Centre de recherche sur l'activité physique et la nutrition, Université Deakin, Burwood, Australie
Résumé
Dans cette revue, nous discutons de l'effet d'une charge accrue et réduite et d'une carence nutritionnelle sur la masse et la force musculaires et osseuses (ainsi que sur la longueur et l'architecture osseuses), de manière indépendante et combinée.
et la force musculaire et osseuse (ainsi que la longueur et l'architecture osseuse) de manière indépendante et combinée. L'exercice et la nutrition font partie intégrante du modèle de mécanostat, mais tous deux ont des rôles distincts. La contrainte mécanique transmise par l'action musculaire est
responsable du développement de la taille et de la forme extérieures de l'os, puis de sa solidité. En revanche,
l'immobilisation pendant la croissance entraîne une réduction de la croissance de la longueur de l'os et une perte de la résistance osseuse en raison d'importantes pertes de masse osseuse (résultat de l'endostéal).
d'importantes pertes de masse osseuse (résultant de la résorption endostéale de l'os cortical et de l'amincissement trabéculaire) et de modifications de la géométrie (les tiges osseuses n'acquièrent pas leur forme
développent pas leur forme caractéristique mais plutôt une forme arrondie par défaut). L'utilisation de mesures de substitution pour les forces musculaires maximales agissant sur l'os (force, taille ou masse musculaire) limite notre capacité à confirmer une relation de cause à effet entre
entre la force musculaire maximale agissant sur l'os et les changements de la force osseuse. Cependant, les exemples présentés dans cette revue soutiennent l'idée que, dans le cadre d'une nutrition adéquate, l'exercice physique a un effet positif sur la santé.
l'idée que, dans le cadre d'une alimentation adéquate, l'exercice a le potentiel d'augmenter la force musculaire maximale agissant sur l'os et peut donc conduire à une augmentation proportionnelle de la force osseuse.
conduire à une augmentation proportionnelle de la solidité des os. En revanche, la nutrition seule n'influence pas les muscles ou les os de manière dosée. Les muscles et les os ne sont influencés que lorsqu'il y a une carence nutritionnelle - et dans ce cas, l'effet est
profond. Comme pour l'immobilisation, l'effet immédiat de la malnutrition est une réduction de la croissance longitudinale. Plus précisément, la malnutrition protéino-énergétique entraîne une perte osseuse massive due à une résorption endostéale dans l'os cortical et à un amincissement trabéculaire. Contrairement à la mise en charge, il existe cependant des preuves indirectes que la malnutrition sévère, lorsqu'elle est associée à un dysfonctionnement menstruel, peut déplacer le point de réglage du mécanostat vers le haut, entraînant ainsi une moindre accumulation osseuse pour une quantité donnée de contrainte osseuse.
Mots clés : Mécanostat, immobilisation, charge, énergie, protéines.
Introduction : L'effet de la charge et de la nutrition sur le mécanostat
Le développement des muscles et des os pendant la croissance est
influencé par les forces associées à la gravité et à l'activité physique
physique1-3. Ce sont les forces musculaires qui créent les forces maximales
agissant sur l'os. Ces forces sont généralement supérieures aux
forces externes agissant sur le corps (par exemple, les forces de réaction au sol) en raison du faible effet de levier musculaire du corps.
forces de réaction au sol) en raison du faible effet de levier musculaire du corps. Ainsi,
Ainsi, la croissance en présence d'une décharge se traduit à la fois par un muscle qui n'a pas la capacité fonctionnelle et par un os qui n'a pas la capacité d'agir.
qui n'a pas de capacité fonctionnelle, et un os qui n'a pas la forme spécifique qui est unique pour sa fonction4.
. Cette relation intrinsèque entre le muscle et l'os est résumée par la théorie du mécanostat.
théorie du mécanostat, qui postule que l'augmentation de la force musculaire maximale pendant la croissance ou en réponse à une
la masse, la taille et la force osseuses de manière prévisible et correspondante4 .
et de manière correspondante4
. De même, le manque de charge (désuétude ou immobilisation) entraîne une réduction du développement musculaire (et de la force musculaire).
de la force musculaire) et aura invariablement un effet négatif sur la
masse, la taille et la résistance des os.
Le bon fonctionnement du mécanostat dépend
de l'état normal de toutes ses cellules (ostéocytes, -blastes et -
clastes), de l'usage mécanique habituel du squelette et de l'environnement endocrinien et métabolique.
de l'environnement endocrinien-métabolique5
. Dans la situation normale
normale " saine ", le mécanostat postule que la force de l'os
force osseuse est adaptée pour maintenir les contraintes maximales typiques dans un
physiologiquement sûre afin de prévenir les microdommages et les fractures,
et pour optimiser la structure osseuse afin qu'elle réponde au mieux à ses
fonctionnels. Le réglage fin du mécanostat est obtenu grâce aux éléments suivants
des points de réglage physiologiques qui servent de seuils pour l'initiation ou l'inhibition du modelage et du remodelage osseux.
Figure 1. Perte osseuse avec le temps après une lésion de la moelle épinière, mesurée en coupe transversale dans une population de 99 sujets. DMOv trabéculaire des
épiphyses distales du fémur et du tibia (en haut), et épaisseur corticale de la tige du fémur et du tibia (en bas). La zone ombrée montre la
moyenne ± 2 écarts types d'un groupe témoin comprenant 25 personnes valides. Les cercles représentent les sujets atteints d'une LM à l'âge >18 ans et les triangles remplis représentent les sujets atteints d'une LM à l'âge >18 ans.
Les triangles pleins représentent les sujets atteints d'une LM à l'âge < 18 ans [Adapté de Eser et al.19].
Les points de consigne des mécanostats sont déterminés génétiquement mais sont
régulés par l'environnement endocrinien. Par exemple, il est
proposé que des concentrations réduites d'œstrogènes augmentent les
points de consigne pour le modelage et le remodelage osseux. Par conséquent, une
déformation de 1 000 ÌÂ peut induire une formation osseuse dans un état
d'œstrogènes, mais pas dans un état d'épuisement des œstrogènes. Ainsi,
il est proposé que ce soit l'interaction de l'environnement endocrinien avec la fonction des cellules osseuses qui affecte la sensibilité avec laquelle l'os adapte sa masse, son volume et sa densité.
la sensibilité avec laquelle l'os adapte sa masse, sa géométrie ou ses
aux déformations osseuses causées par la charge5.
.
L'exercice et la nutrition sont des facteurs environnementaux clés
connus pour affecter les muscles et les os.
Les partisans du mécanostat affirment que les forces maximales exercées par les muscles permettent d'atteindre l'os.
forces maximales imparties par les muscles sont à l'origine de la réalisation de la
des os. Est-ce le cas, cependant, pour tous les niveaux d'exercice et de nutrition ?
et de nutrition ? Existe-t-il des scénarios humains où le
où le niveau d'exercice et/ou de nutrition remet en cause l'intégrité du
l'intégrité du mécanostat ? Dans cette revue, nous discutons de l'effet de
d'une charge accrue et réduite et d'une carence nutritionnelle sur
la masse et la force musculaires et osseuses (ainsi que la longueur et l'architecture
(ainsi que la longueur et l'architecture osseuses), de manière indépendante et combinée. Nous émettons l'hypothèse suivante
que tant que l'alimentation est suffisante pour permettre des conditions anaboliques et des niveaux d'hormones complets, l'effet de l'exercice (en termes de forces maximales agissant sur l'os, et non de volume d'entraînement) est plus important.
l'exercice (en termes de forces maximales agissant sur les os, et non de volume d'entraînement) sur la
sur la solidité des os sera proportionnel. Nous émettons également l'hypothèse que
les déséquilibres hormonaux associés à une carence nutritionnelle
ont le potentiel de modifier les points de réglage du mécanostat. Pour
Pour ce faire, nous présentons plusieurs scénarios afin d'élucider les
l'effet de l'exercice et de la carence alimentaire sur les muscles et les
os et le mécanostat. Le premier scénario porte sur l'effet
l'effet de l'immobilisation et de la charge supplémentaire en présence d'une nutrition adéquate. Dans le deuxième scénario, nous étudions l'effet d'une nutrition inadéquate avec une charge normale et une charge supplémentaire.
et une charge supplémentaire.
L'effet de l'immobilisation et de la charge sur la
relation muscle-os
Selon la théorie du mécanostat de Frost, les interrupteurs permettant de
activer et désactiver le modelage et le remodelage osseux sont régulés par la déformation de l'os. Des forces mécaniques sont nécessaires pour
déformer l'os, et ces forces sont principalement créées par des
les contractions musculaires, auxquelles s'ajoutent, dans les os porteurs, les forces gravitationnelles associées au poids du corps. Au cours de
croissance, les os sont continuellement mis au défi de s'adapter à l'augmentation de leur longueur et de la force musculaire. La croissance longitudinale
augmente les bras de levier et les moments de flexion, ce qui crée des charges plus importantes sur les os6.
des charges plus importantes sur les os6
. Le poids du corps augmente également et les forces musculaires sont parallèles à ces changements de poids afin de permettre un mouvement efficace.
mouvement efficace. Ainsi, l'os en croissance doit continuellement
doit continuellement ajuster sa force pour maintenir les contraintes (déformation osseuse) dans les limites du seuil de modélisation et de remodelage.
la plage de seuil pour le modelage et le remodelage.
L'ampleur de la déformation est déterminée par les caractéristiques de l'objet déformé (par exemple, les propriétés du matériau,
la taille, l'architecture) et la force qui agit sur lui (masse multipliée par l'accélération).
l'accélération). L'entraînement physique peut augmenter la force musculaire
et donc soumettre le squelette à des charges plus élevées.
L'exercice peut également augmenter la masse musculaire, ce qui
augmenter les forces gravitationnelles agissant sur les os porteurs de poids.
os. S'il est reconnu que la déformation osseuse est l'élément critique qui
l'entrée critique qui actionne le mécanostat, l'ampleur ou le taux de déformation
de déformation sont rarement mesurées directement (en raison de la nature invasive de ces mesures)7.
nature invasive de ces mesures)7
. Au lieu de cela, plusieurs substituts
sont utilisés pour estimer les forces agissant sur l'os. La force musculaire maximale de
musculaire maximale, souvent mesurée de manière statique (isométrique), est souvent utilisée comme substitut des forces maximales exercées sur l'os.
exercées sur l'os. Cependant, les forces musculaires mesurées statiquement
sont toujours beaucoup plus faibles que les forces dynamiques maximales
rencontrées dans les mouvements ou exercices quotidiens réels. Ainsi,
la mesure des forces musculaires externes ne fournit qu'un substitut
pour les forces maximales internes réelles agissant sur les os.
D'autres sont allés plus loin et ont utilisé la masse musculaire ou la surface de la section transversale comme indicateur de la force maximale.
d'utiliser la masse musculaire ou la surface de section transversale comme substitut de la force musculaire ;
Dans ce cas, c'est un substitut (c'est-à-dire la masse ou la surface musculaire) qui est utilisé pour estimer un autre substitut.
utilisée comme une estimation d'un autre substitut (la force musculaire
externe) pour la mesure réelle des forces maximales susceptibles d'agir sur l'os8-12.
agissant sur l'os8-12. Si la masse et la taille musculaires sont bien corrélées
avec la force musculaire isométrique et isocinétique13-15, et peuvent donc être utilisées comme substitut de la force musculaire, il existe d'autres facteurs qui y contribuent, tels que le type de fibre, la taille, le type d'os et la taille.
d'autres facteurs, tels que le type de fibre, l'angle de la fibre et la longueur du bras de levier musculaire, contribuent à la force musculaire.
la longueur du bras de levier du muscle qui contribuent au développement
de la force musculaire16.
En l'absence d'études ayant testé l'essence réelle de la théorie du mécanostat, nous présentons ici les résultats d'une étude sur la force musculaire.
l'essence réelle de la théorie du mécanostat, nous présentons un aperçu des études qui ont examiné l'influence du muscle sur l'os en utilisant des mesures de substitution pour la déformation osseuse.
utilisant des mesures de substitution pour les forces de déformation osseuse. Nous
Nous présentons les deux gammes du spectre, les forces musculaires réduites ou absentes ainsi que les forces musculaires accrues à la suite d'un entraînement physique.
l'entraînement physique.
Perte osseuse en réponse à l'immobilisation
La perte osseuse associée à l'immobilisation a été identifiée dans plusieurs conditions telles que les lésions de la moelle épinière (LM),
les accidents vasculaires cérébraux, les lésions nerveuses périphériques, les vols spatiaux, l'alitement et la décharge des membres postérieurs.
la décharge des membres postérieurs dans les études animales. Parmi ces conditions, le profil de la perte osseuse résultant d'une lésion médullaire et de l'immobilisation des membres postérieurs chez l'animal.
et de la décharge des membres postérieurs chez l'animal a été étudié en détail.
détail. La raison du choix de la lésion médullaire comme population d'étude est la suivante
le grand nombre de sujets disponibles et le degré élevé d'immobilisation dans les
d'immobilisation dans les populations étudiées avec peu de variation entre les sujets. D'un point de vue scientifique, la
population de personnes atteintes d'une lésion médullaire avec une paralysie motrice complète fournit un modèle qui peut être aussi bien contrôlé.