Долгосрочные изменения в эндокринной и скелетной системах под влиянием двигательной активности

Как отмечалось ранее, скелетная система идеально приспособлена для реагирования па механическую нагрузку благодаря системе передачи сигнала, которая стимулирует построение периоста и переориентацию трабекулярной костной ткани. В реализации срочной адаптивной реакции на тканевом уровне гормональные изменения, вызванные физическими нагрузками, незначительны. В то же время в регуляции процесса перестройки костной ткаии как важного элемента сохранения ее в зрелом возрасте гормональные сигналы имеют особо важное значение. Таким образом, скелетная адаптация к механическим иафузкам, возникающим в результате повторяющихся мышечных сокращений, регулируется долгосрочными изменениями эндокринных модуляторов, таких, как половые стероиды, кортизол и нейропептиды. Рассмотрим эти изменения.

Несмотря на отсутствие результатов долгосрочных проспективных исследований, большинство исследователей убеждены в том, что двигательная активность в течение продолжительного времени идет организму на пользу (Bouxscin, Marcus, 1994). Кроме того, подобная точка зрения отражает официальную позицию Американского колледжа спортивной медицины (American College of Sports, 1998). Вместе с тем адаптации скелетной системы к физическим нагрузкам характеризуются высокой специфичностью, поэтому следовало бы избегать обобщенных заключении в отношении долгосрочного положительного воздействия двигательной активности па скелет человека. Более того, как отмечалось выше, положительное воздействие физической нагрузки на костную ткань наиболее выражено до и в период полового созревания и гораздо слабее в зрелом возрасте (Bass, 2000), поэтому изменения ее плотности, оцениваемые с помощью двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии, у детей будут намного больше по сравнению со взрослыми. В действительности, в большинстве исследований результатов двигательной активности у взрослых обнаружены весьма умеренные изменения плотности костной ткани, несмотря на достаточно большую нагрузку, которой в некоторых случаях подвергалась скелетно-мышечная система. Эти различия, несомненно, обусловлены тем, что нагрузки на скелет взрослого человека позволяют сохранить костную массу, замедляя скорость резорбции и немного повышая скорость образования костной ткани в результате изменений, происходящих во внутренней части кости. Однако изменения скелетной массы при физической нагрузке у детей могут оказывать на скелет выраженное влияние, особенно на поверхность периоста. Так, у игроков в теннис и сквош, которые начинают заниматься в подростковом возрасте, различия в радиальной плотности костной ткани рабочей и нерабочей рук могут отличаться в 3—4 раза от аналогичного показателя у лиц, которые начали заниматься этими видами спорта в зрелом возрасте (Kannus et al., 1995). Подобным образом у девочек препубертатного возраста, которые регулярно участвуют в занятиях, предполагающих перемещение массы тела в вертикальном направлении (бег, ходьба), а также прыжками на протяжении 10 месяцев, наблюдается почти на 6 % большее увеличение минерального содержания бедренной кости по сравнению с аналогичными изменениями, обусловленными выполнением 8-месячной тренировочной программы сходного содержания, у подростков, средний возраст которых составлял 14, 2 года (Witzke, Snow, 2000; Fuchs et al., 2001). В последнем из этих исследований не удалось обнаружить практически никаких изменений минерального содержания или плотности костной ткани, за исключением участка вертелов бедренной кости. Таким образом, специфичность локализации и возраст — основные детерминанты регулярного ответа на физическую нагрузку. И, наконец, следует отметить, что главным фактором, который сложно поддается количественной оценке, особенно в случае проведения крупномасштабных исследований, является уровень базовой двигательной активности до и во время проведения исследования. Несмотря на возможность использования анкет и опросников для оценки количества и кратности базовой двигательной активности, они не обеспечивают необходимой точности и допускают значительную вариабельность оценки, особенно у детей, у которых нормальная суточная активность достаточно высока.

Следует отметить, что к выводу о более выраженном эффекте физической нагрузки на скелет у растущих детей по сравнению с лицами зрелого возраста следует относиться с осторожностью. Практически все исследования динамики изменений минерального содержания или плотности костной ткани в подростковом или юношеском возрасте проводились с использованием метода двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии. Этот подход позволяет получать двухмерную картину и в значительной степени зависит от размеров. Это затрудняет интерпретацию данных лонгитудинальных исследований и обусловливает необходимость исследований, направленных на анализ объемного или трехмерного распределения плотности костной ткани с целью выяснения вопроса о том, обусловлены ли положительные результаты физических упражнений на скелетную систему исключительно ростовыми процессами или все-таки имеют непосредственное отношение к более высокой минерализации и отложению костного матрикса — основным факторам, определяющим изменения плотности костной ткани.

Постоянные изменения в эндокринной и скелетной системе, обусловленные регулярной двигательной активностью на протяжении долгого времени имеют комплексный и разнообразный характер. Прежде всего, следует упомянуть о многочисленных результатах исследований на животных, демонстрирующих устойчивые изменения скелетной системы под влиянием регулярной физической нагрузки. Ланьон, Рубин и другие исследователи убедительно показали на примере локтевой кости у птиц, что последовательные циклы физической нагрузки вызывают напряжение, величина которого достаточна для стимуляции формирования костной ткани во внутренней части кости (Rubin, Lanyon, 1985); 36 циклов мышечной нагрузки (2050 микронапряжений с частотой 0, 5 Гц) в день стимулируют образование костной ткани и дальнейшее увеличение количества циклов не влияет на рост кости (Rubin, Lanyon, 1984). В то же время при использовании циклов из 1000 микронапряжений с частотой 1 Гц наблюдалось дозозависимое возрастание отложений костной ткани в области надкостницы (Rubin, Lanyon, 1985). Тем не менее, после выполнения упражнений, включающих перемещение массы собственного тела в вертикальном направлении, не было обнаружено индукции образования костной ткани под влиянием возникавших при этом физических нагрузок. Более того, снижение нагрузки на кости животных в условиях микрогравитации, при обездвиживании конечности, в результате травмы спинного мозга или перерезания седалищного нерва приводило к значительной потере костной массы. Эти исследования подтверждают значительные различия между компартментами кости (трабекулярная костная ткань по сравнению с периостом), а также специфичность воздействия регулярных нагрузок или разгрузок скелета.

Исследования с участием людей зрелого возраста подтвердили результаты, полученные на животных, хотя эффект, полученный от занятий двигательной активностью, на костную ткань был выражен значительно слабее. Например, физическая тренировка молодых женщин до наступления менопаузы повышает плотность костной ткани в специфических участках скелета. Силовая тренировка и виды двигательной активности, связанные с перемещением массы своего тела, приводит к очень небольшому повышению плотности костной ткани поясничных позвонков, бедренной и пяточной кости (Bassey et al., 1998). Наряду с этим, у женщин практически не наблюдается дозовой зависимости таких изменений, хотя эти исследования не отличаются столь тщательным планированием и завершенностью экспериментов, как работы, выполненные на животных. У женщин предменопаузального возраста также наблюдали стабилизацию локальной плотности костной ткани в ответ на регулярные физические нагрузки, продолжавшиеся на протяжении 12 месяцев, однако эти изменения не были ассоциированы со статистически достоверным увеличением массы костной ткани, что говорит о возможном возрастном снижении влияния двигательной активности (Pruitt et al., 1992; Bassey et al., 1992).

Данные, характеризующие хроническую реакцию костной ткани па физические нагрузки у женщин постменопаузального возраста, отличаются некоторой противоречивостью. У женщин вскоре после наступления менопаузы при отсутствии замещающей гормональной терапии с применением эстрогенов занятия силовой тренировкой позволяли увеличить либо сохранить плотность костной ткани спинных позвонков, но не предотвращали ее утрату в других участках скелета (Kohrt et al., 1997). В то же время у женщин, получавших замещающую гормональную терапию, после выполнения серии программ по двигательной активности, как правило, наблюдалось существенное повышение плотности костной ткани позвонков, скелета в целом и бедренной кости (Kohrt et al., 1997, 1998). По результатам проведенного мета-анализа (Specker, 1996), двигательная активность в сочетании с приемом кальцийсодержащих пищевых добавок оказывает влияние, которое превышает эффект каждого из этих факторов в отдельности. Таким образом, получены веские доказательства того, что для обеспечения оптимального ответа скелета на выполнение физических упражнений женщинам постменопаузального возраста желательно получать адекватные кальцийсодержащие добавки и гормональную замещающую терапию (Kanders et al., 1988).

Результаты влияния двигательной активности на скелетную систему мужчин более противоречивы. У мужчин в возрасте 25—52 года не удалось обнаружить увеличения костной массы позвонков, плечевой, бедренной и пяточной костей в результате занятий физкультурно-оздоровительной направленности, включавших бег и ходьбу, на протяжении трех месяцев. Аналогичные, но меньшие по объему выборки исследования не показали никаких изменений у мужчин старшего возраста после выполнения программы двигательной активности продолжительностью 1 год. Однако у призывников в армию после 14 месяцев интенсивной физической тренировки минеральное содержание костей ног увеличилось на 12, 4 % (Jones et al., 1989). Эти противоречия в полученных данных могут отображать различия в интенсивности, возрасте или месте приложения максимальной нагрузки. В целом, все это говорит о чрезвычайной неоднородности проводившихся исследований эффективности двигательной активности и сложности проведения их систематической обработки с применением метаанализа.

Одно из основных ограничений исследований влияния занятий физическими упражнениями па скелетную систему человека связано с изучаемым конечным результатом, а именно минеральная плотность костной ткани. Измерения костей позвоночника или бедренной кости, проводимые с помощью двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии, могут не улавливать реальных изменений костной массы под влиянием механической нагрузки на скелетную систему. Как отмечалось выше, скелет состоит из компактного кортикального и трабекулярного компонентов. Вызванные физической нагрузкой изменения в периостальной и эндостальной оболочках, окружающих эти компартменты, не так просто уловить путем оценки усредненной величины костной массы по площади на плоском изображении. Действительно, обычная двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия не позволяет выявлять изменения формы, происходящие в результате перестройки костной ткани. Недавно были получены доказательства того, что детектируемые рентгеновской абсорбциометрией изменения плотности костной ткани только в малой степени отражают снижение риска возможных переломов после применения противоостеопорозной терапии (Cummings et al., 2002). Иными словами, любая терапия вызывает изменения степени риска намного большие по сравнению с теми, о которых можно судить но изменениям плотности костной ткани, и эти изменения наверняка отражают качественные изменения в обоих компартментах кости. Таким образом, исследования, в которых для оценки конечных результатов двигательной активности используют определение минеральной плотности костной ткани, могут недооценивать реальный эффект физической нагрузки на прочность костей и риск образования их переломов. Поскольку пока еще не проводилось исследование влияния физической нагрузки с оценкой в качестве конечного показателя вероятности переломов костей, степень в которой показатель плотности костной ткани отображает максимальную прочность кости, остается неопределенной. Современные методы получения структурных изображений, например компьютерная микротомография, позволяют проводить in vivo сканирование трабекулярной костной ткани, а магниторезонансная томография (МРТ) — точно определить размеры периоста, толщину кортикального слоя, количество и взаимодействие трабекул, массу мышечной ткани и количество жировых отложений в костном мозге. Использование этих показателей позволит расширить наши возможности при изучении эффектов физической нагрузки на осевой и дополнительный скелет, в частности на геометрию и строение костей.

Независимо от способа получения изображений скелетной системы минеральная плотность костной ткани представляет собой результат суммарного воздействия многих факторов на протяжении всей жизни человека. Особое место в ней занимают гормоны, цитокины и ростовые факторы, циркулирующие в крови, которые влияют на изменения костной массы скелетной системы в целом. Действительно, при остеопорозных состояниях выяснение гормонального статуса (эстроген у женщин и тестостерон у мужчин) представляет собой первый шаг в определении этиологии снижения костной массы. Более того, другие эндогенные гормоны, такие, как паратгормон, 1, 25-дигидроксивитамии D, 25-ОН витамин D и тироксин, вносят свой вклад в изменения процесса перестройки костной ткани и имеют существенное значение, поскольку определяют продолжительность цикла перестройки и его сбалансированность. Точно так цитокины, переносимые с кровью, например IL-6, играют важную роль в патогенезе возрастного снижения массы костной ткани и первичного гиперпаратирсоза (Nakchbandi et al., 2002). Как отмечалось ранее, ИФР-I в крови находится в достаточно большой концентрации и занимает важное место в регуляции построения костей и массы кортикальной костной ткани (компактного вещества) (Rosen, Donahue, 1998). При акромегалии — заболевании, которое характеризуется повышенным уровнем СТГ и ИФР-I, — наблюдается увеличение объема костной ткани и повышение ее минеральной плотности (Rosen, Donahue, 1998). И наоборот, у людей с такими нарушениями, как гипопитуитаризм, кости имеют небольшой размер, отличаются повышенной ломкостью и пониженной плотностью костной ткани. Такие патологические состояния могут быть использованы для определения влияния факторов, циркулирующих в крови, на скелетную систему и формирования основы наших представлений о взаимодействии локальных и системных факторов. Влияние двигательной активности в течение продолжительного времени на системные факторы, и частности на половые стероиды, остается критическим аспектом, определяющим конечную реакцию скелетной системы на физическую нагрузку, и поэтому его следует рассматривать в контексте организма в целом.

Остеопорозным состояниям, сопровождающим старение организма, во многом подобен патологический синдром, получивший название “женская спортивная триада”, исследование которого предоставило возможность существенно расширить научные представления о взаимодействии между гормонами, циркулирующими в крови, массой тела и адаптациями скелетной системы к физическим упражнениям. Этот синдром характеризуется аменореей (или гормональными нарушениями), анорексией и снижением минеральной плотности костной ткани. (Drinkwater et al., 1984; Marcus et al., 1985; Tomten et al., 1998). Чаще всего он встречается у молодых женщин зрелого возраста. Чтобы понять негативные последствия данного синдрома для скелетной системы и его взаимосвязь с гормонами, циркулирующими в крови, необходимо рассмотреть изменения в организме, обусловленные ограничением рациона питания и чрезмерной двигательной активностью.

Гипоталамо-гипофизарная система прежде всего реагирует на стресс, обусловленный изменениями диеты и/или режима двигательной активности. Состояние энергетического баланса, на которое влияет уровень двигательной активности и энергетическая ценность рациона питания, оказывает заметное влияние на два главных гипоталамических регуляторных фактора — кортиколиберин и гонадолиберин. Корти-колиберин контролирует острую реакцию организма на стресс и в свою очередь стимулирует адренокортикотропный гормон (АКТГ), который секретируется гипофизом и затем индуцирует выработку кортизола надпочечниками (Webster et al., 2002). Кортиколиберин попадает в срединное возвышение гипофиза через портальную систему из нейронов паравентрикулярного ядра гипоталамуса. Этот гормон в сочетании с вазопрессином стимулирует секрецию АКТГ. Вслед за этим увеличение продукции кортизола увеличивает количество доступных энергетических субстратов за счет стимуляции катаболизма белков, высвобождения свободных жирных кислот из адипоцитов и усиления глюконеогенеза (Darmaun et al., 1988; Chrousos, Gold, 1992). Кроме того, кортизол модулирует физиологические эффекты катехоламинов и оказывает негативное регуляторное влияние на гипоталамо-гипофизарную систему. Все эти процессы являются составными компонентами единой реакции, направленной на удовлетворение энергетических потребностей головного мозга. Вместе с тем долговременная стимуляция этой системы может привести к избыточной секреции кортизола под влиянием гипоталамо-гипофизарной системы, повышению концентрации этого гормона в сыворотке крови и разрушительному воздействию на скелетную и мышечную системы.

К настоящему времени изучены также некоторые детали влияния долговременного стресса или перетренировки па комплекс гормонов гонадолиберинлютеинизирующий гормон/фолликулостимулирующий гормон (ЛГ/ФСГ). Периодичность секреции гонадолиберина является определяющим условием соответствующей стимуляции секреции ЛГ и ФСГ — ключевых регуляторов образования стероидов в яичниках. У спортсменок с аменореей или олигоменореей часто наблюдается нарушение периодичности секреции ЛГ, причиной которого практически всегда является нарушение функции генератора пульса периодической секреции гонадолиберина (Loucks et al., 1992). Точные механизмы такого раннего нарушения периодичности секреции пока не установлены. Однако наиболее вероятным сценарием может быть нарушение функции гипоталамического генератора пульса, задающего соответствующий сигнал для секреции ЛГ и ФСГ, в результате ограничения доступных энергетических субстратов в организме. Вполне возможно, что для оптимальной менструальной функции требуется некоторый минимальный уровень энергии; если количество доступных энергетических субстратов снижается ниже этого уровня, тогда нарушение; периодичности секреции гонадолиберииа приводит к остановке секреции гонадотропина. Эту точку зрения подтверждают результаты ряда исследований. Так, было показано, что у женщин с нормальной периодичностью менструального цикла, ведущих малоподвижный образ жизни, снижение энергетической ценности рациона питания на срок более 5 дней вызывает нарушение периодичности секреции ЛГ и снижение уровня трийодтиронина. Эти изменения происходят при снижении уровня потребления энергии ниже 20 — 25 ккал-кг1 (84 — 105 кДж-кг" 1) массы нежировых тканей тела (Loucks, Callister, 1993). Подобным образом было обнаружено, что у женщин с нормальной периодичностью менструального цикла, ведущих подвижный образ жизни, подавление периодичности секреции ЛГ наблюдается уже через трое суток физической тренировки в условиях ограничения энергетической ценности рациона питания. При нормальном питании происходило полное восстановление нормального характера секреции гормона (Williams et al., 1995). И, наконец, на примере трех женщин с аменореей и трех женщин с нормальным менструальным циклом было показано, что увеличение потребления энергии на 350 к кал-день'1 (1463 кДждень'1) и ограничение количества тренировочных занятий до одного в неделю сопровождалось суммарным увеличением доступной энергии на 250 к кал-день-1 (1045 кДж-день" 1). Через 15 недель было проведено повторное обследование всех 6 спортсменок, при этом у женщин с аменореей наблюдали восстановление периодичности секреции ЛГ, а также снижение выработки кортизола (Dueck et al., 1996).

Хронические изменения в гипоталамо-гипофизарной системе, которые отражаются на характере секреции гонадо- и кортиколиберина, могут иметь серьезные последствия для скелетной системы и, вероятнее всего, являются компонентом патогенетических механизмов, ассоциированных с женской спортивной триадой (DiPietro, Stachenfeld, 1997; Otis et al., 1997). Снижение массы тела, обусловленное преднамеренным или непреднамеренным дефицитом энергии в организме, вносит свой вклад в снижение плотности костной ткани и изменение механических свойств скелета в связи с изменениями, затрагивающими другие части организма, а также понижению системной или локальной концентрации эстрадиола. Например, снижение общей массы тела означает уменьшение силы тяжести, воздействующей на скелет, а следовательно, и напряжения костей и соответствующего адаптивного ответа скелетной системы. Кроме того, жировая ткань является основным местом периферической выработки эстрогена как побочного продукта катаболизма тестостерона. Снижение общего количества жировых клеток либо их плотности в периферических тканях, в частности в костном мозге, вызывает падение уровня эстрадиола в костном мозге и крови. Наряду с этим, уменьшение количества жировой ткани в организме может приводить к снижению численности клеток — предшественников костного мозга, которые со временем могут превращаться в проостеобласты — предшественники клеток, формирующих костную ткань. Независимо от механизмов падение уровня эстрадиола у молодых женщин приводит к усилению резорбции костной ткани, особенно на границе эндостеальной зоны. При сохранении низкого уровня эстрадиола разрушение начинает преобладать над образованием костной ткани, в результате чего происходит ее утрата. Более того, как свидетельствуют результаты исследований женщин постменопаузального возраста, недостаток эстрогенов может уменьшать или сводить на нет положительное воздействие двигательной активности на образование костной ткани.

Поразительно, но не все негативные изменения плотности костной ткани у спортсменок с аменореей можно объяснить снижением уровня эстрадиола в крови или тканях скелета. В действительности, у женщин с анорексией восстановления плотности костной ткани не наблюдалось даже в случае применения гормонзамещающей терапии, если только не происходило восстановления массы тела хотя бы до 70 % от идеальной (Klibanski et al., 1995). Таким образом, ограничение потребления энергии с пищей в сочетании с небольшой массой тела и содержанием жировой ткани в организме оказывает существенное влияние не только на секрецию двух основных гипоталамических факторов, упоминавшихся выше (гонадо- и кортиколиберин), но и па другие факторы, образование которых зависит от потребления питательных веществ или энергии с пищей. Сюда относятся трийодтиронин, дегидроэпиандростерон (DHEA), СТГ, ИФР-1, IGFBP-1 и некоторые цитокины. Как показывают исследования, парэнтеральная терапия ИФР-1 может, по крайней мере частично, устранить проявления нервной анорексии в скелетной системе, особенно в сочетании с препаратами, подавляющими резорбцию костной ткани (Grinspoon et al., 2003).

В целом характер долговременных последствий интенсивной программы физической тренировки на скелетную систему зависит от уровня доступной энергии в организме, потребления энергии и питательных веществ в составе рациона питания, типа двигательной активности, а также гормонов в крови и локальных тканях. Как правило, физические упражнения, связанные с перемещением массы собственного тела, будут стимулировать образование костной ткани и могут, особенно в более юном возрасте, стимулировать увеличение костной массы благодаря адаптивной реакции скелетной системы на напряжение, возникающее в костях. Вместе с тем чрезмерно интенсивные программы физических тренировок, в результате которых в организме возникает недостаток энергии и происходит уменьшение массы тела, могут приводить к существенному снижению уровня эстрадиола и значительному увеличению вероятности быстрой утраты костной ткани. Конечным результатом этих процессов является повышение риска переломов костей, а также утрата подвижности и заболеваемости. Более того, если спортсменка находится в юношеском возрасте (т. с. 15 — 19 лет), утрата костной ткани в этом периоде может оказаться необратимой даже при условии восстановления нормальной цикличности менструаций и массы тела. Поскольку двигательная активность приобретает все большую популярность среди всех слоев населения, а стремление к стройной фигуре — очевидное веяние времени, которое проявляется, в частности, и среди учащихся средних и высших учебных заведений, сочетание некоторых факторов образа жизни современных девушек может оказывать разрушительное воздействие на состояние их костей, даже несмотря на краткосрочные положительные эффекты адаптационных реакций скелетной системы.

Следует отметить существенные половые различия в степени воздействия физических упражнений в течение длительного времени на скелетную систему, которые проявляются в том, что женщины более подвержены негативным эффектам постоянного отрицательного энергетического баланса по сравнению с мужчинами. Вместе с тем у мужчин, занимающихся физической тренировкой на протяжении длительного времени, не проводили столь детальных исследований измененийгипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой и гонадальной систем, как у женщин. В действительности, у мужчин может просто не быть аналога женской спортивной триады как такового, поскольку не удалось обнаружить удобных для использования маркеров снижения либидо, обусловленного нарушением функции гипоталамуса. Однако к настоящему времени, по крайней мере, две группы исследователей показали, что у мужчин в возрасте 20—40 лет, занимающихся триатлоном, уровень общего и свободного тестостерона снижен по сравнению с контрольной группой (Wheeler et al., 1984; Smith, Rutherford, 1993). Более того, несмотря на то что участие в программах двигательной активности практически не влияет на уровень тестостерона в крови, у занимающихся наблюдается повышение уровня глобулина, связывающего половой гормон (SHBG), что может влиять на концентрацию свободного тестостерона (Cooper et al., 1998).

⇐ Предыдущая66676869707172737475Следующая ⇒

Поделиться: