Вплив різних типів фізичних навантажень на кісткову систему в жінок

Актуальність

Остеопороз є проблемою, яка може виникати у жінок у постменопаузальному періоді. Здавалося б, що може бути небезпечного у зниженні мінеральної щільності кісткової тканини (МЩКТ)? Однак, як ми знаємо, такі зміни можуть мати несприятливі наслідки, серед яких зменшення соціальної активності жінок, підвищення травматизму і навіть загроза життю. Згідно з даними статті, у 2011 році понад 1,7 мільйона людей були госпіталізовані з переломами, асоційованими з підвищеною крихкістю кісток, що призвело до 70 млрд прямих витрат на лікування. Тут же автори наводять такі дані статистики США: жінки з остеопорозом віком понад 50 років мають підвищений ризик розвитку переломів протягом наступного десятиліття порівняно з жінками з нормальною МЩКТ (3,4% проти 6,8%). Якщо звернутися до української статистики щодо остеопорозу, опубліковано дані, що в нашій країні 13,4% жінок і 2,9% чоловіків мають цю патологію (Поворознюк В.В. та співавт.). Інші джерела повідомляють про прогресивне зростання поширеності остеопорозу в Україні серед 20-39% жіночого населення і 9-23% чоловіків залежно від регіону проживання. Ризик патологічних переломів при цьому сягає 10%. Дані International Osteoporosis Fundation свідчать, що 7 мільйонів жінок України, близько 28% від загальної кількості жінок, мають остеопороз або остеопенію. Усі ми чули, що захворювання значно простіше і дешевше попереджати, ніж лікувати. Остеопороз у жінок постменопаузального віку якнайкраще ілюструє цю істину, оскільки це серйозне захворювання можна послабити або навіть попередити за допомогою правильно підібраних фізичних навантажень. Причому починати їх необхідно якомога раніше. Наприклад, в оригінальній статті наведено дані про відтермінування початку остеопорозу на 13 років у разі збільшення кісткової маси на 10% у період її максимального росту, що, своєю чергою, можна забезпечити завдяки правильному харчуванню та відповідному режиму фізичних навантажень. Надалі їхня ефективність знижується, але навіть у віці 60 років і старше правильно підібраний комплекс вправ може зменшити ймовірність розвитку патологічного перелому. В Україні групою науковців (Тищенко І.В. та ін.) було проведено досить цікаве дослідження щодо поінформованості жінок про проблему остеопорозу та способи боротьби з ним. У всіх 95 респонденток були виявлені основні фактори ризику розвитку остеопорозу у вигляді віку понад 65 років, куріння, наявності ранньої менопаузи, супутньої патології тощо. Більшість українських жінок із цієї когорти (понад 50%) вважали необхідним збільшити фізичну активність за рахунок регулярних вправ, а також контролювати харчування з акцентом на вживанні продуктів, що містять кальцій.

Матеріал і методи

У цій статті автори зібрали, на їхню думку, найяскравіші приклади доведеного впливу вправ на стан кісткової тканини жінок у різних вікових групах, обговорили оптимальні терміни початку специфічних навантажень та їх тривалість тощо. Також були розглянуті питання реакції кістки на механічний вплив і діагностичні критерії вивчення відповіді кісткової тканини на осьове навантаження.

Більше релевантної інформації доступно за Біологічний годинник: як старіння яєчників впливає на жіночу фертильність

Сама по собі кістка є природним композитним матеріалом, який, згідно з даними статті, складається з 75% солей кальцію, 23% колагену I типу і 2% основної речовини, причому всі показники наведені в перерахунку на суху вагу. Як нам відомо, кістка також має специфічно розташовані трабекули, які, подібно до арок в інженерних конструкціях, дозволяють досягати максимальної міцності за мінімальної маси. Наведені факти дозволяють кістковій тканині витримувати значні навантаження. Однак усьому є межа, і за впливу сили, що перевищує межу міцності кістки, остання ламається. Очевидно, що точно виміряти межу міцності конкретної кістки у живої людини неможливо, але її можна розрахувати виходячи з розміру, товщини, структури кістки та її об'ємної мінеральної щільності — volumetric bone mineral density (vBMD), що виражається у г/см3. З віком у людини відбувається витончення кортикального шару і зниження vBMD кістки, що, своєю чергою, є причиною зменшення її міцності. Для вимірювання мінеральної щільності кістки використовують рентгенівську абсорбціометрію — dual energy X-ray absorptiometry (DXA). Цей метод дозволяє оцінити кількість мінеральної складової досліджуваної кісткової тканини. Оскільки розрахунок здійснюється на двовимірній рентгенограмі, одиницею вимірювання є г/см2. З отриманого значення розраховують МЩКТ. Надалі ці дані використовують для розрахунку Т-критерію і побудови шкали стандартних відхилень у популяції залежно від віку та статі. На такій шкалі за нуль приймають значення МЩКТ, що відповідає показникам, отриманим при дослідженні молодих здорових людей. Нагадаємо, що Т-критерій — це різниця між показниками МЩКТ у конкретної людини та середніми значеннями МЩКТ у популяції з урахуванням статі та віку. Згідно з інформацією зі статті, Всесвітня організація охорони здоров'я (ВООЗ) визначає остеопороз як значення Т-критерію –2,5 і нижче. У поєднанні з даними анамнезу Т-критерій може бути предиктором можливого перелому. Незважаючи на великий досвід застосування, DXA має серйозні обмеження можливостей, пов'язані з її двовимірністю. У зв'язку з цим на основі комп'ютерної томографії (КТ) було розроблено метод тривимірного вимірювання МЩКТ. Він дозволяє розрахувати більшу кількість параметрів для оцінки стану кістки, але при цьому має вищу променеву нагрузку та меншу доступність порівняно з DXA (рис. 1). Крім того, тривимірний розрахунок МЩКТ дозволяє вивчати структурні зміни кісткової тканини, що важливо для оцінки відповіді на застосоване лікування.

Результати та їх обговорення

Оскільки кісткова тканина є живою, вона має певну здатність до адаптації і може змінюватися залежно від рівня навантаження на неї, що називають функціональною адаптацією. Автори у своїй роботі виділяють такі основні показники міцності кістки: значення МЩКТ, площу найбільшого поперечного перерізу та момент інерції. Згідно з дослідженнями, усі ці показники мають вищі значення у людей, які займаються спортом, зокрема гімнастикою. Схожа різниця відзначається у тенісистів при порівнянні «ігрової» та «неігрової» рук. Під час фізичного навантаження у кістці виникають механічні коливання, характеристики яких залежать від сили впливу, що, своєю чергою, може діяти як ззовні — сила тяжіння, інерція, — так і зсередини — скорочення власної мускулатури. Остеоцити сприймають ці зміни та запускають відповідь, що складається зі стимуляції остеокластів для резорбції кісткової тканини та остеобластів для посилення процесу кісткоутворення. Робота цих груп клітин відбувається паралельно і постійно регулюється залежно від навантаження на кістку. Оскільки у менш міцних кістках за співставних навантажень виникають значно більші фізіологічні рухові деформації, ніж у міцних, відповідна перебудова кісткової тканини також має більш виражений характер. З огляду на все сказане вище необхідно розуміти, що зміни кістки при фізичних вправах мають комплексний характер і залежать не лише від стану кісткової тканини, а й від особливостей навантажень: кістка більше ремоделюватиметься у тих ділянках, які піддаються максимальному навантаженню. У нормальному стані ремоделювання кістки відбувається за узгодженої участі остеобластів та остеокластів. Остеокласти відповідають за резорбцію кісткової тканини, що регулюється паратгормоном, але, на думку авторів, до кінця невідомо, що змушує остеокласти резорбувати кісткову тканину в одному місці більше, ніж в іншому. Також незрозуміло, яким чином ці клітини регулюють обсяг резорбції. Існують дані, що вплив на кісткову тканину, включно з навантаженнями, невеликими пошкодженнями та електромагнітними полями, впливає на місця активності остеокластів. Остеобласти переважно «працюють» у тих самих місцях, що і їхні антагоністи. Автори акцентують увагу на тому, що швидкість утворення кістки становить 1 мкм/день, тоді як резорбція відбувається зі швидкістю 40 мкм/день. Таким чином, навіть відносно невеликий дисбаланс у ступені активації остеокластів і остеобластів призводить до значної втрати кісткової маси, що відбувається, наприклад, у постменопаузальному періоді, коли знижений рівень естрогену не чинить належного гальмівного впливу на остеокласти, внаслідок чого розвивається системний дифузний остеопороз. Крім фізичного навантаження та рівня гормонів, на ступінь адаптивної відповіді кісткової тканини впливає і концентрація вітаміну D у крові.

Як було зазначено раніше, кісткова тканина постійно проходить процес ремоделювання, який залежить від віку, статі, типу фізичної активності та її тривалості. Автори зазначають, що основним фактором усе ж є віковий період, у якому розпочалася постійна фізична активність: препубертатний, ранній пубертатний, підлітковий, молодий або зрілий. Згідно з даними статті, у дівчат до 16-річного віку формується 80-90% кісткової маси, причому близько 50% її утворюється у перші чотири роки після появи менархе. Максимальна кісткова маса досягається приблизно до 18 років, після чого протягом 30 років не відзначається будь-яких суттєвих змін. Кісткова тканина дитини дуже чутлива до навантажень, і внаслідок правильно підібраних фізичних вправ кістки добре ростуть та набирають масу. Надалі цей ефект закріплюється і зберігається протягом тривалого періоду. На думку авторів статті, найбільш вигідними у цьому плані є вправи, що забезпечують під час виконання великі за амплітудою деформації кісток протягом короткого проміжку часу. Як приклад можна навести дослідження, у якому відзначався приріст кісткової маси на 1-6% у дівчат-підлітків після шести місяців стрибкових вправ. Особливістю збільшення кісткової маси і міцності кісток у такому віці є збереження цих результатів протягом багатьох років після завершення навантажень. Необхідно зазначити, що і без фізичних вправ у підлітковому та юнацькому віці відбувається зростання кісткової маси, однак воно значно нижче порівняно з ровесниками, які тренуються. У зрілому віці вплив вправ уже не має такого вираженого та тривалого ефекту на міцність і форму кісток. У людей старше 60 років жодні вправи не допомагають збільшити кісткову масу, але можуть перешкоджати її зниженню. У постменопаузальному періоді жінки в середньому втрачають близько 0,5% кісткової маси на рік, тому дозоване фізичне навантаження є важливою складовою профілактики розвитку постменопаузального остеопорозу. Також звертає на себе увагу пременопаузальний період, у якому, згідно з інформацією зі статті, завдяки силовим вправам вдається збільшити міцність кісток від 0,5% до 2,5%, створюючи таким чином резерв для можливої втрати кісткової маси після настання менопаузи.

Міжнародний фонд остеопорозу ((МФО) International Osteoporosis Fundation) рекомендує для профілактики розвитку крихкості кісток низку вправ, які англійською мовою називають weight-bearing exercises (WBE). У вільному перекладі цю фразу можна трактувати як «вправи з власною вагою». Під цим терміном в англомовній медичній літературі, присвяченій остеопорозу, розуміють таке навантаження, за якого людина долає силу гравітації, залишаючись при цьому у вертикальному положенні. WBE поділяють на «high impact exercises» — вправи з високим рівнем навантаження, до яких належать стрибки зі скакалкою, біг, інтенсивна аеробіка, великий теніс, танці, та «lower impact exercises» — вправи з низьким рівнем навантаження, що включають ходьбу, йогу, нешвидке катання на велосипеді, використання еліптичних та/або ступінчастих тренажерів. Для зручності надалі ми називатимемо першу групу WBEH, а другу — WBEL. Згідно з даними запропонованого огляду, найбільш ефективними вправами для людей з остеопорозом є вправи групи WBEH, які чинять позитивний вплив на стан кісток у будь-якому віці. Під час невеликих досліджень було виявлено, що такі навантаження достовірно підвищують МЩКТ хребців і стегнової кістки у жінок у постменопаузальному періоді. Позитивний вплив на міцність кісток також чинять у підлітковому та зрілому віці вправи на опір — робота з невеликою вагою та спортивними гумовими стрічками у положенні стоячи. WBEL, які зазвичай рекомендують людям старшого віку, не чинять необхідного впливу на кісткову тканину. Йога незначно впливає на МЩКТ лише у хребті, катання на велосипеді — на кістки нижніх кінцівок, а плавання іноді має навіть негативний ефект, спричиняючи зниження МЩКТ. Усі перелічені варіанти автори рекомендують чергувати із силовими навантаженнями, отримуючи таким чином поєднаний ефект від різних груп вправ. У статті звертають увагу на те, що навантаження під час виконання WBEH, хоча й має найкращий вплив на кістку, може негативно впливати на стан суглобів. Виходячи з цього, для людей із доведеним остеоартрозом (ОА) рекомендується використовувати більш щадний варіант вправ. Такий підхід автори статті пов'язують із тим, що навантаження на здоровий суглобовий хрящ призводить до його потовщення та оздоровлення, тоді як аналогічний вплив на уражений хрящ призводить до його витончення та деградації.

Біг може покращувати стан серцево-судинної системи та м'язову силу, але часто поєднується з високим ризиком розвитку травм суглобів. Разом із тим, під час метааналізу 17 досліджень, у яких брали участь понад 100000 осіб, було виявлено, що лише у 3,5% бігунів-аматорів відзначався ОА, тоді як у людей із сидячим способом життя цей показник сягав 10,2%. Звертає на себе увагу те, що найбільший відсоток розвитку ОА був у групі професійних бігунів — 13,3%. Ці цифри вказують на необхідність дотримуватися раціонального підходу при використанні бігу та реалістично оцінювати власні можливості. В іншому випадку очікуваний оздоровчий ефект може змінитися погіршенням здоров'я. На думку авторів, аналогічна ситуація стосується і тих людей, які вирішують використовувати біг як інструмент покращення стану серцево-судинної системи. У будь-якому разі перед початком будь-якої фізичної активності в літньому віці необхідно провести ґрунтовну консультацію з лікарем.

Однією з основних проблем, з якими стикаються науковці при дослідженні навантажень на кістку, є складність отримання точних даних, які демонструють ступінь впливу на кісткову тканину конкретних фізичних вправ. Якщо йдеться про роботу з тваринами, забір біоматеріалу є можливим. Під час досліджень за участю людей такий варіант виключається, тому було запропоновано кілька альтернатив. Так, у 1975 році науковці встановлювали в проєкції кісток тензометричні датчики, за допомогою яких реєстрували зміни у кістці при різних типах навантажень. Невеликий відступ від редакції. Тензометричний датчик — спеціальний пристрій, що дозволяє переводити ступінь деформації конструкції, до якої прикладається певна сила, у вимірювані числові значення. Найпоширеніший датчик такого типу побутового призначення — ваги. Як можна здогадатися, цей метод має два значні обмеження. По-перше, вимірювання можливе лише у місцях із незначною товщиною м'яких тканин. По-друге, через відносну громіздкість пристроїв їх встановлення на тривалий термін вкрай ускладнене. Надалі була розроблена спеціальна техніка, що дозволяла вимірювати деформацію великогомілкової кістки при навантаженні за допомогою спеціальних гвинтів, які вкручувалися у періостальний шар. За точним вимірюванням ступеня зміщення головок гвинтів можна було отримувати точні дані про навантаження на кістку. Така техніка є точною, але, як слушно зазначено у статті, у клінічних дослідженнях непридатна. У своїй роботі автори вирішили використати комбінацію методів: застосування датчиків, що вимірюють силу, та розрахунок відповідно до моделі скінченних елементів (МСЕ). МСЕ — спеціальний метод у прикладній фізиці, що дозволяє за допомогою розв'язання інтегральних і диференціальних рівнянь вивчати механіку деформованого твердого тіла. Таким чином вдається розрахувати ступінь деформації кістки залежно від прикладених до неї навантажень. Автори за допомогою волонтерів вивчали деформації кісток верхніх кінцівок, що виникали при упорі долонею. При цьому необхідно було досягти певної сили тиску. Крім вимірювання прикладеної сили, за допомогою МСЕ, заснованої на КТ, розраховували деформацію променевої, півмісяцевої та човноподібної кісток. У результаті дослідження автори виявили, що у жінок пременопаузального віку з нормальною МЩКТ за однакових навантажень виникають різноманітні деформації, які, відповідно, по-різному впливають на перебудову кістки. На нашу думку, такі результати продемонстрували високий рівень індивідуальності організму людини, що в цьому випадку залежить від анатомічних особливостей верхніх кінцівок досліджуваної. З огляду на викладене вище, автори статті висловлюють надію, що у майбутньому фахівці, які займаються цими питаннями, зможуть розробити методики вимірювання навантажень на кістку, які дозволять максимально враховувати всі виявлені анатомічні нюанси.

Незважаючи на наявність методик вимірювання МЩКТ — DXA, кількісної комп'ютерної томографії (ККТ), — науковці постійно пропонують нові методи, покликані покращити якість вимірювань. Одними з таких розробок є 3D-зображення та ККТ високої роздільної здатності. Перша методика дозволяє використовувати зображення ККТ і будувати на їх основі моделі у тривимірному форматі, отримуючи значно більшу кількість інформації, доступної для аналізу (рис. 1). Для широкого впровадження 3D-зображень у клінічну практику існують дві серйозні перешкоди: велике променеве навантаження і висока вартість. Друга методика дозволяє оцінити мікроструктуру кістки аж до дослідження окремих трабекул. На сьогодні ділянки дослідження обмежені дистальною частиною променевої та великогомілкової кістки для апаратів першого покоління і колінним суглобом для другого. Аналізуючи стан цих ділянок кістки, автори виявили, що у жінок у постменопаузальному періоді відбувається потовщення окремих трабекул у променевій кістці на тлі зменшення їх кількості, а також збільшення пористості кортикального шару дистальної частини променевої та великогомілкової кісток. Такий аналіз дозволяє краще зрозуміти процеси втрати кісткової маси у жінок у постменопаузальному періоді та точніше оцінити ефект від виконання певних фізичних вправ. Крім того, МСЕ, засновану на ККТ, автори використали для оцінки змін у дев'ятиміліметровому шарі кістки, який піддавався стисненню, що імітувало механічне навантаження. Метою такого дослідження було знайти вправи, які максимально збільшують міцність кістки, і визначити точні значення навантажень, що викликають необхідну остеогенну відповідь. Однак під час дослідження з'ясувалося, що моделювання у цьому випадку не дало необхідного результату, що було пов'язано зі значною відмінністю механізму впливу на кістку симульованого навантаження від фізіологічного. У зв'язку з цим автори рекомендують для більш повної оцінки комбінацію різних технік візуалізації з численними оціночними шкалами.

Визначення відповіді на короткострокове лікування остеопорозу може допомогти не лише скоригувати подальшу терапію, а й оптимізувати необхідні фізичні навантаження. Для об'єктивної оцінки автори рекомендують застосовувати кілька маркерів, які визначаються у сечі та сироватці крові. Незважаючи на велику кількість різноманітних аналізів, що визначають різні маркери, Міжнародний фонд остеопорозу (МФО) пропонує використовувати лише два: визначення рівня пропептиду та С-кінцевого телопептиду колагену II типу у сироватці крові, які є корисним інструментом для контролю процесів кісткової резорбції та кісткоутворення. Крім зазначених показників, автори звертають увагу на склеростин, зміна рівня якого вивчалася як відповідь на механічне навантаження на кістку. Будучи ендогенним інгібітором Wnt/β сигнального шляху, склеростин пригнічує утворення кісткової тканини за рахунок зниження активності остеобластів і посилення активності остеокластів. Згідно з інформацією зі статті, під час досліджень на тваринах було виявлено зв'язок між механічним навантаженням і рівнем склеростину в крові. Таким чином, автори вважають, що при вивченні впливу вправ на кісткову тканину вимірювання рівня склеростину може стати одним з об'єктивних критеріїв ефективності обраних фізичних навантажень.

Оскільки в основі лікування остеопорозу лежить зміна ремоделювання кістки, спрямована на посилення діяльності остеобластів і зменшення функціональної активності остеокластів, виникло припущення, що супроводження фармакологічної терапії фізичним навантаженням може покращити ефективність лікування. Автори наводять результати семи рандомізованих досліджень, у яких проводили порівняння двох груп пацієнтів. Першу лікували із застосуванням гормональної терапії — естрогенвмісних препаратів — та антирезорбтивної терапії — алендронату або ризедронату — у поєднанні з фізичним навантаженням, а другу — лише медикаментами. У результаті виявили, що перша група пацієнтів порівняно з другою продемонструвала достовірно більше збільшення МЩКТ у поперекових хребцях. При цьому такі результати були відсутні у дистальній частині стегнової кістки, що пов'язали зі специфікою комплексу фізичних вправ.

Додаткові релевантні факти доступні за Гормональна терапія: друг чи ворог? Навігація переваг і ризиків для жінок у період менопаузи

Висновки

Фізична активність є однією з найважливіших складових здорової кістки. Ґрунтуючись на проведених дослідженнях, автори наводять низку рекомендацій, які допоможуть правильно сформувати необхідні фізичні навантаження:

1. У препубертатному та підлітковому періодах рекомендовано виконувати вправи з високим рівнем навантаження на кістку. Така практика не лише дозволить максимально покращити приріст кісткової маси, а й може попередити розвиток переломів у майбутньому.
2. Серед вправ із високим навантаженням на кістку найбільш ефективними, на думку авторів, є стрибки та підскоки у комбінації з вправами на опір.
3. Тривалість кожного заняття — близько пів години. Згідно з отриманими даними, при заняттях менше 30 хвилин зміни відбуваються лише у шийці стегнової кістки. Якщо необхідно покращити МЩКТ у хребті, тривалість кожного заняття повинна становити понад 30 хвилин. Кратність — від 2 до 4 разів на тиждень залежно від групи ризику, до якої належить людина. При цьому необхідно пам'ятати про регулярність таких навантажень. Також, згідно з даними досліджень, представленими у статті, тривалість занять повинна становити не менше 16 років.
4. Для жінок старшої вікової групи рекомендовано застосування вправ із групи WBEL. Зазначається, що ходьба може позитивно впливати лише на МЩКТ шийки стегнової кістки, та й то не завжди. Незважаючи на це, ходьба є актуальною з позиції покращення рівноваги, що зменшує ймовірність падіння і, як наслідок, ймовірність перелому.

У цьому огляді ми представили найцікавішу, на нашу думку, інформацію, відображену в оригінальній статті. Для формування повної картини з цього питання рекомендуємо перейти за посиланням, розміщеним на початку нашого огляду.

Рисунок 1. Методи вимірювання міцності кістки та ризику розвитку переломів. (А) Рентгенівська абсорбціометрія — dual energy X-ray absorptiometry (DXA) передпліччя з вимірюванням МЩКТ. (В) 3D-зображення КТ-скану дистальної частини променевої кістки з (С) коронарною проєкцією, на якій червоною пунктирною лінією позначено рівень поперечного зрізу, з подальшим формуванням КТ-зображення (D). (E) 3D-зображення КТ високої роздільної здатності дистальної третини променевої кістки (F).

References

Troy KL, Mancuso ME, Butler TA, Johnson JE. Exercise Early and Often: Effects of Physical Activity and Exercise on Women's Bone Health. Int J Environ Res Public Health. 2018;15(5):878. Published 2018 Apr 28. doi:10.3390/ijerph15050878

Author: Olena Vyrva, MD

Запитання та відповіді

Q1. У якому віковому періоді фізична активність має найбільший вплив на кісткову масу згідно з оглядом?
Стаття особливо підкреслює препубертатний і підлітковий періоди. До 16 років у дівчат формується 80-90% кісткової маси, а приріст, отриманий завдяки фізичним вправам у цей період, може зберігатися протягом багатьох років.

Q2. Які види фізичних вправ описані як найбільш сприятливі для кісткової тканини?
В огляді найбільший ефект пов'язують із вправами з високим осьовим навантаженням, зокрема стрибками та підскоками, у поєднанні з вправами на опір. Їх придатність може залежати від віку, стану суглобів та індивідуального ризику.