El mecanostato es un término que describe la forma en que la carga mecánica influye en la estructura ósea al cambiar la masa (cantidad de hueso) y la arquitectura (su disposición) para proporcionar una estructura que resista las cargas habituales con una cantidad económica de material. Como los cambios en el esqueleto se logran mediante los procesos de formación ( crecimiento óseo ) y reabsorción (pérdida ósea), el mecanostato modela el efecto de las influencias sobre el esqueleto de esos procesos, a través de sus células efectoras, osteocitos, osteoblastos y osteoclastos. El término fue inventado por Harold Frost : un cirujano ortopédico e investigador descrito extensamente en artículos que se refieren al paradigma de fisiología esquelética de Utah de Frost y Webster Jee [1] [2][3] [4] [5] en la década de 1960. El Mechanostat se define a menudo como una descripción práctica de la ley de Wolff descrita por Julius Wolff (1836-1902), pero esto no es completamente exacto. Wolff escribió sus tratados sobre el hueso después de que Culmann y von Meyer describieran imágenes de secciones óseas, quienes sugirieron que la disposición de los puntales (trabéculas) en los extremos de los huesos estaban alineados con las tensiones experimentadas por el hueso. Desde entonces se ha establecido que los métodos estáticos utilizados para esos cálculos de líneas de tensión eran inapropiados para trabajar en lo que eran, en efecto, vigas curvas, un hallazgo descrito por Lance Lanyon, un investigador líder en el área como "un triunfo de un buena idea sobre las matemáticas ". Si bien Wolff reunió el trabajo de Culmann y von Meyer, fue el científico francés Roux, quien utilizó por primera vez el término "adaptación funcional" para describir la forma en que el esqueleto se optimizó para su función, aunque a Wolff se le atribuye eso.
Según el Mechanostat, el crecimiento óseo y la pérdida ósea son estimulados por la deformación elástica, mecánica y local del hueso. La razón de la deformación elástica del hueso son las fuerzas máximas causadas por los músculos (por ejemplo, medibles mediante mecanografía ). La adaptación ( bucle de control de retroalimentación ) del hueso de acuerdo con las fuerzas máximas se considera un proceso de por vida. Por lo tanto, el hueso adapta sus propiedades mecánicas de acuerdo con la función mecánica necesaria: la masa ósea, la geometría del hueso y la resistencia del hueso (ver también Índice de tensión-deformación , SSI) se adaptan al uso / necesidades diarias. La "fuerza máxima" en este contexto es una simplificación de la entrada real al hueso que inicia los cambios adaptativos. Si bien la magnitud de una fuerza (el peso de una carga, por ejemplo) es un determinante importante de su efecto sobre el esqueleto, no es el único. La tasa de aplicación de la fuerza también es crítica. Las células óseas no experimentan la aplicación lenta de fuerza durante varios segundos como un estímulo, pero son sensibles a la aplicación muy rápida de fuerzas (como impactos) incluso de menor magnitud. Se cree que la vibración de alta frecuencia del hueso en magnitudes muy bajas estimula cambios, pero la investigación en el área no es completamente inequívoca. Está claro que los huesos responden mejor a la carga / ejercicio con espacios entre eventos individuales, de modo que dos cargas separadas por diez segundos de descanso son estímulos más potentes que diez cargas dentro de los mismos diez segundos.
Debido a este bucle de control, existe una relación lineal en el cuerpo sano entre el área de la sección transversal del músculo (como sustituto de las fuerzas máximas típicas que el músculo puede producir en condiciones fisiológicas) y el área de la sección transversal del hueso (como sustituto del hueso fuerza). [6] [7]
Estas relaciones son de inmensa importancia, especialmente para condiciones de pérdida ósea como la osteoporosis , ya que se puede utilizar un entrenamiento adaptado que utilice las fuerzas máximas necesarias sobre el hueso para estimular el crecimiento óseo y así prevenir o ayudar a minimizar la pérdida ósea. Un ejemplo de un entrenamiento tan eficaz es el entrenamiento con vibraciones o la vibración de todo el cuerpo .
Modelado y remodelación
Frost definió cuatro regiones de deformación elástica del hueso que tienen diferentes consecuencias en el circuito de control:
- Desuso:
Strain - Estado adaptado:
tensión entre alrededor de 800μStrain y alrededor de 1500μStrain: remodelación (reparación ósea) La masa ósea y la fuerza ósea se mantienen constantes (homeostasis: resorción ósea = formación de hueso). - Sobrecarga:
Deformación> circa 1500μ Deformación: Modelado (crecimiento óseo): aumenta la masa ósea y la resistencia ósea. - Fractura:
Deformación> alrededor de 15000μ Deformación: Deformación elástica máxima excedida, provocando fractura ósea.
Según esto, un hueso típico (p. Ej., La tibia ) tiene un margen de seguridad de aproximadamente 5 a 7 entre la carga típica (2000 a 3000 μ de deformación) y la carga de fractura (aproximadamente 15000 μ de deformación).
Los comentarios anteriores son todos una parte de cómo el esqueleto responde a la carga, porque los diferentes huesos del esqueleto tienen una variedad de entornos de tensión habituales (que abarcan magnitud, velocidad, frecuencia, períodos de descanso, etc.) y no son uniformes. Los números de la tabla son solo teóricos y pueden reflejar la respuesta del centro de un hueso largo en circunstancias específicas. Otras partes del mismo hueso y otros huesos del mismo individuo experimentan una carga diferente y se adaptan a ellos a pesar de los diferentes umbrales entre el desuso, el mantenimiento y la formación adaptativa. Además, la estructura ósea está controlada por una serie compleja de diferentes influencias, como el estado del calcio, los efectos de las hormonas, la edad, la dieta, el sexo, las enfermedades y los fármacos. Un hueso que experimenta lo que en algunas circunstancias se consideraría un estímulo para formar más material podría mantenerse a un nivel constante donde el calcio circulante era bajo, o la misma carga podría simplemente atenuar la cantidad de reabsorción experimentada en una persona mayor con un hueso. -enfermedad de atrofia.
Unidad: Cepa E
La deformación elástica del hueso se mide en μStrain . [2] [3] 1000μStrain = 0.1% de cambio en la longitud del hueso.
- Deformación E en longitud ly cambio de longitud Δ l :
Debe tenerse en cuenta que la resistencia ósea depende en gran medida de la geometría y la dirección de las fuerzas que actúan en relación con esta geometría. La carga de fractura por fuerzas axiales de la tibia, por ejemplo, es aproximadamente de 50 a 60 veces el peso corporal. La carga de fractura para fuerzas perpendiculares a la dirección axial es aproximadamente 10 veces menor.
Los diferentes tipos de huesos pueden tener diferentes umbrales de modelado y remodelación. El umbral de modelado de la tibia es de aproximadamente 1500 μStrain (0,15% de cambio de longitud), mientras que el umbral de modelado para partes de los huesos del cráneo es bastante diferente. Algunas partes del cráneo, como la mandíbula inferior, experimentan fuerzas y tensiones significativas durante la masticación, pero la cúpula del cráneo debe permanecer fuerte para proteger el cerebro, incluso si no experimenta lo que se consideraría tensiones estimulantes. En un estudio en el que se midieron las cepas en el cráneo de un ser humano vivo, se demostró que las cepas en el cráneo nunca excedieron 1/10 de la tensión máxima en la tibia del mismo individuo, con diferencias similares en las tasas de tensión. [8] Esto sugiere que los huesos del cráneo son muy sensibles a tensiones extremadamente bajas, o que la cantidad de hueso "de referencia genética" en el cráneo en lo que efectivamente está en desuso no se modifica por los efectos de la carga. Si los cráneos de los boxeadores son más gruesos que los de los individuos normales es una pregunta intrigante que no ha sido respondida.
Dado que las propiedades físicas y materiales del hueso no se alteran en los diferentes tipos de huesos del cuerpo, esta diferencia en el umbral de modelado da como resultado un aumento de la masa ósea y la resistencia ósea, por lo tanto, un mayor factor de seguridad (relación entre la carga de fractura y las cargas típicas). para el cráneo en comparación con la tibia. Un umbral de modelado más bajo significa que las mismas fuerzas diarias típicas dan como resultado un hueso "más grueso" y, por lo tanto, más fuerte en el cráneo.
Ejemplos de
Ejemplos típicos de la influencia de las fuerzas máximas y las deformaciones elásticas resultantes sobre el crecimiento óseo o la pérdida ósea son vuelos prolongados de astronautas y cosmonautas , así como pacientes con paraplejía debido a un accidente. Los períodos prolongados en caída libre no conducen a la pérdida de hueso del cráneo, lo que respalda la idea de que su hueso se mantiene por una influencia genética, no mecánica (el hueso del cráneo a menudo aumenta en vuelos espaciales a largo plazo, algo que se cree que está relacionado con cambios de líquido dentro del cuerpo).
Un paciente parapléjico en silla de ruedas que usa sus brazos pero no sus piernas sufrirá una pérdida masiva de músculos y huesos solo en sus piernas, debido a la falta de uso de las piernas. Sin embargo, los músculos y huesos de los brazos que se utilizan todos los días permanecerán iguales, o incluso podrían aumentar, según el uso. [9]
El mismo efecto se puede observar para los astronautas o cosmonautas de vuelos largos. [10] Si bien todavía usan sus brazos de una manera casi normal, debido a la falta de gravedad en el espacio no hay fuerzas máximas inducidas sobre los huesos de las piernas. En la tierra, los jugadores de deportes de raqueta a largo plazo experimentan efectos similares, donde el brazo dominante puede tener un 30% más de hueso que el otro debido a las aplicaciones asimétricas de fuerza.
Harold Frost aplicó el modelo Mechanostat no solo a los tejidos esqueléticos, sino también a los tejidos conectivos colágenos fibrosos, como los ligamentos, los tendones y la fascia. [11] [12] Describió su capacidad de respuesta adaptativa a la tensión en su "regla de estiramiento-hipertrofia":
- "El estiramiento intermitente hace que los tejidos colágenos se hipertrofien hasta que el aumento de fuerza resultante reduce el alargamiento de la tensión a un nivel mínimo". [13]
Similar a la capacidad de respuesta de los tejidos óseos, esta respuesta de adaptación ocurre solo si la tensión mecánica excede un cierto valor umbral. Harold Frost propuso que para los tejidos conectivos colágenos densos, el valor umbral relacionado es de alrededor del 4% de elongación por deformación. [14]
Literatura
- ^ Frost HM: Definición de osteopenias y osteoporosas: otra visión (con conocimientos de un nuevo paradigma) , Bone 1997, vol. 20, núm. 5, 385–391, PMID 9145234
- ^ a b Frost HM: El paradigma de la fisiología esquelética de Utah Vol. 1 , ISMNI, 1960
- ^ a b Frost HM: El paradigma de la fisiología esquelética de Utah Vol. 2 , ISMNI, 1960
- ^ Frost HM: El paradigma de fisiología esquelética de Utah: una descripción general de sus conocimientos sobre huesos, cartílagos y órganos de tejido colágeno , J Bone Miner Metab. 2000; 18: 305–316, PMID 11052462
- ^ Frost HM, Schoenau E .: La unidad músculo-hueso en niños y adolescentes: una descripción general , 2000, J. Pediatr Endorcrinol Metab 13: 571–590, PMID 10905381
- ^ Schoenau E., NeuC.M., Beck B., Manz F., Rauch F .: Contenido mineral óseo por área de sección transversal muscular como índice de la unidad funcional músculo-hueso , J Bone Mineral Res, Vol.17 , S.1095–1101, 2002, PMID 12054165
- ^ Schießl H., Frost HM, Jee WSS: Estrógeno y fuerza del músculo óseo y relaciones de masa , hueso, Vol.22, S.1-6, 1998, PMID 9437507
- ^ Hillam, Richard (18 de septiembre de 2015). "Las magnitudes y tasas de tensión máxima en la tibia superan en gran medida a las del cráneo: un estudio in vivo en un sujeto humano" . Revista de Biomecánica . 48 (12): 3292–3298. doi : 10.1016 / j.jbiomech.2015.06.021 . PMC 4601046 . PMID 26232812 .
- ^ Eser P. et al .: Relación entre la duración de la parálisis y la estructura ósea: un estudio pQCT de individuos con lesiones de la médula espinal , Bone, Vol.34, S.869-880, 2004, PMID 15121019
- ^ Blottner D., Salanova M., Püttmann B., Schiffl G., Felsenberg D., Buehring B., Rittweger J .: Estructura y función del músculo esquelético humano preservada por el ejercicio de vibración muscular después de 55 días de reposo en cama , Eur J. Appl Physiol, 2006, vol. 97, S. 261–271, doi : 10.1007 / s00421-006-0160-6PMID 16568340
- ^ Frost, Harold "Nuevos objetivos para la investigación de fascia, ligamentos y tendones: una perspectiva del paradigma de fisiología esquelética de Utah" J Musculoskel Neuron Interact 2003; 3 (3): 201–209
- ^ Frost, Harold "La fisiología del tejido cartilaginoso, fibroso y óseo. CC Thomas, 1972
- ^ Frost, Harold "La fisiología del tejido cartilaginoso, fibroso y óseo. CC Thomas, 1972, página 176
- ^ Frost, Harold "¿El cruzado anterior tiene un umbral de modelado? Un caso para la afirmativa". J Musculoskel Neuron Interact 2001; 2 (2): 131–136
enlaces externos
- ISMNI - Sociedad Internacional de Interacciones Musculoesqueléticas y Neuronales