ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΜΥΟΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΛΕΙΨΗΣ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ

ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΜΥΟΣΚΕΛΕΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΛΕΙΨΗΣ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ Dr ΚΩΝ/ΝΟΣ ΔΙΟΝ. ΣΤΑΘΟΠΟΥΛΟΣ M.D. Ph.D ΟΡΘΟΠΑΙΔΙΚΟΣ ΧΕΙΡΟΥΡΓΟΣ ΔΙΔΑΚΤΩΡ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΠΑΝΕΠIΣΤΗΜΙΟΥ ΑΘΗΝΩΝ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΣΚΕΛΕΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΕ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΛΕΙΨΗΣ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ ΑΝΤΙ-ΜΕΤΡΑ ΣΤΙΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΕΛΛΕΙΨΗΣ ΒΑΡΥΤΗΤΑΣ ΕΠΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΟ ΒΑΡΥΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΤΗΣ ΓΗΣ

ΣΚΕΛΕΤΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ WOLFF S LAW (1892): Τα οστά αντιλαµβάνονται τα φορτία που δέχονται και µεταβάλλουν τη δοµή τους για να καλύψουν τις ανάγκες στη φόρτιση: Η ΔΟΜΗ ΠΡΟΣΑΡΜΟΖΕΤΑΙ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ. Η µάζα και ο προσανατολισµός του σπογγώδους οστού προσαρµόζεται στο µηχανικό φορτίο που δέχεται το οστούν.

ASBMR Harold M. Frost Young Investigator Award - Τηε χοντριβυτιονσ οφ Ηαρολδ Μ. Φροστ το τηε φιελδ οφ βονε ανδ µινεραλ ρεσεαρχη ηαϖε λεφτ αν ινδελιβλε µαρκ ον τηε χυρρεντ υνδερστανδινγ οφ σκελεταλ ηεαλτη ανδ δισεασε. Harold Frost's ideas transformed the face of skeletal biology and orthopedic science and he is regarded by many as being the most influential theoretician in skeletal biology of the 20th century. - Ηαρολδ Φροστ δεϖελοπεδ τηε προχεσσ οφ θυαντιτατιϖε βονε ηιστοµορπηοµετρψ, δισχοϖερεδ τηε ιντερµεδιαρψ οργανιζατιον οφ βονε ανδ σηεδ τηεορετιχαλ ινσιγητσ ιντο τηε αδαπτατιον οφ βονε το µεχηανιχαλ φορχεσ ανδ ηορµονεσ.

MECHANICAL AGENTS Body Weight, Force of Gravity Muscular Strength NON-MECHANICAL AGENTS Hormones, Vitamins Cytokines, Growth Factors + MEDICATIONS! BONE CELLS BONE GROWTH BONE MODELING BONE REMODELING BONE HOMEOSTASIS MINERAL HOMEOSTASIS

Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΟΣΤΑΤΗ (ΗΑΡΟΛΔ ΦΡΟΣΤ: ΜΕΧΗΑΝΟΣΤΑΤ) Ρελατιον 1.2 ΜΕΧΗΑΝΙΧΑΛ ΦΕΕΔΒΑΧΚ ΛΟΟΠ Μεχηανιχαλ στιµυλυσ ΟΡΓΑΝ ΤΙΣΣΥΕ ΛΕςΕΛ ΜΕΧΗΑΝΙΣΜ νον-µεχηανιχαλ αγεντσ Ηεαλτη/ δισορδερσ H. M. Frost, The Utah paradigm of skeletal physiology, vol 1, p. 25

Ηαρολδ Φροστ: Τηε Υταη Παραδιγµ οφ Σκελεταλ Πηψσιολογψ Το υγιές φορτιζόµενο οστούν έχει τόση αντοχή, ώστε να εµποδίζει τις καθηµερινές µηχανικές φορτίσεις να προκαλούν αυτόµατα κατάγµατα. Το οστούν προσαρµόζεται στα χρόνια φυσιολογικά, υπερβάλλοντα, ή υπολειπόµενα µηχανικά φορτία.

Ηαρολδ Φροστ: Τηε Υταη Παραδιγµ οφ Σκελεταλ Πηψσιολογψ

ΕΙΔΗ ΦΟΡΤΙΣΕΩΝ Μηχανικός Παράγοντας 1) Το σωµατικό βάρος (βαρυτικές δυνάµεις) 2) Οι µυϊκές δυνάµεις Διαφάνεια: Δρ Γρηγόρης Σκαραντάβος

ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ Η. Δεγενσ, Ρ.Μ. Ερσκινε, Χ.Ι.Μορσε ϑμνι 2009; 9 (3) 123-129 - Τα κινητικά νεύρα προέρχονται από νευράξονες που ανήκουν σε κινητικούς νευρώνες που βρίσκονται στο νωτιαίο µυελό. Κάθε κινητικός νευρώνας παρέχει νεύρωση σε πολυάριθµες µυϊκές ίνες. 21

ΗΑΡΟΛΔ ΦΡΟΣΤ: ΒΟΝΕ- ΜΥΣΧΛΕ- ΤΕΝΔΟΝ-ΝΕΡςΕ ΥΝΙΤ

50 έτη από το πρώτο ταξίδι του ανθρώπου στο διάστηµα Το βαρυτικό πεδίο και η ατµόσφαιρα είναι οι δυο πρωταρχικές παράµετροι που επιτρέπουν τη ζωή στον πλανήτη µας Η δύναµη της βαρύτητας καθοδήγησε την εξέλιξη όλων των έµβιων όντων Κάθε κύτταρο έχει τη δυνατότητα να αντιλαµβάνεται αλλαγές στη βαρύτητα και να µετατρέπει τα µηχανικά ερεθίσµατα σε βιοχηµικά σήµατα (Ινγβερ, 1997) Σε χαµηλή γήινη τροχιά (Λοω Εαρτη Ορβιτ, ΛΕΟ) οι αστροναύτες δέχονται περίπου 90% βαρυτικών δυνάµεων οι οποίες όµως εξουδετερώνονται από την ταχύτητα του διαστηµικού σκάφους µε αποτέλεσµα οι αστροναύτες να βρίσκονται διαρκώς σε συνθήκες ελεύθερης πτώσης

Αλλαγές που παρατηρούνται σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας προσοµοιάζουν και έχουν πολλά κοινά χαρακτηριστικά µε αυτές που προκαλούνται από τη γήρανση-εντούτοις είναι αντιστρεπτές µε την επιστροφή στη Γη σε αντίθεση µε τη γήρανση Σηµαντικότερες επιδράσεις κυρίως στο καρδιαγγειακό, αναπνευστικό και στο µυοσκελετικό σύστηµα, αυξηµένος κίνδυνος νεφρολιθίασης Έκθεση στην ακτινοβολία (βαριά ιόντα και πρωτόνια) πολύ µεγαλύτερη από κάθε άλλη εντός της ατµόσφαιρας του πλανήτη µας (συνέπειες σε οφθαλµούς/ανοσοποιητικό?)

Σε όρθια θέση η βαρύτητα προσδιορίζει ένα µοντέλο κατανοµής υγρών στο ανθρώπινο σώµα µε υψηλότερη αρτηριακή πίεση αίµατος στα πόδια (200 µµηγ) και χαµηλότερη στο κεφάλι (70 µµηγ) σε σύγκριση µε την καρδιά (100 µµηγ) Στο διάστηµα αυτή αναλογία χάνεται, µε αποτέλεσµα η αναδιανοµή του αίµατος στο κεφάλι να προκαλεί εντός λίγων λεπτών την έκλυση αντιδράσεων µε κυρίαρχο σύνδροµο τη διαστηµική ναυτία κίνησης (space motion sickness) που χαρακτηρίζεται από ανορεξία, ναυτία, εµέτους, πονοκέφαλο και αδιαθεσία που διαρκούν συνήθως 48-72 ώρες Η µετακίνηση υγρών προς το κεφάλι σε συνδυασµό µε απώλεια ύδατος και ελαττωµένο όγκο πλάσµατος δηµιουργεί επίσης ένα χαρακτηριστικό σύνδροµο φουσκωµένου κεφαλιού-ποδιών πουλιού (puffy face bird legs).

Στο αναπνευστικό σύστηµα µικρή αύξηση της αναπνευστικής συχνότητας, αλλά σηµαντική ελάττωση στην κατανάλωση οξυγόνου και την παραγωγή ΧΟ2 σε 2-4 µήνες παραµονής στο διάστηµα Σηµαντική απώλεια βάρους (πιθανόν λόγω ανακατανοµής υγρών και ατροφίας των µυών των κάτω άκρων µε αποτέλεσµα συσώρευση υγρών και αλβουµίνης στα µεσοµύια διαστήµατα) Δεν έχει αποδειχθεί ελαττωµένη νεφρική λειτουργία Μελέτες σε κοσµοναύτες από την αποστολή ΜΙΡ 18 έδειξαν σηµαντική πτώση τιµών της 25 (ΟΗ) ϖιταµιν Δ καθώς και της 1,25 (ΟΗ)2 ϖιταµιν Δ, ενώ δεν διαπιστώθηκαν µεταβολές των επιπέδων καλσιτονίνης. Η παραθορµόνη (ΠΤΗ) ελαττώνεται κατά τη διάρκεια της πτήσης και αυξάνει γρήγορα και σηµαντικά κατά την επιστροφή στο βαρυτικό πεδίο (Σµιτη ετ αλ, ϑβμρ 2005)

(2017) 8 Εµπειρία >30 ετών από µακροχρόνιες αποστολές σε χαµηλή τροχία, στοιχεία από κοσµοναύτες από τον διεθνή διαστηµικό σταθµό (Ιντερνατιοναλ Σπαχε Στατιον, ΙΣΣ) καθώς και από αποστολές (ΜΙΡ κ.α.) Οι δυσµενείς επιπτώσεις στο µυοσκελετικό σύστηµα αποτελούν το σηµαντικότερο εµπόδιο για µακροχρόνιες αποστολές εξερεύνησης του διαστήµατος Σηµαντική απώλεια οστικής µάζας σε πολυάριθµες µελέτες- υψηλός ρυθµός απώλειας ειδικά στη σπονδυλική στήλη και στα κάτω άκρα (περίπου 1% ανά µήνα στις περισσότερες εργασίες) Σηµαντική απώλεια µυικής µάζας, ειδικά στους µυς των κάτω άκρων Στις περισσότερες εργασίες τα ποσοστά απώλειας οστικής και µυικής µάζας που αναφέρονται ανταποκρίνονται σε µεταβολές που έγιναν παρά τα προγράµµατα µυικής άσκησης που οι κοσµοναύτες πραγµατοποιούσαν καθηµερινά κατά τη διάρκεια των αποστολών τους

Σηµαντική ελάττωση του µεγέθους µυϊκών ινών

Λέπτυνση ινιδίων και απώλεια µυϊκής ισχύος

(2017) 8 Μυϊκή ατροφία σε µικρής διάρκειας αποστολές (8-16 µέρες) και ΠΑΡΑ ΤΑ ΜΕΤΡΑ ΠΡΟΛΗΨΗΣ ΜΕ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΤΩΝ ΠΤΗΣΕΩΝ που κυµαίνεται από 6-15% στον τετρακέφαλο, 6-14% στους οπίσθιους µηριαίους, 10% στους ραχιαίους, 9-16% στους πελµατιαίους καµπτήρες, ΣΗΜΑΝΤΙΚΗ ΕΤΕΡΟΓΕΝΕΙΑ ΕΥΡΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΞΥ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ Σε µεγαλύτερης διάρκειας πτήσης (16-28 εβδοµάδες), ο µυϊκός όγκος κοσµοναυτών στον τετρακέφαλο ελαττώθηκε κατά µέσο όρο 12%, στους οπίσθιους µηριαίους 16%, στους ραχιαίους 20%, στο γαστροκνήµιο 24% και τους πρόσθιους µυς κνήµης 16%. Η απώλεια µυϊκής ισχύος ήταν αντίστοιχη ή σύµφωνα µε ορισµένους ερευνητές µεγαλύτερη της απώλειας µυϊκής µάζας

Σηµαντική ελάττωση οστικής πυκνότητας έως -1,5% ανά µήνα ανάλογα µε τη θέση µέτρησης και την τεχνική- παρά τα µέτρα άσκησης

THE LANCET Vol 355 May 6, 2000

THE LANCET Vol 355 May 6, 2000 Αξιοσηµείωτη ετερογένεια ανά κοσµοναύτη

Οι αστροναύτες εµφανίζουν διαταραχές του µεταβολισµού του ασβεστίου µε αυξηµένο κίνδυνο νεφρολιθίασης κατά τη διάρκεια της πτήσης και µετά την επιστροφή τους λόγω της αυξηµένης αποβολής ασβεστίου στα ούρα. Συγκεκριµένα, η απώλεια ασβεστίου από τα οστά και η αυξηµένη συγκέντρωσή του στο αίµα καταστέλλει την έκκριση παραθορµόνης η οποία µε τη σειρά της προκαλεί ελάττωση των κυκλοφορούντων επιπέδων καλσιτριόλης µε αποτέλεσµα την µείωση της απορρόφησης ασβεστίου από το έντερο και την αυξηµένη απέκκριση στα ούρα (και στα κόπρανα). Ο κίνδυνος νεφρολιθίασης φαίνεται ότι επιτείνεται λόγω των παρατηρούµενων επίσης αυξήσεων στη συγκέντρωση του ουρικού οξέος και του οξαλικού ασβεστίου στα ούρα των αστροναυτών, καθώς επίσης και λόγω της ελαττωµένης πρόσληψης υγρών και της παρουσίας νανοβακτηρίων.

Οι Σµιτη και συνεργάτες (Αµ ϑ Πηψσ, 1999) αναφέρουν ότι κατά τη διάρκεια µακροχρόνιων αποστολών στο διάστηµα (115 µέρες), η πρόσληψη και απορρόφηση ασβεστίου ελαττώθηκε ως και 50%, η αποβολή ασβεστίου στα ούρα αυξήθηκε ως 50% και αντίστοιχα αυξήθηκε και η οστική απορρόφηση. Οι 3 άντρες κοσµοναύτες που µελέτησαν αναφέρεται ότι έχαναν 250 γραµµάρια ασβεστίου από τα οστά την µέρα κατά τη διάρκεια της πτήσης, και µετά την επιστροφή τους στη Γη κέρδιζαν περίπου 100 γραµµάρια ασβεστίου στα οστά την µέρα για 3 µήνες, δηλαδή µε πολύ πιο βραδύ ρυθµό.

Δράση στα οστά: εργασίες µε βιοχηµικούς δείκτες σε πειραµατόζωα/αστροναύτες/µελέτες κλινοστατισµού δείχνουν γενικά αύξηση της οστικής απορρόφησης και ελάττωση της οστικής παραγωγής (αποσύζευξη) κατά την παραµονή σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας Η ελάττωση της οστικής παραγωγής έχει δειχθεί ότι πιθανόν οφείλεται σε ελαττωµένη οστεοβλαστική δραστηριότητα Ένας από τους µηχανισµούς που ενοχοποιούνται για την ελαττωµένη οστεοβλαστική δραστηριότητα είναι µέσω του σηµατοδοτικού µονοπατιού Ωντ/β-χατενιν και πρόσφατες εργασίες έχουν αποδείξει ότι συνθήκες έλλειψης βαρύτητας αυξάνουν την έκφραση τόσο της σκληροστίνης όσο και του Δκκ-1.

Η αναστολή του σηµατοδοτικού µονοπατιού Ωντ/β-χατενιν φαίνεται να επηρρεάζει επίσης την οστεοκλαστογένεση µέσω του συστήµατος ρεχεπτορ αχτιϖατορ οφ νυχλεαρ φαχτορ-κβ-λιγανδ (ΡΑΝΚΛ)/ ΡΑΝΚ µε αποτέλεσµα η έκφραση των τελευταίων να αυξάνεται και ταυτόχρονα να ελαττώνεται επίσης η έκφραση της οστεοπροτεγερίνης Σηµασία του οστεοκυττάρου γίνεται όλο και περισσότερο αντιληπτή

www.nature.com/nrendo 2016

Space Treadmill

Interim Resistive Exercise Device (ired)- up to 2004

Advanced Resistive Exercise Device (ared) >2004

Muscle atrophy and bone loss after 90 days bed rest and the effects of flywheel resistive exercise and pamidronate: Results from the Long Term Bed Rest Study Rittweger J, Frost HM, Schiessl H, Oshima H, Alkner B, Tesch Per, Felsenberg D Bone 36 (2005): 1019-1029 Εξοµοίωση συνθηκών έλλειψης βαρύτητας : 90 µέρες κατάκλισης µε κλίση κρεβατιού 6 ανάποδα 25 άντρες 32± 4,2 ετών (ΒΜΙ 23,3±1,6 κγ/µ ) σε 3 οµάδες: - Ελέγχου (9 ) - Άσκηση Αντίστασης (9 : συπινε σθυατ ανδ συπινε χαλφ πρεσσ, κάθε 3 µέρες) - Παµιδρονάτη (7-60 µγ ιϖ 14 µέρες πριν την έναρξη της µελέτης πθχτ σε κερκίδα και κνήµη στην αρχή και στο τέλος της µελέτης για µυϊκές παραµέτρους, καθώς και 2 εβδοµάδες µετά το τέλος της µελέτης για τις οστικές παραµέτρους (4%, 14%, 33%, 66% κνήµη- 4% και 60% κερκίδα) Βιοχηµικοί δείκτες Ορµόνες

Muscle atrophy and bone loss after 90 days bed rest and the effects of flywheel resistive exercise and pamidronate: Results from the Long Term Bed Rest Study Rittweger J, Frost HM, Schiessl H, Oshima H, Alkner B, Tesch Per, Felsenberg D Bone 36 (2005): 1019-1029 Οµάδα Ελέγχου : - Σε 90 µέρες έχασαν περίπου 23-28% της µυϊκής επιφάνειας διατοµής (µυσχλε Χροσσ σεχτιοναλ αρεα) στην κνήµη και 2,5-10% στην κερκίδα (π<0,001) - Στην κνήµη έχασαν 1-11% οστικής µάζας (ΒΜΧ) στο σπογγώδες οστούν και 0,5-3,5% στο φλοιώδες οστούν (33%) [π<0,001] - Στην κερκίδα έχασαν 0-1,5% µάζας σπογγώδους οστού (π>0,05) και 0-1% µάζας φλοιώδους οστού (π<0,05)

Muscle atrophy and bone loss after 90 days bed rest and the effects of flywheel resistive exercise and pamidronate: Results from the Long Term Bed Rest Study Rittweger J, Frost HM, Schiessl H, Oshima H, Alkner B, Tesch Per, Felsenberg D Bone 36 (2005): 1019-1029 Οµάδα Παµιδρονάτης: - Σε 90 µέρες έχασαν περίπου 23-29% της µυϊκής επιφάνειας διατοµής (µυσχλε Χροσσ σεχτιοναλ αρεα) στην κνήµη και 2,9-11% στην κερκίδα (π<0,001) - Στην κνήµη έχασαν 0-6% οστικής µάζας (ΒΜΧ) στο σπογγώδες οστούν και 0,0-1% στο φλοιώδες οστούν (33%) [π<0,001] - Στην κερκίδα έχασαν 0,5-1,5% µάζας σπογγώδους οστού και 0-0,5% µάζας φλοιώδους οστού

Muscle atrophy and bone loss after 90 days bed rest and the effects of flywheel resistive exercise and pamidronate: Results from the Long Term Bed Rest Study Rittweger J, Frost HM, Schiessl H, Oshima H, Alkner B, Tesch Per, Felsenberg D Bone 36 (2005): 1019-1029 Οµάδα Άσκησης: - Σε 90 µέρες έχασαν περίπου 15-20% της µυϊκής επιφάνειας διατοµής (µυσχλε Χροσσ σεχτιοναλ αρεα) στην κνήµη και 4,3-10,9% στην κερκίδα (π<0,001) - Στην κνήµη έχασαν 0,5-5% οστικής µάζας (ΒΜΧ) στο σπογγώδες οστούν και 0,0-1,4% στο φλοιώδες οστούν (33%) - Στην κερκίδα έχασαν 0,5-1,8% µάζας σπογγώδους οστού και 0-0,3% µάζας φλοιώδους οστού

Muscle atrophy and bone loss after 90 days bed rest and the effects of flywheel resistive exercise and pamidronate: Results from the Long Term Bed Rest Study Rittweger J, Frost HM, Schiessl H, Oshima H, Alkner B, Tesch Per, Felsenberg D Bone 36 (2005): 1019-1029 Παρατηρήσεις: - Όλοι οι συµµετέχοντες έχασαν σηµαντική ποσότητα µυϊκής επιφάνειας, στην κνήµη περισσότερο σε σχέση µε την κερκίδα, αλλά η µυϊκή απώλεια ήταν σηµαντικά µικρότερη στο γκρουπ της άσκησης (-30% στην κνήµη) - Η µυϊκή επιφάνεια επανήλθε εντός 14 ηµερών στα προηγούµενα επίπεδα - Η οστική απώλεια συνεχιζόταν ακόµα και 14 µέρες µετά το τέλος της µελέτης, οπότε και µετρήθηκαν οι οστικές παράµετροι - Η οστική απώλεια ήταν µικρότερη στα γκρουπ της παµιδρονάτης και της άσκησης - Η οστική απώλεια ξεκίνησε 4 εβδοµάδες µετά την έναρξη της µελέτης µε ρυθµό 2,6% κατά µέσο όρο στην κνήµη, δηλαδή περίπου 60% σε 2 χρόνια πτήσης που αντιστοιχεί ακριβώς στην οστική απώλεια που έχουν ασθενείς µε διατοµή νωτιαίου µυελού

Τεν ψεαρσ Μυσχλε-Βονε Ηψποτηεσισ: Ωηατ ηαϖε ωε λεαρνεδ σο φαρ? Αλµοστ α Φεστσχηριφτ- ϑ Ριττωεγερ, ϑμνι 2008; 8 (2) 174-178 Η οστική απώλεια εξ αχρησίας είναι αναστρέψιµη (αστροναύτες), είναι ΑΥΤΟΜΑΤΗ, δηλαδή χωρίς να απαιτείται ειδικό πρόγραµµα εκγύµνασης. Τα κέρδη είναι ΙΣΑ µε τις προηγούµενες απώλειες, και µε τεράστια διακύµανση ανά άτοµο (από 1,2% έως 4,5% τον µήνα!) Πιθανολογείται χρόνος 3-4χ διάρκεια πλανητικού ταξιδιού