Evidencia original directa (dinamométrico-tomográfica) de la influencia sitio-específica de la musculatura sobre la estructura ósea: hacia una concepción más amplia del mecanostato / Original dynamometric and tomographic evidence of site-specific muscle effects on bone structure: towards a wider scope on the bone mechanostat concept

Para analizar el impacto directo de la musculatura sobre la estructura ósea se determinaron el área (CtA), la densidad mineral ósea volumétrica (vDMOc) y los momentos de inercia corticales para flexión anteroposterior y lateral (MIap, MIlat) ajustados a CtA, y las relaciones entre MI y vDMOc (de Ê»distribución/calidadʼ, d/c, que describen la eficiencia de la optimización biomecánica del diseño cortical por el mecanostato) en 18 cortes seriados a lo largo de todo el peroné del lado hábil (pQCT), y la fuerza de salto y de rotación externa del pie (dinamometría computarizada) de 22 hombres sanos de 18 a 33 años entrenados en fútbol competitivo por más de 4 años, y de 9 controles etarios no entrenados. Los entrenados tuvieron valores más altos de MI en función de la fuerza de rotación del pie (no de salto), con un ajuste homogéneo para MIap pero variable (más pobre distalmente y más alto proximalmente, en la región de inserción de los peroneos) para MIlat, coincidiendo este último con pobres ajustes de las relaciones d/c (efecto arquitectónico independiente de la rigidez del tejido). Esto evidencia la influencia directa de la tracción de la musculatura peronea sobre la estructura cortical proximal subyacente del hueso y también sugiere que el mecanostato procedería, en este caso, fuera de su conocida concepción como mecanismo regulatorio de la resistencia ósea. (AU)

To analyze the direct impact of muscle contractions on the structure of bones, we determined the cortical cross-sectional area (CtA), volumetric mineral density (vBMDc) and the CtA-adjusted moments of inertia for anterior-posterior and lateral bending (MIap, MIlat), and the ʻdistribution/qualityʼ (d/c) relationships between MIs and vBMDc (which describe the efficiency of the biomechanical optimization of cortical design by bone mechanostat) in 18 serial scans taken throughout the fibula of the dominant side (pQCT), and the jump and the foot-lateral-rotation forces (computed dynamometry) of 22 healthy men aged 18-33 years, who had been trained in competitive soccer for more than 4 years, and of 9 untrained, agematched controls. Trained individuals showed higher MI values as a function of the rotative force of the foot (not the jumping force). The adjustment of these relationships was homogeneous for MIap throughout the bone, but variable (poorer distally and higher proximally, at the insertion area of peroneus muscles) for MIlat, this latter being paralleled by poor adjustments of the corresponding, d/c relationships (architectural effect independent of tissue stiffness). These findings,1. Show the direct influence of the traction force of peroneal muscles on proximal fibula structure close to the insertion area, and 2. Suggest that, in the studied conditions, the bone mechanostat would proceed beyond its known conception as a regulatory mechanism of structural bone strength. (AU)

Biomecánica de las fracturas por stress / Biomechanical features of stress fractures

Se define como estrés (stress) tanto la fuerza que una carga externa ejerce sobre un cuerpo sólido como la fuerza reactiva que acompaña a la primera (Ley de Newton), por unidad de área imaginaria transversal a su dirección. Las cargas internas reactivas inducen deformaciones proporcionales del cuerpo. La resistencia del cuerpo a deformarse se llama rigidez. La deformación puede resquebrajar el cuerpo y, eventualmente, producir una fractura por confluencia de trazos. La resistencia del cuerpo a separarse en fragmentos por esa causa se llama tenacidad. La resistencia del cuerpo a la fractura es proporcional al stress que puede soportar sin separarse en fragmentos por deformación (no hay fractura sin deformación y sin stress previo). El stress máximo que un cuerpo puede soportar sin fracturarse resulta de una combinación de ambas propiedades: rigidez y tenacidad, cada una con distintos determinantes biológicos. Una o varias deformaciones del cuerpo pueden provocarle resquebrajaduras sin fracturarlo. La acumulación de resquebrajaduras determina la "fatiga" del material constitutivo del cuerpo, que reduce su rigidez, tenacidad y resistencia a la fractura para la próxima ocasión ("fragilidad por fatiga"). En el caso de los huesos, en general, los términos stress y fatiga tienen las connotaciones amplias referidas, respecto de todas las fracturas posibles. La fatiga predispone a fracturas a cargas bajas, que se denominan (correctamente) "fracturas por fatiga" y también (incorrectamente) "fracturas por stress", para distinguirlas de las que ocurren corrientemente, sin resquebrajaduras previas al trauma, que se denominan (incorrectamente) "fracturas por fragilidad, o por insuficiencia". En realidad, todas las fracturas se producen por stress y por fragilidad o insuficiencia (en conjunto); pero la distinción grosera entre fracturas "por fatiga, o por stress", por un lado, y "por fragilidad" o "por insuficiencia", por otro, aceptando las amplias connotaciones referidas antes, tiene valor en la práctica clínica. Este artículo intenta explicar esas particularidades biomecánicas y describir las distintas condiciones que predisponen a las fracturas "por fatiga o por stress" en la clínica, distinguiéndolas de las fracturas "por fragilidad o por insuficiencia" (manteniendo estas denominaciones) y detallando las características de interés directo para su diagnóstico y tratamiento. (AU)

The term "stress" expresses the force exerted by an external load on a solid body and the accompanying, opposed force (Newton's Law), expressed per unit of an imaginary area perpendicular to the loading direction. The internal loads generated this way deform (strain) proportionally the body's structure. The resistance of the body to strain expresses its stiffness. Critical strain magnitudes may induce micro-fractures (microdamage), the confluence of which may fracture the body. The body's resistance to separation into fragments determines its toughness. Hence, the body's resistance to fracture is proportional to the stress the body can support (or give back) while it is not fractured by the loadinduced strain (no stress, no strain -> no fracture). Therefore, the maximal stress the body can stand prior to fracture is determined by a combination of both, its stiffness and its toughness; and each of those properties is differently determined biologically. One or more deformations of the body may induce some microdamage but not a fracture. Microdamage accumulation determines the fatigue of the material constitutive of the body and reduces body's toughness, leading to a "fatigue-induced fragility". In case of bones, in general, both stress and fatigue have the referred, wide connotations, regarding any kind of fractures. In particular, bone fatigue predisposes to low-stress fractures, which are named (correctly) "fatigue fractures" and also misnamed "stress fractures", to distinguish them from the current fractures that occur without any excess of microdamage, that are named (wrongly) "fragility" or "insufficiency" fractures. In fact, all fractures result from all stress and fragility or insufficiency as a whole; however, the gross distinction between "fatigue or stress fractures", on one side, and "fragility or insufficiency fractures", on the other, accepting the wide connotations of the corresponding terminology, is relevant to clinical practice. This article aims to explain the above biomechanical features and describe the different instances that predispose to "fatigue or stress fractures" in clinical practice, as a different entity from "insufficiency or fragility fractures" (maintaining this nomenclature), and describe their relevant features to their diagnosis and therapy. (AU)

Importancia del entorno mecánico en la determinación biológica de la estructura ósea. Actualización del tema y análisis piloto de datos de individuos sedentarios y corredores / Importance of the mechanical environment in the biological determination of bone structure. Update on the matter and preliminary analysis of data from sedentary individuals and runners

Este trabajo consta de dos secciones, que, en orden didáctico, exponen I. una actualización del conocimiento elemental actual sobre interrelaciones biomecánico-estructurales entre los huesos y su entorno mecánico, y II. unaaplicación de esos conceptos al análisis y a la interpretación de datos tomográficos de varios indicadores osteomusculares obtenidos de individuos que sobrellevan habitualmente distintas intensidades de actividad física. En la sección de actualización, se destaca que el desarrollo de los esqueletos está determinado, en todos los vertebrados, por factores morfogenéticos y epigenéticos, y que, de estos últimos, prácticamente sólo intervienenmoduladores mecánicos y endocrinometabólicos. Los moduladores mecánicos tienen efectos direccionales, y constituyen el input del mecanostato óseo, un sistema que regula la única propiedad ósea cibernéticamente controlada en todos los esqueletos: la rigidez estructural de cada hueso, con alta especificidad regional. Los moduladores endocrinometabólicostienen efectos sistémicos, no direccionales, que modulan la mayoría de las funciones y propiedades óseas, pero que no participan en la regulación retroalimentada de ninguna de ellas. Se añade una referencia técnica a la metodología de pQCT que fundamentasu aplicabilidad al análisis del estadoosteo-muscular humano de acuerdo conesas nuevas ideas. En la sección de aplicaciones clínicas, se presentanalgunos estudios tomográficos (pQCT)recientes de la tibia, efectuados en forma preliminar en varones y mujeres adultos, sanos, de hábitos sedentarios o crónicamente entrenados en carrera de larga distancia.

Los huesos son estructuras genéticas, metabólicas, biomecánicas, o todo a la vez? / The bones are genetic structures, metabolic, biomechanical, or all at once?

En las últimas décadas, nuestro grupo de trabajo ha contribuido a desarrollar algunas de las nuevas ideas sobre las verdaderas características estructurales que definen la llamada ôcalidad óseaõ, y sus relaciones con sus determinantes genéticos y con la influencia de los entornos mecánico y sistémico que afectan a las células óseas.La moderna corriente es suficientementeimportante como para haber desviadoel interés de los sponsors internacionales de estudios clínicos controlados. El antiguo estudio densitométrico de masas mineralizadas, y el análisis bioquímico de indicadores del turnover óseo, ceden prioridad hoy al estudio de imágenes seccionales osteo-musculares con criterio biomecánico, y al análisis de las interacciones músculo-hueso. Este conocimiento configura ya una unidadconceptual suficientemente coherentecomo para ser divulgado en forma integrada, para uso del médico práctico. Pese a la obvia complejidad del marco teórico del tema en cuestión, los aspectos más relevantes de la nueva corriente de pensamiento para la correcta interpretación de la Osteología moderna pueden resumirse en 13 puntos críticos, cada uno de ellos defácil comprensión si se lo analiza por separado. A continuación se expone una secuencia didáctica de esos 13 puntos, que enumera y describe, para cada uno de ellos, una triada de aspectos fundamentales para su comprensióny asimilación a la nueva corriente, y deriva de ellos un mensaje práctico para su aplicación fisiopatológica, clínica, o terapéutica.

Interacción entre la nutrición y el control biomecánico de la estructura ósea / Interaction between nutrition and the biomechanical control of bone structure

Nuevos desarrollos en osteología están ejerciendo impacto sobre la interpretación de algunos aspectos nutricionales de la fisiopatología, el diagnóstico y el tratamiento de todas las enfermedades que reducen la masa o la resistencia esquelética. En general, esos conceptos se refieren principalmente a 1. los diferentes niveles de complejidad biológica de las estructuras esqueléticas;2. los verdaderos determinantes de las propiedades biomecánicas del hueso y de los huesos;3. la forma como los huesos se autoensamblan;4. el control biológico de la eficiencia biomecánica de la estructura ósea;5. los efectos del entorno mecánico sobre la expresión de los determinantes genéticos de las características estructurales óseas, y 6. la interferencia de factores sistémicos (no-direccionales), endocrino-metabólicos, sobre el control biomecánico de la rigidez y la resistencia óseas. Este trabajo ofrece una visión general de esas cuestiones, focalizada en los fundamentos necesarios para interpretar el papel de la nutrición en la fisiología y fisiopatología óseas, y las interferencias nutricionales con los correspondientes mecanismos.

Hacia un diagnostico antropometrico de las osteopenias y un diagnostico biomecanico de las osteoporosis / Toward an anthropometric diagnosis of osteopenias and a biomechanical diagnosis of osteoporoses

The current (metabolic) conception of bone-weakening diseases regards bone strength as determined by a systemically-controlled "mineralized mass" which grows until it reaches a peak and then is lost at individually-specific rates. This concept disregards bone biomechanics. Skeletons are structures, it reaches of which depends on the stiffness and the spatial distribution rather than the volume of the calcified material. Rather than allowing a systemic regulation of their "mass" as a way to optimize their strength, bones autocontrol their stiffness by orienting bone formation and destruction as locally determined by the directional sensing, by osteocytes, of the strains caused by mechanical usage (gravity, muscle contractions). Bone mass and strength are just side products of that control. Endocrine-metabolic systems modulate non-directionally the work of bone cells as required for achieving a mineral equilibrium, despite the biomechanical controls, and can determine osteopenias and osteoporoses. Osteoporoses are not "intense osteopenias" (as per the current WHO's conception) but "osteopenic bone fragilities" (as recently stated by the NIH). The diagnosis of osteopenia is an anthropometric problem that can be solved densitometrically; but that of bone fragility is a biomechanical matter that requires evaluation of bone material's stiffness and distribution by other means ("resistometry"). For therapeutic purposes, osteopenias and osteoporoses should be also evaluated according to the relationship between bone mass or strength and muscle mass or strength in order to distinguish between "mechanical" (disuse) and "metabolic" etiologies (intrinsic bone lesion, or systemic disequilibrium), in which the bone/muscle proportionality tends to remain normal or to deteriorate, respectively.

Efectos de los bisfosfonatos sobre la eficiencia mecanica de esqueletos normales u osteopenicos / Effects of bisphosphonates on the mechanical competence of normal and osteopenic skeletons

La calidad mecánica de cualquier hueso está determinada por la rigidez (micro-arquitectura, grado de calcificación, microfracturas) y distribución espacial (macro-arquitectura) de su material cortical (en cualquier hueso) y trabecular (sólo en cuerpos vertebrales), resultantes de una combinación de modelación y remodelación óseas. Estos procesos están regulados direccionalmente por el "mecanostato" óseo, sistema retroalimentado cuyo estímulo proviene del uso mecánico regional del esqueleto, y cuyo punto de referencia está permanentemente modulado (no regulado) en forma sistémica por el entorno endocrino-metabólico. Todos los tratamientos medicamentosos en uso para las osteopatías, fragilizantes, incluyendo los bisfosfonatos actúan únicamente modificando no-direccionalmente este último factor. Por eso, sus resultados dependen del grado de estimulación del mecanostato por el uso, y sólo pueden estimarse determinando parßmetros de calidad material y de eficiencia arquitectónica ósea. Los bisfosfonatos mejoran la eficiencia mecánica ósea por inhibir la remodelación (que usualmente arroja balances negativos de masa) afectando, en algún grado (menor para los productos de más cercana generación), la mineralización del material rígido. En nuestro medio contamos con tres productos con efectos biomecánicos óseos positivos demostrados: pamidronato, olpadronato y alendronato. En animales intactos, los tres mejoran la macro-arquitectura ósea a cualquier dosis, aunque el pamidronato deteriora la mineralización del material a dosis muy altas. En animales ooforectomizados o inmovilizados, los tres protegen contra la repercusión biomecánica negativa de la osteopenia impidiendo el deterioro de la calidad del material y sin alterar el diseño arquitectónico óseo. También potencian o prolongan los efectos anabólicos óseos de la hPTH. Sus ventajas terapéuticas se fundan en que ninguno de los tres perturba el accionar del mecanostato, dejando intactos los mecanismos regulatorios de la eficiencia mecánica de la estructura ósea por el uso mecánico, o incluso potenciándolos sistémicamente (efecto anti-catabólico). Esta característica explica que sus efectos dependan mucho del uso mecánico del esqueleto en las regiones que se desea mejorar. Está aun por definirse si una inhibición demasiado intensa o prolongada de la remodelación por los bisfosfonatos pudiera deteriorar o no la reparación de microfracturas que la misma provee, con consecuencias biomecánicas potencialmente...

Toxicología preclínica de bisfosfonatos / Preclinical toxicology of bisphosphonates

Los bisfosfonatos regulan el recambio óseo por inhibición de la reabsorción óssea osteoclástica. Sus características farmacodinémicas y farmacocinéticas les confieren un particular perfil fármaco-toxicológico, determinado en gran parte por su alto grado de especialidad escasa o nula distribución en tejidos blandos, fuerte afinidad por tejidos calcificados. Los estudios de toxicología preclínica, cuyo objetivo principal es localizar el o los órganos blanco de toxicidad y estimar el margen de seguridad de un "candidato a agente terapéutico" en animales de experimentación, permiten extraer conclusiones generales que, en el caso de los bisfosfonatos, se avalan con resultados propios y obtenidos en la literatura. Se consideran distintos integrantes de este grupo farmacológico: Alendronato, Clodronato, Etidronato, Olpadronato, Pamidronato. En general, deben administrarse dosis muy altas de bisfosfonatos para la observación, en grado e incidencia variable, de efectos tóxicos extraesqueléticos: reacción local, hipocalcemia- y sus consecuencias sobre el sistema cardiovascular y la posibilidad de tetania-, afectación de las estructuras dentarias y disfunción renal. La mayoría de estos efectos pueden atribuirse a la escasa solubilidad en fluídos biológicos, a la formación de complejos con el ión calcio, a su potente efecto inhibitorio de la reabsorción ósea endógena o inducida y a su principal vía de excreción. Otros efectos tóxicos (oculares, pulmonares, hepáticos), pueden relacionarse con excesivas dosis reiteradas. Si se considera la cantidad total de Olpadronato administrada a distintas especies animales en estudios toxicológicos y en modelos experimentales farmacodinámicos (osteopenias por deprivación estrogénica e inmovilización, hipercalcemia inducida por retinoides), se puede estimar un margen de seguridad de 200-300:1 entre las dosis "tóxicas" y "farmacológicas". Si las dosis tóxicas en animales se relacionan con las máximas propuestas para humanos, la relación asciende a 300 - 1000:1 dependiendo de la patología y la vía de administración consideradas. Con respecto a su efecto óseo, los datos experimentales con los nuevos bisfosfonatos sugieren un marcado alejamiento entre dosis activas farmacológicamente y aquellas que producen defectos en la mineralización ósea. La exagerada inhibición del remodelamiento óseo, producto del empleo de altas dosis en animales normales, es la natural consecuencia del efecto farmacológico de este tipo de compuestos. ...