Mecanostato

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. Dado que los cambios en el esqueleto se producen mediante los procesos de formación ( crecimiento óseo ) y reabsorción (pérdida ósea), el mecanostato modela el efecto de las influencias sobre el esqueleto por parte de estos procesos, a través de sus células efectoras: osteocitos, osteoblastos y osteoclastos. El término fue acuñado por Harold Frost , cirujano ortopédico e investigador, descrito extensamente en artículos que hacen referencia al Paradigma de Utah de Fisiología Esquelética de Frost y Webster Jee ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} en la década de 1960. El mecanostato se define a menudo como una descripción práctica de la ley de Wolff descrita por Julius Wolff (1836-1902), pero esto no es del todo exacto. Wolff escribió sus tratados sobre el hueso tras las descripciones de imágenes de secciones óseas realizadas por Culmann y von Meyer, quienes sugirieron que la disposición de las trabéculas en los extremos de los huesos se alineaba con las tensiones a las que estos se sometían. Posteriormente, se demostró que los métodos estáticos utilizados para calcular las líneas de tensión eran inadecuados para trabajar con lo que, en efecto, eran vigas curvas, un hallazgo que Lance Lanyon, destacado investigador en este campo, describió como «un triunfo de la buena idea sobre las matemáticas». Si bien Wolff recopiló 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 optimizaba para su función, aunque muchos atribuyen este descubrimiento a Wolff.

Según el Mecanostato, el crecimiento y la pérdida ósea se estimulan mediante la deformación elástica local del hueso. Esta deformación elástica se debe a las fuerzas máximas generadas por los músculos (medibles, por ejemplo, mediante mecanografía ). La adaptación del hueso ( bucle de retroalimentación ) a las fuerzas máximas se considera un proceso que dura toda la vida. Por lo tanto, el hueso adapta sus propiedades mecánicas según la función mecánica necesaria: la masa, la geometría y la resistencia óseas (véase también el índice de tensión-deformación , ITD) se adaptan al uso y las necesidades cotidianas. En este contexto, "fuerza máxima" 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 en el esqueleto, no es el único. La velocidad de aplicación de la fuerza también es fundamental. Las células óseas no perciben como estímulo la aplicación lenta de fuerza durante varios segundos, pero sí son sensibles a la aplicación muy rápida de fuerzas (como impactos), incluso de menor magnitud. Se cree que la vibración ósea de alta frecuencia y de muy baja magnitud estimula cambios, pero la investigación en este campo no es del todo concluyente. Es evidente que los huesos responden mejor a la carga o al ejercicio con intervalos entre cada evento, de modo que dos cargas separadas por diez segundos de descanso constituyen estímulos más potentes que diez cargas sucesivas en los mismos diez segundos.

Debido a este bucle de control, en el cuerpo sano existe una relación lineal entre el área de sección transversal del músculo (como indicador de las fuerzas máximas típicas que el músculo puede producir en condiciones fisiológicas) y el área de sección transversal del hueso (como indicador de la resistencia ósea). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Estas relaciones son de suma importancia, especialmente para afecciones de pérdida ósea como la osteoporosis , ya que un entrenamiento adaptado que utilice las fuerzas máximas necesarias sobre el hueso puede estimular el crecimiento óseo y, por lo tanto, prevenir o ayudar a minimizar la pérdida ósea. Un ejemplo de este tipo de entrenamiento eficaz es el entrenamiento por vibración o vibración de cuerpo entero .

Frost definió cuatro regiones de deformación elástica del hueso que dan lugar a diferentes consecuencias en el bucle de control:

• Desuso: Deformación < aproximadamente 800 μDeformación: Remodelación (adaptación ósea y reparación ósea) La masa ósea y la resistencia ósea se reducen.
• Estado adaptado: deformación entre aproximadamente 800 μStrain y aproximadamente 1500 μStrain: Remodelación (reparación ósea) La masa ósea y la resistencia ósea se mantienen constantes ( homeostasis : resorción ósea = formación ósea).
• Sobrecarga: Deformación > aproximadamente 1500 μStrain: Modelado (crecimiento óseo): la masa ósea y la resistencia ósea aumentan.
• Fractura: Deformación > aprox. 15000 μStrain: Se superó la deformación elástica máxima, lo que provocó una fractura ósea .

Según esto, un hueso típico (por ejemplo, la tibia ) tiene un margen de seguridad de aproximadamente 5 a 7 entre la carga típica (2000 a 3000 μStrain) y la carga de fractura (aproximadamente 15000 μStrain).

Los comentarios anteriores describen solo una parte de cómo el esqueleto responde a la carga, ya que los diferentes huesos del esqueleto presentan una variedad de entornos de tensión habituales (que abarcan magnitud, velocidad, frecuencia, periodos de descanso, etc.), y estos no son uniformes. Los valores de la tabla son meramente 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 cargas diferentes y se adaptan a ellas a pesar de los distintos umbrales entre desuso, mantenimiento y formación adaptativa. Además, la estructura ósea está controlada por una compleja serie de 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 cuando el calcio circulante es bajo, o bien la misma carga podría simplemente atenuar la cantidad de resorción que experimenta una persona mayor con una enfermedad degenerativa ósea.

La deformación elástica del hueso se mide en μStrain . ^{[ 2 ] [ 3 ]} 1000 μStrain = 0,1 % de cambio de longitud del hueso.

• Deformación E en la longitud l y cambio de longitud Δ l :${\displaystyle E={\frac {\Delta l}{l}}}$

Es importante tener en cuenta que la resistencia ósea depende en gran medida de la geometría y la dirección de las fuerzas que actúan sobre ella. Por ejemplo, la carga de fractura para fuerzas axiales en la tibia 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 distintos tipos de huesos pueden tener diferentes umbrales de modelado y remodelado. 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 bóveda craneal debe permanecer fuerte para proteger el cerebro, incluso si no experimenta tensiones que se considerarían estimulantes. En un estudio donde se midieron las tensiones en el cráneo de un ser humano vivo, se demostró que las tensiones en el cráneo nunca superaron 1/10 de la tensión máxima en la tibia del mismo individuo, con diferencias similares en las tasas de tensión. ^{[ 8 ]} Esto sugiere que o bien los huesos del cráneo son muy sensibles a tensiones extremadamente bajas, o bien que la cantidad de hueso de "línea base genética" en el cráneo en lo que es efectivamente desuso no se modifica por los efectos de la carga. La cuestión de si los cráneos de los boxeadores son más gruesos que los de las personas normales es una pregunta intrigante que aún no ha sido respondida.

Dado que las propiedades físicas y materiales del hueso no se alteran en los distintos tipos de hueso del cuerpo, esta diferencia en el umbral de modelado resulta en una mayor masa y resistencia ósea, y por lo tanto, en 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 ende, más resistente en el cráneo.

Ejemplos típicos de la influencia de las fuerzas máximas y las deformaciones elásticas resultantes en el crecimiento o la pérdida ósea son los vuelos prolongados de astronautas y cosmonautas , así como los pacientes con paraplejia debido a un accidente. Los períodos prolongados en caída libre no provocan pérdida ósea del cráneo, lo que respalda la idea de que su estructura ósea se mantiene por una influencia genética y no mecánica (el hueso craneal suele aumentar en los vuelos espaciales de larga duración, algo que se cree que está relacionado con los cambios de fluidos dentro del cuerpo).

Un paciente parapléjico en silla de ruedas que usa los brazos pero no las piernas sufrirá una pérdida masiva de músculo y hueso solo en las piernas, debido a la falta de uso de estas. Sin embargo, los músculos y huesos de los brazos, que se usan a diario, se mantendrán iguales o incluso podrían aumentar, dependiendo del uso. ^{[ 9 ]}

El mismo efecto se observa en astronautas o cosmonautas que realizan vuelos espaciales de larga duración. ^{[ 10 ]} Si bien siguen utilizando sus brazos de forma casi normal, debido a la falta de gravedad en el espacio, no se ejercen fuerzas máximas sobre los huesos de las piernas. En la Tierra, quienes practican deportes de raqueta a largo plazo experimentan efectos similares, donde el brazo dominante puede tener un 30 % más de masa ósea que el otro debido a la aplicación asimétrica de la fuerza.

Harold Frost aplicó el modelo del mecanostato no solo a los tejidos esqueléticos, sino también a los tejidos conectivos fibrosos y colagenosos, como ligamentos, tendones y fascia. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Describió su capacidad de adaptación a la tensión en su "regla de estiramiento-hipertrofia":

"El estiramiento intermitente provoca la hipertrofia de los tejidos colagenosos hasta que el aumento resultante de la fuerza reduce la elongación en tensión a un nivel mínimo". ^{[ 13 ]}

De forma similar a la capacidad de respuesta de los tejidos óseos, esta respuesta adaptativa solo se produce si la tensión mecánica supera un cierto valor umbral. Harold Frost propuso que, para los tejidos conectivos colagenosos densos, el valor umbral correspondiente se sitúa en torno al 4 % de elongación por tensión. ^{[ 14 ]}

• ISMNI – Sociedad Internacional de Interacciones Musculoesqueléticas y Neuronales