VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Медицинская биофизика. Нейробиофизика

Роль гравитационных и мышечных сил в сохранении костной ткани

Т.В. Балтина1*, О.А. Саченков1

1.Казанский (Приволжский) федеральный университет;

* tvbaltina(at)gmail.com

Основными регуляторами механической трансдукции костной ткани, как полагают, являются два основных источника - экзогенные гравитационные силы и эндогенные мышечные силы. Изменения костной ткани характерны для длительной иммобилизации после травм. Предполагается, что нарушения нейро-моторного аппарата в этих условиях могут быть связаны с изменением механических свойств мышечной ткани и соответственно с нарушением естественной компенсации при формировании костной ткани. Однако, убедительные доказательства ведущей роли в регуляции костного метаболизма мышечных сил на сегодняшний день отсутствуют. Теория механостата Г. М. Фроста постулирует линейную зависимость между нагрузкой и прочностью кости. Согласно теории механостата, главный стимул, к воздействию которого адаптируются кости, является механическая нагрузка.

Её источниками являются мышечное напряжение и гравитация. Гравитация, в свою очередь, может воздействовать на кости напрямую, через силу реакции опоры, при условии, что конечность находится в контакте с таковой, и через ускорение свободного падения, под воздействием которого тело находится даже при отсутствии опоры (например, в условиях невесомости) [1]. Г. М. Фрост конкретизировал взаимоотношения элементов системы механостата, включив туда влияние нервной системы, мышечных сокращений и механического использования, а также разделил немеханические агенты, влияющие на моделирование и ремоделирование на системные и локальные. Если один из этих факторов (гравитация или мышечная активность) для активации механотрансдукции в кости более эффективен, чем другой, это будет иметь важное клиническое значение в плане, например назначения физической активности для сохранения прочности кости или лечения остеопороза. Например, люди с мышечной дистрофией Дюшенна и церебральным параличом демонстрируют сокращение костной массы и повышению риска переломов [2;3]. Кроме того, значительная потеря костной ткани происходит у пациентов с повреждением спинного мозга [4;5]. где быстрая и глубокая потеря мышечной массы, является вторичным эффектом потери мотонейронов, которая, по-видимому, является провоцирующим фактором. Неиспользование конечности в результате травмы, иммобилизация (постельный режим) или космический полет, соответственно, также приводят к значительной потере костной и мышечной массы [6;7].

Нами также было показано, что после разгрузки происходит потеря костной ткани, меняются ее макромеханические параметры [8] и предложен метод оценки этих изменений [9].

Исследования в условиях микрогравитации, или на моделях, направленных на минимизацию влияния гравитации, позволяют предположить, что влияние изменения гравитационной нагрузки на различные части опорно-двигательного аппарата может вытекать из его биомеханической эволюции. Благодаря имеющимся в настоящее время результатам можно предположить, что сигнальные пути, ответственные за влияние на морфологию и функцию мышц и кости, являются совместными и последовательными [10].Однако, большинство видов деятельности, связанные с силой гравитации, также включают мышечные силы (например, бег, прыжки). Напротив, некоторые виды деятельности стимулируют скелет почти исключительно за счет мышечной нагрузки (например, поднятие тяжестей, плавание), поэтому важна оценка эффективности относительно природы нагрузки.

Определение основного стимула для адаптивной реакции на макроскопическом уровне (мышечные силы или гравитационные нагрузки) несет в себе потенциал для разработки физических упражнений и методов лечения, направленных на более эффективное увеличение костной массы, могут быть оптимизированы существующие программы реабилитации и профилактики остеопороза.

Литература

1 Frost H. M. A 2003 Update of Bone Physiology and Wolff's Law for Clinicians. Angle Orthod. 2004. Vol.74. P.3–15.

2 Tsaknakis K., Jäckle K., Lüders K.A., Lorenz H.M., Braunschweig L., Hell A.K. Reduced bone mineral density in adolescents with Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) and scoliosis. Osteoporos Int. 2022. Vol.33. P.2011-2018.

3 Won J.H., Jung S.H. Bone Mineral Density in Adults with Cerebral Palsy. Front Neurol. 2021. Vol.12:733322. doi: 10.3389/fneur.2021.733322.

4 Coupaud S., McLean A.N., Purcell M., Fraser M.H., Allan D.B. Decreases in bone mineral density at cortical and trabecular sites in the tibia and femur during the first year of spinal cord injury. Bone. 2015. Vol.74. P.69-75.

5 Antoniou G., Benetos I.S., Vlamis J., Pneumaticos S.G. Bone Mineral Density Post a Spinal Cord Injury: A Review of the Current Literature Guidelines. Cureus. 2022. Vol.14:e23434. doi: 10.7759/cureus.23434.

6 Stavnichuk M., Mikolajewicz N., Corlett T., Morris M., Komarova S.V. A systematic review and metaanalysis of bone loss in space travelers. NPJ Microgravity. 2020. Vol.6:13. doi: 10.1038/s41526-020-0103-2.

7 Yang H., Xu X., Bullock W., Main R.P. Adaptive changes in micromechanical environments of cancellous and cortical bone in response to in vivo loading and disuse. J Biomech. 2019. Vol. 89. P. 85-94.

8 Baltina T.V. Ahmetov N.F., Sachenkov O.A., Fedyanin A.O., Lavrov I.A. The Influence of Hindlimb Unloading on Bone and Muscle Tissues in Rat Model. BioNanoSci. 2017. Vol. 7. P. 67-69.

9 Gerasimov O.V, Kharin N.V, Fedyanin A.O, Bolshakov P. V., Baltin M.E., Statsenko E.O., Fadeev F.O., Islamov R.R., Baltina T.V., Sachenkov O.A. Bone Stress-Strain State Evaluation Using CT Based FEM. Frontiers in Mechanical Engineering. 2021. Vol.7: 688474. doi: 10.3389/fmech.2021.688474.

10 Avin K.G., Bloomfield S.A., Gross T.S., Warden SJ. Biomechanical aspects of the muscle-bone interaction. Curr Osteoporos Rep. 2015. Vol.13. P. 1-8.



The role of gravitational and muscular forces in the bone tissue remodeling

T.V. Baltina1*, O.A. Sachenkov1

1.Kazan Federal University;

* tvbaltina(at)gmail.com

It is believed that the main regulators of mechanical bone transduction are exogenous gravitational forces and endogenous muscle forces. It’s known, that changes in bone tissue are distinctive aspect of prolonged immobilization after injuries. In this case it is assumed that neuromuscular apparatus disorder leads to changes in the mechanical properties of muscle tissue and then to changes in the mechanical properties of bone tissue. But still, there is no convincing evidence of the muscle leading role in the regulation of bone tissue metabolism.

The H.M. Frost's mechanostat theory postulates a linear relationship between load and bone strength. According to the mechanostat theory local elastic deformation control bones adaptation processes. The origin of the local elastic deformation can be gravity or muscle strength. In case of gravity load some clarification should be mentioned. Gravity influence can be divided by mass and reactive loading. Reactive loading appears by foot support and can disappear in case of physical activity decrease. Meanwhile, mass loading can disappear only in case of weightlessness [1]. Then, H. M. Frost clarified the interrelation of the mechanostat system elements by including the influence of the nervous system, muscle contractions and mechanical loading (e.g. physical activity or foot support). Additionally, non-mechanical agents which affect modeling and remodeling were divided by systemic and local. So, the crucial question is what factor influences greater on activating mechanotransduction process? The answer can significantly improve the quality of clinical treatments. In this case, the physical medicine treatment can be designed for bone tissue restoration.

Bone loss is a common accompanying disease in clinical practice. E.g., patients with Duchenne muscular dystrophy or cerebral palsy suffer with bone mass loss and an increased risk of fractures [2,3]. In addition, significant bone loss occurs in patients with spinal cord injury [4,5]. Non-use of the hind limbs because of injury, immobilization (e.g. bed rest) or space flight lead to significant loss of bone and muscle tissue [6,7].

Bone loss appears in hind limb unloading models [8], additionally macromechanical and structural changes appears [9]. Studies of microgravity, unloading or non-usage (e.g. muscle tenotomy, denervation) models allows us to better understand the bone remodeling mechanism And leads to a new assumption - that biomechanical evolution can influence the remodeling process. Due to the modern data, it can be assumed that the signaling pathways responsible for influencing the morphology and function of muscles and bones are joint and consistent [10].

However, most gravity-related activities also require muscular effort (e.g. running, jumping). Opposite, some activities stimulate the skeleton almost exclusively due to muscle load (e.g. lifting weights, swimming), so it is important to evaluate the nature of the load. Determining the main stimulus for an adaptive response at the macroscopic level (muscle forces or gravitational loads) carries the potential for developing physical exercises and treatment methods aimed at more effective bone mass increase, as well as optimizing existing rehabilitation and prevention programs for osteoporosis.

The research is focused on systematization widespread experimental models, measured parameters and received correlation between external physical influence, its nature and bone tissue remodeling.

Reference

1 Frost H. M. A 2003 Update of Bone Physiology and Wolff's Law for Clinicians. Angle Orthod. 2004. Vol.74. P.3–15.

2 Tsaknakis K., Jäckle K., Lüders K.A., Lorenz H.M., Braunschweig L., Hell A.K. Reduced bone mineral density in adolescents with Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) and scoliosis. Osteoporos Int. 2022. Vol.33. P.2011-2018.

3 Won J.H., Jung S.H. Bone Mineral Density in Adults with Cerebral Palsy. Front Neurol. 2021. Vol.12:733322. doi: 10.3389/fneur.2021.733322.

4 Coupaud S., McLean A.N., Purcell M., Fraser M.H., Allan D.B. Decreases in bone mineral density at cortical and trabecular sites in the tibia and femur during the first year of spinal cord injury. Bone. 2015. Vol.74. P.69-75.

5 Antoniou G., Benetos I.S., Vlamis J., Pneumaticos S.G. Bone Mineral Density Post a Spinal Cord Injury: A Review of the Current Literature Guidelines. Cureus. 2022. Vol.14:e23434. doi: 10.7759/cureus.23434.

6 Stavnichuk M., Mikolajewicz N., Corlett T., Morris M., Komarova S.V. A systematic review and metaanalysis of bone loss in space travelers. NPJ Microgravity. 2020. Vol.6:13. doi: 10.1038/s41526-020-0103-2.

7 Yang H., Xu X., Bullock W., Main R.P. Adaptive changes in micromechanical environments of cancellous and cortical bone in response to in vivo loading and disuse. J Biomech. 2019. Vol. 89. P. 85-94.

8 Baltina T.V. Ahmetov N.F., Sachenkov O.A., Fedyanin A.O., Lavrov I.A. The Influence of Hindlimb Unloading on Bone and Muscle Tissues in Rat Model. BioNanoSci. 2017. Vol. 7. P. 67-69.

9 Gerasimov O.V, Kharin N.V, Fedyanin A.O, Bolshakov P. V., Baltin M.E., Statsenko E.O., Fadeev F.O., Islamov R.R., Baltina T.V., Sachenkov O.A. Bone Stress-Strain State Evaluation Using CT Based FEM. Frontiers in Mechanical Engineering. 2021. Vol.7: 688474. doi: 10.3389/fmech.2021.688474.

10 Avin K.G., Bloomfield S.A., Gross T.S., Warden SJ. Biomechanical aspects of the muscle-bone interaction. Curr Osteoporos Rep. 2015. Vol.13. P. 1-8.



Докладчик: Балтина Т.В.
118
2022-09-15

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists