ARTIGO DE REVISÃO

REVIEW ARTICLE


Estímulo mecânico e formação óssea – Como o exercício físico estimula a formação do osso?

Mechanical stimulation and bone formation - How physical exercise stimulates bone formation?

  • Recebido: 03 de Fevereiro de 2017
  • Aprovado: 23 de Março de 2017
  • Publicado: 01 de Fevereiro de 2018
  • Atualidades Médicas - Volume 1 - Edição nº 1 - Ano 2017 - Maio, Junho
  • Páginas: 20-24
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Resumo

O tecido ósseo quando solicitado responde a estímulos externos. Atualmente tem-se dado muita importância a atividades físicas para a preservação da saúde como um todo, em especial da saúde cardiovascular, muscular e óssea. Assim realizamos esta revisão no sentido de tentar explicar como as forças mecânicas atuam sobre o desenvolvimento de massa e estrutura dos ossos. Além disso, tentamos mostrar como o movimento oriundo do estímulo mecânico sobre o osso, dispara mecanismos associados com a mecanotransdução e remodelação óssea. Devemos mencionar que a formação ou a reabsorção óssea estão diretamente relacionados a natureza dos estímulos fisiológicos.

Summary

Bone tissue when required responds to external stimuli. Currently, it has given much importance to physical activities for the preservation of health as a whole, especially cardiovascular, muscle and bone health. Thus, we conducted this review to try to explain how the mechanical forces act on the development of mass and structure of bone. In addition, we tried to show how movements coming from the mechanical stimulation on the bone, triggers mechanisms associated with mechanotransduction and bone remodeling. We should mention that the formation and resorption of bone are directly related to the nature of physiological stimuli.

Unitermos/Uniterms

  • Estímulo mecânico
  • Estimulo piezoelétrico
  • Osso
  • Osteócitos
  • Bone
  • Mechanical stimulus
  • Piezoelectric stimulus
  • Mechanotransduction
  • Osteocyte

INTRODUÇÃO

Galileu foi um dos primeiros a descrever uma relação entre o tamanho e forma do osso com o peso corporal. No entanto, até o século XIX não se tem notícias de trabalhos que descrevam uma relação entre a forma dos ossos e as forças mecânicas.

Von Meyer foi o primeiro anatomista a identificar uma relação entre o padrão trabecular e as forças de pressão em secções longitudinais do metatarso e do calcâneo. Culmann por sua vez, utilizando métodos gráficos utilizados em engenharia, foi o pioneiro a descrever que as trabéculas ósseas estariam alinhadas ao longo das linhas de estresse produzidas pela carga funcional. Assim, Wolf, influenciado pelos trabalhos de von Meyer e Culmann, descreve que a forma dos ossos está diretamente relacionada ao estresse mecânico (Lei de Wolff – adaptação funcional do osso). Este conceito ainda é amplamente aceito pela comunidade cientifica (Rosa et al., 2015).

Segundo a lei de Wolff, a tensão imposta aos ossos gera modificações em seu tamanho, forma e densidade. Quando um osso é estimulado mecanicamente há aumento da atividade osteoclástica na área pressionada e aumento da atividade osteoblástica da área contralateral (Lindberg et al., 2015).

Sabe-se que o treinamento físico gera estímulos para aumentar a captação de cálcio pelos osteoblastos. Assim, pela deformação óssea e pela lei de Wolff, ocorre aumento da densidade mineral óssea com a realização de exercícios (Sasso et al., 2011).

O presente trabalho tem por objetivo apresentar ao clínico as bases fisiológicas e os mecanismos de ação dos principais agentes físicos já classicamente utilizados na reabilitação e, ainda, aqueles que potencialmente poderão ser utilizados para o tratamento e prevenção de alterações no metabolismo ósseo, com base em artigos publicados na literatura científica internacional.

ESTRUTURA ÓSSEA

O osso é uma estrutura complexa constituída por uma rede de células, e seus prolongamentos interligados, e de uma matriz mineralizada, que sofre modificações de acordo com o estresse. As células normalmente presentes no tecido ósseo são os osteoblastos, osteócitos e osteoclastos. Os osteoblastos localizam-se na superfície livre e são responsáveis pela formação do osso; os osteócitos por sua vez, ficam alojados dentro de pequenas cavidades no interior do osso, denominadas de lacunas e possuem prolongamentos que se interligam com o de outros osteócitos ocupando o interior dos canalículos, sendo os responsáveis pela manutenção da matriz. Já os osteoclastos são os responsáveis pela reabsorção do tecido ósseo, sendo oriundos dos macrófagos circulantes (Florencio-Silva et al., 2015).

O tecido ósseo é constituído por uma matriz orgânica (33% do peso do osso) composta, principalmente, por proteínas colágenas. Embora o colágeno tipo I seja o mais abundante, os colágenos dos tipos III, V, X e XI também estão presentes (Raisz, Rodan, 1998; Katchburian, Cerri, 2002). Entre as moléculas não-colágenas, a osteocalcina, osteonectina, osteopontina, sialoproteína óssea (BSP), decorina, biglicana, proteínas morfogenéticas ósseas (BMPs), fosfoproteínas, proteínas séricas e alguns lipídios estão presentes na matriz óssea (Sodek, McKee, 2000; Katchburian, Cerri, 2002; Garant, 2003; Katchburian, Arana, 2012). Além de desempenharem um papel estrutural, os componentes da matriz orgânica podem exercer um papel na proliferação, diferenciação e adesão celular, como também nos processos de mineralização e remodelação óssea (Garant, 2003; Glerean, Simões, 2013).

ESTÍMULO MECÂNICO

A quantificação do osso normal humano é um importante passo para entender a resposta do osso ao estímulo mecânico (Sasso et al., 2011). Uma das primeiras contribuições a este assunto foi feito por Hert et al (1971). Aplicando força (carga) em diáfise de tíbia de coelhos, usando pinos transcutâneos e cabos Bowden, foi observado uma tensão dinâmica e não estática, aumentando a formação óssea. Atualmente, sabe-se que a resposta das células ósseas ao estímulo mecânico é, em parte, modulada por parâmetros de tensão aplicada; dentre esses parâmetros incluem a magnitude, taxa e duração da tensão aplicada (Zou et al., 2015). Assim, a massa óssea é mantida por vários fatores, sendo um dos principais, as forças mecânicas impostas pela contração muscular.

Os estudos da última década têm mostrado que os osteócitos são as células mecanorreceptoras do tecido ósseo e que coordenam o processo de remodelação, convertendo os estímulos mecânicos em respostas bioquímicas – processo conhecido como mecanotransdução (Sasso et al., 2011; van Oers et al., 2015; Haugh et al., 2015). Entretanto, os mecanismos pelos quais os osteócitos são estimulados pelas forças mecânicas e como essas células sofrem alterações adaptativas na arquitetura óssea, ainda não estão completamente compreendidos (Vatsa et al., 2008).

Nos anos 1960, pesquisadores observaram que os estímulos mecânicos geravam diferentes potenciais elétricos nos eixos lateral e longitudinal dos ossos compactos que poderiam exercer efeitos diretos nas células ósseas (Basset et al., 1964). Assim, a aplicação in vivo de campos eletromagnéticos no osso, pode levar a inibição ou reabsorção óssea (Duncan, Turner, 1995).

De todos os mecanismos propostos para explicar o potencial elétrico gerado pela força mecânica, dois foram selecionados para análise: potencial de transmissão e efeito piezoelétrico. O potencial de transmissão compreende campos elétricos causados pelo movimento gerado pelo fluxo de liquido presente nos canalículos ósseos. Acredita-se que o fluxo do líquido intersticial no osso seja capaz de produzir uma resposta nos osteócitos, incluindo a ativação de canais iônicos na membrana celular (Rosa et al., 2015).

MECANISMO DE PERCEPÇÃO DE ESTÍMULO

Embora o estímulo preciso das células ósseas em experimentos in vivo não esteja totalmente compreendido, inúmeros estudos teóricos e experimentais na década passada têm mostrado fortes evidências da força direta na célula pelo fluxo de líquido intersticial dentro dos canalículos como o estímulo mais provável para a mecanosensação, ao invés do potencial de transmissão. Esses estudos admitem que o fluxo do líquido intersticial é o estímulo predominante reconhecido pelo osteócito (Rosa et al., 2015).

Devemos mencionar que os osteócitos podem ser estimulados por vários mecanismos; no entanto o corpo celular e as projeções citoplasmáticas podem ser estimulados por forças mecânicas. Estudos in vitro têm tentado decifrar qual parte da célula (corpo ou projeções citoplasmáticas) é mais sensível as forças mecânicas (Thi et al., 2013). Assim, o mais aceito é a hipótese de que os processos citoplasmáticos dos osteócitos são os responsáveis pela mecanorrecepção. As integrinas, canais iônicos não seletivos e mesmo cílios primários presentes em alguma células ósseas parecem estar envolvidos no processo de percepção aos sinais mecânicos (Thi et al., 2013).

Integrinas são proteínas que pertencem a uma superfamília de receptores de adesão celular que se ligam a ligantes da matriz extracelular, ligantes da superfície celular e ligantes solúveis (Haugh et al., 2015). A transferência da força através da adesão celular permitiria que o estresse aplicado na superfície celular afetaria locais citoplasmáticos, tais como mitocôndrias e núcleo.

Canais iônicos localizados nas membranas das células ósseas, também respondem a estímulos, tais como, acoplamento ao ligante, variação de tensão, alongamento e variações no fluxo do liquido intersticial, via fluxo iônico celular. O alongamento celular poderia levar ao aumento na tensão da membrana, que por sua vez, ativaria mecanicamente os canais iônicos (Rawlinson et al., 1996).

Os osteoblastos podem apresentar cílios primários, estruturas que se projetam da superfície celular e se flexionam sob o fluxo do líquido intercelular (Temiyasathit, Jacobs, et al., 2010). Embora alguns autores tenham demonstrado que a resposta dos cílios aos estímulos mecânicos pode ser influenciada pelo cálcio intracelular (Kaiser et al., 2012), alguns aspectos da função dos cílios primários na mecanotransdução óssea ainda são pouco compreendidos (Temiyasathit, Jacobs, et al., 2010).

PIEZOELETRICIDADE

O termo piezoeletricidade significa “eletricidade de pressão”: o prefixo piezo é derivado da palavra grega piezin, que significa pressão. O efeito piezoelétrico compreende a propriedade de muitos materiais transformarem energia mecânica em corrente elétrica. Assim piezoeletricidade é uma polarização elétrica produzida por certos materiais, como algumas moléculas e cristais, quando submetidos a uma deformação mecânica (Rosa et al., 2015).

Alguns elementos da estrutura da matriz óssea tais como hidroxiapatita e colágeno apresentam características de materiais piezoelétricos, visto que sob deformação mecânica (como a produzida por tração, compressão ou torção) esses materiais podem sofrer modificações espaciais, produzindo uma polarização elétrica. A estrutura centro-simétrica do cristal de hidroxiapatita exclui a possibilidade de observar essa propriedade piezoelétrica, como demonstrado em osso sem colágeno (Marino e Becker, 1975). Minary-Jolandan e Yu (2009), observaram que fibrilas de colágeno isoladas tem polarização axial unipolar e comportam-se como material piezoelétrico.

Fukata e Yasuda (1957) foram os primeiros autores a observar que cargas elétricas são formadas na face oposta do osso devido a sua deformação mecânica, sendo este efeito devido as características da matriz óssea. A remodelação óssea seria controlada pela polaridade originada pelas cargas compressivas, onde as cargas positivas favoreceriam a ação dos osteoclastos e as negativas a ação dos osteoblastos. Essa descoberta desencadeou o desenvolvimento de vários estudos sobre o efeito piezoelétrico no osso e demais tecidos do corpo, sendo mostrados em estudos atuais que o mecanismo acústico, o piezoelétrico e o térmico podem acelerar o reparo ósseo (Rosa et al., 2015).

Assim, devido a formação de dipolos elétricos, a pressão no osso produziria polarização elétrica que, por sua vez, estimularia a formação óssea pelos osteoblastos. Desse modo, minerais (principalmente o cálcio) seriam depositados na parte óssea que está sofrendo a pressão. Acredita-se que por esse mecanismo, o efeito piezoelétrico pode aumentar a densidade óssea, levando a aceleração da recuperação e/ou remodelação óssea (Rajabi et al., 2015).

RESPOSTA DOS OSTEÓCITOS A ESTÍMULOS BIOQUÍMICOS

Quando os osteócitos são submetidos in vivo ou in vitro a forças de pressão, ocorre ativação de canais iônicos, aumentando os níveis intracelulares de Ca2+ e da proteína quinase C. Essa resposta se propaga para as células vizinhas, formando uma rede de comunicação celular e vias sincronizadas desse mecanismo. Em seguida ocorre a produção e liberação de fatores reguladores do crescimento ósseo, tal como o óxido nítrico e a prostaglandina E2 (PGE2) (Klen-Nulend et al., 2014).

O óxido nítrico (NO) e a PEG2 são considerados potentes agentes anabólicos do crescimento ósseo. Estudos têm mostrado que a inibição de apenas um dos dois, libera suprime a resposta osteogênica à estimulação mecânica (Rosa et al., 2015). O NO é um dos responsáveis pela estimulação da formação óssea, inibindo a formação de osteoclastos e induzindo a diferenciação de osteoblastos. Esse regulador anabólico é também responsável pela manutenção da viabilidade dos osteócitos, aumentando a PEG2 (Klein-Nulend et al., 2014).

A PEG2 é uma importante molécula de sinalização, pois além de estimular a função osteogênica nos osteoblastos, aumenta a proliferação dessas células, recrutando e promovendo a diferenciação de células precursoras. Outra molécula que tem efeito similar ao PGE2 na sinalização do processo osteogênico é o Fator de crescimento insulina-like (Dirckx et al., 2013).

EXERCÍCIO FÍSICO E FORMAÇÃO ÓSSEA

O exercício aumenta a secreção de calcitonina, hormônio inibidor da atividade osteoclástica. Assim, por volta de um ano de treinamento físico, espera-se encontrar ossos com maior densidade mineral óssea (DMO) devido, principalmente, ao que diz a lei de Wolff sobre como o osso responde à presença de tensão e também pelo aumento da calcitonina e da ação dos osteoblastos (Lirani e Castro, 2005).

Em determinadas regiões, exercícios físicos geram impactos e estimulam osteoblastos a depositarem matriz óssea na área que está sofrendo a tensão, sendo portanto, um efeito local (Sasso et al., 2011). Dessa forma o colo do fêmur de um corredor, por exemplo, sofrerá mais impacto e, consequentemente, aumentará a DMO. Portanto, o exercício físico pode prevenir e/ou reduzir a perda óssea aumentando os níveis de calcitonina (hormônio inibidor de osteoclastos), consequentemente diminuindo o cálcio sérico e aumentando a DMO (densidade mineral óssea).

Dessa forma, a prática de exercícios físicos regulares e monitorada por profissionais da área da saúde tem sido recomendada para a manutenção da homeostase óssea, bem como no combate a perda óssea.

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Autor correspondente

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