RESUMEN
La concepción original del mecanostato como un regulador de la rigidez estructural ósea orientado a mantener un determinado 'factor de seguridad' en todos los esqueletos parece no corresponder por igual a cualquier hueso y para cualquier tipo de estímulo. Hemos descubierto que la estructura cortical diafisaria del peroné humano manifiesta un comportamiento ambiguo del sistema, referido al uso del pie. La diáfisis peronea, además de ser insensible al desuso, se rigidiza, como sería de esperar, por entrenamientos en disciplinas deportivas que rotan o revierten el pie (hockey, fútbol, rugby); pero, llamativamente, se flexibiliza en su mitad proximal por entrenamiento en carrera larga, que optimiza el rendimiento del salto que acompaña a cada paso. La referida rigidización robustecería la región peronea de inserción de los músculos que rotan o revierten el pie, favoreciendo la locomoción sobre terrenos irregulares o 'gambeteando', propia de especies predadoras como los leopardos. La 'inesperada' flexibilización proximal, pese a reducir la resistencia a la fractura por flexión lateral (poco frecuente en el hombre), favorecería la absorción elástica de la energía contráctil de la musculatura inserta, optimizando el rendimiento del salto al correr, condición vital para especies presas como las gacelas. La falta de analogía de estas respuestas de la estructura peronea a distintos entrenamientos, incompatible con el mantenimiento de un factor de seguridad, sugiere su vinculación preferencial con la optimización de aptitudes esqueléticas con valor selectivo. Esto ampliaría el espectro regulatorio del mecanostato a propiedades esqueléticas 'vitales', más allá del control de la integridad ósea. Su manifestación en el hombre, ajena a connotaciones selectivas (quizá resultante del mantenimiento de genes ancestrales), permitiría proponer la indicación de ejercicios orientados en direcciones preferenciales a este respecto, especialmente cuando estas coincidieran con las de las fuerzas que podrían fracturar al hueso. (AU)
The original notion of the mechanostat as a regulator of bone structural rigidity oriented to maintain a certain 'safety factor' in all skeletons does not seem to correspond equally to every bone and for any type of stimulus. We have discovered that the diaphyseal cortical structure of the human fibula shows an ambiguous behavior of the system, with reference to the use of the foot. The peroneal shaft, in addition to being insensitive to disuse, becomes stiffened, as might be expected, by training in sport disciplines that involve rotating or reversing the foot (hockey, soccer, rugby); but, remarkably, it becomes more flexible in its proximal half by long-distance running training, which optimizes the performance of the jump that accompanies each step. The stiffening would strengthen the peroneal region of insertion of the muscles that rotate or reverse the foot, favoring locomotion on uneven terrain or 'dribbling', typical of predatory species such as leopards. The 'unexpected' proximal flexibilization, despite reducing the resistance to lateral flexion fracture (rare in human), would favor the elastic absorption of contractile energy from the inserted muscles, optimizing jumping performance when running, a vital condition for prey species such as gazelles. The lack of analogy of these responses of the peroneal structure to different training, incompatible with the maintenance of a safety factor, suggests its preferential link with the optimization of skeletal aptitudes with selective value. This would expand the regulatory spectrum of the mechanostat to 'vital' skeletal properties, beyond the control of bone integrity. Its manifestation in humans, oblivious to selective connotations (perhaps resulting from the maintenance of ancestral genes), would make it possible to propose the indication of exercises oriented in preferential directions, especially when they coincide with the direction of the forces that could fracture the bone. (AU)
Asunto(s)
Humanos , Animales , Deportes/fisiología , Huesos/fisiología , Ejercicio Físico/fisiología , Peroné/fisiología , Pie/fisiología , Fútbol/fisiología , Atletismo/fisiología , Fenómenos Biomecánicos , Fracturas Óseas/prevención & control , Peroné/anatomía & histología , Fútbol Americano/fisiología , Hockey/fisiologíaRESUMEN
La "razón de ser" de nuestros huesos y esqueletos constituye un dilema centralizado en los conceptos biológicos de "estructura" y "organización", cuya solución necesitamos comprender para interpretar, diagnosticar, tratar y monitorear correctamente las osteopatías fragilizantes. Últimamente se ha reunido conocimiento suficiente para proponer aproximaciones razonables a ese objetivo. La que exponemos aquí requiere la aplicación de no menos de 6 criterios congruentes: 1) Un criterio cosmológico, que propone un origen común para todas las cosas; 2) Un criterio biológico, que explica el origen común de todos los huesos; 3) Un enfoque epistemológico, que desafía nuestra capacidad de comprensión del concepto concreto de estructura y del concepto abstracto de organización, focalizada en la noción rectora de direccionalidad espacial; 4) Una visión ecológica, que destaca la importancia del entorno mecánico de cada organismo para la adecuación de la calidad mecánica de sus huesos a las "funciones de sostén" que les adjudicamos; 5) Una correlación entre todo ese conocimiento y el necesario para optimizar nuestra aptitud para resolver los problemas clínicos implicados y 6) Una jerarquización del papel celular en el manejo de las interacciones genético-ambientales necesario para asimilar todo el problema a una simple cuestión de organización direccional de la estructura de cada hueso. Solo aplicando estos 6 criterios estaríamos en condiciones de responder a la incógnita planteada por el título. La conclusión de esta interpretación de la conducta y función de los huesos debería afectar el fundamento de la mayoría de las indicaciones farmacológicas destinadas al tratamiento de la fragilidad ósea. (AU)
The nature of the general behavior of our bones as weight-bearing structures is a matter of two biological concepts, namely, structure and organization, which are relevant to properly interpret, diagnose, treat, and monitor all boneweakening diseases. Different approaches can be proposed to trace the corresponding relationships. The one we present here involves six congruent criteria, namely, 1) a cosmological proposal of a common origin for everything; 2) a biological acknowledgement of a common origin for all bones; 3) the epistemological questioning of our understanding of the concrete concept of structure and the abstract notion of organization, focused on the lead idea of directionality; 4) the ecological insight that emphasizes the relevance of the mechanical environment of every organism to the naturally-selected adjustment of the mechanical properties of their mobile bones to act as struts or levers; 5) The clinical aspects of all the alluded associations; 6) The central role of bone cells to control the genetics/ environment interactions of any individual as needed to optimize the directionality of the structure of each of his/her bones to keep their mechanical ability within physiological limits. From our point of view, we could only solve the riddle posed by the title by addressing all of these six criteria. The striking conclusion of our analysis suggests that the structure (not the mass) of every bone would be controlled not only to take care of its mechanical ability, but also to cope with other properties which show a higher priority concerning natural selection. The matter would be that this interpretation of bone behavior and 'function' should affect the rationales for most pharmacological indications currently made to take care of bone fragility. (AU)
Asunto(s)
Humanos , Huesos/fisiología , Enfermedades Óseas Metabólicas/diagnóstico , Osteogénesis Imperfecta/diagnóstico , Osteogénesis Imperfecta/terapia , Osteoporosis/diagnóstico , Osteoporosis/terapia , Huesos/anatomía & histología , Huesos/citología , Huesos/ultraestructura , Enfermedades Óseas Metabólicas/terapia , Epigénesis GenéticaRESUMEN
La expansión modeladora de la geometría cortical de un hueso inducida por su entorno mecánico podría ser difícil de modificar por estímulos ulteriores con diferente direccionalidad. Este estudio, que por primera vez combina datos tomográficos del peroné (pQCT) y dinamométricos de la musculatura peronea lateral, intenta demostrar que, en individuos jóvenes no entrenados, el entrenamiento en fútbol produce cambios geométricos peroneos expansivos, similares a los del rugby, que podrían interferir en los efectos de un entrenamiento ulterior direccionalmente diferente (carrera larga). Confirmando la hipótesis, los resultados indican, con evidencias originales, 1) la relevancia creciente del uso del pie (rotación externa y eversión provocadas por los peroneos laterales) para la determinación de la geometría peronea (incremento del desarrollo de los indicadores de masa y de diseño óseos), evidenciada por la secuencia creciente de efectos: carrera < fútbol < rugby; 2) la predominancia de esos efectos sobre el desarrollo centro-proximal del peroné para resistir a la flexión lateral, y en la región distal para resistir el buckling (principal sitio y causa de fractura del hueso) y 3.) la relevancia de la anticipación de esos efectos para interferir en la manifestación de los cambios producidos por un entrenamiento ulterior (carrera), cuando los del primero (fútbol) afectan la modelación cortical de modo expansivo. Esta última deducción demuestra, en forma inédita, que un cambio modelatorio expansivo tempranamente inducido sobre la estructura cortical ósea 'delimitaría el terreno'para la manifestación de cualquier otro efecto ulterior por estímulos de distinta direccionalidad. (AU)
The modeling-dependent, geometrical expansion of cortical bone induced by the mechanical environment could be hard to modify by subsequent stimulations with a different directionality. The current study aimed to demonstrate that in young, untrained individuals, training in soccer or rugby enhances the geometric properties of the fibula cortical shell in such a way that the geometrical changes could interfere on the effects of a second training in which the loads are induced in a different direction, e.g. long-distance running. The original findings reported herein confirm our hypothesis and support 1) The relevance of the use of the foot (external rotation and eversion produced by peroneus muscles) to determine fibula geometry (improved development of indicators of bone mass and design) as evidenced by the increasing nature of the effects induced by running < soccer < rugby trainings; 2) The predominance of those effects on the ability of the fibula to resist lateral bending in the centralproximal region (insertion of peroneus muscles), and to resist buckling in the distal region (the main cause and site of the most frequent bone fractures), and 3) The interaction of the effects of a previous training with those of a subsequent training with a different orientation of the loads when the former induced a modeling-dependent expansion of the cortex. Our results support the proposed hypothesis with original arguments by showing that a first, expansive effect induced on cortical bone modeling would set the stage the manifestation of any subsequent effect derived from mechanical stimuli. (AU)
Asunto(s)
Humanos , Masculino , Adolescente , Adulto , Adulto Joven , Ejercicio Físico/fisiología , Peroné/crecimiento & desarrollo , Carrera/fisiología , Fútbol/fisiología , Deportes/fisiología , Tomografía , Densidad Ósea , Fracturas Óseas/prevención & control , Fuerza Muscular/fisiología , Dinamómetro de Fuerza Muscular , Peroné/diagnóstico por imagen , Hueso Cortical/diagnóstico por imagen , Pie/crecimiento & desarrollo , Pie/fisiología , Pie/diagnóstico por imagen , Fútbol Americano/fisiologíaRESUMEN
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)