MARCATORI DI METABOLISMO OSSEO NELL'ATLETA

I MODELLI “ATLETA”Atleta: modello peculiare di fisiologiaGeneticaAmbienteATLETA D’ELITEAllenamentoGiovanni Lombardi, PhD 3

I MODELLI “ATLETA”FORZAVELOCITA’ATLETARESISTENZAClassificazione in base a aspetti neuromuscolari (che servono per modulare latensione) e aspetti metabolici (che determinano la durata).Giovanni Lombardi, PhD 4

OSTEOBLASTI E FORMAZIONE OSSEA Cellule stromali specializzate: formazione, deposizione emineralizzazione del tessuto osseo Fattori trascrizionali e citochine hanno un ruolo fondamentalenell’indurre il differenziamento di precursori mesenchimaliverso il lineage osteoblasticoBlair et al. Biochem J. 2002, 364:329-41Giovanni Lombardi, PhD 8

OSTEOBLASTI E FORMAZIONE OSSEAOsteoblasti maturi esprimono markers biochimici caratteristici:Markers molecolari dello stadio precoce di differenziamentoCollagene di tipo IFosfatasi alcalinaMarkers molecolari dello stadio tardivo del differenziamentoOsteocalcinaMineralizzazione della matrice extracellulareRecettori per l’ormone paratiroideo (PTH) e per la vitamina DAltri markersOsteonectinaOsteopontinaSialoproteine dell’ossoGiovanni Lombardi, PhD 9

OSTEOCLASTI E RIASSORBIMENTO OSSEOCellule terminalmente differenziate, multinucleate di grandidimensioni, una volta conclusa la loro attività di riassorbimentoosseo, vanno incontro ad apoptosiBlair et al. Biochem J. 2002, 364:329-41Giovanni Lombardi, PhD 10

OSTEOCLASTI E RIASSORBIMENTO OSSEOOsteoclasti maturi presentano markers biochimici caratteristici:Intensa attività della fosfatasi acida tartrato resistente (TRAP) ecatepsina KUp-regolazione dei recettori della calcitonina e dellavitronectinaEspressione della “vacuolar proton ATPase”Teitelbaum. Bone Remodelling and Repair. 2000, 289:1504-8Giovanni Lombardi, PhD 11

RIMODELLAMENTO OSSEO“Bone multi-cellular units” o “bone remodelling units” (BRU):siti a livello dei quali vi è un attivo rimodellamento osseo (circa 1-2x10 6 nello scheletro umano)Phan et al. Histol Histopathol. 2004, 19:1325-44Giovanni Lombardi, PhD 12

MARCATORI DEL TURNOVER OSSEO Enzimi di derivazione osteoclastica o osteoblastica, frammentidel collagene o componenti non collagenici della matriceossea. Distinzione tra marcatori di formazione o riassorbimento nonè sempre netta: idrossiprolina ed alcuni frammentidell’osteocalcina, riflettono, almeno in parte, sia laneodeposizione che il riassorbimento osseo. Alcune molecole utilizzate come markers di turnover osseo,sono presenti in tessuti diversi da quello osseo. Cambiamenti nei livelli di questi markers, da soli, non possonoessere correlati ad una patologia specifica:riflettono alterazioni del metabolismo scheletrico nel suocomplesso, indipendentemente dalle cause che le hannodeterminateGiovanni Lombardi, PhD 13

MARCATORI DEL TURNOVER OSSEOAcronymsNameNon-collagenous proteinMetabolicprocessOC Osteocalcin FormationSourceBone(osteoblast),tooth,hypertrophiccartilage,plateletsMolecularstructureMonomericprotein with 3vitamin-Kdependent -COOH groupsMeasurementRIA,ELISA,CLIACollagen breakdown-productsC-terminalPICPpropeptideof type IprocollagenFormationBone, softtissues, skinMonomericpeptideRIA,ELISAPINPN-terminalpropeptideof type IprocollagenFormationBone, softtissues, skinMonomericpeptideRIA,ELISAGiovanni Lombardi, PhD 14

MARCATORI DEL TURNOVER OSSEOAcronymsEnzymesBAPNameBone alkalinephosphataseMetabolicprocessFormationSourceBone(osteoblast)MolecularstructureExtracellularmembraneboundtetramericproteinMeasurementColorimetricassay,Electrophoreticassay,Precipitation,IRMAEIATRAP5bTartrateresistantacidphosphatase(isoenzyme5b)ResorptionBone(osteoclast),macrophagesTwo-subunitproteinColorimetricassay,ELISA,RIAGiovanni Lombardi, PhD 15

MARCATORI DEL TURNOVER OSSEOAcronyms Name Metabolic process Source Molecular structure MeasurementCollagen crosslinksPyr Pyridinoline ResorptionBone, cartilage,tendon, bloodvesselsTri-functional crosslinkbridging collagen fibrilsHPLC,ELISA,RIADpd Deoxypyridinoline Resorption Bone, dentinTri-functional crosslinkbridging collagen fibrilsHPLC,ELISA,RIAICTPC-terminal crosslinkedtelopeptideof type IprocollagenResorption Bone, skin Crosslinked peptidesELISA,RIACTxC-terminal crosslinkingtelopeptideof type I collagenResorptionAll tissuescontaining collagentype IOctapeptideELISA,RIA,CLIANTxN-terminal crosslinkingtelopeptideof type I collagenResorptionAll tissuescontaining collagentype ICrosslinked peptidesELISA,RIAGiovanni Lombardi, PhD 16

MARCATORI DEL TURNOVER OSSEOMonitoraggio dei farmaci antiriassorbimento(International Osteoporosis Foundation, 2000)Attenzione focalizzata su:Deposizione dell’osso:Osteocalcina (OC)Fosfatasi alcalina ossea (BALP)Propeptide del procollagene tipo I (PINP)Riassorbimento dell’osso:uNTXuCTX o sCTX per la terapia con bifosfonatiuDPD per la terapia ormonale sostitutiva (HRT)Giovanni Lombardi, PhD 17

DIRETTIVE IOF-IFCCNuove direttive per lo studio clinico ed osservazionaledell’osteoporosi(International Osteoporosis Foundation, 2011).Giovanni Lombardi, PhD 18

VARIABILITA’ BIOLOGICAVARIABILITA’ BIOLOGICA(INTRA- ed INTER-INDIVIDUALEfattori non controllabili• età• sesso• menopausa• etnia•patologie/fratture recenti•immobilità•gravidanza e allattamentofattori controllabili• ritmo circadiano• ciclo mestruale• esercizio fisico• terapie farmacologiche• contraccettivi oraliGiovanni Lombardi, PhD 19

VARIABILITA’ BIOLOGICAfattori noncontrollabilifattoricontrollabilii loro effetti non possono essere alterati.È possibile però usare appropriati range diriferimento età- e genere-specifici.i loro effetti possono essere minimizzatimediante standardizzazione di tempi econdizioni di prelievo : prelievo al mattino (tra le 8.00 e le 10.00)astensione dall’esercizIo fisico durante le 24ore precedenti il prelievo eliminazione di ogni fattore che potrebbeinfluenzare il prelievo.Giovanni Lombardi, PhD 20

VARIABILITA’ BIOLOGICACv i % CV g %Marcatore di formaziones-Fosfatasi alcalina ossea 6.6 35.6s-Osteocalcina 9.1 30.9s-Propeptide C-terminale del procollagene I 8.6 17.6Marcatore di riassorbimenos-Telopeptide C-term. del collagene I (ICTP) 6.9 28.8s-Fosfatasi acida tartrato-resistente 10.8 13.3u-Galattosilidrossilisina 12.0 25.0u-Telopeptide N-term. del collagene I (NTx) 14.7 26.9u-Telopeptide C-term. del collagene I (CTx) ? ?u-Desossipiridinolina libera 13.1 26.0u-Piridinoline libere 18.6 24.8Giovanni Lombardi, PhD 21

MARCATORI DI ULTIMA GENERAZIONE-Fattori ormonali di regolazione del metabolismo dicalcio e fosfato (FGF-23)-Marcatori dell’attività sensoria del carico (Sclerostina)-Marcatori dell’asse osteoimmunologico(OPG/RANK/RANKL, citochine)-Marcatori delle vie di segnalazione coinvolte neldifferenziamento terminale delle cellule osseeGiovanni Lombardi, PhD 22

Esercizio fisico come variabilepre-analitica controllabileGiovanni Lombardi, PhD 23

FATTORI INFLUENZANTI LA MASSA OSSEA70% 30%FATTORI MODIFICABILI:-Dieta-Introito di calcio-Status Vitamina D-Attività fisicaFATTORI COSTITUTIVI:-GeneticaLa massa ossea può essere incrementata attraverso:-Carico meccanico-Attività aerobicaAttività fisica come terapia popolare per l’osteoporosiGiovanni Lombardi, PhD 24

MARCATORI OSSEI & ESERCIZIO FISICOIn soggetti adulti non allenati, unsingolo episodio di esercizio fisicopotrebbe alterare i livelli dimarcatori del rimodellamento osseo(aumento di CTX e PINP, OC e BAPinvariati)IMPORTANZA DELL’ASTENSIONEDALL’ESERCIZIO FISICODURANTE LE 24 ORE PRECEDENTIIL PRELIEVOOsservati risultati discordanti.Possibile spiegazione nel fatto che diversi tipo di esercizio (carico, noncarico, resistenza, breve periodo) possono far variare in modo diverso ilivelli di marcatori del rimodellamento osseo.Giovanni Lombardi, PhD 25

MARCATORI OSSEI & ESERCIZIO FISICOESERCIZIO AEROBICOESERCIZIO ANAEROBICODiminuzione stabile del riassorbimento osseo.Riduzione transiente della formazione ossea [BAP].Aumento stabile del rimodellamento osseocomplessivo (riassorbimento + formazione [oc]).Importante anche la possibile interazione di fattori che interagiscono con la fasepreanalitica (tipo di campione, temperatura di conservazione e tipo di dieta)Giovanni Lombardi, PhD 26

ESERCIZIO INTENSO- durante un esercizio intenso e di breve duratal’attività degli osteoblasti viene ripetutamentestimolata in seguito all’acidosiSbilancio tra formazione eriassorbimento in atleti dientrambi i sessi- non c’è relazione tra pH sangue, lattato e livelli dimarcatori del riassorbimento (TRAP-CTX) dopo 60min di esercizio anaerobico- Acidosi derivata dallo stimolo anaerobico RIDUCEl’attività osteoblastica, OC e PINP diminuiscono del75% in seguito allo stimolo. Livelli aumentano del95% se eliminato lo stimolo anaerobico.Rimodellamento osseoinfluenzato dall’acidosisolo in modo transitorio.Giovanni Lombardi, PhD 27

MARCATORI OSSEI & ESERCIZIO FISICOVariazioni cellulari avvengono entro le 24 ore dopo l’esercizioOSTEOCALCINIn NON ATLETI valori scendono dopo 30 min di esercizio etornano alla normalità entro 1 ora.In ATLETI valori aumentano dopo 1 ora (maggiori livelli OC insoggetti allenati).PyrBAPAumenta in seguito all’esercizio.Non influenzata dall’esercizio anaerobico.Giovanni Lombardi, PhD 28

ESERCIZIO A LUNGO TERMINEImportanza di fattori esterni all’esercizio sportivo (uso di contraccettivi,genere, esposizione al sole).Importanza dell’allenamentoGiovanni Lombardi, PhD 29

ESERCIZIO A LUNGO TERMINE- CTx e BAP più elevati in atleteendurance rispetto ai controlli. (A)- valori più bassi in atlete che fanno usodi contraccettivi. (B)Giovanni Lombardi, PhD 30

DIFFERENZE DI GENEREConosciute anche differenze sesso-specifiche in risposta all’esercizio.OSTEOCALCINPiù elevata in atleti di sesso maschile che di sesso femminileCTxIn seguito ad esercizio anaerobico aumenta in atleti maschi ma non in atlete donne.Giovanni Lombardi, PhD 31

DIFFERENZE DI GENEREOSTEOCALCINGiovanni Lombardi, PhD 32

DIFFERENZE DI GENERECTxGiovanni Lombardi, PhD 33

DIFFERENZE DI GENEREBAPAumenta subito dopo l’esercizio,stabilizzandosi entro 20 min solo indonne post-menopausa.Giovanni Lombardi, PhD 34

USO DI OC IN ATLETEPossibile effetto dei contraccettivi età-dipendente (>35 anni).Giovanni Lombardi, PhD 35

EFFETTO STAGIONE: SCI ALPINOGiovanni Lombardi, PhD 36

EFFETTO STAGIONE: SCI ALPINOGiovanni Lombardi, PhD 37

I MARCATORI DEL RIMODELLAMENTOOSSEO NEL CICLISMO:L’ESPERIENZA DEL GIRO D’ITALIAGiovanni Lombardi, PhD 38

L’ESPERIENZA DEL GIRO D’ITALIAPerché studiare il metabolismo osseo nelciclista professionista durante una gara atappe?1.Peculiare composizione corporea (rispetto acontroparti appartenenti ad altre discipline sportive: ↓BMI, ↓ Massa Grassa % e ↓ concentrazione adipochine2.Accelerato turrnover osseo (rispetto a contropartiappartenenti ad altre discipline sportive: ↓ BMD)3.Estrema richiesta energetica per lo svolgimento delleGare a tappeGiovanni Lombardi, PhD 39

L’ESPERIENZA DEL GIRO D’ITALIADisegno degli studiMod. da: Corsetti R, Lombardi G, Lanteri P, et al. Clin Chem Lab Med 50(5):949-56- Soggetti: 9 ciclisti professionisti (età: 26.7 ± 2.50 y)- Disegno dello studio: 3 time-points (pre-gara; metà-gara; fine gara) durante il Girod’Italia 2011/2012- Dati antropometrici (altezza, peso, BMI, % Massa Grassa, composizione dieta)- Misurazione Potenza Erogata (Powermeter, SRM GmbH) e derivazione SpesaEnergetica netta- Prelievi ematici pre-tappa secondo raccomandazioni pre-analiticheGiovanni Lombardi, PhD 40

L’ESPERIENZA DEL GIRO D’ITALIAIl rispetto delle raccomandazioni pre-analitiche permettel’ottenimento delle condizioni ideali per la successiva analisi delcampione.Studi precedenti (ambito ematologico) non riportano nessunriferimento circa i protocolli di prelievo, trasporto e conservazionedei campioni.La comparazione dei risultati riportati di seguito conquelli ottenuti in studi precedenti non è appropriata.Giovanni Lombardi, PhD 41

IL CICLISTA COME “MACCHINA”ApportoEnergeticoGIRO D’ITALIA 2011Dieta= 6000kcal/dieAttivitàmuscolareProfiloormonalePO max= 1396WPO max/Weight= 18.2W/kgPo mean= 250WPO mean/Weight= 3.7W/kgSpesa energetica= 3756kcalFunzionalitàrenaleGiovanni Lombardi, PhD 42

SPESA ENERGETICA******Misurazione Power Output: SistemaSRM (SRM GmbH) basato su sensori dipotenza integrati nei pedaliP(W)= τ(Nm) · ω(rad/s)La spesa energetica è derivata dallarelazione:W= 2.39 · 10 -4 Kcal · s -1***- Power Output vs. Net energyexpenditure: r=0.95, p

MEATBOLISMO OSSEOOsso e Ciclismo: un esempio di “fallimento” omeostaticoAttività ciclistica continuativa di qualsiasi livello (ricreazionale,amatoriale, professionistico) induce riassorbimento osseo eriduzione della massa osseaGiovanni Lombardi, PhD 44

MEATBOLISMO OSSEO- Spinta verso il riassorbimentoosseo (↑TRAP5b, ↓OC)- Correlazione TRAP5b - OC(r=0.50, p

INTERRELAZIONE OSSO-RENEGiovanni Lombardi, PhD 46

INTERRELAZIONE OSSO-RENEPO 43-DIETAASSORBIMENTODEPOSITO↑ PO 43-SIERICORIASSORBIMENTO1,25(OH) 2DNaP i-IIa/cPTHPO 43-URINEGiovanni Lombardi, PhD 47

INTERRELAZIONE OSSO-RENEPO 43-DIETAASSORBIMENTOFGF-23↑ PO 43-SIERICORIASSORBIMENTO1,25(OH) 2DNaP i-IIa/cPTHPO 3-4 URINEGiovanni Lombardi, PhD 48

INTERRELAZIONE OSSO-RENEGiovanni Lombardi, PhD 49

INTERRELAZIONE OSSO-RENECome conseguenza dell’attività fisica strenua, protratta per 21giorni, IN ASSENZA DI CARICO si osserva:-Attivazione osteoclastica (↑ TRAP5b) e putativa spinta verso ilriassorbimento osseo-Equilibrio dell’asse PTH – Vitamina D-Aumento della produzione ossea di FGF-23 (e sua correlazione congli indici di metabolic effort) e conseguente iniziale calo del fosforoematico IN PRESENZA DI FUNZIONALITA RENALE (Egfr)COSTANTEIl tutto risulta nel mantenimento dell’omeostasi del metabolismodel fosfato (e calcio)Giovanni Lombardi, PhD 50

INTERRELAZIONE OSSO-MUSCOLOLa trazione muscolareapplicata all’osso, inassenza di carico causa ilriassorbimento(sclerostina)confermato dalprogressivo aumentoaumento dell’escrezioneurinaria di calcio efosfatoGiovanni Lombardi, PhD 51

CONCLUSIONIL’attività fisica ha un profondo effetto sul metabolismoosseoI fattori che modificano l’attività metabolica delle celluleossee sono numerosi e non ancora chiariL’assetto del carico (total body, locale) è uno dei fattoriprincipalmente coinvolti nel condizionamento delmetabolismo osseoFattori modificatori sono la trazione muscolare, ilbilancio energetico e il bilancio metabolico globaleIl rispetto delle linee-guida pre-analitiche è un puntofondamentale per la gestione dell’output analitico