Resumen
La evidencia sustancial de los estudios en animales indica que el salto aumenta la masa ósea y la fuerza. Sin embargo, la mayoría de los estudios se han centrado en el despegue, en lugar de la fase de aterrizaje de saltos. Por lo tanto, comparamos los efectos del aterrizaje y el impacto de salto ascendente sobre la masa ósea trabecular y la microarquitectura. Las ratas wistar masculinas de 10 semanas fueron asignadas aleatoriamente a los siguientes grupos: control sedentario (CON), saltos hacia arriba de 40 cm (40UJ); Saltos de caída de 40 cm (40dj); y saltos de caída de 60 cm (60dj) (n = 10 cada uno). El protocolo de salto ascendente comprendía 10 saltos/día ascendentes, 5 días/semana durante 8 semanas hasta una altura de 40 cm. El protocolo de salto de caída comprendía ratas de caída desde una altura de 40 o 60 cm a la misma frecuencia y período de tiempo que el grupo 40UJ. La masa ósea trabecular, la arquitectura y la mineralización en la metáfisis femoral distal se evaluaron mediante tomografía microcomputada. La fuerza de reacción de tierra (GRF) se midió utilizando una plataforma de fuerza. La masa ósea fue significativamente mayor en el grupo 40UJ en comparación con los grupos de DJ ( +49.1% y +28.3%, respectivamente), aunque el máximo GRF (−57.8% y -122.7%, respectivamente) y la fuerza de tiempo unitaria (−21.6% y −36.2%, respectivamente) fue significativamente más baja en el grupo 40UJ. Estos resultados mostraron que la masa ósea trabecular en ratas en crecimiento se incrementa de manera más efectiva por el despegue que por las fases de aterrizaje de saltos y sugiere que el estrés mecánico acompañado de la contracción muscular sería más importante que GRF como un estímulo osteogénico. Sin embargo, la relevancia de estos hallazgos para la fisiología ósea humana no está clara y requiere más estudio.
Introducción
Aunque el ejercicio se considera una de las mejores estrategias para mejorar la masa ósea y la fuerza, no todos los tipos de ejercicio son beneficiosos. Numerosos estudios en las últimas décadas han investigado qué tipos de ejercicio son más efectivos para aumentar la masa ósea y la resistencia. La actividad de alto impacto y con peso generalmente se aceptan como beneficiosos para fortalecer el hueso esquelético. Entre varios tipos de ejercicio en ratas, la carga de alto impacto, como el salto, parece ser más beneficioso para aumentar la masa ósea y la resistencia en lugar de la carga de bajo impacto, como correr (1), (2), (3).
El impacto transmitido al hueso de las extremidades posteriores durante los saltos se puede dividir en fases de despegue y aterrizaje. La fuerza de reacción de tierra máxima (GRF) generalmente se considera mayor durante el aterrizaje, que la fase de despegue (4), (5), (6). Por lo tanto, el impacto de aterrizaje se considera más beneficioso para la construcción de la masa ósea y el aumento de la fuerza que el impacto de despegue. Los efectos del aterrizaje (aterrizaje libre) se han investigado en la masa ósea y la resistencia en las ratas en crecimiento (7), (8), (9). Welch et al. (9) descubrió que el aterrizaje de caída libre produjo aumentos significativamente mayores en la resistencia, la geometría y la densidad en las extremidades anteriores de las ratas en crecimiento. Sin embargo, el ejercicio de salto hacia arriba en forma de saltos verticales desde la parte inferior hasta la parte superior de una tabla, sin GRF en el aterrizaje se ha aplicado más ampliamente como un modelo de ejercicio para promover la masa ósea, la resistencia y la estructura en los roedores (10), (11), (12), (13), (14). Welch et al. (9) También mostró que el aterrizaje de caída libre imparte mayores efectos osteogénicos a los huesos de la extremidad anterior que la extremidad posterior en las ratas (1). Su informe sugirió que el tipo de aterrizaje podría aumentar la masa ósea de manera más efectiva que el despegue, pero los efectos de las dos fases de salto no se han comparado directamente en el mismo hueso.
Postulamos que GRF sería más alto en el aterrizaje, que en la fase de despegue de saltos y que la masa ósea y la calidad en la extremidad ejercida se mejorarían de manera más efectiva por el aterrizaje, que el impacto de despegue. Probamos esta hipótesis comparando los efectos de los saltos hacia arriba y la caída sobre la masa ósea trabecular y la microarquitectura del fémur distal en ratas en crecimiento.
Materiales y métodos
Declaración de ética
Este estudio procedió en estricta conformidad con las recomendaciones descritas en la Guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud. El Comité para la Ética de los Experimentos de Animales en la Universidad de Bienestar Médico Kawasaki aprobó el protocolo experimental (número de permiso: 10-010). Las ratas se anestesiaron con pentobarbital sodio intraperitoneal (0,1 ml/100 g de peso corporal) y se sacrificaron por exsanguinación de la aorta abdominal al final del experimento.
Animales y diseño experimental
Las ratas wistar machos de nueve semanas (Clea Japón, Osaka, Japón), que pesaba 200–250 g al comienzo del experimento, se alojaron individualmente en jaulas de 20 × 33 × 14 cm en una habitación de animales ventilado sanitario bajo una temperatura controlada (22 ° C ± 1 ° C) y un ciclo de luz de luz de 12 h/12 h. Las ratas se aclimataron al medio ambiente y se les dio una dieta de chow de roedores de laboratorio MF estándar (Oriental Yeast Co. Ltd., Chiba, Japón) y agua ad libitum durante una semana antes de comenzar el experimento. Las ratas se pesaron y la ingesta de alimentos se midió diariamente antes del ejercicio. Después de una semana de aclimatación a la dieta y el nuevo entorno, las ratas se asignaron aleatoriamente a los siguientes grupos (n = 10 por grupo): controles sedentarios criados en la jaula de reproducción (Con), ratas que subieron a una altura de 40 cm (40UJ) y ratas que cayeron de una altura de 40 (40dj) o 60 (60DJ) cm. Después del sacrificio, se recogieron los músculos del sóleo y el gastrocnemio derecho de cada rata e inmediatamente se pesaron. La femora extirpada de cada rata se limpiaron de tejido blando y luego la longitud femoral se midió usando pinzas digitales. La femora derecha se almacenó a -40 ° C hasta el análisis utilizando tomografía microcomputada (Micro-CT) y la femora izquierda se fijaron en etanol al 70% para el análisis histomorfométrico.
Condiciones de ejercicio
Los saltos hacia arriba procedieron de acuerdo con nuestras publicaciones anteriores (11), (12), (13). Brevemente, las ratas en el grupo 40UJ se colocaron individualmente en la parte inferior de una caja de madera (Figura 1A) y luego se proporcionó inicialmente un estímulo eléctrico para obligarlos a saltar y comprender la parte superior de uno de los lados de la caja con las patas delanteras, subir sobre él y permanecer allí durante 11 segundos. Luego, un técnico colocó suavemente cada rata en el piso de la caja para repetir el procedimiento sin generar GRF sobre el peso corporal al aterrizar. Dado que las ratas rápidamente se condicionaron para saltar voluntariamente, no se requirió el estímulo eléctrico después de los primeros días. Las ratas saltaron hacia arriba 10 veces al día a una frecuencia de una vez por 11 segundos, 5 días por semana durante 8 semanas. La altura inicial de la caja fue de 25 cm y esto se incrementó progresivamente a 40 cm durante la primera semana.
(A) Las ratas saltaron verticalmente hacia arriba 40 cm desde la parte inferior hasta la parte superior de una caja 10 veces al día sin aterrizar. (B) Las ratas aterrizaron después de ser caídas 10 veces al día a través de un cilindro de plástico transparente de 40 o 60 cm de altura sin despegue.
Los saltos de caída procedieron como se describe con ligera modificación (9). En resumen, las ratas se dejaron caer a través del interior de un cilindro de plástico transparente (diámetro interno: 14.5 cm, diámetro exterior: 15.0 cm) que formó parte de un dispositivo diseñado interno (Figura 1B). El dispositivo fue diseñado de tal manera que las ratas aterrizarían en el suelo. Un experimento preliminar confirmó que las ratas realmente aterrizaron principalmente con las extremidades posteriores primero cuando se cayeron a través de este dispositivo. Las ratas en los grupos 40DJ y 60DJ se dejaron caer 10 veces al día en un piso desnudo desde una altura de 40 y 60 cm a la misma frecuencia y duración que el grupo 40UJ. La altura de caída de 40 cm se seleccionó para comparar con el grupo 40UJ. Dado que el grupo 40UJ comprendió la parte superior del tablero en 40 cm con sus extremidades anteriores y luego subió sobre él, la posición en la que comenzó la caída se ajustó para que sus extremidades anteriores se ubicaran a 40 cm sobre el suelo. La altura de caída de 60 cm fue seleccionada para exceder el impacto producido por el grupo 40DJ. La altura de caída inicial era de 25 cm como el grupo de salto 40UJ y aumentó progresivamente a 40 cm y 60 cm durante la primera semana. Las ratas fueron monitoreadas y los saltos se grabaron periódicamente utilizando una cámara de video de alta velocidad para verificar aterrizajes correctos y seguros.
Determinación de GRF
El GRF durante el despegue o el aterrizaje para cada ejercicio de salto se midió utilizando una plataforma de fuerza multicomponente tipo 9286A con dimensiones de 40 × 60 cm (Kistler, Winterthur, Suiza). Las señales de voltaje analógico de cada sensor de placa de fuerza se registraron a una velocidad de muestreo de 1000 Hz y se enviaron a un amplificador de placa de fuerza 9865E1Y28 (Kistler), donde se convirtieron en datos digitales utilizando un sistema PowerLab 16/30 ml880 y analizado usando el software Labchart 7 (Adinconsuments, Nagoya, Japón). El GRF se midió cuatro semanas después de que se inició el programa de salto. Los dispositivos de salto hacia arriba y de caída se instalaron sobre la plataforma de fuerza. Las ratas en el grupo 40UJ se colocaron en la plataforma de fuerza desde la cual saltaron 10 veces hacia arriba al borde superior de la caja. Las ratas 40DJ o 60DJ se cayeron 10 veces cada una desde una altura de 40 o 60 cm en la plataforma de fuerza utilizando un dispositivo de entrenamiento de salto de caída. Impulso, pico GRF, tiempo de contacto e impulso por tiempo de contacto (fuerza temporal de la unidad) de 10 saltos se promediaron y el GRF se normalizó por peso corporal (GRF/peso corporal). Peak GRF se determinó como el GRF más alto logrado durante el despegue y el aterrizaje para cada salto.
Medición de índices arquitectónicos 3D y densidad de mineralización del hueso esponjoso
La microarquitectura ósea trabecular y la mineralización se evaluaron utilizando un mini sistema de micro-CT ELE (Nittetsu Elex, Tokio, Japón) que tiene un tubo de rayos X con un microfocus (tamaño de mancha, 6 × 8 µm) y una resolución máxima de 4 µm (tamaño de píxel) (11), (12), (13). Todas las muestras se escanearon con una energía fuente de 45 kVp y 90 µA para maximizar el contraste entre el hueso y el tejido blando. Una placa de cobre de 0.1 mm sirvió como filtro de rayos X. El fémur derecho se colocó 2.8–3.0 mm proximal desde el extremo distal del fémur, incluido el borde entre la metáfisis distal y la placa de crecimiento. Adquirimos 300 rodajas tomográficas de espesor de 18.11 µm (aproximadamente 5.4 mm) e imágenes de CT reconstruidas con un tamaño de píxel de 18.11 µm en 512 × 512 matrices.
Los índices microestructurales y la densidad de mineralización del hueso trabecular se calcularon utilizando el software de análisis estructural óseo TRI/3D-Bon (Ratoc System Engineering, Tokio, Japón). Un volumen de interés (VOI) para cada fémur se definió como 120 rebanadas por encima de la porción más proximal de la placa de crecimiento (Figura 2). Las imágenes de escala de grises resultantes se segmentaron usando un filtro medio 3 × 3 para eliminar el ruido, y se fijó un umbral para extraer la fase ósea mineralizada. Las pequeñas partículas aisladas en el espacio de la médula y los agujeros pequeños aislados en el hueso se eliminaron usando un algoritmo de etiqueta de racimo. El hueso cortical y trabecular se separó posteriormente por contornos dibujados semiautomáticamente y luego se calcularon los índices estructurales. Los siguientes parámetros morfométricos 3D se calcularon midiendo distancias en 3D directamente en la red trabecular (15): Volumen total de médula ósea que incluye trabéculas (TV; mm3), volumen de hueso trabecular (bv; mm3), fracción de volumen óseo trabecular (BV/TV; %), número trabecular medio (TB.N;/mm), grosor trabecular medio (TB.TH; µm) y separación trabecular media (TB.SP; µm). Grados de mineralización ósea trabecular (densidad de mineralización; mg/cm3) se midieron como se describe (16). El número de CT se convirtió en densidad de mineralización ósea usando una curva de calibración obtenida de la densidad mineral ósea (DMO) medido usando un fantasma de hidroxiapatita (6 × 1 mm; 200 a 800 mg/cm3; Kyoto Kagaku, Kyoto, Japón) y el grado promedio de mineralización se midió en la región de interés. La TC evaluó los fantasmas de la DMO en las mismas condiciones que el hueso real.
