The Effect of Level and Downhill Running on Cortical and Trabecular Bone in Growing Rats

Abstract

Mechanical loading is essential for bone development and prevention of age-related bone diseases. Muscular contractions during physical activity and the generated strain magnitude are primary determinants for the osteogenic response. However, the adaptation capacity of bones, especially due to different muscle contraction types, is largely unknown. In the present study we examined the effect of different running modes characterized by different muscle contraction types and loading patterns on the morphological, structural, and mechanical properties of different sites in the femur of growing rats. Thirty-six female Sprague-Dawley rats were randomly assigned to a nonactive age-matched control (AMC), a level running (LEVEL), and a 20° decline downhill running (DOWN) group (n = 12 each). Running groups were trained on a treadmill for 30 min/day, 5 days/week for 6 weeks. After death, pQCT analysis of the meta- and diaphyses, micro-CT analysis of the epiphysis, and mechanical testing of the femur were performed. The Tb.BMD in the metaphysis was significantly (P < 0.05) increased in the DOWN compared to the AMC group, whereas level running had no effect on Tb.BMD. While Young's modulus was significantly different (P < 0.05) between the DOWN and LEVEL groups, no structural alterations were found in the diaphysis between the groups. Further, subchondral trabecular bone did not show exercise-induced changes caused by the different running modes but displayed a remarkably high intraepiphyseal variability. Downhill running seems to be a potent osteogenic stimulus in the femoral metaphysis.

Morphological and histological adaptation of muscle and bone to loading induced by repetitive activation of muscle

“…Despite this, muscular contraction is rarely used experimentally to load bones under closely controlled conditions [4][5][6][7][8]. Typically, animals are either anaesthetized, and the bones are loaded in daily sessions using an external mechanical device, or they are subjected to exercise regimes [9][10][11]. These regimes have reported mild osteogenic responses that are highly variable between individuals, probably reflecting intraspecific variations of morphology, physiology and aptitude.…”

Efeitos do exercício físico associado à suplementação de creatina na massa óssea de ratas ovariectomizadas

“…É bem estabelecido que o estímulo mecânico induz efeitos benéficos sobre a microarquitetura do tecido ósseo resultando, consequentemente, na manutenção da função e massa ósseas o que indica, portanto, que o osso apresenta respostas significantes no que tange à utilização do exercício físico como estratégia terapêutica em condições que acometem esse tecido (Hamann et al, 2012). Em contrapartida, a ausência e/ou a baixa incidência em relação ao uso do estímulo mecânico proporciona um aumento na reabsorção óssea ocasionada pela sinalização de vias que ativam a osteoclastogênese (Aguirre et al, 2006;Komori, 2013).…”

“…O protocolo de treinamento físico adotado foi adaptado do estudo realizado por Hamann e seus colaboradores (Hamann et al, 2012). Nessa ocasião, os autores tinham como objetivo comparar os efeitos de um protocolo de treinamento físico em declive em relação à um protocolo sem inclinação sobre os parâmetros morfológicos, estruturais e biomecânicos do fêmur em modelo experimental.…”

“…O estímulo mecânico decorrente do exercício físico promove, sabidamente, efeitos positivos sobre o osso, dentre os quais destacam-se a manutenção e aumento da massa óssea, assim como a prevenção da deterioração da microarquitetura desse tecido (Iwamoto et al, 1999;Iwamoto et al, 2005;Hamann et al, 2012). De fato, o osso é um tecido que possui a capacidade de adaptar sua massa e geometria de acordo com o estímulo mecânico imposto a fim de atingir uma eficiência mecânica ótima (Wolff, 1892).…”

“…Modelos experimentais com essa idade foram utilizados em estudos prévios que investigaram os efeitos da ovariectomia sobre o tecido ósseo (De Souza et al, 2012;Bu et al, 2012;Chen et al, 2011;Seidlová-Wuttke et al, 2008). (Hamann et al, 2012;Hamann et al, 2014) e mostrou significante potencial osteogênico ao aumentar a DMO trabecular da metáfise distal do fêmur de ratas saudáveis em crescimento (Hamann et al, 2012).…”