxial de deformação de 500, 1000, 1500 e 2000 micro strains (με), com uma intensidade de 9 ciclos/minuto por 3 horas durante 4 dias consecutivos. Foi avaliada a atividade transcricional dos fatores de transcrição Runx2 e Sox9 e dos genes de Osteocalcina (OC), Colágeno tipo 1 (Col1) e Fosfatase Alcalina (ALP). Depois da exposição ao estímulo, os marcadores osteogênicos Col1, OC, e ALP foram expressos temporariamente; e os fatores de transcrição Runx2 e Sox9 diminuíram a expressão em comparação com as células do grupo controle (sem estímulo), sugerindo que o estímulo mecânico induziu a diferenciação das células CMMHs à linhagem osteoblástica. A identificação dos genes que traduzem os estímulos mecânicos nas CMMHs e modulam a diferenciação osteogênica, têm projeção direta na medicina regenerativa através do desenvolvimento e aperfeiçoamento do enfoque de engenharia de tecidos funcionais.

Mecanobiología de la interfase hueso-implante dental / Mechanobiology of bone-dental implant interphase

La osteointegración es la conexión estructural y funcional entre el hueso y un implante. Cuando un implante se inserta en el hueso, se crea la denominada interfase hueso-implante, una zona de unión entre la superficie del biomaterial del implante y el hueso circundante. La cicatrización de esta interfase depende de las condiciones biológicas del hueso, las características de diseño del implante y la distribución de cargas entre hueso e implante. En este artículo se hace una revisión del proceso de cicatrización de la interfase hueso-implante para el caso de un implante dental. El objetivo es describir la secuencia de eventos biológicos iniciados con la lesión causada por la inserción del implante y que concluyen con la formación de nuevo hueso en la interfase. Esta descripción incluye una novedosa clasificación de los fenómenos mecánicos que intervienen durante el proceso de cicatrización de los tejidos lesionados. Esta descripción mecanobiológica de la interfase hueso-implante dental se utiliza para determinar las características más relevantes a tener en cuenta en la formulación de un modelo matemático de la osteointegración de implantes dentales(AU)

The osteointegration is the structural and functional connection between bone and implant. When an implant is inserted in bone, it creates the so-called bone-implant interphase, a joint zone between implant biomaterial surface and the surrounding bone. The healing of this interphase depends on bone biological conditions, characteristic of implant design and the distribution of loads between bone and implant. The aim of present article is to review of healing process of bone-implant interphase for a dental implant and also to describe the sequence of biological events beginning with lesion caused by implant insertion and leading to the formation of a new bone in the interphase. This description includes a novel classification of mechanical phenomena present in the healing process of tissues affected. This mechanobiological description of dental bone-implant interphase is used to determine the more significant features to be into account in formulation of a mathematical model of the osteointegration of dental implants(AU)