оригинальные Статьи № 1/2008 О

Оригинальные статьи
№ 1/2008 Остеопороз и остеопатии
О ВОЗМОЖНОЙ СВЯЗИ развития ОСТЕОПЕНИИ
С БИОХИМИЧЕСКИМИ И ГЕНЕТИЧЕСКИМИ
МАРКЁРАМИ КОСТНОГО МЕТАБОЛИЗМА
У СПОРТСМЕНОВ ПОСЛЕ ИНТЕНСИВНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ
НАГРУЗКИ. ЧАСТЬ I
В. С. Оганов1, О. Л. Виноградова1, Н. С. Дудов 2, В. С. Баранов3, А. С. Миненков4,
А. В. Бакулин1, В. Е. Новиков1, О. Е. Кабицкая1, М. В. Москаленко3,
А. С. Глотов3, О. С. Глотов3, Д. В. Попов1
1
ГНЦ РФ ИМБП РАН, Москва,
2
ООО «НЦ ЭФИС», Москва,
3
ГУ НИИАиГ им. Д. О. Отта РАМН, СПб.,
4
ВНИИФК, Москва
До и после интенсивных силовых тренировок (9 недель) по трём различным протоколам у 22 спортсменовлюбителей изучали: изменения биохимических маркёров костного ремоделирования, его нейроэндокринную регуляцию,
костную массу до и после тренировочного цикла (ТЦ).
Установлено, что длительная интенсивная физическая нагрузка сопряжена со значительной активацией процессов резорбции костной ткани в сочетании с сохранением высокого уровня синтетических процессов. Тем не менее
сравнительно короткая продолжительность экспериментальных тренировок, как и следовало ожидать, не выявила
их существенного влияния на показатели мпк всех исследованных участков скелета. Обнаруженные слабо выраженные тенденции могут рассматриваться как случайные флюктуации, не выходящие за пределы технической точности
метода.
Введение
Оптимальное функциональное состояние
опорно-двигательного аппарата является одной
из главных составляющих обеспечения высоких
спортивных результатов. Известно, что околопредельные и предельные физические нагрузки,
часто используемые в спорте, могут приводить
к дезинтеграции структуры костной ткани и травматизму.
Поэтому изучение динамики изменений состояния костной
системы является актуальной проблемой для современного
спорта высших достижений.
Систематически повышенная физическая нагрузка в период роста сопровождается возрастанием суммарной массы
костного минерала в организме, размеров и минеральной
плотности костей (МПК) [1, 2, 3], что приводит к увеличению максимальной костной массы, достигаемой за время
жизни, — «пиковой», или «молодой», костной массы [4, 5].
Данные процессы связаны с активацией остеобластов и увеличением интенсивности процессов формирования костной
ткани — остеогенеза [6], что может стать важнейшим фактором, замедляющим развитие возрастной остеопении в будущем.
В то же время практически все строгие исследования,
проведённые на здоровых взрослых и пожилых людях, демонстрируют очень небольшое (часто — недостоверное)
влияние физической активности на величину костной массы либо — отсутствие такового [5]. Более того, существует
достаточное число наблюдений, свидетельствующих о том,
что чрезмерная физическая нагрузка может сопровождаться такой перестройкой метаболизма костной ткани, которая
приводит к потере её массы или к остеопорозу [7, 8], либо
о тщетности попыток увеличить костную массу с помощью
физических нагрузок [9]. Показано, что при чрезмерных
физических нагрузках у спортсменов могут наблюдаться
периостоз, гиперостоз с определенной клиникой и, если не
принять своевременные меры, может начаться лакунарное
рассасывание кости (остеоцитарный остеолизис) и развиться остеопороз [7, 10].
Процессы ремоделирования костной ткани (его активация или замедление) представляют собой многоуровневые
иерархически организованные системы метаболических
2
регуляций, определяющих величину костной массы, МПК
и скорость её потери, то есть развития остеопороза. Важными предикторами остеопороза являются наследственные варианты (полиморфизмы) генов, кодирующих белки
костного метаболизма, так называемые гены «предрасположенности» [11]. В данной работе проводились анализ
динамики изменений биохимических маркёров костного
метаболизма в процессе меняющихся физических нагрузок
и молекулярно-генетическое тестирование генов, продукты
которых сопряжены с процессами костного ремоделирования и, по-видимому, со стресс-индуцированной остеопенией, вызванными высокими физическими нагрузками.
Целью работы является изучение закономерностей адаптации костного метаболизма, его нейроэндокринной регуляции у спортсменов под влиянием систематических физических нагрузок, а также возможной ассоциации стрессиндуцированных реакций костной ткани с полиморфизмом
генов костного метаболизма.
Задачи исследования
Изучение особенностей процесса костного ремоделирования и его нейроэндокринной регуляции у спортсменовлюбителей под влиянием тренировочных нагрузок различного характера.
Изучение динамики изменений костной массы в процессе тренировочного цикла (ТЦ) и в отдаленные сроки после
него.
Исследование возможной сопряженности изменений
костной массы и биохимических маркёров ремоделирования с аллельными вариантами генов, кодирующих костные
белки.
1. Объекты и методы
исследований
1.1. Объекты и режим тренировок
Испытуемые спортсмены-любители (n=22) тренировали
скоростно-силовые возможности мышц-разгибателей ног
при работе на велоэргометре (модифицированный эргометр
Monark, Швеция) в течение 9 недель 2 раза в неделю.
Тренировка на эксцентрическом велоэргометре состояла
из периодов интенсивной работы (примерно 60% от макси-
№ 1/2008 Остеопороз и остеопатии
Оригинальные статьи
Динамика биохимических показателей у объединённой группы спортсменов
под влиянием тренировочной программы
№ п. п.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Биохимические показатели
Кортизол
Тестостерон
Пролактин
СТГ
Паратгормон
Кальцитонин
Кальций общий
Фосфор
Щелочная фосфатаза
PINP
PIIIP
Остеокальцин
β-Cross Laps
Остеокальцин/Cross Laps
PINP/Cross Laps
Таблица 1
До тренировок
После тренировок
Изменение
326,59±19,25
16,99±1,44
300,32±26,18
0,08±0,02
22,29±1,89
4,54±0,57
2,28±0,02
1,30±0,04
87,09±3,35
123,49±8,05
5,06±0,26
41,86±2,83
0,28±0,03
148,79±12,17
499,38±41,41
428,14±34,93
24,82±1,50
352,95±37,98
0,74±0,35
36,05±3,07
3,76±0,55
2,19±0,03
1,15±0,03
85,80±3,47
115,25±7,96
4,79±0,30
45,93±2,82
0,68±0,04
67,86±4,29
177,21±12,12
101,55±39,88
7,82±2,08
52,64±38,74
0,66±0,38
13,75±3,61
–0,78±0,80
–0,09±0,04
–0,15±0,05
–0,60±4,83
–8,24±11,32
–0,27±0,39
4,07±3,99
0,40±0,05
–80,92±12,91
–322,17±44,54
мальной алактатной мощности (МАМ)) с частотой педалирования 70 об./мин, длительностью около 60 с (до отказа),
разделенных 10-минутными периодами отдыха. Количество
рабочих периодов в одном тренировочном занятии — 5—7.
Группа ВЭ (n=8) тренировалась на велоэргометре в эксцентрическом режиме, группа ВК (n=8) — по тому же протоколу, но в концентрическом режиме.
Группа НЭ (n=6) тренировала мышцы-разгибатели ног
при работе на тренажёре «жим ногами» сидя. Каждое тренировочное занятие состояло из шести рабочих периодов с
10-минутными интервалами отдыха. В ходе каждого периода испытуемые выполняли 10—12 циклических движений
(сгибание—разгибание ног). Разгибание ног совершалось
без внешней нагрузки, а сгибание — медленно (в течение
2—3 с) под нагрузкой, равной 120—130% максимальной
произвольной силы (МПС).
1.2. Биохимические маркёры ремоделирования кости
До и после тренировочного цикла (ТЦ) определялись базальные уровни: Cross Laps (С-терминальный телопептид — маркёр деструкции коллагена 1 типа), PINP
(N-терминальный пропептид проколлагена 1 типа — маркёр
синтеза коллагена), остеокальцина (маркёр минерализации
синтезированного коллагена), кальцитонина, паратгормона
(РТН), кальция (Са), фосфора (Р) и общей щелочной фосфатазы, а также кортизола, тестостерона, пролактина и соматотропина (СТГ) в венозной крови.
Определение уровней остеокальцина, PINP, РТН и Cross
Laps проводили на автоматическом анализаторе «Элексис
2010» фирмы Хофман ля Рош (Швейцария), измерение
уровня кальцитонина, кортизола, тестостерона, пролактина,
соматотропина (СТГ), инсулина и С-пептида — на автоматическом анализаторе «Иммулайт 2000» фирмы DPC (США).
Для определения уровня ионизированного Са использовался
анализатор электролитов фирмы Вауег (США). Измерение
глюкозы, КФК и мочевины проводилось на автоматическом
биохимическом анализаторе «Konelab 20i» с помощью реактивов фирмы «Термоэлектрон» (Финляндия).
1.3. Остеоденситометрия
Использовали технологию двухэнергетической рентгеновской гамма-абсорбциометрии (dualenergy X-ray
absorptiometry — DXA). Результатом измерения являются
проекционная минеральная плотность костного вещества
(МПК, г/см2) и содержание костных минералов (СКМ, г).
Компьютерные программы DXA позволяют проводить измерения во всех участках скелета и, кроме того, измерять селективно массу кости, жировую массу (ЖМ) и массу остальных
тканей («тощую массу», ТМ) во всем теле (программа WB).
Обследование проводили на рентгеновском двухэнергетическом денситометре QDR-1000/W (HOLOGIC, США),
в положении лёжа по стандартной методике. В статье представлены результаты измерений в поясничных позвонках
L1—L4 и субрегиональных исследований состава тела (ноги).
Продолжительность исследования составила 30 минут. Суммарная лучевая нагрузка — до 0,01 миллизиверт. Точность
измерения: ±0,5% — ±1% по локальным программам (поясничные позвонки) и ±1,5% — ±2% по составу тела. Остеоденситометрию проводили до и после ТЦ, а также через
8 месяцев после его завершения.
1.4. Метод генотипирования
Полиморфизм генов костного метаболизма (генов рецепторов витамина D — VDR и кальцитонина — CALCR
и гена коллагена 1 типа — Col 1 a 1), изучали с помощью
стандартных молекулярно-генетических методов, таких как
выделение ДНК из ядер лимфоцитов крови, полимеразной
цепной реакции (ПЦР) и анализа полиморфизма длин рестрикционных фрагментов (ПДРФ) молекулы ДНК (TaqI полиморфизм для гена VDR, Sp1 полиморфизм для гена Col 1 a
1 и AluI полиморфизм для гена CALCR). Для статистической
обработки полученных данных использовали статпакет программы Statistica 6, где «генетический риск» потери костной
массы равнялся сумме вычисленных коэффициентов соотношения шансов (OR) каждого проанализированного гена
в отдельности.
2. Результаты исследований
2.1. Адаптация костного обмена и его нейроэндокринной регуляции у спортсменов-любителей под влиянием
экспериментальной тренировочной нагрузки
Анализ данных, полученных при обследовании
спортсменов-любителей, использовавших разные программы тренировки, выявил отсутствие достоверных различий
между группами спортсменов по изученным показателям.
В связи с этим мы сочли возможным рассмотреть динамику
маркёров костного ремоделирования в сочетании с показателями отдельных нейроэндокринных функций, участвующих в регуляции процессов энергетического и белкового
обмена в организме, у объединённой группы спортсменовлюбителей под влиянием 9-недельного тренировочного процесса.
Как видно из данных, представленных в табл. 1 в среднем по группе, спортсмены в начале эксперимента характеризуются значительной активностью синтетических процессов в костной ткани, проявившейся в высоких уровнях
PINP — маркёра синтеза коллагена I типа, составляющего
90% белкового матрикса костной ткани, а также остеокаль-
3
Оригинальные статьи
Таблица 2
Результат анализа «генетического риска» потери
костной массы от индивидуальных сочетаний
генотипов по генам Collal, VDR и CALCR
VDR
CALCR
«Генетический риск»
потери костной массы
Col 1 a 1
№
п. п.
ГЕНОТИП
ПО ГЕНАМ
1
2
3
4
5
6
7
8
SS
ss
SS
SS
SS
SS
SS
SS
TT
TT
TT
TT
Tt
Tt
Tt
tt
TC
TC
TC
TC
TT
cc
TT
TT
1
2
3
4
5
6
SS Tt TT Не превышает популяционный
SS Tt TT Не превышает популяционный
SS TT TT Не превышает популяционный
SS TT TT Не превышает популяционный
SS TT TC Не превышает популяционный
SS Tt TT Не превышает популяционный
1
2
3
4
5
6
7
8
SS Tt TT Не превышает популяционный
Ss Tt TC Выше популяционного более чем в 3 раза
Ss TT TT Выше популяционного более чем в 3 раза
Ss TT TC Выше популяционного более чем в 2 раза
Ss TT TT Выше популяционного более чем в 3 раза
SS tt TC Не превышает популяционный
SS Tt TC Не превышает популяционный
SS Tt TT Не превышает популяционный
ВЭ-группа
Не превышает популяционный
Выше популяционного более чем в 10 раз
Не превышает популяционный
Не превышает популяционный
Не превышает популяционный
Не превышает популяционный
Не превышает популяционный
Выше популяционного более чем в 5 раз
НЭ-группа
ВК-группа
цина — белка, участвующего в минерализации костной ткани. Уровень Cross Laps — маркёра распада коллагена I типа,
по которому судят о процессе резорбции костной ткани, находится в средненормативном своём значении, так же как
и уровни РТН, кальцитонина, Са, Р и щелочной фосфатазы
в крови. Активность глюкокортикоидной, тестостероновой
и пролактиновой функций — также в пределах «нормы».
Обращает на себя внимание невысокий уровень СТГ в крови у спортсменов (табл. 1).
Под влиянием суммарного эффекта 9-недельного тренировочного процесса у спортсменов-любителей наблюдается
значительное увеличение активности процессов резорбции
костной ткани, о чём свидетельствует достоверное увеличение концентрации РТН (на 62%, р<0,001) и Cross Laps (на
140%, р<0,001) в крови, а также снижение индексов ремоделирования: по остеокальцину более чем в 2 раза, по PINP —
почти в 3 раза, главным образом за счет возрастания концентрации продуктов деградации коллагена.
В то же время у спортсменов-любителей было отмечено
достоверное повышение уровней кортизола и тестостерона — 31% и 46% (р<0,05) в сочетании с ярко выраженной
тенденцией к приросту СТГ — на 863% и пролактина — на
17,5% в крови при р>0,05 (табл. 1).
Полученные данные свидетельствуют о том, что кумулятивный эффект 9-недельных тренировочных нагрузок
у спортсменов-любителей проявился в существенном увеличении уровня РТН в крови (рис. l), что, в свою очередь,
4
№ 1/2008 Остеопороз и остеопатии
привело к значительной активации резорбтивных процессов
(рис. 2). Кроме того, корреляционный анализ показал достоверную взаимосвязь уровней кортизола и Cross Laps в крови
как до, так и после эксперимента (r=0,52 и r=0,49 соответственно) — см. рис. 2. Причем выявлено, что даже прирост
активности глюкокортикоидной функции за время эксперимента у спортсменов статистически связан с увеличением
уровня Cross Laps в крови (r=0,51). Полученные данные
согласуются с литературными данными об отрицательном
влиянии глюкокортикоидов на пролиферацию и дифференцировку остеобластов [12]. Кроме того, отмечено негативное влияние РТН на синтетические процессы в костной ткани (уровень PINP) во время первого обследования (r= –0,48).
Несмотря на увеличение активности эндокринных функций, стимулирующих синтетические процессы в организме — достоверный прирост тестостерона и увеличение СТГ
и пролактина, у спортсменов отмечалось лишь сохранение
активности синтетических процессов в костной ткани.
2.2. Изменения минерализации скелета и состава
тела у спортсменов-любителей под влиянием экспериментальной тренировочной нагрузки
Сравнительно короткая продолжительность экспериментальных тренировок не выявила их существенного
влияния на массу тела и рост участников, хотя по возрасту, по крайней мере, у некоторых из них процессы роста
могут быть ещё не завершены. Показатели МПК всех исследованных участков скелета, как и следовало ожидать,
не претерпели существенных изменений. Обнаруженные
слабо выраженные тенденции могут рассматриваться как
случайные флюктуации, не выходящие за пределы технической точности метода.
Изменения жировой массы ног демонстрируют тенденцию к её уменьшению, наиболее заметную в группе ВЭ, тем
не менее статистически недостоверную — р>0,05 во всех
случаях. Изменения «тощей массы», а значит, и мышечной массы ног, обнаруживают тенденцию к увеличению,
статистически достоверную в группе ВЭ. Можно было бы
обоснованно связать этот факт с большей интенсивностью
тренировок, тем не менее более определённую информацию
может дать сопоставительный анализ с данными других
групп исследователей, полученными иными методами.
2.3. Результаты генотипирования обследованных
спортсменов
Результаты анализа генов Collal, VDR и CALCR у спортсменов представлены в табл. 2. Результаты проведенного
анализа свидетельствуют о важной роли полиморфизма генов VDR, CALCR и Collal в метаболизме костной ткани, и,
в частности, определяют «генетический риск» высокой потери костной массы при повышенных физических нагрузках. Следует учесть, что результаты, полученные на данный
момент, являются предварительными, так как они определены на весьма небольшой выборке.
3. Обсуждение
3.1. Закономерности стресс-индуцированных реакций
костного ремоделирования
Как следует из полученных результатов, для обследованной группы спортсменов-любителей характерно значительное повышение интенсивности резорбтивных процессов (на 40%), в результате чего индекс ремоделирования
у них снижается на 57%. Причём индекс ремоделирования
по остеокальцину снижен более чем в 2 раза по PINP —
почти в 3 раза, главным образом за счет возрастания концентрации продуктов распада коллагена. При этом у них
наблюдается снижение концентрации кальцитонина в крови и повышение PTH (на 62%). Вместе с тем к концу тренировочного цикла у спортсменов возросли уровни кортизола
и тестостерона с отчетливой тенденцией к приросту СТГ
и пролактина.
№ 1/2008 Остеопороз и остеопатии
500
40
450
35
400
Паратгормон (нг/л)
Кортизол (нмоль/л)
400
45
350
30
300
25
250
20
200
15
150
0,6
300
0,5
250
0,4
200
0,3
150
10
50
5
50
0
0
0
После эксперимента
0,7
350
100
До эксперимента
0,8
Кортизол
β-Cross Laps
Cross Laps (нг/л)
450
Кортизол
Паратгормон
Кортизол (нмоль/л)
500
Оригинальные статьи
0,2
100
0,1
До эксперимента
После эксперимента
0
Рис. 1.
Динамика уровней кортизола и РТН в крови
у спортсменов во время эксперимента
Рис. 2.
Динамика уровней кортизола и Cross Laps в крови
у спортсменов во время эксперимента
Известно, что значительное влияние на процессы ремоделирования костной ткани оказывает изменение уровней
гормонов, регулирующих энергетический и белковый обмен в организме человека при их адаптации к напряженным физическим нагрузкам [13]. Достижение высокого
спортивного результата невозможно без целенаправленной
постепенной адаптации организма спортсменов к напряжённым физическим нагрузкам, в частности — без усиления активности и глубинных резервов глюкокортикоидной
функции коры надпочечников [14], которая в то же время
активизирует катаболические процессы в организме. Так,
известно, что основным патогенетическим механизмом,
обусловливающим повреждающее действие избытка глюкокортикоидов на кость, является апоптоз остеобластов
и остеоцитов [15]. Также известно, что РТН, в больших
дозах разрушающий кость, в интермиттирующих (малых)
дозах обладает анаболическим эффектом, в частности, его
аминотерминальный (N-концевой) фрагмент [16], однако
в нашем случае при выраженном повышении концентрации РТН, по всей вероятности, преобладает его катаболический эффект.
Преобладание катаболической фазы в белковом обмене,
в свою очередь, отрицательно влияет на состояние белкового матрикса костной ткани. Необходимо адекватное усиление активности и анаболических функций. Недостаточная
сбалансированность этого процесса может привести к преобладанию процессов резорбции над процессами ремоделирования костной ткани, к остеопении и даже, как крайний случай, к «спортивному остеопорозу». Следовательно,
несмотря на значительное увеличение уровня гормонов,
ответственных за развитие анаболических процессов в организме, — тестостерона, соматотропина и пролактина, увеличение их концентрации недостаточно для компенсации
процессов катаболизма в костной ткани, стимулируемых
высоким уровнем кортизола и РТН в крови.
цессов резорбции костной ткани свидетельствует снижение
индексов ремоделирования.
Работа выполнена частично при поддержке гранта
РФФИ № 05-04-49362а.
3.2. Данные денситометрии
Результаты денситометрии у спортсменов-любителей
не выявили достоверных изменений в содержании костной
массы (МПК, СКМ) в исследованных регионах скелета после 2-месячных экспериментальных тренировок. Их и не
следовало ожидать за столь короткий отрезок времени.
Заключение
Процесс тренировки спортивной работоспособности
и выносливости спортсменов сопровождался соответствующей адаптацией процессов ремоделирования и нейроэндокринной системы у спортсменов.
Длительный период систематических физических нагрузок приводит к значительной активации резорбтивных
процессов в костной ткани в сочетании с сохранением уровня активности синтетических процессов. Об активации про-
список литературы
1. Boot A. M., de Ridder M. A. J., Pols H. A. P., et al. Bone mineral
density in children and adolescents: relation to puberty, calcium intake,
and physical activity // J Clin. Endocrinol. Metab. 1997. N. 82. P.
57—62.
2. Morris F. L., Naughton G. A., Gibbs J. L., et al. Prospective tenmonth exercise intervention in premenarcheal girls: positive effects on
bone and lean mass // J. Bone Miner. Res. 1997. N. 12. P. 1453—1462.
3. Nordstrom P., Thorsen K., Bergstrom E., Lorentzon R. High bone
mass and altered relationships between bone mass, muscle strength, and
body constitution in adolescent boys on a high level of physical activity
// Bone 1996. N. 19. P. 189—195.
4. Cassell C., Benedict M., Specker В. Bone mineral density in elite
7- to 9-yr old female gymnasts and swimmers // Med. Sci. Sports Exer.
1996. N. 28. P. 1243—1246.
5. Vuori I. Peak bone mass and physical activity: a short review //
Nut. Rev. 1996. N. 54. P. S11-S14.
6. Eliakim A., Raisz L. G., Brasel J. A., Cooper D. M. Evidence
of increased bone formation following a brief endurance- type training
intervention in adolescent males // J. Bone Miner. Res. 1997. V. 12. N.
10. P. 1708—1713.
7. Aebersold-Schutz G. Do endurance sports lead to osteoporosis in
women // Orthopaedic. 1997. v. 26. p. 955—960.
8. O’Brien M. Exercise and osteoporosis // Ir. J. Med. Sci. 2001
(Jan-Mar). V. 170 N. 1. P. 58—62.
9. Forwood M. R., Burr D. B. Physical activity and bone mass:
exercises in futility? // Bone Miner. 1993. N. 21 P. 89—112.
10.Pettersson U., Stalnacke В., Ahlenius G., et al. Low bone mass
density at multiple skeletal sites, including the appendicular skeleton in
amenorrheic runners // Calcif. Tissue Int. 1999. V. 64. P. 117—125.
11.Баранов B. C., Баранова Е. В., Иващенко Т. Э. и др. Геном
человека и гены «предрасположенности»: Введение в предикативную медицину. СПб.: Интермедика, 2000. 272 с.
12.Cooper M. S., Hewiston M., Stewart P. M. Glucocorticoid
activity, inactivity and the osteoblast // J. Of Endocrinology. 1999. v.
163. p. 159—164.
13.Calvo M. S., Eyre D. R., Gundberg C. M. Molecular basis and
clinical application of biological markers of bone turnover // Endocrine
Reviews. 1996. V. 17. N. 4. p. 333—368
14.Меерсон Ф. З., Пшенникова М. Г. Адаптация к стрессорным
ситуациям и физическим нагрузкам. М.: Медицина, 1988. 256 с.
15.Белая Ж. Е., Рожинская Л. Я. Возможности применения
паратиреоидного гормона для лечения остеопороза // Остеопороз
и остеопатии. 2004. № 3. С. 26—33.
16.Rubin M. R., Cosman F., Lindsay R., Bilezikian J. P. The
anabolic effects of parathyroid hormone // J. Osteoporosis International.
2002. V. 13. P. 957—964.
5