Repositorio Institucional de Documentos

2021 49 Jorge Marín Puyalto Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento, estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis Departamento Director/es Fisiatría y Enfermería Casajús Mallén, José Antonio Vicente Rodríguez, Germán Gómez Cabello, Alba María © Universidad de Zaragoza Servicio de Publicaciones ISSN 2254-7606 Jorge Marín Puyalto RELACIÓN DE LA ACTIVIDAD Y CONDICIÓN FÍSICAS CON LA COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA Y METABOLISMO ÓSEOS DURANTE EL CRECIMIENTO, ESTRATEGIAS PARA LA PREVENCIÓN TEMPRANA DE LA OSTEOPOROSIS Director/es Fisiatría y Enfermería Casajús Mallén, José Antonio Vicente Rodríguez, Germán Gómez Cabello, Alba María Tesis Doctoral Autor 2019 Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA Tesis Doctoral Internacional [International Doctoral Thesis] Curso Académico 2019-2020 RELACIÓN DE LA ACTIVIDAD Y CONDICIÓN FÍSICAS CON LA COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA Y METABOLISMO ÓSEOS DURANTE EL CRECIMIENTO. ESTRATEGIAS PARA LA PREVENCIÓN TEMPRANA DE LA OSTEOPOROSIS. ASSOCIATIONS BETWEEN PHYSICAL ACTIVITY AND FITNESS WITH BONE COMPOSITION, STRUCTURE AND METABOLISM DURING GROWTH. STRATEGIES FOR THE EARLY PREVENTION OF OSTEOPOROSIS. JORGE MARÍN PUYALTO Departamento de Fisiatría y Enfermería Facultad de Ciencias de la Salud y del Deporte Universidad de Zaragoza - 2 - - 3 - Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. JORGE MARÍN PUYALTO - 4 - - 5 - A Germán, José Antonio y Alba, mis directores y a mis compañeros del grupo GENUD A mi familia y amigos A Elena Gracias por guiarme y acompañarme - 12 - - 13 - Prof. JOSÉ ANTONIO CASAJÚS MALLÉN Catedrático de Universidad ----------- Departamento de Fisiatría y Enfermería Facultad de Ciencias de la Salud Universidad de Zaragoza JOSÉ ANTONIO CASAJÚS MALLÉN, CATEDRÁTICO DE LA UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA, CERTIFICA: Que la Tesis Doctoral titulada “Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis.” que presenta D. JORGE MARÍN PUYALTO al superior juicio del Tribunal que designe la Universidad de Zaragoza, ha sido realizada bajo mi dirección durante los años 2014-2019, siendo expresión de la capacidad técnica e interpretativa de su autor en condiciones tan aventajadas que le hacen merecedor del Título de Doctor, siempre y cuando así lo considere el citado Tribunal. Fdo. José A. Casajús Mallén En Zaragoza, a 23 de septiembre de 2019 - 14 - - 15 - Dra. ALBA MARÍA GÓMEZ CABELLO Profesor Contratado Doctor ----------- Centro Universitario de la Defensa de Zaragoza ALBA MARÍA GÓMEZ CABELLO, PROFESOR CONTRATADO DOCTOR DEL CENTRO UNIVERSITARIO DE LA DEFENSA DE ZARAGOZA, CERTIFICA: Que la Tesis Doctoral titulada “Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis.” que presenta D. JORGE MARÍN PUYALTO al superior juicio del Tribunal que designe la Universidad de Zaragoza, ha sido realizada bajo mi dirección durante los años 2014-2019, siendo expresión de la capacidad técnica e interpretativa de su autor en condiciones tan aventajadas que le hacen merecedor del Título de Doctor, siempre y cuando así lo considere el citado Tribunal. Fdo. Alba María Gómez Cabello En Zaragoza, a 23 de septiembre de 2019 - 16 - Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 17 - Tabla de contenidos Listado de publicaciones ........................................................... - 21 - Características de las revistas ................................................... - 23 - Contribución del doctorando .................................................... - 25 - Proyectos de investigación ........................................................ - 26 - Becas .......................................................................................... - 29 - Listado de abreviaturas ............................................................. - 30 - Listado de tablas y figuras ........................................................ - 32 - Resumen general ....................................................................... - 34 - Capítulo 1. Introducción y justificación .................................. - 39 - 1.1 Estructura y función del tejido óseo .............................................................................. - 41 - 1.2 Evolución de los parámetros óseos a lo largo de la vida............................................... - 44 - 1.2.1 Remodelado óseo ................................................................................................................... - 44 - 1.2.2 Evolución del contenido mineral óseo ................................................................................... - 45 - 1.2.3 Evolución de la estructura ósea ............................................................................................. - 48 - 1.2.4 Evolución de los marcadores óseos ....................................................................................... - 49 - 1.3 Osteoporosis .................................................................................................................... - 51 - 1.4 Métodos de medición de la masa ósea ........................................................................... - 52 - 1.4.1 Absorciometría de rayos X de energía dual (DXA) ............................................................... - 52 - 1.4.2 Tomografía axial computerizada periférica (pQCT) ............................................................. - 54 - 1.4.3 Resonancia magnética ........................................................................................................... - 54 - 1.4.4 Ultrasonidos ........................................................................................................................... - 54 - 1.5 Actividad física y masa ósea ........................................................................................... - 55 - 1.5.1 Mecanismos de adaptación ósea ............................................................................................ - 56 - 1.5.2 Relación entre actividad física y hueso .................................................................................. - 57 - 1.5.3 Natación y tejido óseo ............................................................................................................ - 58 - 1.5.4 Entrenamiento con plataformas vibratorias .......................................................................... - 59 - Capítulo 2. Hipótesis y objetivos .............................................. - 61 - Hipótesis ............................................................................................................................... - 63 - Objetivos ............................................................................................................................... - 64 - Capítulo 3. Material y métodos ................................................ - 69 - 3.1 Consideraciones éticas y legales .................................................................................... - 71 - 3.2 Proyecto PREFIT ........................................................................................................... - 72 - 3.2.1 Diseño y participantes ........................................................................................................... - 72 - Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 18 - 3.2.2 Mediciones antropométricas y evaluación de la masa ósea .................................................. - 73 - 3.2.3 Pruebas de condición física ................................................................................................... - 74 - 3.3 Proyecto internacional .................................................................................................... - 76 - 3.3.1 Diseño y participantes ............................................................................................................ - 76 - 3.3.2 Mediciones antropométricas y evaluación de la masa ósea .................................................. - 77 - 3.3.3 Registro de la práctica de actividad física ............................................................................. - 78 - 3.4 Proyecto RENACIMIENTO ........................................................................................... - 78 - 3.4.1 Diseño y participantes ............................................................................................................ - 79 - 3.4.2 Protocolo de entrenamiento vibratorio .................................................................................. - 80 - 3.4.3 Mediciones antropométricas y evaluación de la masa ósea .................................................. - 81 - 3.4.4 Biomarcadores de metabolismo óseo ..................................................................................... - 81 - 3.4.5 Pruebas de condición física ................................................................................................... - 82 - 3.4.6 Otras variables ....................................................................................................................... - 83 - 3.4.7 Revisión de revisiones sistemáticas ........................................................................................ - 83 - 3.5 Análisis estadísticos ........................................................................................................ - 85 - Capítulo 4. Resultados y discusión [en inglés]........................ - 87 - 4.1 Asociación entre la condición física y la fortaleza y estructura óseas en niños de 3 a 5 años ....................................................................................................................................... - 91 - 4.2 La frecuencia y la duración de las tandas de actividad física vigorosa están asociadas con el estado mineral óseo de los adolescentes varones. Un estudio transversal. ............ - 113 - 4.3 Los patrones de actividad física vigorosa afectan al crecimiento óseo durante la pubertad temprana en chicos ............................................................................................................. - 131 - 4.4 ¿Es el entrenamiento vibratorio bueno para tus huesos? Una revisión de revisiones sistemáticas ......................................................................................................................... - 151 - 4.5 Efectos del entrenamiento vibratorio de cuerpo completo sobre los marcadores de remodelamiento óseo en nadadores adolescentes .............................................................. - 177 - 4.6 Desarollo de un modelo informático para la identificación de nadadores adolescentes con baja densidad mineral ósea ......................................................................................... - 195 - Capítulo 5. Conclusiones y aportaciones principales ........... - 213 - Conclusiones ....................................................................................................................... - 215 - Aportaciones principales de la Tesis Doctoral ................................................................... - 219 - Referencias.............................................................................. - 223 - Agradecimientos ..................................................................... - 259 - Material suplementario .......................................................... - 267 - Anexos ..................................................................................... - 277 - Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 19 - Table of contents List of publications .................................................................... - 21 - Journal characteristics ............................................................. - 23 - Contribution of the PhD candidate .......................................... - 25 - Research project ........................................................................ - 27 - Grants ........................................................................................ - 29 - Abbreviation list ........................................................................ - 30 - List of tables and figures .......................................................... - 33 - General abstract ........................................................................ - 36 - Chapter 1. Introduction and justification [Spanish] ............... - 39 - 1.1 Bone tissue function and structure ................................................................................ - 41 - 1.2 Evolution of bone parameters across the lifespan ........................................................ - 44 - 1.2.1 Bone remodelling ................................................................................................................... - 44 - 1.2.2 Evolution of bone mineral content ......................................................................................... - 45 - 1.2.3 Evolution of bone structure .................................................................................................... - 48 - 1.2.4 Evolution of bone turnover markers ....................................................................................... - 49 - 1.3 Osteoporosis .................................................................................................................... - 51 - 1.4 Bone measurement methods .......................................................................................... - 52 - 1.4.1 Dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) ............................................................................. - 52 - 1.4.2 Peripheral quantitative computed tomography ...................................................................... - 54 - 1.4.3 Magnetic resonance imaging ................................................................................................. - 54 - 1.4.4 Quantitative ultrasound ......................................................................................................... - 54 - 1.5 Physical activity and bone mass ..................................................................................... - 55 - 1.5.1 Bone adaption mechanisms .................................................................................................... - 56 - 1.5.2 Relationships between physical activity and bone ................................................................. - 57 - 1.5.3 Swimming and bone tissue ..................................................................................................... - 58 - 1.5.4 Whole body vibration training ............................................................................................... - 59 - Chapter 2. Hypothesis and aims ............................................... - 61 - Hipothesis ............................................................................................................................. - 63 - Aims ...................................................................................................................................... - 66 - Chapter 3. Material and methods [Spanish] ........................... - 69 - 3.1 Ethical and legal considerations .................................................................................... - 71 - 3.2 PREFIT project .............................................................................................................. - 72 - 3.2.1 Study design and participants ................................................................................................ - 72 - Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 20 - 3.2.2 Anthropometric and bone measurements ............................................................................... - 73 - 3.2.3 Physical fitness tests ............................................................................................................... - 74 - 3.3 International project ....................................................................................................... - 76 - 3.3.1 Study design and participants ................................................................................................ - 76 - 3.3.2 Anthropometric and bone measurements ............................................................................... - 77 - 3.3.3 Physical activity register ........................................................................................................ - 78 - 3.3 RENACIMIENTO project .............................................................................................. - 78 - 3.4.1 Study design and participants ................................................................................................ - 79 - 3.4.2 Vibration training protocol .................................................................................................... - 80 - 3.4.3 Anthropometric and bone measurements ............................................................................... - 81 - 3.4.4 Biomarkers of bone metabolism ............................................................................................. - 81 - 3.4.5 Physical fitness tests ............................................................................................................... - 82 - 3.4.6 Other variables ...................................................................................................................... - 83 - 3.4.7 Overview of systematic reviews .............................................................................................. - 83 - 3.5 Statistical analyses .......................................................................................................... - 85 - Chapter 4. Results and discussion ........................................... - 87 - 4.1 Associations between physical fitness and bone strength and structure in 3 to 5-year-old children ................................................................................................................................. - 91 - 4.2 Frequency and duration of vigorous physical activity bouts are associated with adolescent boys’ bone mineral status: A cross-sectional study ......................................... - 113 - 4.3 Vigorous physical activity patterns affect bone growth during early puberty in boys - 131 - 4.4 Is vibration training good for your bones? An overview of systematic reviews ......... - 151 - 4.5 Effects of whole-body vibration training on bone turnover markers in adolescent swimmers ............................................................................................................................. - 177 - 4.6 Design of a computer model for the identification of adolescent swimmers with low BMD ............................................................................................................................................. - 195 - Chapter 5. Conclusions and main contributions .................. - 213 - Conclusions ......................................................................................................................... - 217 - Main contributions of the Thesis ....................................................................................... - 221 - References ............................................................................... - 223 - Acknowledgements [Spanish] ................................................ - 266 - Supplementary material ......................................................... - 267 - Annexes ................................................................................... - 277 - Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 21 - Listado de publicaciones [List of publications] A pesar de que para la confección de la presente Tesis Doctoral se ha optado por seguir la modalidad tradicional, parte del contenido desarrollado también se encuentra disponible como trabajos científicos previamente publicados, aceptados para publicación o sometidos a revisión, cuyas referencias se presentan a continuación: I. Gomez-Bruton A, Marin-Puyalto J, Muniz-Pardos B, Lozano-Berges G, CadenasSanchez C, Matute-Llorente A, Gomez-Cabello A, Moreno LA, Gonzalez-Aguero A, Casajus JA, Vicente-Rodriguez G. Associations between physical fitness and bone strength in 3 to 6-year-old children. Sports Health. Sometido [Submitted]. II. Marin-Puyalto J, Mäestu J, Gomez-Cabello A, Lätt E, Remmel L, Purge P, Vicente-Rodríguez G, Jürimäe J. Frequency and duration of vigorous physical activity bouts are associated with adolescent boys’ bone mineral status. Bone. 2019 Mar; 120: 141-147. https://doi.org/10.1016/j.bone.2018.10.019 III. Marin-Puyalto J, Mäestu J, Gomez-Cabello A, Lätt E, Remmel L, Purge P, Casajús JA, Vicente-Rodríguez G, Jürimäe J. Vigorous physical activity patterns affect bone growth during early puberty in boys. Osteoporos Int. 2018 Dec; 29(12): 2693-2701. https://doi.org/10.1007/s00198-018-4731-2 IV. Marin-Puyalto J, Gomez-Cabello A, Gonzalez-Agüero A, Gomez-Bruton A, Matute-Llorente A, Casajús JA, Vicente-Rodríguez G. Is vibration training good for your bones? An overview of systematic reviews. Biomed Res Int. 2018 Nov; 4. https://doi.org/10.1155/2018/5178284 V. Marin-Puyalto J, Gomez-Cabello A, Gonzalez-Agüero A, Matute-Llorente A, Gomez-Bruton A, Jürimäe J, Casajus JA, Vicente-Rodriguez G. Effects of wholebody vibration training on bone turnover markers. J Pediatr Endocrinol Metab. Sometido [Submitted]. Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 28 - Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 29 - Becas Jorge Marín Puyalto recibió una beca destinada a la Formación de Profesorado Universitario del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte del Gobierno de España (FPU014/04302). Grants Jorge Marín Puyalto received a grant from the Ministerio de Educación, Cultura y Deporte del Gobierno de España (FPU14/04302). Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 30 - Listado de abreviaturas [Abbreviation list] ANCOVA Análisis de covarianza [Analysis of covariance] ANOVA Análisis de varianza [Analysis of variance] AUC Área bajo la curva [Area under the curve] BMAD Densidad mineral ósea aparente [Bone mineral apparent density] BMC Contenido mineral óseo [Bone mineral content] BMD Densidad mineral ósea [Bone mineral density] BMI Índice de masa corporal [Body mass index] BUA Atenuación del ultrasonido de banda ancha [Broadband ultrasound attenuation] CON Grupo control [Control group] CRF Condición cardiorrespiratoria [Cardiorespiratory fitness] CTX Telopéptido carboxi-terminal del colágeno tipo I [Collagen type I carboxi-terminal telopeptide] DXA Absorciometría de rayos X de energía dual [Dual-energy X-ray absorptiometry] FN Cuello femoral [Femoral neck] Frac_X Resistencia a la fractura en el eje X [Resistance to fracture in the X axis] LS Columna lumbar [Lumbar spine] Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 31 - OC Osteocalcina [Osteocalcin] P1NP Propéptido amino-terminal del procolágeno tipo I [Procollagen type I amino-terminal propeptide] PA Actividad física [Physical activity] pQCT Tomografía axial computerizada periférica [Peripheral quantitative computed tomography] Rel_handgrip Fuerza de prensión manual relativa [Relative handgrip strength] ROC Características receptor-operador [Receiver-operator characteristics] SLJ Salto de longitud a pies juntos [Standing long jump] SOS Velocidad del sonido [Speed of sound] SPSS Paquete estadístico para las Ciencias Sociales [Statistical Package for the Social Sciences] SSIPOL Índice de tensión-deformación polar [Polar stress-strain index] SWI Grupo de nadadores [Swimming group] vBMD Densidad mineral ósea volumétrica [Volumetric bone mineral density] VIB Grupo de entrenamiento vibratorio [Vibration group] VPA Actividad física vigorosa [Vigorous physical activity] WB Cuerpo completo [Whole body] WBV Vibración de cuerpo completo [Whole-body vibration] Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 32 - Listado de tablas y figuras Tabla 1. Parámetros del protocolo de vibración Figura 1. Estructura y propiedades mecánicas del tejido óseo compacto y esponjoso Figura 2. Sección transversal de un hueso largo Figura 3. Etapas del proceso de remodelado óseo Figura 4. Primeras etapas del desarrollo óseo Figura 5. Pico de ganancia de masa ósea en chicos y chicas europeos Figura 6. Evolución de la masa ósea durante el ciclo vital en hombres y mujeres Figura 7. Evolución de la estructura ósea durante el ciclo vital en hombres y mujeres Figura 8. Valores normativos de osteocalcina en chicos (círculos sombreados) y chicas (círculos claros) de entre 0 y 18 años Figura 9. Umbrales de estimulación ósea propuestos por Frost Figura 10. Modalidades de transmisión de la vibración en plataformas vibratorias Figura 11. Ejercicios realizados durante la sesión de entrenamiento vibratorio Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 33 - List of tables and figures Table 1. Vibration protocol parameters Figure 1. Structure and mechanical properties of compact and spongy bone tissue Figure 2. Transversal section of a long bone Figure 3. Bone remodelling stages Figure 4. First stages of bone development Figure 5. Peak of bone mass attainment in European boys and girls Figure 6. Bone mass evolution across the life cycle in men and women Figure 7. Bone structure evolution across the life cycle in men and women Figure 8. Normative values of osteocalcin in boys (filled circles) and girls (white circles) between 0 and 18 years. Figure 9. Bone stimulation thresholds proposed by Frost Figure 10. Modes of vibration transmission in vibrating platforms Figure 11. Exercises performed during whole-body vibration training Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 34 - Resumen general La prevención temprana de la osteoporosis es uno de los grandes retos a los que se enfrentan los sistemas sanitarios de los países desarrollados. Una de las maneras de lograr este objetivo consiste en alcanzar un pico de masa ósea lo más elevado posible en el inicio de la edad adulta. Para ello, un correcto desarrollo óseo durante la pubertad resulta decisivo, puesto que es en este periodo cuando se forma la mayor parte de la masa ósea que tendrá la persona. La práctica de actividad física de impacto es uno de los factores controlables que más influencia tienen sobre la obtención de masa ósea durante la adolescencia, por lo que es vital comprender el mecanismo mediante el que se relacionan. Asimismo, siguiendo el enfoque de la prevención temprana de la osteoporosis, se debería proponer un ejercicio complementario a aquellos adolescentes que practiquen deportes que no generen impacto como es la natación. Por lo tanto, el principal objetivo de la presente Tesis Doctoral es analizar el papel de la actividad física en la mineralización ósea durante las primeras etapas de la vida, poniendo particular atención en los adolescentes practicantes de natación y en el entrenamiento vibratorio de cuerpo completo. Esta Tesis Doctoral incluye estudios pertenecientes a tres proyectos diferentes. En el proyecto PREFIT se analizó la relación existente entre la condición física y parámetros estructurales del hueso en 139 niños y niñas de preescolar. El segundo proyecto se centró en estudiar detalladamente y de manera objetiva los distintos patrones de práctica de actividad física en un grupo de 180 adolescentes sanos en etapas tempranas de la pubertad y cómo estos patrones afectan su salud ósea. Por último, en el proyecto RENACIMIENTO se evaluaron los efectos de 6 meses de entrenamiento vibratorio de cuerpo completo en los Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 35 - marcadores de metabolismo óseo mediante un ensayo aleatorizado en el que participaron casi una centena de nadadores adolescentes. Los principales resultados son los siguientes: 1) La condición física ya determina la estructura ósea en una edad tan temprana como la preescolar. 2) La actividad física realizada durante el inicio de la pubertad debe ser de carácter vigoroso y con una duración de al menos cinco minutos consecutivos para optimizar su potencial osteogénico. 3) El protocolo de vibración utilizado no consiguió incrementar el metabolismo óseo en nadadores adolescentes. 4) Se ha propuesto una metodología para el cribado e identificación de nadadores susceptibles de presentar baja densidad mineral ósea. Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 36 - General abstract Early prevention of osteoporosis is one of the main challenges that healthcare systems of developed countries face. One of the pathways to reach this goal relies on obtaining the highest peak bone mass during early adulthood. A correct bone development during puberty is critical for that purpose, given that most of the adult bone is formed during this period. Weight-bearing physical activity is one of the main controllable factors that affect bone accretion during adolescence and therefore it is crucial to comprehend its mechanism. Also, considering the approach of the early prevention of osteoporosis, additional training alternatives should be offered to those adolescents engaged in non-weight-bearing sports such as swimming. Therefore, the main aim of the present Doctoral Thesis is to analyze the role of physical activity and fitness on bone mineralization during the first stages of life, with a particular focus on adolescent swimmers and whole-body vibration training. This Doctoral Thesis features studies from three different research projects. On the PREFIT project, the relationship between the physical fitness and bone structural parameters of 139 preschool children was analyzed. A second project was aimed at the objective assessment of physical activity participation patterns and their relationship with bone health in 180 healthy early pubertal adolescents. Finally, within the RENACIMIENTO project, the effects of a 6-month vibration training protocol on bone turnover markers were tested in a randomized controlled trial with almost one hundred adolescent swimmers. Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 37 - The main results found are the following: 1) Physical fitness already affects bone structure at the prescholar stage 2) Vigorous physical activity should be performed in bouts of at least 5 minutes during early puberty to elicit an optimized osteogenic response. 3) Regarding the adolescent swimmers, the vibration protocol did not increase the levels of bone turnover markers. 4) A tool for the screening of swimmers at risk of having low bone mineral density was devised. Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 44 - 1.2 Evolución de los parámetros óseos a lo largo de la vida 1.2.1 Remodelado óseo Como ya se ha mencionado, el tejido óseo no se encuentra en un estado estático, sino que está sometido constantemente a variaciones en su tamaño, forma y composición mediante los procesos de modelado (formación de nuevo tejido) y remodelado (sustitución del tejido existente). Un ciclo de remodelado consta de cuatro fases, como se representa en la figura 3: resorción, inversión, formación y mantenimiento. Hay tres tipos de moléculas involucradas en este proceso: los osteoclastos, encargados de la destrucción del tejido óseo, los osteoblastos que proceden a la remineralización y los osteocitos, que se encuentran atrapados en la matriz ósea y cumplen una función mecanorreceptora (8). Durante un ciclo estándar, la fase de resorción ocupa entre 7 y 10 días creando una laguna en la que se instalarán los osteoblastos para proceder a la fase de formación, que necesita dos o tres meses para completarse (9). La velocidad de estos procesos puede verse modificada por la carga mecánica o por causas hormonales (10). Figura 3. Etapas del proceso de remodelado óseo Adaptada del artículo “Biochemical markers of bone turnover – uses and limitations” (11) Introducción y justificación [Introduction and justification] - 45 - En el transcurso de estos procesos se generan residuos, generalmente derivados de las fibras de colágeno fusionadas o seccionadas. La medición de los niveles en sangre u orina de estos componentes, denominados biomarcadores del metabolismo óseo, puede ayudar a estimar la tasa metabólica de formación y resorción. Sin embargo, hay que tomar una serie de precauciones ante su interpretación ya que estos marcadores pueden verse afectados por la dieta, el ritmo circadiano o la estación del año. Asimismo, hay alguno de estos marcadores que no es exclusivo del metabolismo óseo o que sufre procesos de degradación dentro del organismo. La Fundación Internacional de Osteoporosis ha publicado unas pautas en colaboración con la Federación Internacional de Química Clínica para el correcto muestreo, almacenamiento, análisis e interpretación de los marcadores del metabolismo óseo (12) en la que se identifican los marcadores de formación y resorción más fiables y se detallan las fuentes de variabilidad a tener en cuenta con cada uno de los metabolitos. Estas entidades recomiendan el uso de la osteocalcina (OC) y del propéptido amino-terminal del procolágeno tipo I (P1NP) como biomarcadores de formación ósea y el telopéptido carboxiterminal del colágeno tipo I (CTX) como marcador de resorción. 1.2.2 Evolución del contenido mineral óseo La cantidad de tejido óseo varía constantemente a lo largo de la vida de las personas. El sistema esquelético empieza a formarse durante el desarrollo embrionario donde comienza como moldes de tejido hialino que se irá mineralizando comenzando por la diáfisis (13). A lo largo de la infancia se va acumulando nuevo tejido óseo de una manera similar en ambos sexos (figura 4). Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 46 - Figura 4. Primeras etapas del desarrollo óseo. Extraída del libro “Atlas ilustrado de anatomía” (14) Posteriormente, en la adolescencia se llega a un periodo crítico, el pico de ganancia de masa ósea. Se trata de un repunte en la acumulación de contenido mineral óseo, que se produce antes en las chicas (en torno a los 12,5 años) que en los chicos (alrededor de los 14 años de edad), si bien la ganancia que experimentan los varones es de mayor magnitud (15). La figura 5 representa de manera gráfica este proceso. Figura 5. Pico de ganancia de masa ósea en chicos y chicas europeos. Adaptada del artículo “The National Osteoporosis Foundation’s position statement on peak bone mass development and lifestyle factors: a systematic review and implementation recommendations” (16) Licencia CC BY-NC 4.0 8 sem 9 sem 10 sem Al nacer A los 5 años A los 10 años Introducción y justificación [Introduction and justification] - 47 - Al terminar la pubertad se ha formado ya la mayor parte del hueso adulto; a partir de este momento la formación de nuevo tejido óseo continúa, pero de manera mucho más reducida, hasta alcanzar otro punto crítico del desarrollo: el pico de masa ósea. Este se entiende como el mayor contenido mineral óseo que tendrá una persona a lo largo de su vida, el cual suele darse en torno a la tercera década de la vida (17). En este punto también podemos apreciar dimorfismo sexual, ya que los hombres alcanzan un pico de masa ósea superior a las mujeres. La obtención de un pico de masa ósea lo más elevado posible es uno de los factores que más pueden proteger frente a la aparición de osteoporosis en la etapa anciana, ya que se ha estimado que una ganancia igual a una desviación estándar en el pico de masa ósea supone una reducción del riesgo de fractura a la mitad (18). Figura 6. Evolución de la masa ósea durante el ciclo vital en hombres y mujeres. Adaptada del artículo “The National Osteoporosis Foundation’s position statement on peak bone mass development and lifestyle factors: a systematic review and implementation recommendations” (16) Licencia CC BY-NC 4.0 Una vez alcanzado el pico de masa ósea, la ganancia de contenido mineral óseo se detiene y se mantiene un equilibrio dinámico protagonizado por la formación y resorción ósea del proceso de remodelado (19). Con el paso de los años el equilibrio entre estos procesos se deteriora, llegándose a producir una pérdida paulatina de masa ósea. En este periodo de nuevo aparecen diferencias entre los sexos, ya que en el momento de la llegada Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 48 - de la menopausia las mujeres sufren una pérdida más acentuada de su masa ósea (20). Esta pérdida prolongada de contenido mineral óseo puede dar lugar a la aparición de osteoporosis en las últimas etapas de la vida, especialmente en aquellas personas que no alcanzaron un pico de masa ósea elevado. La figura 6 esquematiza la evolución del contenido mineral óseo a lo largo de la vida. 1.2.3 Evolución de la estructura ósea Los cambios en el tejido esquelético experimentados a lo largo de la vida no se limitan a la mera ganancia o pérdida de material óseo, sino que el proceso de formación y resorción ósea va moldeando la estructura del hueso con el paso del tiempo, modificando así sus propiedades mecánicas. Figura 7. Evolución de la estructura ósea durante el ciclo vital en hombres y mujeres. Adaptada del artículo “Bone quality: the material and structural basis of bone strength” (21) El crecimiento óseo durante la etapa infantil y adolescente descrito en el apartado anterior no sólo se produce en el eje longitudinal, a través de las placas epifisiarias, sino que también se produce un aumento en el grosor cortical, puesto que la formación ósea en el periostio excede a la resorción experimentada en el endostio. Durante la etapa adulta, estos procesos se equilibran, por lo que se obtiene un mayor diámetro óseo manteniéndose Introducción y justificación [Introduction and justification] - 49 - el grosor cortical (4). En mujeres el proceso de modelado en el periostio es de menor magnitud que en los hombres, resultando en huesos más pequeños. No obstante, el grosor cortical es similar, ya que también se inhibe el proceso de resorción en el endostio (22). En la figura 7 se muestra una representación esquemática de la evolución en el grosor cortical y el diámetro óseo en hombres y mujeres a lo largo de la vida. Con respecto al hueso trabecular, durante la etapa de crecimiento no se generan nuevas trabéculas, sino que aumenta la densidad mineral de cada una de ellas (23). Durante el envejecimiento, la pérdida neta de densidad mineral en las trabéculas es similar en hombres y mujeres, sin embargo, el proceso es cualitativamente diferente. En el caso de los hombres se produce una disminución de la densidad de las trabéculas, resultando en un estrechamiento de estas, mientras que en el caso de las mujeres desaparecen trabéculas completas, comprometiendo así la integridad estructural de todo el entramado (24). 1.2.4 Evolución de los marcadores óseos En el apartado anterior se han explicado los factores que pueden causar variaciones intraindividuales en los niveles de los marcadores de metabolismo óseo en el corto y medio plazo. En este apartado, por el contrario, se describirán las variaciones en estos parámetros a lo largo de los primeros años de vida, puesto que son las poblaciones de interés de los estudios incluidos en la presente Tesis Doctoral. Los niveles de marcadores bioquímicos de remodelado óseo son muy altos en el momento del nacimiento y van disminuyendo hasta los 3 años de edad aproximadamente, correspondiendo con la ralentización del crecimiento (25). A partir de esta etapa los valores de marcadores se mantienen estables, en niveles superiores a los encontrados en adultos pero inferiores a los encontrados en neonatos o adolescentes. Además, no se observan diferencias entre chicos y chicas en estos parámetros. Con la llegada de la pubertad y los cambios hormonales asociados, aumentan los niveles de varios marcadores, coincidiendo Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 50 - con el periodo de máximo crecimiento lineal de los adolescentes (26). Este aumento en los niveles de marcadores durante la adolescencia se da más tarde en los chicos que en las chicas y es asimismo de una duración y magnitud mayores (27). Hay que tener en cuenta también que los valores de alguno de los marcadores se ven afectados por los niveles de hormonas sexuales y que el proceso de acumulación mineral ósea durante la pubertad es un mecanismo complejo en el que están involucrados la práctica de actividad física, la composición corporal, y distintos factores hormonales (28). En la figura 8 se presentan los valores normativos de osteocalcina y CTX en niños y adolescentes europeos, publicados por Rauchenzauer y colaboradores (25). Figura 8. Valores normativos de osteocalcina en chicos (círculos sombreados) y chicas (círculos claros) de entre 0 y 18 años. Extraída del artículo “Sexand Age-Specific Reference Curves for Serum Markers of Bone Turnover in Healthy Children from 2 Months to 18 Years” (25) Licencia: 4665800866439 Introducción y justificación [Introduction and justification] - 51 - 1.3 Osteoporosis Las personas que han experimentado deterioro grave del tejido óseo, ya sea por una gran pérdida de densidad mineral, por fallos estructurales o por un desequilibrio en la actividad metabólica, presentan una elevada susceptibilidad a sufrir fracturas, sufriendo así de la enfermedad denominada osteoporosis. La osteoporosis es una enfermedad metabólica ósea que cursa con una reducción de la resistencia ósea, lo que conlleva un aumento del riesgo de fractura ósea, de manera que eventos de impacto de baja intensidad que normalmente no comportarían ningún problema médico para el paciente osteoporótico pueden suponer una fractura (29). Asimismo, en casos más graves también se pueden dar fracturas atraumáticas, es decir, colapsos de la estructura ósea sin necesidad de eventos externos. Esta enfermedad cuenta con una alta prevalencia entre las personas mayores, afectando a un 6,6% de los hombres y un 22,1% de las mujeres mayores de 50 años dentro de la Unión Europea (30). En nuestro país, según la Encuesta Europea de Salud 2014, el 10,4% de las personas entre 65 y 74 años han recibido un diagnóstico de osteoporosis, mientras que este porcentaje aumenta al 14,4% en el grupo de 75 a 84 años y al 16,6% entre los mayores de 84 años (31). Podemos comprobar que la prevalencia es mayor en los grupos de edad más avanzados, de hecho se espera que el número total de personas afectadas por esta enfermedad crezca en los próximos años, dados los cambios demográficos de nuestra sociedad (32). Además, la osteoporosis se ha descrito como una enfermedad “silenciosa” ya que no causa dolor ni presenta otros síntomas de manera que, a menos que se realicen pruebas diagnósticas, los afectados no son conscientes de la patología hasta que se produce la fractura ósea (33). Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 52 - El elevado número de fracturas osteoporóticas que tienen lugar cada año plantean un grave problema para los sistemas sanitarios de los países desarrollados (34), ya que han sido relacionadas con disminuciones de la capacidad funcional y de la calidad de vida, pérdida de independencia, aparición de discapacidad e incluso con un aumento de la mortalidad (35). Al mismo tiempo, a estos costes sociales también hay que añadirles los costes económicos. Concretamente, en el año 2008 el tratamiento de fracturas de cadera supuso un gasto de casi 400 millones de euros al sistema sanitario español público, más del doble del que se registró una década atrás (36). Por lo tanto, uno de los grandes retos a los que se enfrentan los sistemas sanitarios es el de la prevención temprana de la osteoporosis. Para ello es de vital importancia la estimulación osteogénica durante el periodo de pico de obtención de masa ósea definido anteriormente. Una de las estrategias más recomendadas para conseguir un desarrollo óseo adecuado durante esta etapa es la participación en actividad física de impacto. 1.4 Métodos de medición de la masa ósea Existen diversas opciones para la evaluación de distintos parámetros relacionados con la salud ósea. A continuación se presentarán brevemente aquellos métodos de utilización más frecuente en los estudios de investigación relacionados con la actividad física y salud en niños y adolescentes. 1.4.1 Absorciometría de rayos X de energía dual (DXA) El DXA es el método de referencia para la determinación de la densidad mineral ósea. Se trata de un método por imagen basado en la emisión de radiación ionizante, la cual será recogida por un receptor que registrará la proporción de la radiación absorbida tras atravesar el cuerpo del paciente. La radiación utilizada es de dos frecuencias diferentes, de manera que una de ellas es absorbida por el tejido óseo mientras que la otra es absorbida Introducción y justificación [Introduction and justification] - 53 - por el tejido blando. De este modo, se puede realizar un análisis de distintos componentes corporales de manera simultánea, aportando información no sólo sobre el contenido y densidad óseos sino también sobre la masa grasa y magra. Este método se utiliza para el diagnóstico de osteoporosis, a partir de una comparación de los resultados del paciente con los de una población de referencia de jóvenes adultos (en el pico de masa ósea) de su mismo sexo y etnia. Si el resultado está al menos 2.5 desviaciones estándar por debajo de la media de esta población de referencia, el participante se puede clasificar como osteoporótico (37) Existen pautas para el correcto posicionamiento de los pacientes, realización de las mediciones e interpretación de las imágenes, establecidas por la Sociedad Internacional de Densitometría Clínica (38). El escaneo se puede realizar tanto de cuerpo completo como de regiones específicas, siendo las de interés más generalizado la columna lumbar, la cadera y el antebrazo. Es importante recalcar que las imágenes obtenidas mediante este método sólo distinguen dos dimensiones, de manera que los valores de densidad ósea obtenidos son relativos al área del hueso, lo que puede sesgar la comparación entre huesos pequeños y grandes o la interpretación de los datos pertenecientes a pacientes de muy baja estatura. Por esto, en algunos casos es recomendable realizar un ajuste de los valores de densidad encontrados, calculando la densidad mineral volumétrica aparente (39). Asimismo, los parámetros obtenidos sólo se tratan de variables de composición ósea, sin hacer referencia a su estructura, si bien existen complementos adicionales en el software que permiten obtener información estructural como la puntuación trabecular ósea (40) o el análisis estructural de cadera (41). Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 60 - La vibración de cuerpo completo se basa en la misma teoría del mecanostato, aplicando la carga osteogénica mediante vibraciones de elevada frecuencia y baja amplitud en una plataforma sobre la que se coloca el participante. Existen dos tipos principales de plataformas para suministrar la vibración, esquematizados en la figura 10. En la vibración simultánea el estímulo vibratorio se transfiere a ambos pies al mismo tiempo, mientras que la vibración alterna se produce de manera contralateral; es decir cuando uno de los laterales se encuentra en su punto más alto el otro se encontrará en su punto más bajo, lo que reduce la propagación del estímulo vibratorio al tronco, permitiendo tolerar mayor intensidad de la vibración (72). Las plataformas no sólo difieren en el tipo de vibración suministrada, sino que también varían en la frecuencia y la amplitud de su vibración, obteniéndose así un gran rango de aceleraciones disponibles. Como se ha mencionado, la vibración de cuerpo completo ha suscitado el interés investigador y existen un gran número tanto de estudios individuales como de revisiones narrativas y sistemáticas centradas en este tema. Sin embargo, todavía existen discrepancias entre las revisiones con respecto a la eficacia real de este tipo de entrenamiento en las distintas poblaciones, lo que dificulta su aplicación práctica - 61 - Capítulo 2 Hipótesis y objetivos - 62 - Hipótesis y objetivos [Hypothesis and aims] - 63 - Hipótesis Los preescolares con buena condición física general presentarán parámetros óseos más saludables que sus pares con una condición física pobre. La práctica de actividad física vigorosa en tandas de al menos cinco minutos continuados se correlacionará positivamente con la densidad y el contenido mineral óseos en adolescentes sanos. También se espera encontrar una relación dosis efecto, de manera que la participación en periodos más largos de actividad vigorosa conllevará una mayor mejoría de la salud ósea. Un periodo de entrenamiento sobre plataforma vibratoria de cuerpo completo de 6 meses será suficiente para incrementar los niveles de marcadores de formación ósea en nadadores adolescentes. Hypothesis Fit preschoolers will present better bone mineral parameters than their unfit counterparts. The participation in vigorous physical activity in periods of at least five consecutive minutes will be positively correlated with bone mineral content and density in healthy adolescents. Additionally, higher increases in these parameters are expected with longer periods of vigorous physical activity, following a dose-response effect. A 6-month whole-body vibration protocol will increase the levels of bone formation markers in adolescent swimmers. Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 64 - Objetivos El objetivo general de la presente Tesis Doctoral es el de ampliar el conocimiento científico al respecto del papel que juegan la práctica de actividad física y la condición física en la mineralización y estructura óseas durante las primeras etapas de la vida, poniendo particular atención en los adolescentes practicantes de natación, al tratarse de un grupo de población más susceptible de presentar una deficiente mineralización ósea. Más concretamente, los objetivos específicos de cada uno de los seis artículos que componen esta Tesis Doctoral son: Artículo I. Determinar la relación entre distintos parámetros estructurales del hueso con la condición física en su conjunto, así como con cada uno de sus componentes individuales en niños y niñas en edad preescolar. Artículo II. Analizar la relación entre los distintos patrones de práctica de actividad física y la densidad ósea de adolescentes sanos, poniendo especial interés en la distribución de la actividad vigorosa. Artículo III. Examinar el efecto de distintas trayectorias de participación en actividad física sobre el crecimiento óseo en adolescentes sanos, considerando la actividad física actual y pasada. Artículo IV. Resumir la literatura científica existente al respecto del entrenamiento con plataforma vibratoria de cuerpo completo como herramienta para la mejora de la salud ósea. Hipótesis y objetivos [Hypothesis and aims] - 65 - Artículo V. Analizar los efectos de 6 meses de entrenamiento sobre plataforma vibratoria de cuerpo completo sobre los niveles en suero de los marcadores de metabolismo óseo en nadadores adolescentes. Artículo VI. Desarrollar un método de cribado para la identificación temprana de nadadores adolescentes en riesgo de presentar una baja densidad mineral ósea, partiendo de variables cuya medición sea accesible para los centros deportivos. Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 66 - Aims The general aim of the present Thesis is to enlarge the scientific knowledge regarding the role of physical activity and fitness on bone mineralization and structure during the first stages of life. An especial focus is put on adolescent swimmers, since it is a sector of the population at high risk of suffering from poor bone mineralization. More concretely, the specific aims of each of the six articles that constitute this Doctoral Thesis are: Manuscript I. To determine the relationship between several bone structural parameters and physical fitness and its components in preschool children. Manuscript II. To analyze the relation among different patterns of physical activity participation and bone density in healthy adolescents, focusing on the distribution of vigorous physical activity bouts. Manuscript III. To examine the effect that different physical activity participation trajectories have on bone growth in healthy adolescents, taking into consideration both present and past physical activity participation. Manuscript IV. To summarize the available scientific literature regarding the use of whole-body vibration training as a tool for the improvement of bone health. Manuscript V. To analyze the effects of 6 months of whole-body vibration training on the serum levels of bone turnover markers in adolescent swimmers. Hipótesis y objetivos [Hypothesis and aims] - 67 - Manuscript VI. To develop a screening method for the early detection of adolescent swimmers that are susceptible of suffering from low bone mineral density, based on easily measurable variables on a regular training setting. - 68 - - 69 - Capítulo 3 Material y métodos Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 76 - ➢ Condición cardiorrespiratoria Esta prueba consiste en una adaptación del test de Leger (78). Los participantes deben recorrer de ida y vuelta un tramo de 20 metros a una velocidad que se indica con una señal acústica al final de cada trayecto. La prueba inicia a una velocidad de 6,5 km/h y se incrementa en 0,5 km/h cada minuto. Los participantes Estuvieron acompañados en todo momento por dos investigadores, que ayudan a mantener el ritmo indicado. La prueba finaliza cuando el participante es incapaz de completar el trayecto en el tiempo indicado en dos veces consecutivas o se retira debido a la fatiga. 3.3 Proyecto internacional Como ya se ha mencionado, durante el transcurso de dos estancias internacionales, el doctorando tuvo la ocasión de colaborar en un proyecto de la Universidad de Tartu (Estonia), cuyas características se detallan en este apartado. 3.3.1 Diseño y participantes Un total de 264 chicos de entre 11 y 13 años de edad, reclutados en las escuelas de la ciudad de Tartu y sus alrededores, formaron parte de este estudio que tiene como objetivo analizar distintos factores que puedan afectar a la adquisición de masa ósea durante toda la etapa puberal, con especial énfasis en la actividad física. De acuerdo con el diseño del proyecto, el cual continúa en activo, los participantes serán evaluados en repetidas ocasiones durante su periodo de desarrollo madurativo si bien se mantiene un enfoque observacional, sin realizarse ninguna intervención sobre los participantes. Las variables principales sobre las que se centra este proyecto son la densidad mineral ósea, obtenida a partir de una densitometría de rayos-X de energía dual y la participación en actividad física de distintas intensidades, registrada mediante acelerometría. Material y métodos [Material and methods] - 77 - Uno de los artículos pertenecientes a este proyecto que forman parte de la presente Tesis Doctoral utiliza únicamente los datos relativos a la evaluación inicial, siguiendo por lo tanto un diseño transversal, en el que un total de 180 participantes suministraron registros de acelerometría completos. Por otra parte, el segundo estudio incorpora los datos obtenidos en la evaluación de seguimiento, llevada a cabo un año después de la inicial. Tras este periodo, fueron 140 los participantes que proporcionaron datos suficientes para ser incluidos en el análisis. 3.3.2 Mediciones antropométricas y evaluación de la masa ósea Para la sesión de evaluación antropométrica y de la composición corporal, los participantes permanecían en ropa interior y descalzos. La talla de los participantes se midió utilizando un antropómetro metálico (GPM Anthropological Instruments, Zurich, Suiza) con una precisión de 0.1 cm y el pesaje se realizó con una báscula médica (A&D Instruments Ltd., Abingdon, Reino Unido) de resolución 0.05 kg. Para la medición de la masa ósea se realizaron escaneos con DXA (DX-IQ, Lunar Corp., Madison, Wisconsin, Estados Unidos) en el cuerpo completo, la columna lumbar (de L2 a L4) y la cadera no dominante, obteniéndose valores de contenido y densidad mineral óseos. Se siguieron las instrucciones del fabricante tanto para el posicionamiento del participante como para el posterior análisis de las imágenes obtenidas. El mismo técnico realizó las mediciones antropométricas y el análisis de los datos de la densitometría en ambas evaluaciones. El coeficiente de variación del aparato se obtuvo duplicando las mediciones (con reposicionamiento) de 20 de los participantes, resultando inferior al 2% para todas las variables analizadas. Por otra parte, el estado madurativo se determinó mediante una prueba de rayos-X en la muñeca izquierda, siguiendo el método propuesto por Groulich y Pyle (79,80). Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 78 - 3.3.3 Registro de la práctica de actividad física Para la evaluación de la práctica de actividad física, los participantes llevaron en su cadera derecha durante una semana un acelerómetro uniaxial (GT1M Actigraph, Monrovia, California, Estados Unidos), exceptuando los periodos de sueño y de ducha o actividades acuáticas. Los datos en bruto, originalmente de una frecuencia de 30 Hz, se condensaron en periodos (epoch) de 15 segundos para facilitar su tratamiento. Una vez obtenidos los epoch, se eliminaron de los registros semanales todos aquellos periodos iguales o superiores a 20 minutos sin registrar aceleración alguna, al considerarse tiempo no válido (periodos en los que el participante no ha llevado el acelerómetro consigo). Tan sólo se aceptaron para el análisis definitivo aquellos registros semanales que incluyeran al menos tres días con 10 o más horas de tiempo válido, siendo además festivo al menos uno de esos días. La intensidad de la actividad física se dividió en las categorías de sedentarismo, actividad ligera, moderada y vigorosa de acuerdo con los puntos de corte propuestos por Evenson y colaboradores (81). Además, dado que los estudios se orientaron hacia el análisis de los patrones de participación en actividad física vigorosa, se registraron todas aquellas tandas (bouts) superiores a cinco minutos continuados de actividad vigorosa, con una tolerancia de un epoch. Se analizó tanto el número de estas tandas diarias como su duración media y máxima. 3.4 Proyecto RENACIMIENTO Dentro de este proyecto se enmarcan tres de los manuscritos que componen la presente tesis doctoral. No obstante, uno de ellos, el artículo IV, presenta una metodología particular al tratarse de un artículo de revisión sistemática, por lo que se le dedicará un apartado independiente. Material y métodos [Material and methods] - 79 - 3.4.1 Diseño y participantes El proyecto RENACIMIENTO es un ensayo clínico aleatorizado realizado entre septiembre de 2012 y diciembre de 2015. Si bien el desarrollo efectivo del proyecto no se pudo ajustar completamente al diseño inicialmente concebido y descrito (75), los principales componentes de este se mantuvieron, contando con una intervención de entrenamiento vibratorio de 6 meses y cuatro puntos de evaluación; uno antes de comenzar la intervención, otro al final de esta para observar los cambias inducidos por la intervención y otros dos en los dos años posteriores a la finalización de la intervención para comprobar la perdurabilidad de los efectos. El proyecto contó inicialmente con 75 controles normoactivos y 98 nadadores, los cuales fueron aleatoriamente distribuidos en dos grupos, uno de los cuales continuaría con su entrenamiento habitual de natación y otro incorporaría además el entrenamiento sobre plataforma vibratoria. Los participantes tenían que ser caucásicos de una edad comprendida entre los 10 y los 18 años en el momento del comienzo del estudio, además de no sufrir ninguna enfermedad ni tomar medicación que afectase al hueso. Para optar a unirse al estudio dentro del grupo de nadadores, los participantes debían acumular al menos 6 horas de entrenamiento semanal de natación, así como tener 3 o más años de experiencia en competición a nivel regional o superior. Tras aplicar estos criterios de inclusión y excluir a los participantes con datos faltantes, la muestra final incluida fue de 68 nadadores (40 chicos y 28 chicas) y 41 controles (27 chicos y 14 chicas) en el artículo V que sigue un enfoque longitudinal, centrándose en los dos primeros puntos de evaluación. Por otra parte, el artículo VI, que se centra exclusivamente en el grupo de nadadores y sólo tiene en cuenta la evaluación inicial pudo contar con un total de 78 nadadores (40 chicos y 38 chicas). Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 80 - 3.4.2 Protocolo de entrenamiento vibratorio Las características de la intervención de entrenamiento de vibración de cuerpo completo se detallan en la tabla 1. Como se puede apreciar, se optó por un protocolo incremental, en el que el aumento paulatino de la frecuencia y amplitud de la vibración conforme avanza la intervención resulta en aceleraciones progresivamente mayores. Los participantes tenían que asistir la sesión con calzado deportivo y realizaban por duplicado una serie de ejercicios sobre la plataforma: sentadilla estática a 120º, sentadilla estática a 90º, sentadilla dinámica (oscilando entre las dos posiciones anteriores) y fondos con cada uno de los pies al frente (figura 11). Las sesiones eran supervisadas en todo momento por un licenciado en Ciencias de la Actividad Física y el Deporte que velaba por la seguridad de los participantes y se aseguraba de la correcta ejecución de los ejercicios. Los participantes acudían a las sesiones por parejas, alternándose los periodos de descanso y ejercicio. Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4 Mes 5 Mes 6 Sesiones 12 12 12 12 12 12 Frecuencia (Hz) 30 30 32 34 36 38 Amplitud (mm) 1 2 2 2 2 2 Duración (s) 45 45 45 60 60 60 Descanso (s) 45 45 45 60 60 60 Tiempo total de vibración (min) 7.5 7.5 7.5 8 8 8 Duración de la sesión (min) 15 15 15 16 16 16 Aceleración resultante (g) 3,6 7,2 8,2 9,3 10,4 11,6 Tabla 1. Parámetros del protocolo de vibración Material y métodos [Material and methods] - 81 - Figura 11. Ejercicios realizados durante la sesión de entrenamiento vibratorio Adaptada del artículo “Do 6 monthe of whole-body vibration training improve lean mass and bone mass acquisition of adolescent swimmers?” (82) Licencia: 4665810667489 3.4.3 Mediciones antropométricas y evaluación de la masa ósea Al igual que en los proyectos descritos con anterioridad, los participantes fueron medidos (estadiómetro SECA 225, SECA, Hamburgo, Alemania, resolución 0,1 cm) y pesados (báscula electrónica SECA 861, SECA, Hamburgo, Alemania, resolución 0,1 kg) mientras se encontraban en ropa interior y descalzos. Posteriormente se procedió a la evaluación de su masa ósea (área, contenido y densidad mineral ósea) utilizando un aparato de DXA (Hologic Corp., software versión pediátrica 12.4, Bedford, Massachussetts, Estados Unidos), realizando escaneos del cuerpo completo, columna lumbar (L1-L4) y cadera no dominante. Todas las mediciones y análisis de las imágenes fueron realizadas por el mismo operador entrenado. Los coeficientes de variación del DXA en nuestro laboratorio son del 2,3% para el contenido mineral óseo y del 1,3% para la densidad mineral ósea (83). 3.4.4 Biomarcadores de metabolismo óseo Para la determinación de los niveles en sangre de los marcadores de metabolismo óseo se siguieron las indicaciones de la Fundación Internacional de Osteoporosis y la Federación Internacional de Química Clínica (12). Se escogieron dos marcadores de Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 82 - formación ósea: la osteocalcina (OC) y el propéptido amino-terminal del procolágeno tipo I (P1NP). Como marcador de resorción ósea se analizó el telopéptido carboxi-terminal del colágeno tipo I (CTX). Con el objetivo de reducir la variación circadiana intra-individual, las muestras sanguíneas se extrajeron tras un periodo de ayuno en el mismo momento del día (entre las 8:00 y las 10:00 de la mañana). Tras su extracción, la muestra se dejaba reposar durante media hora y se procedía al centrifugado a 10.000 revoluciones por minuto durante 15 minutos y su posterior almacenamiento en una cámara frigorífica a -80ºC. La determinación de los niveles de marcadores presentes en el suero se llevó a cabo en un laboratorio independiente, mediante inmunoensayos de electroquimioluminiscencia. 3.4.5 Pruebas de condición física Dentro del proyecto RENACIMIENTO se llevaron a cabo diversas pruebas de condición física. No obstante, en este apartado se describen únicamente aquellas pruebas incluidas en los análisis realizados en los artículos pertenecientes a la presente Tesis Doctoral. Las pruebas de fuerza se realizaron siguiendo el mismo procedimiento descrito en el proyecto PREFIT, evaluando la fuerza de los miembros superiores mediante la prueba de dinamometría manual y la fuerza de las extremidades inferiores con la prueba de salto de longitud a pies juntos. Para la evaluación de la resistencia cardiorrespiratoria se empleó el test de Leger original (78). Por otra parte, para la medición de la velocidad se cronometró el tiempo transcurrido en realizar un sprint de 30 metros en línea recta utilizando células fotoeléctricas. Material y métodos [Material and methods] - 83 - 3.4.6 Otras variables Dentro del proyecto RENACIMIENTO se tuvieron en cuenta diversas variables que pueden afectar al proceso de crecimiento óseo durante la adolescencia y por lo tanto se registraron para poder controlar su efecto como variables de confusión o mediadoras. Para la determinación del estado de desarrollo puberal se facilitó a los participantes una planilla en la que se representa gráficamente las etapas descritas la escala de Tanner y Whitehouse (84) de manera que pudieran proceder a su autoevaluación. La ingesta diaria de calcio se calculó a partir de un cuestionario validado de frecuencia de consumo de alimentos ricos en calcio como el queso o el pan (85). Asimismo, los participantes completaron un cuestionario en el que se recogía la práctica de actividad física tanto en el presente como en el pasado. Además, para los participantes nadadores se recogió su volumen de entrenamiento (en horas por semana), su experiencia en competición (en años) y su rendimiento en competición, comprobando los tiempos oficiales en competición y la puntuación otorgada por la Federación Internacional de Natación. 3.4.7 Revisión de revisiones sistemáticas Como se ha mencionado, en este apartado se describirán las pautas generales seguidas para la realización de la revisión sistemática perteneciente a esta Tesis Doctoral. Se puede encontrar una descripción detallada de todos los pasos seguidos durante su elaboración en el apartado de metodología del artículo IV del capítulo Resultados y discusión. La primera particularidad que se debe resaltar con respecto al trabajo de revisión llevado a cabo es que su objetivo principal no es el de recopilar información recogida en distintos artículos individuales, sino que pretende recoger los resultados obtenidos en Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 84 - distintas revisiones, tratándose por tanto de una revisión de revisiones sistemáticas, también denominada overview en lengua inglesa. Como tal, hay algunos aspectos de su procedimiento metodológico que son similares a los de una revisión tradicional, como la sistematización de la recogida de información, pero hay otros aspectos que difieren, al tener que tratar con dos capas de fuentes de información, esto es, tanto las revisiones sistemáticas como los estudios individuales que las componen. Por lo tanto, para la realización de esta revisión de revisiones se siguió una metodología diseñada específicamente para este tipo de investigación (86,87). Así pues, tras definir los términos de búsqueda dentro de tres bases de datos electrónicas (PubMed, Cochrane Library y SportDiscus), dos investigadores examinaron de manera independiente los artículos encontrados seleccionando únicamente los documentos que consistieran en revisiones sistemáticas que analizaran los efectos del entrenamiento en plataforma vibratoria de cuerpo completo sobre parámetros óseos, ya fueran relativos a su composición, estructura o metabolismo. No se realizó ninguna restricción respecto a la población objetivo de la revisión ni a la fecha de publicación de esta. Una vez recopiladas las 17 revisiones sistemáticas que terminaron siendo incluidas en la revisión de revisiones, se procedió a la evaluación de la calidad metodológica de estas, siguiendo la escala AMSTAR (88). Asimismo, se llevó a cabo una recopilación sistemática de las características principales y resultados obtenidos en cada una de las revisiones, decidiéndose realizar una división de los resultados en tres categorías en función de la población estudiada: mujeres postmenopáusicas, adultos jóvenes y niños y adolescentes con baja densidad mineral ósea. Material y métodos [Material and methods] - 85 - También se tuvo en cuenta la posible duplicidad de la información recogida por las distintas revisiones, por lo que se recogió una lista de los estudios individuales que componían cada revisión sistemática y se realizó una comprobación cruzada de aquellos estudios individuales que figuraban en más de un documento, calculando además el grado de solapamiento de la información según la fórmula propuesta por Pieper y colaboradores (89). En el caso de detectarse conflictos entre distintas revisiones a la hora de realizar la interpretación de los resultados de algún estudio individual, se procedió a consultar la fuente original. 3.5 Análisis estadísticos Dado que algunos de los métodos estadísticos utilizados son comunes a varios de los artículos que componen la presente Tesis Doctoral, se ha optado por describir las distintas pruebas estadísticas utilizadas en este apartado conjunto, en el que también se incluyen procedimientos más específicos que no tienen por qué ser utilizados en todos los manuscritos. No obstante, en cada uno de los artículos incluidos en el siguiente capítulo de Resultados y discusión se encuentra disponible una descripción detallada de las técnicas estadísticas empleadas. El software empleado para realizar la mayoría de las pruebas estadísticas fue el Statistical Package for the Social Sciences (SPSS Inc., versión 22.0, Chicago, Illinois, Estados Unidos), si bien tato el análisis de los datos de acelerometría como la elaboración de los árboles de decisión del manuscrito VI se realizaron utilizando el lenguaje de programación estadística R (90), utilizando distintos paquetes para ampliar su funcionalidad. El nivel de significación estadística se fijó en α<0,05. - 92 - Resultados y discusión [Results and discussion] - 93 - ABSTRACT Background: The positive association between physical fitness and bone structure has been widely investigated in children and adolescents with no studies evaluating this influence in young children, i.e. preschoolers. Hypothesis: Fit children will present improved bone variables when compared to unfit children and no sex differences will emerge in the sample. Study design: Cross-Sectional Study Level of evidence: 2c Methods: Handgrip strength, standing long jump (SLJ), speed-agility, balance and cardiorespiratory fitness (CRF) were assessed with the PREFIT battery in 92 children (50 boys; ages from 3 to 5). A peripheral quantitative computed tomography scan was performed at the 38% of the non-dominant tibia. Cluster analysis from handgrip strength, SLJ, speed-agility and CRF was developed to identify fitness groups. Bone variables were compared between sexes and between cluster groups. The association between individual physical fitness components and different bone variables was also tested. Results: Three cluster groups emerged and were named as FIT (high values of all the included physical fitness variables), STRONG (high strength values and low speed-agility and CRF), and UNFIT (low strength, agility and CRF). FIT presented higher values than STRONG and UNFIT for total and cortical bone mineral content, cortical area and polar strength strain index (all p<0.05). FIT also presented a higher cortical thickness when compared to UNFIT (p<0.05). Handgrip, SLJ and speed-agility predicted all the bone variables except for total and cortical volumetric bone mineral density (vBMD). No differences were found for bone variables between sexes. Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 94 - Conclusions: These results suggest that global fitness is a key determinant to bone structure and strength, but not vBMD in preschoolers. Clinical relevance: Physical fitness is determinant to tibial bone mineral content, structure and strength in very young children. Performing physical fitness tests could provide useful information related to bone health in preschoolers. Keywords: Bone mass, preschool, muscular strength, children, fitness. Resultados y discusión [Results and discussion] - 95 - INTRODUCTION Physical activity is a major determinant of body composition (91), cognition (92), bone mass (93), bone strength (94) and quality of life (95) in children. Nonetheless, some studies have suggested that the effect of physical activity on the previously mentioned outcomes is mediated by physical fitness (96). It is clear that both are positively associated and that while registers of physical activity are usually based on a 7-day window, physical fitness is a robust physiological measure that could reflect the amount of physical activity performed during the previous months. The effects of physical fitness on health have also been widely studied in children (97), finding positive associations with quality of life (95), metabolic risk factors (98) and bone health (98), among others. Focusing on bone health, 12 out of 17 studies included in a metaanalysis developed by Smith et al. (98) showed a positive association between muscular fitness and bone mass. Gracia-Marco et al. (99) evaluated the influence of several components of physical fitness and physical activity on bone mineral content (BMC) in adolescents, finding that lower levels of fitness were associated with lower BMC. An interesting finding of the previous study was that cardiorespiratory fitness had no influence on BMC in boys, suggesting that the development of different fitness components might act unequally on bone mass. Both BMC and bone mineral density (BMD) measured with dual energy x-ray absorptiometry (DXA) have been the most researched bone-variables. Nevertheless, DXA has several limitations when used in small children (100), and unlike peripheral quantitative computed tomography (pQCT), DXA only provides information about bone quantity without evaluating structure and therefore bone quality. This might be very important Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 96 - information, as bone strength, which is a fracture risk factor, is determined by both BMD and bone structure (101). Few studies have measured the association between physical fitness and bone structure in children, finding that muscular fitness predicts adolescent bone strength in 17 year-olds (102), and that active fit 7 to 9 year-old boys present greater cortical area and thickness compared to inactive-unfit boys (103). To the best of our knowledge no studies have evaluated the association between physical fitness and bone structure in very young children as preschoolers. It is important to clarify this effect, as poor bone accrual during growth is associated with increased fracture risk in childhood (104,105) and may influence lifelong fracture risk (106). Therefore, the aims of the present study were: 1) to determine the association between different physical fitness components and several structural bone parameters in 3 to 5 year olds, 2) to analyze the overall association between physical fitness and bone structure, and 3) to determine if sex differences regarding bone structure have already emerged in 3 to 5 year olds. It was hypothesized that fit children would present improved bone variables when compared to unfit children and that no sex differences would be present in the sample. METHODS Design and participants This study is part of the PREFIT project (Assessing FITness levels in PREschoolers, http://profith.ugr.es/prefit), a multicentric study developed in 10 Spanish cities, aiming to include 3000 pre-school children to develop physical fitness reference values with the Resultados y discusión [Results and discussion] - 97 - PREFIT physical assessment battery and also to determine the association of physical fitness and several health outcomes. The present study focused on the sample from Zaragoza (Spain), the only center in which bone structure was measured, and it is not representative of the whole Spanish population of preschoolers. The study protocol was approved by the Review Committee for Research Involving Human Subjects from the University of Granada (nº 845) and by the Ethics Committee of the University of Zaragoza (CEICA CP18/2014), and it adheres to the Helsinki Declaration of 1961 (revision of Fortaleza 2013). Signed informed consent was retrieved from the parents or legal guardians of the participants. In order to be included, participants had to be: 1) in pre-school years 1, 2 or 3 (starting ages 3, 4 and 5 years respectively), 2) healthy and not taking medications affecting bones. Those participants that did not present complete fitness and bone data, were excluded from final analyses. Bone scans showing any sign of movement were omitted from all analyses. From the initial 139 participants (77 boys and 62 girls), 47 scans (27 boys and 20 girls) were excluded from the analysis due to movement artifact (37%). Therefore, to guaranty high quality data all the analyses for the present manuscript were conducted with 92 participants (50 boys and 42 girls). Physical fitness assessment Physical fitness was assessed with the PREFIT battery (107) which is known to be feasible and reliable in preschoolers (108). The PREFIT battery was performed to measure physical fitness. In order to obtain the highest level of performance participants were verbally encouraged during the duration of all the tests. The performed tests were: Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 98 - 1) Handgrip strength tests (Handgrip): It was measured using a handgrip dynamometer (TKK 5001, grip A, Takei, Tokyo; range 0–100kg; accuracy 0.5 kg). Children were in a standing position maintaining the arm of the tested side straight down with the shoulder slightly abducted (~10° not touching the rest of the body), the elbow in 0° flexion, and the forearm in neutral position and the wrist in 0° flexion. The best value of the four attempts (two trials with each hand) was chosen (kg). 2) Lower limb explosive strength (standing long jump test; SLJ): This test consists of jumping horizontally with both feet at the same time the maximum distance over a non-slippery and hard surface with the feet immediately behind the starting line and separate from each other approximately at the shoulder’s width. Children performed three jumps with 1–2 min rest between attempts. The best value of three attempts in centimeters was used for the analysis 3) Balance (standing on one leg test; balance): One-leg stance test was used to evaluate the static balance. An attempt was made on each leg scoring the time it got to keep it there. Children were allowed to use their arms if it was necessary to maintain the balance position as long as possible. The timer was activated when the free leg left the ground. The test ended when the children were not able to maintain the required position, i.e. moved the supporting foot, heel or toe of the original position. The mean of two attempts was registered in seconds. 4) Speed-agility (4x10m shuttle run test; agility): Participants ran back and forth four times along a 10-m track at the highest speed possible. At the end of each track section, the participants had to touch the hand of a researcher crossing the limit line with both feet. Children performed the test twice with 1–2 min rest between attempts. The best result (minimum score in seconds) was used for the analysis. Resultados y discusión [Results and discussion] - 99 - 5) Cardiorespiratory fitness (PREFIT 20-m shuttle run test; laps): This test required participants to run back and forth between two lines set 20m apart. Running pace was determined by audio signals emitted from a prerecorded compact disc: the initial velocity was 6.5 km/h, which was increased by 0.5 km/h/min. The test also requires that two researchers ran with the preschool children one in front and another behind them forming an imaginary band in motion that helps to maintain the correct speed. The test was finished when the participant failed to reach the end lines concurrent with the audio signals on two consecutive occasions or the child stopped because of fatigue 6) Relative handgrip strength (Rel_Handgrip) was calculated as the absolute handgrip strength divided by the body weight. The PREFIT battery also includes anthropometric measurements with weight measured to the nearest 0.1 kg with a body composition analyzer (TANITA BC420 SMA, Hamburg, Germany) and height assessed to the nearest 0.1 cm with a stadiometer (SECA 213, Hamburg, Germany). Bone measurements A Stratec XCT-2000 L scanner (Stratec Medizintechnik, Pforzheim, Germany) that has been proved to be a valid device to measure bone in 3 to 4 year-old children (109) was used to evaluate the non-dominant tibia. This device is a translate-rotate, small computed tomography scanner that acquires a trans-axial image and allows the measurement of tibia and radius. In order for the obtained image to be valid for posterior analyses participants must stay totally still for the entire duration of the scans. We have seen that the radius is more sensitive to movement than the tibia (110,111), therefore only the tibia was analyzed. Participants were distracted with a cartoon chapter that was played during the whole scan with the aim of reducing movement. Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 100 - The coefficient of variation between measurements for the phantom is < 1%. In vivo coefficients of variation for several measures of pQCT in our laboratory have been described elsewhere (112). The non-dominant tibia was selected for measurements as recommended by the International Society for Clinical Densitometry (113). The diaphyseal tibia results (located at the 38% of the total tibia length) were used, always placing the reference line at the tibial endplate. Participants were seated in a stationary chair, adjusted to the appropriate height. The tibia length from the distal end of the medial malleolus to the medial knee joint cleft was measured. A tibial adjustable fasten belt was used to hold the limb and to limit motion during the scans. Every limb was centered in the imagining field. The scanner was positioned on the distal tibia, and a coronal computed radiograph (scout view) was performed to manually locate a reference line on the distal end of the tibia. The measurement sites were located proximal to this reference line by a distance corresponding to 38% (diaphyseal tibia) of the tibia length. Bone outcomes Data for total and cortical bone at the 38% of the tibia length were registered. Volumetric BMD (vBMD), BMC and area, were derived for both cortical and total bone. Additionally, cortical thickness was measured. Bone strength was established with respect to torsion (Polar strength strain index: SSIPOL), and bending with respect to the X axis (Frac_X). Statistical analyses Power calculation and sample size estimations were computed based on the primary outcome of the multicentric PREFIT project (114). The present study is based on a secondary analysis only using data from a research center from the multicentric project (as only one center collected bone data). Nonetheless, sample size is similar to a previous Resultados y discusión [Results and discussion] - 101 - important study that also measured bone structure in preschool children that presented a sample of 101 children (53 boys) (109). Sample characteristics are presented with mean and standard deviations or frequencies. Sex differences for bone variables were evaluated using Analyses of Covariance (ANCOVA) adjusting by age and tibia length. The association between different fitness variables and bone was evaluated through linear regression models. For each physical fitness variable two models were created, with Model 1 only including age, sex and tibia length (the same model for all physical fitness variables). Model 2 included all the variables from Model 1 plus the physical fitness variable. Cluster analysis was performed to identify groups of physical fitness and compare bone variables among groups. As no sex-differences for bone variables were found, cluster analyses were performed for the whole sample. Firstly, Z-scores were calculated for Rel_handgrip, SLJ, agility and laps. As Rel_handgrip and SLJ both express strength, they were grouped into one variable ((SLJ Z-score + Rel_handgrip Z-score) / 2), called Strength. Balance was not included as the linear regression coefficients were all non-significant suggesting that it was not associated with bone structure or strength. Although the linear regression coefficients for cardiorespiratory fitness were also non-significant, we decided to include this variable in the cluster analysis as previous studies suggest that it is an important fitness variable regarding bone mass in children and adolescents (115). Secondly, hierarchical cluster analysis was performed with the 3-fitness Z-score values (Strength, Agility and Laps), finding that the final cluster solutions were always highly influenced by age, with those classified as FIT mostly 5-year-old participants (from third Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 108 - similar values than the STRONG group for the strength variables, and also presented high values for both speed-agility and Laps. Finally, Cluster 3 was labelled as UNFIT as it showed the lowest values for strength and agility and similar values for Laps than the STRONG group. Statistical differences among the groups are described in Figure 1. Descriptive characteristics and group composition are displayed in Table 4. Regarding bone variables, adjusted age and tibia length results are presented in Figure 1. No differences were found among groups for total and cortical vBMD, total area and FRAC_X. The FIT presented higher values than the STRONG and UNFIT for the SSIPOL, cortical area and total and cortical BMC (all p<0.05; Figure 1). Additionally, FIT also presented higher values than the UNFIT for cortical thickness (p<0.05; Figure 1). No differences were found between the STRONG and UNFIT for any of the measured bone variables. DISCUSSION Bone sexual dimorphism No bone sexual dimorphism, as reported later in life by previous studies (119,120), was found in our study. Very few studies have evaluated bone structure in the same age range sample, with Moon et al. (121) who measured at the 38% of the non-dominant tibia also finding no differences between 6 year-old boys and girls. Binkley and Specker (109) in a study aiming to evaluate the validity of pQCT measures in 3 to 4 year olds reported no differences between boys’ and girls’ tibial values with the same device used in the present study (Stratec XCT 2000). These findings, in line with ours, suggest that BMC, vBMD and bone structural sexual dimorphism could emerge later in life, although further research is needed in this age range population to confirm our results. Resultados y discusión [Results and discussion] - 109 - Associations between physical fitness and bone The findings of the present study suggest that physical fitness might modify bone structure without stimulating vBMD, which is in line with previous studies. For example, Schöenau (122) evaluated the association of handgrip and bone strength in 6 to 13 year-old children finding age-dependent increases in bone strength indexes, cross-sectional and cortical areas without increases in vBMD, and more importantly, finding positive associations between handgrip and structural parameters without associations between handgrip and vBMD. Similar results can be found in older populations, for example when comparing the dominant radius to the non-dominant radius of tennis players (mean age 30 years). In this regard, Haapsalo et al. (123) found significant differences between both limbs for most of the structural variables without finding differences in vBMD. These findings, in line with ours, suggest that physical fitness stimulates bone structure and not vBMD. Increases in cortical thickness and in cross-sectional areas entail increases in areal BMD as measured with DXA, which would explain why so many studies have found benefits of exercise interventions on areal BMD (53,124). The negative results of the balance test were expectable as Cadenas-Sanchez et al. (108) recently published a study evaluating the reliability of the tests included in the PREFIT battery showing a low reliability for the one leg balance test, suggesting that this test should be eliminated from the battery. Nonetheless, because data for the present study were already collected before the publication of the aforementioned study it was decided to present all the collected physical fitness data and then explore possible associations with bone variables. Similarly, results from the adapted shuttle run test, which is performed to test cardiorespiratory fitness, did not predict any of the measured bone variables. Cardiorespiratory fitness has shown controversial results when evaluating its association with bone variables in previous studies. Some researchers have found positive associations Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 110 - between cardiorespiratory fitness and bone variables measured with DXA in crosssectional studies evaluating adolescents (125,126), while others in longitudinal studies found no association between cardiorespiratory fitness and the enhancement of bone mass (127). Data from long follow-up studies suggest that only neuromotor fitness (muscular strength and speed), is related to BMD at adulthood (128,129). Although there is no clear explanation for the controversial results found when examining literature regarding cardiorespiratory fitness and bone, it is possible that if, instead of analyzing each fitness component separately, a holistic analysis was performed clearer results would emerge. The cluster analysis results support this idea, as those classified as FIT who presented higher cardiorespiratory levels than both the STRONG and UNFIT, presented enhanced bone variables. These results are similar to those found by Duckham et al. (103) who evaluated 7 to 9 year-old children finding that those classified as fit presented better structural bone variables than those classified as unfit. Summarizing, these results suggest that although when independently assessed, muscular fitness and agility are determinant to bone mass, cardiorespiratory fitness is also important in preschool children. The fact that no differences were found between the STRONG and UNFIT groups for any of the measured bone variables suggests that for preschool children global fitness (high levels of all the fitness variables), is more important than just high muscular strength. Similar results have been found in children (103) and adolescents (99), where physical fitness has been shown to be critical to bone health. Additionally, previous studies have shown that differences in physical fitness during adolescence can lead to differences in BMD during adulthood2. This might suggest that the differences in bone health found already at the preschool stage could be retained through childhood and adolescence or that those who are active at young ages are more likely to stay active during adolescence and Resultados y discusión [Results and discussion] - 111 - consequently present an improved bone mass during their entire life. Further, long-term longitudinal studies are needed to confirm this hypothesis. It is important to notice that similarly to previous studies developed in preschool children (130) and older children and adolescents (131), we found a high number of pQCT blurred scans. When comparing our results to previous studies it seems like the percentage of moved scans decreases with an increase of participants’ age, as in studies developed with younger participants the percentage of loss was found to be even higher (51% of scans presented poor quality) (130), while in studies including older participants the percentage of moved scans seems to decrease as Moon et al. (121) and Cole et al. (132) found a 20.5% and 16% of moved scans respectively when measuring the diaphyseal tibia in 6 to 7 yearolds. It is important to acknowledge this loss of scans in our study and in previous ones due to movement so that further studies aiming to evaluate bone structure with pQCT in young children take this sample loss into account for sample size calculations. Strengths and limitations Although the study presents several strengths such as the measurement of tibia structure with a pQCT and the assessment of physical fitness with a validated battery it is not exempt of limitations. Firstly, this is a cross-sectional study, and therefore we cannot conclude that an increase in any of the physical fitness variables would improve bone structure or strength, secondly, physical activity and nutrition that could affect bone variables were not registered and finally, some physical fitness tests like the balance test and the long jump test have shown poor reliability in previous studies developed in similar age-samples (108). Conclusions Regarding the influence of fitness on bone, relative upperand lower-muscular strength, and speed-agility predicted all the measured bone variables except for vBMD. Although Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 112 - balance and cardiorespiratory fitness did not directly influence any of the measured bone variables, high cardiorespiratory fitness was one of the main characteristics of the FIT group that presented higher bone values than the STRONG and UNFIT groups. These results suggest that global fitness is a key determinant to bone structure and strength, but not to vBMD in preschool children. Consequently, performing physical fitness tests could provide useful information related to bone health in preschoolers. Bone mass sexual dimorphism has still not emerged in 3 to 6 year olds. Further similar studies with preschoolers are needed in order to corroborate the present results. - 113 - 4.2 Frequency and duration of vigorous physical activity bouts are associated with adolescent boys’ bone mineral status: A cross-sectional study - 114 - Resultados y discusión [Results and discussion] - 115 - ABSTRACT Purpose: Vigorous physical activity (VPA) has been proven to promote osteogenesis in adolescents; however, the specifics of the optimal pattern of frequency and duration of VPA are unknown. The main goal of the present study was to analyze the associations of different length of VPA bouts with bone health. Methods: 180 healthy male adolescents (11-13 years) had their bone mineral content and density assessed by dual-energy X-ray absorptiometry scans at the whole body, femoral neck (FN) and lumbar spine and their physical activity measured by an accelerometer during one week. Results: VPA was the intensity with the strongest associations with bone mineral parameters especially at the FN. Subjects whose longest VPA bout was 5 minutes or above had higher FN bone mineral density (BMD) than those who did not complete any 5-minute bout and these differences were greater with participants who reached 15 consecutive minutes of VPA (>15’: 0.977 ± 0.020g/cm2; 5’-15’: 0.907 ± 0.009g/cm2; <5’: 0.876 ± 0.009g/cm2; all p<0.05). When comparing the relevance of VPA bouts and volume of physical activity, the group with low volume and having a VPA bout had better FN BMD compared to the group with high volume but no VPA bout. Additionally, the group with both high volume and VPA bout showed better FN BMD than the rest of the groups. Conclusions: VPA may be the most effective activity intensity to improve bone mineral density and content of adolescent boys, with greater benefits if VPA periods either long or frequent. Keywords: Puberty; Osteoporosis; Osteopenia; Prevention; DXA, Physical activity bouts Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 116 - INTRODUCTION Osteoporosis, a disease characterized by a low bone mineral density (BMD), shows a prevalence for people above 50 years of age of 6.6% for men and 22.1% for women in the European Union (30) and 16% and 29.9% for men and women respectively in the United States (32). This bone fragility results in a reduced tolerance to stress and an increased fracture risk (29). Osteoporotic fractures can, in turn, lead to reduced functionality, disability and even death (35). Osteoporosis is already an economical burden for healthcare systems which is expected to rise in the coming years due to demographic changes (30). Therefore, osteoporosis management and prevention is a main concern for developed countries (34,133). One of the key strategies for preventing osteoporosis relies on maximizing the peak BMD (44,134) reached in early adulthood, since an increase of only 10% on this parameter has been shown to delay osteoporosis up to 13 years (135). Adolescence is a critical stage for bone development, as 40% of adult bone mass is accumulated during the pubertal years (18). It is estimated that around 60% of the interindividual variability in bone mass is due to endogenous factors such as race, sex or genetics (44). Within the controllable factors that affect bone mass accrual, weight-bearing physical activity (PA) is among the ones with the highest impact and therefore an adequate management of this behaviour is crucial for a healthy bone development (65). There are several reviews that show strong and consistent positive effects on bone development of sports practice (55,56), exercise interventions (54,136) and even participation in unstructured weight-bearing PA (51,52) during childhood and adolescence. Moreover, structural benefits obtained during puberty are retained later in life (58,59,137). Resultados y discusión [Results and discussion] - 117 - High-impact PA has been proven to be effective for improving BMD even in subjects with a worse genetic predisposition for bone development (57). Vigorous weight-bearing physical activity (VPA) seems to be the most effective intensity for bone growth (60,61), even though some associations have been found among bone mineral parameters and total, light or moderate PA as well, whereas the negative influence of sedentary time has been observed (62,63). Apparently, complying with the general recommendations of PA during childhood and adolescence may not be enough to guarantee an adequate bone development (64) and hence, specific recommendations of daily VPA have been proposed (62,138). However, frequency, duration and distribution of VPA may alter the effectiveness of the specific adaptations (66). Nonetheless, to our best knowledge, this has only been studied in animals (139) and in bone strength parameters at the tibia (66). A better understanding of the optimal pattern of VPA for the improvement of adolescent bone health may be decisive for the development of PA recommendations and exercise interventions aimed for the prevention of osteoporosis. Therefore, the main goal of the present investigation was to analyze the repercussion of objectively measured physical activity patterns on bone mass in healthy adolescents, focusing on the analysis of vigorous physical activity bouts and the overall volume of physical activity. METHODS Participants and study design A total of 264 healthy Caucasian boys between 11 and 13 years of age from different schools in Tartu and its surroundings participated in this cross-sectional study between October 2010 and March 2011 (140–142). The tests included anthropometry and bone mineral measurements, sexual maturation evaluation and physical activity registration. Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 124 - Table 3 – Physical activity profile comparison between bone mineral status categories a Bad overall status (n= 66) Good overall status (n= 63) Sedentary time (min/d) 551.6 ± 69.6 540.1 ± 75.2 Light PA (min/d) 234.2 ± 43.2 241.5 ± 56.0 Moderate PA (min/d) 38.5 ± 13.4 41.2 ± 14.1 Vigorous PA (min/d) 17.0 ± 12.2 22.5 ± 14.3* Total PA (counts/min) 456.0 ± 127.8 516.9 ± 168.6* a Values are expressed as mean ± standard deviation *Significant differences between the groups (p<0.05) PA: Physical activity Table 4 – Bone mineral parameters after adjustment by weight and biological age in relation with VPA bouts occurrence, frequency and duration a Existence of any 5-min VPA bout No (n=83) Yes (n=97) WB BMC (g) 1662 ± 18 1737 ± 17* WB BMD (g/cm2) 0.967 ± 0.005 0.984 ± 0.005* FN BMC (g) 3.92 ± 0.05 4.19 ± 0.05* FN BMD (g/cm2) 0.876 ± 0.009 0.918 ± 0.008* LS BMC (g) 26.46 ± 0.49 27.24 ± 0.45 LS BMD (g/cm2) 0.816 ± 0.008 0.828 ± 0.008 Frequency of 5-min VPA bouts No bout (n=83) Less than once every 3 days (n=41) At least once every 3 days (n=56) WB BMC (g) 1662 ± 18 1723 ± 25 1748 ± 22* WB BMD (g/cm2) 0.967 ± 0.005 0.979 ± 0.007 0.988 ± 0.006* FN BMC (g) 3.92 ± 0.05 4.07 ± 0.07 4.28 ± 0.06* FN BMD (g/cm2) 0.876 ± 0.009 0.903 ± 0.012 0.93 ± 0.011* LS BMC (g) 26.46 ± 0.49 26.8 ± 0.69 27.56 ± 0.59 LS BMD (g/cm2) 0.816 ± 0.008 0.826 ± 0.012 0.83 ± 0.01 Maximum VPA bout duration No bout (n=83) Less than 15 min (n=81) At least 15 min (n=16) WB BMC (g) 1662 ± 18 1730 ± 18* 1773 ± 41* WB BMD (g/cm2) 0.967 ± 0.005 0.981 ± 0.005 1.000 ± 0.011* FN BMC (g) 3.92 ± 0.05 4.14 ± 0.05* 4.46 ± 0.12*† FN BMD (g/cm2) 0.876 ± 0.009 0.907 ± 0.009* 0.977 ± 0.020*† LS BMC (g) 26.46 ± 0.49 27.04 ± 0.49 28.24 ± 1.10 LS BMD (g/cm2) 0.816 ± 0.008 0.827 ± 0.008 0.832 ± 0.019 a Values are expressed as mean ± standard error * Significant differences compared to the group with no bouts (p<0.05) † Significant differences compared to the group “less than 15 min” (p<0.05) VPA: Vigorous physical activity WB: Whole body; FN: Femoral neck; LS: Lumbar spine BMC: Bone mineral content; BMD: Bone mineral density Figure 2 - Body mass and biological age-adjusted bone mineral content (g) and density (g/cm2) across different PA patterns * Significant differences between groups (p<0.05) WB: Whole body; FN: Femoral neck; LS: Lumbar spine BMC: Bone mineral content; BMD: Bone mineral density - 125 - Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 126 - Four different groups were defined according to the volume and intensity of PA. The comparison among these groups is presented in table 5, which indicates that there were significant differences in femoral neck BMD among all four groups showing that the higher the volume and the intensity the higher the bone parameters (all p<0.05, figure 2). Additionally, both “VPA bout” groups showed higher values of whole body and femoral neck BMC compared to the “low volume - no VPA bout” group (all p<0.05; table 5). Table 5 – Body mass and biological age-adjusted bone mineral parameters across different PA patterns a Low volume No VPA bout (n=41) High volume No VPA bout (n=42) Low volume VPA bout (n=49) High volume VPA bout (n=48) WB BMC (g) 1640 ± 25 1683 ± 25 1737 ± 23* 1738 ± 24* WB BMD (g/cm2) 0.969 ± 0.007 0.965 ± 0.007 0.981 ± 0.006 0.987 ± 0.007 FN BMC (g) 3.81 ± 0.07 4.03 ± 0.07 4.11 ± 0.07* 4.28 ± 0.07* FN BMD (g/cm2) 0.855 ± 0.012 0.897 ± 0.012* 0.91 ± 0.011*† 0.926 ± 0.011*†‡ LS BMC (g) 25.9 ± 0.7 27 ± 0.7 27.3 ± 0.6 27.1 ± 0.6 LS BMD (g/cm2) 0.817 ± 0.012 0.815 ± 0.012 0.833 ± 0.011 0.823 ± 0.011 * Significant differences compared to the “low volume – no VPA bout” group (p<0.05) † Significant differences compared to the “high volume – no VPA bout” group (p<0.05) ‡ Significant differences compared to the “low volume – VPA bout” group (p<0.05) PA: Physical activity; WB: Whole body; FN: Femoral neck; LS: Lumbar spine BMC: Bone mineral content; BMD: Bone mineral density a Values are expressed as mean ± standard error DISCUSSION The main finding of the present study was the acknowledgement of the importance of accumulating VPA activity in continuous periods of at least 5 minutes for the improvement of whole body and femoral neck bone health in male adolescents. As expected, among the different intensities of PA, VPA presented the strongest relation with bone mineral parameters; being the only intensity with statistically significant relationships with whole body and lumbar spine BMC values and the highest correlation coefficients with femoral neck BMC and BMD. These results are in agreement with the Resultados y discusión [Results and discussion] - 127 - current evidence regarding the effect of PA on bone health, which points towards VPA or moderate-to-vigorous PA as the ideal intensities to elicit bone growth (60,146,147). It should be noted that overall PA also indicated significant relationships with whole body and femoral neck BMC and BMD, suggesting that PA volume may also play a role in bone development. Similar results have been reported in other studies (83,148) and this relationship may be exclusive to boys (148). The skeletal region that seemed to be more affected by all moderate, vigorous and overall PA was the femoral neck. This site is of special importance for osteoporosis prevention, since it is one of the most prevalent locations of osteoporotic fractures (30). Moreover, the detection of osteoporosis is based on the measurement of femoral neck BMD (149). These results may be due to the highest responsiveness of cortical bone in contrast to trabecular bone (150,151). However, this cannot be inferred from our results, as the methods used for bone mineral assessment do not allow for the differentiation between cortical and trabecular bone. Regarding the ROC curves analyses, even though VPA reached statistical significance for the classification of bone mass status, the correspondent AUC were low and therefore the accuracy of VPA to stratify the sample according to bone mineral parameters was limited. It has been proposed that VPA and moderate-to-vigorous PA are best fit to identify those individuals with excellent bone health (>2 SD above the mean) rather than those with poor bone mineral status (>1 SD below the mean) (64). Unfortunately, we were not able to test these results within our sample, since only 5 participants presented BMC values corresponding to the excellent category. However, when grouping the sample according to the global bone mass status, higher levels of vigorous and total PA were found among those subjects who were consistently above the median value for BMC and BMD at every Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 128 - skeletal site than those participants that were consistently below the median. This finding further highlights the importance of VPA for bone mass of male adolescents. It has been suggested that not only the time spent in VPA but also the pattern of this activity might be relevant for bone accretion during puberty (66). In order to test that, accelerometry registers were scanned and all periods of at least five consecutive minutes of VPA were retrieved for each subject. Both the quantity and the maximum duration of these periods showed a positive association with whole body and femoral neck BMC and BMD within the sample. More specifically, it seems that it is necessary to participate in VPA bouts at least once every three days for 5 consecutive minutes in order to benefit from this improvement. Additionally, those participants who engaged in VPA for longer periods (15 consecutive minutes or more) had even higher bone mass and density at the femoral neck and at the whole body. These results suggest that in order to optimize the beneficial effects of PA on bone health when developing PA recommendations or designing exercise interventions, VPA practice should be aggregated in periods of at least 5 minutes, taking into account that if it is possible to extend the duration or frequency, better results should be expected. To our knowledge, one study has analyzed the relative importance of light and moderate to VPA and found that those subjects with a higher proportion of moderate-to-vigorous PA presented higher values of subtotal BMC, BMD and bone area (152). In order to analyze the importance of volume and intensity of physical activity the sample was split according to the presence of at least one 5-min VPA bout and then both groups were further subdivided using the median score of the daily minutes of light and moderate PA. The relative homogeneity of the sample sizes of the different groups should be highlighted, since it shows that PA volume and intensity may be considered as independent entities. According to our results, all four groups differed in their femoral neck BMD content with Resultados y discusión [Results and discussion] - 129 - the “high volume – VPA bout” group presenting the highest values, followed by the “low volume – VPA bout” category. It is interesting to note that in comparison to the “low volume – no VPA bout” group, only those adolescents in the “VPA bout” groups showed higher values of whole body and femoral neck BMC, whereas the “high volume – no VPA bout” category did not present these improvements. According to these results, an increase in both volume and intensity of PA can be beneficial for the least active subjects, but the focus should be put in participating in VPA. This study has some limitations that should be acknowledged. The cross-sectional design of the study did not allow to infer causal relationships. Also, the lack of a nutritional assessment made controlling the calcium intake impossible. Moreover, as it has been mentioned, even though a reference standard method was used for the bone mineral assessment it does not allow to differentiate between cortical and trabecular tissue and therefore bone structure was not analyzed. Additionally, the impossibility of analyzing the raw acceleration data directly hindered the precise evaluation of the number of impacts at different intensity levels and its effects on bone structure, as suggested by Vainionpää et al. (153). It should also be taken into account that these results are only applicable for early pubertal boys. Research is needed to clarify if these effects are also present in girls, since they follow a different maturation process. Further research could also clarify the specific effects of VPA bouts on cortical and trabecular bone and longitudinal studies could analyze the evolution of BMC and BMD in relation to diverse VPA patterns. Conclusions Taking into account that both volume and intensity of PA are relevant, VPA seems to be the most effective activity intensity to improve bone mineral density and content of adolescent boys, especially at the femoral neck. These benefits appear when VPA is Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 130 - accumulated in uninterrupted periods of 5 minutes for at least once every three days and can be even greater if the duration is extended to 15 minutes of consecutive VPA. Funding JMP received a Grant FPU014/04302 from ‘Ministerio de Educación Cultura y Deportes’. The present study was funded by the Estonian Ministry of Education and Science (grant number IUT 20-58). - 131 - 4.3 Vigorous physical activity patterns affect bone growth during early puberty in boys - 132 - Resultados y discusión [Results and discussion] - 133 - ABSTRACT Purpose: The main purpose of the study was to analyze the effects of different patterns of vigorous physical activity (VPA) on bone development. Methods: One-week accelerometry registers and dual-energy X-ray absorptiometry scans at the whole body, hip and lumbar spine of 140 healthy male adolescents (11-13 years, at baseline) were performed twice with a one-year interval between measurements.. Four patterns of VPA evolution (“low-low”, ”low-high”, ”high-low” and “high-high”) and three patterns of bone growth (“optimal”, ”mean” and “reduced”) were defined according to the median participation in VPA and a cluster analysis of the longitudinal changes in BMC and BMD in all sites measured, respectively. Bone mineral parameters were adjusted for skeletal age and body weight prior to statistical comparison among groups. Results: Participants in the “low-high” group had greater adjusted BMD increases at both the femoral neck and lumbar spine when compared to the “low-low” group (estimated mean (95%CI): 0.066 (0.047-0.085) vs. 0.034 (0.021-0.047) g/cm2 and 0.074 (0.054-0.093) vs. 0.049 (0.035-0.062) g/cm2 respectively, both p<0.05). Femoral neck BMD adjusted increase was also different between the “high-high” and the “high-low” groups (0.053 (0.041-0.066) vs. 0.030 (0.011-0.049) g/cm2, p<0.05). Additionally, a higher percentage of “optimal” growth was found in the “low-high” group than in the “low-low” and “highlow” categories (36.3, 12.5 and 13.6% respectively, p<0.05). Conclusions: Engaging in VPA as well as maintaining high levels of VPA during puberty are associated with greater gains in bone mass, which can have an impact in future bone health. Keywords: Adolescence, accelerometry, growth profile, cluster analysis Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 140 - ANCOVA to test the group by time interaction. Changes in body weight and skeletal age were used as covariates for this analysis. Cross tabulation of the VPA and bone growth groups was performed and the chi-square statistic was calculated to assess the homogeneity of the group distributions. All statistical analyses were carried out with SPSS v22.0 for Windows (Chicago, IL, USA). Statistical significance was set at p<0.05. RESULTS Results are shown only for those subjects who attended both bone mineral evaluations and provided enough valid data at both the baseline and the follow-up measurements (figure A1), which comprised a total of 140 participants. A full description of the sample characteristics at baseline can be found in table 1. The relationship between PA evolution with BMC and BMD change, after adjustment for changes in body mass and skeletal age, is presented in table A1. Both the mean and the variation of the time spent practicing VPA intensities showed a small positive correlation with the change in BMD at the WB (mean: 0.214; variation: 0.198, both p<0.05, table 1) and the FN BMD (mean: 0.245; variation: 0.254, both p<0.05, table 1). When looking at the mean of the overall PA participation we can only find significant correlations with the FN BMD (0.168, p<0.05, table A1). It should be mentioned that even though these results are statistically significant, the correlation coefficients are very small, with the highest R2 being 6.5% (VPA difference – FN BMD). Figure 1 and table 2 show the baseline and follow-up values of BMC and BMD (after adjustment for body mass and skeletal age) at all sites measured, whereas table 3 presents the change in these variables over time. All the groups showed statistically significant increases over time for BMC and BMD at all regions measured. All the differences found at baseline (WB, FN and LS BMC and FN BMD) disappear at follow-up for the “low-high” Figure 1 – Baseline and follow-up bone mineral parameters according to vigorous physical activity groups - 141 - Table 2 – Bone mineral parameters (after adjustement for skeletal age and body weight) according to different vigorous activity evolution patterns Baseline Follow up Bone mineral parameters Low (n=70) High (n=70) Low - Low (n=48) High - Low (n=22) Low - High (n=22) High - High (n=48) WB BMC (g) 1660 ± 20 1738 ± 20 1879 ± 32 2023 ± 46* 1974 ± 47 2028 ± 32* WB BMD (g/cm2) 0.971 ± 0.006 0.984 ± 0.006 0.999 ± 0.008 1.014 ± 0.012 1.020 ± 0.012 1.023 ± 0.008* WB BMAD (g/cm3) 0.089 ± 0.001 0.088 ± 0.001 0.086 ± 0.001 0.085 ± 0.001 0.087 ± 0.001 0.086 ± 0.001 FN BMC (g) 3.89 ± 0.06 4.22 ± 0.06 4.203 ± 0.081 4.533 ± 0.118* 4.530 ± 0.119* 4.745 ± 0.081* FN BMD (g/cm2) 0.875 ± 0.010 0.919 ± 0.010 0.898 ± 0.013 0.933 ± 0.019 0.958 ± 0.019* 0.983 ± 0.013*† FN BMAD (g/cm3) 0.197 ± 0.003 0.202 ± 0.003 0.194 ± 0.003 0.196 ± 0.005 0.204 ± 0.005 0.206 ± 0.003* LS BMC (g) 26.05 ± 0.55 27.67 ± 0.55 29.49 ± 0.82 32.12 ± 1.20 33.25 ± 1.20* 33.25 ± 0.82* LS BMD (g/cm2) 0.820 ± 0.009 0.831 ± 0.009 0.863 ± 0.013 0.891 ± 0.019 0.900 ± 0.019 0.894 ± 0.094 LS BMAD (g/cm3) 0.147 ± 0.002 0.144 ± 0.002 0.149 ± 0.002 0.150 ± 0.003 0.149 ± 0.003 0.148 ± 0.002 VPA cutpoint at baseline: 15.5 min/day; VPA cutpoint at follow up: 17.75 min/day Bold characters indicate significant differences between groups at baseline * Significant differences compared to Low-Low group (p<0.05) † Significant differences compared to High-Low group (p<0.05) WB: Whole body; FN: Femoral neck; LS: Lumbar spine BMC: Bone mineral content; BMD: Bone mineral density; BMAD: Bone mineral apparent density Values are expressed as mean ± standard error - 142 - Table 3 – Bone growth parameters according to different vigorous activity evolution patterns Low-Low (n=48) High-Low (n=22) Low-High (n=22) High-High (n=48) Group by time interaction Δ WB BMC (g) 245 ± 16 (14.9 ± 0.8%) 272 ± 24 (15.7 ± 1.2%) 278 ± 24 (15.6 ± 1.2%) 288 ± 16 (16.5 ± 0.8%) 0.027 Δ WB BMD (g/cm2) 0.030 ± 0.003 (3.2 ± 0.3%) 0.028 ± 0.005 (2.8 ± 0.5%) 0.044 ± 0.005*† (4.3 ± 0.5%) 0.039 ± 0.003 (3.9 ± 0.3%) 0.059ꜚ Δ WB BMAD (mg/cm3) -2.73 ± 0.54 (-2.9 ± 0.6%) -3.46 ± 0.80 (-3.7 ± 0.8%) -0.55 ± 0.80*† (-0.9 ± 0.8%) -2.18 ± 0.54 (-2.4 ± 0.5%) 0.053 Δ FN BMC (g) 0.361 ± 0.044 (9.4 ± 1.0%) 0.370 ± 0.065 (9.1 ± 1.5%) 0.562 ± 0.065*† (13.7 ± 1.6%) 0.481 ± 0.044 (11.6 ± 1.0%) 0.061ꜚ Δ FN BMD (g/cm2) 0.034 ± 0.007 (4.1 ± 0.7%) 0.030 ± 0.010 (3.4 ± 1.1%) 0.066 ± 0.010*† (7.3 ± 1.1%) 0.053 ± 0.006*† (5.6 ± 0.7%) 0.080ꜚ Δ FN BMAD (mg/cm3) 0.50 ± 1.93 (0.5 ± 1.0%) -3.00 ± 2.85 (-1.4 ± 1.5%) 2.95 ± 2.86 (1.4 ± 1.5%) 1.17 ± 1.92 (0.7 ± 1.0%) 0.017 Δ LS BMC (g) 4.23 ± 0.44 (16.6 ± 1.5%) 4.56 ± 0.65 (16.9 ± 2.2%) 6.12 ± 0.65* (21.1 ± 2.1%) 5.22 ± 0.44 (18.2 ± 1.4%) 0.047 Δ LS BMD (g/cm2) 0.049 ± 0.007 (6.0 ± 0.8%) 0.056 ± 0.010 (6.7 ± 1.2%) 0.074 ± 0.010* (8.7 ± 1.2%) 0.062 ± 0.007 (7.4 ± 0.8%) 0.035 Δ LS BMAD (mg/cm3) 1.52 ± 1.14 (1.1 ± 0.9%) 3.04 ± 1.67 (2.1 ± 1.3 %) 4.46 ± 1.68 (3.1 ± 1.3%) 4.06 ± 1.13 (3.2 ± 0.9%) 0.024 VPA cutpoint at baseline: 15.5 min/day; VPA cutpoint at follow up: 17.75 min/day * Significant differences compared to Low-Low group (p<0.05) † Significant differences compared to High-Low group (p<0.05) ꜚ Significant group by time interaction (p<0.05) WB: Whole body; FN: Femoral neck; LS: Lumbar spine; BMC: Bone mineral content; BMD: Bone mineral density BMAD: Bone mineral apparent density. Values are expressed as mean ± standard error - 143 - Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 144 - group. Moreover, significant differences with the “low-low” were found at follow-up for femoral neck BMC (low-low: 4.203, low-high: 4.530 g; p<0.05) and BMD (low-low: 0.898, low-high: 0.958 g/cm2; p<0.05). Additionally, when comparing BMC and BMD changes, it was observed that the “low-high” group shows higher increases for all bone mineral variables except WB BMC than the “low-low” group and also greater growth than the “high-low” group for WB BMD and FN BMC and BMD (table 3, all p<0.05). For the change in BMAD, the only significant differences were found at the whole body (low-low: -2.73, high-low: -3.46, low-high: -0.55, p>0.05). The cluster analysis and the posterior categorization created three clearly defined groups according to bone growth, as illustrated in table 4. When comparing the PA participation of the different bone growth groups, it could be observed that the only differences between the optimal and the reduced growth groups were found in the VPA and its maximum bout duration (table 4). Regarding the relative distribution of the bone growth and VPA groups, shown in figure 2, a trend for an heterogeneous distribution of the groups was found (2: 10.76, p=0.096). If the “mean growth” group is excluded from the analysis, statistical significance is reached (2: 9.26, p=0.026), with the “low-high” group showing the highest percentage of subjects with optimal growth (36.3%) and the “low-low” (12.5%) and “highlow” (13.6%) showing the lowest proportion of “optimal growth” participants. DISCUSSION The main finding of the present study was that engaging in VPA during puberty stimulates bone growth especially in subjects who were in the low-VPA group at baseline. This implies that adolescents engaging in VPA during early puberty are still able to reach BMD values that are similar in comparison with previously active children. The high responsiveness of the bone tissue to VPA during puberty was indicated in most sites by Resultados y discusión [Results and discussion] - 145 - Table 4 – Physical activity participation (mean of baseline and follow up) and bone mineral parameters (difference follow up - baseline) according to different bone development patterns Physical activity Optimal growth (n=29) Mean growth (n=58) Reduced growth (n=53) Sedentary time (min/day) 568.0 ± 61.8 547.8 ± 69.4 563.4 ± 68.1 Light PA (min/day) 210.6 ± 38.8 227.1 ± 38.1 218.1 ± 39.7 Moderate PA (min/day) 36.1 ± 12.9 37.8 ± 12.2 37.8 ± 13.0 Vigorous PA (min/day) 23.2 ± 14.5 21.3 ± 14.2 17.1 ± 9.1* Overall PA (counts/min) 468.7 ± 159.1 483.3 ± 151.4 445.2 ± 111.6 Time in vigorous PA bouts (min/day) 4.72 ± 4.64 3.70 ± 4.49 2.88 ± 5.32 Maximum bout duration (min) 10.38 ± 6.18 8.09 ± 4.59 6.98 ± 5.49* Difference in bone mineral parameters a WB BMC (g) 441 ± 78 260 ± 75* 184 ± 61*† WB BMD (g/cm2) 0.065 ± 0.010 0.037 ± 0.009* 0.017 ± 0.008*† FN BMC (g) 0.897 ± 0.153 0.429 ± 0.160* 0.189 ± 0.125*† FN BMD (g/cm2) 0.106 ± 0.016 0.048 ± 0.017* 0.008 ± 0.013*† LS BMC (g) 9.82 ± 1.39 4.75 ± 1.52* 2.43 ± 1.20*† LS BMD (g/cm2) 0.124 ± 0.015 0.060 ± 0.016* 0.020 ± 0.013*† Values are expressed as mean ± standard deviation a Adjusted for difference in skeletal age and body weight * Significant differences compared to optimal growth group (p<0.05) † Significant differences compared to mean growth group (p<0.05) PA: Physical activity; WB: Whole body; FN: Femoral neck; LS: Lumbar spine BMC: Bone mineral content; BMD: Bone mineral density Figure 2 – Relative distribution of growth profiles across physical activity groups VPA cutpoint at baseline: 15.5 min/day; VPA cutpoint at follow up: 17.75 min/day Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 146 - higher bone growth in subjects who increased their participation in VPA compared to those subjects who were vigorously active at baseline but were below the median at follow-up. The analysis of the correlations between mean PA and bone mineral acquisition complements previously published data (141). The previous analyses focused solely in the changes in PA participation and consequently did not discriminate those subjects who remained physically active throughout the study from those who showed low levels of PA participation during the same period. The longitudinal associations among overall and VPA with BMC and BMD are in accordance with previous studies (168). It is important to notice that not only the mean participation in VPA was related to bone growth but its variation as well, indicating that both engaging into and maintaining high levels of VPA participation can positively affect bone accretion. This is further supported by the results obtained in the cluster comparison, with the “optimal growth” group having the highest levels of VPA participation. The rest of the activity intensities did not correlate with bone growth, which is in accordance with previous studies, especially in boys (147,169,170). However, as it has been mentioned, it should be taken into account that the correlation coefficients found are very small and the highest variance explained was only 6.5%, between VPA difference and FN BMD. It should be taken into account that the current one-year study period might have been too short for detecting the influence of lower intensity activities to bone mineral parameters. The results found are in accordance with the mechanostat theorem (45), which states that the mechanical load exerted on bone during PA can stimulate bone remodeling, affecting bone mineral content and structure. The FN is the skeletal site that showed the highest association with PA parameters, which could be due to the highest responsiveness of cortical bone to physical stimulus (150,151). Despite being unable to test this in our sample, given that the method used does not allow Resultados y discusión [Results and discussion] - 147 - for cortical and trabecular bone discrimination, the responsiveness of FN bone to continued PA is relevant, since a high proportion of osteoporotical fractures occur in this region (30). The evolution of the overall PA and the moderate to vigorous PA trajectories have already been related to bone mass and structure (163). The division of the sample into different PA patterns was done following the method used by Janz et al. (163) with the difference that it was applied using VPA instead of overall activity. At baseline, those subjects who were above and below the median value of VPA differred in their BMC at all sites and the FN BMD. At follow-up, however, all these differences disappeared for the subjects who started participating in VPA (“low-high” group). This finding further indicates the importance of intense PA for bone accrual and the resulting peak bone mass. Incorporating vigorous PA to daily routine might help optimizing bone accrual to previously inactive subjects. Particularly, at the FN, statistically significant differences emerged from the “low-high” group and the “low-low” group. The “low-high” group showed greater growth in bone mass and density than both groups who were below the median VPA at follow-up. In contrast, subjects who stopped practicing VPA (“high-low” group) reported lower BMD values at the FN compared to “high-high” group. Nonetheless, the differences with the “low-low” group remained significant for the WB and FN BMC. This benefits, however seem to be limited to areal BMD, greater increases of BMAD were only found for the “low-high” group at the whole body. This may be caused by an increase in bone size along the increase in areal BMD. When analyzing growth profiles, three clearly defined groups emerged. The main difference between the “optimal” and the “reduced” growth groups was observed in the VPA and its maximum bout duration. As it has been shown, the “low-high” group had the greatest percentage of participants who experienced an improved gain of BMC and BMD at all measured sites. Marin-Puyalto, J. Tesis Doctoral Internacional - 148 - These results point to an enhancing effect of VPA on bone development during puberty. As it has been shown, bone formation is stimulated by the physical stress produced by VPA practice (171) and early puberty is a stage in which bone is particularly responsive to this stimulus (56,158). It seems that osteocytes play a crucial role in the physiological response of bone, stimulating osteoblastic activity in the presence of mechanical loads while increasing bone resorption in the absence of mechanical strain (172). According to our results, participation in unstructured VPA seems to provide a mechanical load that is sufficient to elicit an osteogenic response following the mechanostat theorem (45). This increase in BMC and BMD has been observed in our sample with participants who engaged in VPA during the follow-up independently of their previous activity. However it should be pointed out that initial VPA led to a higher bone mineral status and these benefits were maintained after activity cessation, as it has been suggested by previous research (158,162). The one-year follow-up design, as well as the approach used in the analysis of the evolution of PA participation are among the main strengths of this study, alongside with the employment of objective measures for the PA evaluation and gold standard reference methods for the bone mineral assessment. The lack of a PA intervention and a control group with no exercise does not allow to infer causal relationships and is one of the main limitations that should be taken into account. Also, bone structure was not evaluated due to the bidimensional nature of the bone assessment method. It should also be acknowledged that no nutritional status evaluation was performed and therefore the possible effects of diet on bone parameters were not controlled in the present study. The analysis of longitudinal changes in bone structure or specific adaptations in cortical or trabecular bone related to PA could be the scope for future research. Resultados y discusión [Results and discussion] - 149 - As a conclusion, both engaging and maintaining high levels of VPA participation during puberty are associated with greater gains in bone mass and density, especially at the femoral neck, where the increase in BMD for the “low-high” group almost doubled the increase found in both “high-low” and “low-low” groups. An interesting conclusion that can be drawn from our results is that engaging in VPA during early puberty can result in increased bone growth, regardless of previous activity levels. Additionally, these benefits could be preserved even after activity cessation. Funding JMP received a grant from ‘Ministerio de Educación Cultura y Deportes’ (FPU014/04302). This study was funded by the Estonian Ministry of Education and Science (IUT 20-58). Conflict of Interest Jorge Marin-Puyalto, Jarek Mäestu, Alba Gomez-Cabello, Evelin Lätt, Liina Remmel, Priit Purge, Jose A. Casajús, German Vicente-Rodríguez and Jaak Jürimäe declare that they have no conflict of interest. Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 252 - Performance, and Body Balance: A Randomized Controlled Study. J Bone Miner Res. 2003;18(5):876–84. 218. Matute-Llorente A, Gonzalez-Aguero A, Gomez-Cabello A, Olmedillas H, Vicente-Rodriguez G, Casajus JA. Effect of whole body vibration training on bone mineral density and bone quality in adolescents with Down syndrome: a randomized controlled trial. Osteoporos Int. 2015/05/23. 2015;26(10):2449–59. 219. Gilsanz V, Wren TAL, Sanchez M, Dorey F, Judex S, Rubin C. Low-Level, HighFrequency Mechanical Signals Enhance Musculoskeletal Development of Young Women With Low BMD. J Bone Miner Res. 2006;21(9):1464–74. 220. Ward K, Alsop C, Caulton J, Rubin C, Adams J, Mughal Z. 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Effect of 12 months of whole-body vibration therapy on bone density and structure in postmenopausal women: a randomized trial. Ann Intern Med. 2011;155(10):668– 79, W205. 230. Beck B, Norling TL. The effect of 8 mos of twice-weekly lowor higher intensity whole body vibration on risk factors for postmenopausal hip fracture. Am J Phys Med Rehabil. 2010;89(12):997–1009. 231. Rauch F, Sievanen H, Boonen S, Cardinale M, Degens H, Felsenberg D, et al. Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 254 - Reporting whole-body vibration intervention studies: recommendations of the International Society of Musculoskeletal and Neuronal Interactions. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2010;10(3):193–8. 232. Taaffe DR, Snow‐Harter C, Connolly DA, Robinson TL, Brown MD, Marcus R. 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Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 256 - 246. Sherk VD, Chrisman C, Smith J, Young KC, Singh H, Bemben MG, et al. Acute bone marker responses to whole-body vibration and resistance exercise in young women. J Clin Densitom. 2013;16(1):104–9. 247. Leone M, Comtois A. Validity and reliability of self-assessment of sexual maturity in elite adolescent athletes. J Sports Med Phys Fitness. 2007;47:361–5. 248. Rapún-López M, Olmedillas H, Pradas-de la Fuente F, Gómez-Cabello A, González-Agüero A, Casajús JA, et al. Metabolismo óseo en niños y adolescentes deportistas: revisión sistemática. Nutr Hosp. 2017;34(6):1469–81. 249. Bowtell JL, Jackman SR, Scott S, Connolly LJ, Mohr M, Ermidis G, et al. Short duration small sided football and to a lesser extent whole body vibration exercise induce acute changes in markers of bone turnover. 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Impact of Systematic Implementation of a Clinical Case Finding Strategy on Diagnosis and Therapy of Postmenopausal Osteoporosis. 2008;23(6):812–8. Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 259 - Agradecimientos [Acknowledgements] Este apartado probablemente sea diferente al resto del documento, al ser más informal y personal, pero no por ello es menos importante puesto que las personas que han hecho posible que este trabajo salga adelante merecen sin duda alguna su reconocimiento. El trabajo en equipo es indispensable para el avance científico completo y eficiente, pero en este caso he tenido la suerte de poder contar con algo que va más allá del trabajo en equipo; un gran grupo de personas que han aportado a esta Tesis no sólo su conocimiento sino también su apoyo, experiencia y comprensión. Quizá hasta que no me he detenido a pensarlo no he sido consciente de la gran red de personas que me amparan, y probablemente debería reconocer más a menudo lo importantes que sois para mi, así que quiero aprovechar estas páginas para mostrar mi agradecimiento. En primer lugar quiero agradecer la labor de mis directores de tesis, comenzando con Germán, la persona que me introdujo en el mundo de la investigación. Cuando todavía era un estudiante de Grado me diste la oportunidad de conocer vuestro trabajo, instalaciones y equipo, del que un día formaría parte. Dos periodos formativos de estancia lejos de nuestra facultad demoraron ese momento, pero cuando estuve preparado para iniciar mis estudios doctorales volviste a recibirme con los brazos abiertos. Desde entonces no sólo has dirigido mi tesis, sino también el Programa de Doctorado, la Facultad, un Máster Propio y distintas sesiones de cocinado de paella. Con tantas obligaciones y responsabilidades es normal que no siempre sea fácil llegar hasta ti, pero siempre ofreces propuestas innovadoras, soluciones prácticas y un trato amigable que confirman el acierto de mi decisión de realizar la tesis contigo. José Antonio, creo que no me equivocaría afirmando que representas las cualidades que todos los miembros de GENUD aspiramos a alcanzar algún día. No sólo capitaneas el equipo, siendo el primero que se preocupa por el rigor en nuestro trabajo, sino que además Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 260 - te aseguras de que este repercuta en una contribución a nuestra sociedad, mientras también atiendes al bienestar de cuantos te rodean. En lo que a mi persona respecta debo agradecer tu cuidado de mi formación, dándome distintas oportunidades tanto en el campo docente como en el investigador, así como tu preocupación para conseguir financiación, desde la impresión de un póster hasta las becas predoctorales. Alba, fuiste la última en incorporarte como directora de esta Tesis, pero no por ello tu contribución ha sido menos importante. Como tú misma has dicho, en ocasiones puede parecer que no necesite ayuda ya que soy relativamente independiente y autónomo a la hora de sacar adelante el trabajo. Sin embargo, también eres consciente de que tiendo a perder el rumbo de mis esfuerzos si se me deja a la deriva y tú siempre has sido capaz de enderezar el timón, sabiendo tanto animarme como ponerme los puntos sobre las íes cuando era necesario en cada caso. Muchas gracias por esto y por todo. En el grupo de investigación GENUD hay muchos espejos en los que mirarse y soñar en llegar a ser algún día como ellos. Todos los ya mencionados estarían incluidos en esta lista, pero Agüero también es uno de ellos. Cuando llegué por aquí, tan sólo eras una historia que tus directores y compañeros contaban orgullosos: la del compañero que leyó la tesis y cogió las maletas de camino a Gales para luchar por su sueño de dedicarse a la docencia y la investigación. Al poco tiempo regresaste con estos objetivos cumplidos y me demostraste el motivo de tu éxito, ya que eres capaz de trabajar sin descanso y compartir algunas de mis tendencias más “frikis” mientras mantienes un talante que hace que todo el mundo alrededor tuyo quiera ser tu amigo. Hablando de espejos, aquellos en los que más a menudo he intentado verme reflejado han sido sin duda Matute y Brutón. Cuando llegué, eran los estudiantes que estaban cerca de defender su tesis, si bien ya habían demostrado suficientemente su excelencia investigadora. Aunque a mí, lo que más me llamó la atención fue la tremenda intensidad Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 261 - con la que vivían todos los aspectos de su vida, desde la organización de las pruebas de campo hasta las discusiones por cualquier tontería que surgiera en el momento como la distribución de la presión de las patas de una mesa. Con el tiempo, sin embargo, he podido apreciar y admirar cómo esa intensidad se traduce en dedicación al trabajo que finalmente os ha convertido en referencias indiscutibles y casi míticas para los estudiantes que hemos ido detrás (aquellos doctorandos que defendieron sus tesis con ¡13 artículos!). No puedo más que daros la enhorabuena por vuestros logros, desearos que sigan llegando buenas noticias y agradeceros toda la incalculable ayuda e inolvidables recuerdos que habéis supuesto para mí. Hay dos personas dentro del grupo que empezaron las andanzas del doctorado prácticamente al mismo tiempo que yo, Gabri y Borja. Al primero tuve la fortuna de conocerlo durante nuestros estudios de Grado, donde ya empezó a dar muestras de la capacidad de trabajo y el compañerismo que le caracterizan, con un corazón bondadoso y una gran preocupación por la calidad de su trabajo. Borja, por su parte, se encontraba en una situación probablemente más complicada al encontrarse sin posibilidad de financiación y centrarse en la faceta de rendimiento, menos habitual dentro de este grupo de investigación. Sin embargo supo acomodar perfectamente estas circunstancias dentro del equipo de trabajo y de los estudios de doctorado, lo cual considero que demuestra una gran valía. Con estas dos personas ha sido probablemente con las que he compartido más horas de despacho, de lamentos, de ensoñaciones y de reflexiones, de las cuales he disfrutado todas y cada una de ellas. Antes de continuar con el resto de agradecimientos, me gustaría resaltar que, si bien he ido apelando principalmente a las cualidades profesionales de mis compañeros y directores sería tramendamente injusto no mencionar también el extraordinario ambiente de trabajo y trato personal que hace que más que compañeros os llame amigos. Cada viaje Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 268 - Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 269 - Material suplementario I Supplementary table 1 – Summary of group formation Light or moderate PA <230 min/day ≥230 min day Number of 5-min VPA bouts 0 Low volume No VPA bout (n=41) High volume No VPA bout (n=42) ≥1 Low volume VPA bout (n=49) High volume VPA bout (n=48) Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 270 - Material suplementario II Table A1 – Partial correlation coefficients between physical activity evolution and bone growth, adjusted by body mass and skeletal age change (n=140) PA mean Δ WB BMC (g) Δ WB BMD (g/cm2) Δ FN BMC (g) Δ FN BMD (g/cm2) Δ LS BMC (g) Δ LS BMD (g/cm2) Sedentary (min/day) -0.020 0.039 -0.079 -0.105 0.030 0.068 Light PA (min/day) -0.001 0.003 -0.015 0.007 -0.094 -0.089 Moderate PA (min/day) -0.039 -0.004 0.049 0.035 -0.072 -0.103 Vigorous PA (min/day) 0.182 0.214 0.208 0.245 0.098 0.070 Overall PA (counts/min) 0.101 0.123 0.149 0.168 0.004 -0.032 PA difference* Δ WB BMC (g) Δ WB BMD (g/cm2) Δ FN BMC (g) Δ FN BMD (g/cm2) Δ LS BMC (g) Δ LS BMD (g/cm2) Sedentary (min/day) -0.016 -0.118 -0.135 -0.216 -0.094 -0.044 Light PA (min/day) -0.023 0.044 0.028 0.012 0.009 0.015 Moderate PA (min/day) -0.080 0.064 0.074 0.105 0.074 0.027 Vigorous PA (min/day) 0.074 0.198 0.197 0.254 0.143 0.081 Overall PA (counts/min) 0.089 0.214 0.215 0.279 0.192 0.139 * Calculated as follow up – baseline values Bold characters indicate significant correlations (p<0.05) PA: Physical activity; WB: Whole body; FN: Femoral neck; LS: Lumbar spine BMC: Bone mineral content; BMD: Bone mineral density Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 271 - Material suplementario III Figure A1 – Flowchart of the study sample Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 272 - Material suplementario IV Supplementary Table 1Summary of the variables included in the regression and decision trees Variable type Variable names Predicted outcome: Subtotal (whole body less head) bone mineral density (BMD) Physical fitness: Speed: Time to complete a 30-m sprint run Handgrip strength: Sum of best attempts with both arms Lower-limb strength: Distance in a standing long jump Endurance: VO2max estimated from 20-m shuttle-run test Swimming training and performance: Weekly training hours, years of swimming history, time in 50-m swim, FINA points Potential confounders: Age, sex, Tanner stage, height, weight, BMI, calcium intake, participation in other sports The variables highlighted in bold were statistically significant within the ensemble model and were therefore used to construct the individual decision tree Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 273 - Material suplementario V #loading necessary packages library(dplyr) library(rpart) library(rpart.plot) library(gbm) library(ggplot2) library(vip) library(pdp) library(boot) library(ggpubr) #loading data and isolating the variables included in model construction load("RENACIMIENTO.RData") treeDB<-renacimiento[,c(12,2:9,30:37)] #for reproducibility set.seed(1) #randomly selecting 70% of the sample random_index<-sample(1:nrow(treeDB),nrow(treeDB)) treeDB<-treeDB[random_index,] train<-sample(1:78,round(78*0.7,0)) #creating a matrix to test different hyper-parameter values hyper_grid <- expand.grid( shrinkage = c(.01, .1, .3), interaction.depth = c(1, 3, 5), n.minobsinnode = c(2, 5, 8), bag.fraction = c(.5, .75, 1), optimal_trees = 0, min_RMSE = 0 ) # grid search for(i in 1:nrow(hyper_grid)) { set.seed(123) # training model gbm.tune <- gbm( formula = totalBMD ~ ., distribution = "gaussian", data = treeDB[train,], n.trees = 100, interaction.depth = hyper_grid$interaction.depth[i], shrinkage = hyper_grid$shrinkage[i], n.minobsinnode = hyper_grid$n.minobsinnode[i], bag.fraction = hyper_grid$bag.fraction[i], train.fraction = .75 ) Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 274 - # adding min training error and trees to grid hyper_grid$optimal_trees[i] <- which.min(gbm.tune$valid.error) hyper_grid$min_RMSE[i] <- sqrt(min(gbm.tune$valid.error)) } #checking best fits hyper_grid %>% dplyr::arrange(min_RMSE) %>% head(10) #fine-tuning hyper-parameter based on previous results hyper_grid_fine <- expand.grid( shrinkage = c(.1, .2, .3), interaction.depth = c(3,5,7), n.minobsinnode = c(2,3,4,5), bag.fraction = c(.5,.625,.75), optimal_trees = 0, # a place to dump results min_RMSE = 0 # a place to dump results ) # new grid search for(i in 1:nrow(hyper_grid_fine)) { set.seed(123) # training model gbm.tune <- gbm( formula = totalBMD ~ ., distribution = "gaussian", data = treeDB[train,], n.trees = 100, interaction.depth = hyper_grid_fine$interaction.depth[i], shrinkage = hyper_grid_fine$shrinkage[i], n.minobsinnode = hyper_grid_fine$n.minobsinnode[i], bag.fraction = hyper_grid_fine$bag.fraction[i], train.fraction = 0.75 ) # adding min training error and trees to grid hyper_grid_fine$optimal_trees[i] <- which.min(gbm.tune$valid.error) hyper_grid_fine$min_RMSE[i] <- sqrt(min(gbm.tune$valid.error)) } #checking new best fits hyper_grid_fine %>% dplyr::arrange(min_RMSE) %>% head(10) #building single model with the identified parameters set.seed(123) boost.fit<-gbm(totalBMD~., distribution="gaussian", Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 275 - data=treeDB[train,], n.trees=50, interaction.depth = 3, n.minobsinnode = 3, bag.fraction=0.75, shrinkage=0.3, cv.folds=5) boost.fit #plotting model performance png(filename = "cvError.png",width=1600,height=1600,units="px",res=300) gbm.perf(boost.fit, method = "cv") dev.off() #plotting relative importance of variables png(filename = "relativeImportance.png",width=1600,height=1600,units="px",res=300) par(mar = c(5, 8, 1, 1)) vip::vip(boost.fit,n.trees=50,num_features=9)+theme_classic()+ylab("Relative influence (%)") dev.off() #predicting risk in test data to include them in the database pred<-predict(boost.fit,n.trees=50,newdata=treeDB[-train,]) #loading database with the predicted and actual BMD values and its correspondent Z-score load("predMat.RData") #calculating root mean squared error sqrt(mean((predMat$realBMD-pred)^2)) #showing the accuracy of the prediction table(real=!predMat$realAdjZ>-1,pred=!predMat$predAdjZ>-1) #building single tree for practical application indTreeDB<-renacimiento[,c(38,2:9,30:37)] indTreeDB<-indTreeDB[random_index,] indTree<- rpart(risk~height+weight+finaPoints+handgrip+swimYears+time30m+time50m+BMI+age, data=indTreeDB[train,],method="class",minsplit=20, parms=list(loss=matrix(c(0,1,1,0),byrow=TRUE,nrow=2))) #plotting contents of the individual tree png(filename = "individualTree.png",width=1600,height=1600,units="px",res=300) rpart.plot(indTree,box.palette=gray(seq(.6, 1, length.out=9)),type=5,extra=0) dev.off() #calculating the prediction on the remaining 30% of the sampling indPred<-predict(indTree,newdata=indTreeDB[-train,])[,2]>1/2 #showing the accuracy of the prediction table(real=!predMat$realAdjZ>-1,pred=indPred) Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 276 - Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 277 - Anexos I. Certificación del comité de ética del proyecto PREFIT ..................................... .279 II. Consentimiento informado del proyecto PREFIT ............................................... 280 III. Información para padres de participantes en el proyecto PREFIT ...................... 281 IV. Certificación del comité de ética del proyecto RENACIMIENTO .................... .283 V. Consentimiento informado del proyecto RENACIMIENTO .............................. 285 VI. Información para padres de participantes en el proyecto RENACIMIENTO ..... 286 VII. Cuestionario utilizado en el proyecto RENACIMIENTO ................................... 289 Annexes I. Ethics committee clearance for the PREFIT project ........................................... .279 II. Informed consent for the PREFIT project ........................................................... 280 III. Information for the guardians of participants in the PREFIT project .................. 281 IV. Ethics committee clearance for the RENACIMIENTO project ......................... .283 V. Informed consent for the RENACIMIENTO project .......................................... 285 VI. Information for the guardians of participants in the RENACIMIENTO project . 286 VII. Questionnaire used in the RENACIMIENTO project ......................................... 289 Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 284 - Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 285 - Anexo V CONSENTIMIENTO INFORMADO CORRESPONDIENTE A: Datos del participante D./Dª___________________________________________________________ DNI: ____________________ Edad___________ Que presta su consentimiento: ❑ Por si mismo ❑ Por medio del tutor legal: D./Dª___________________________________________________________ DNI: ____________________ Teléfeno 1:__________________ Teléfono 2:__________________ En Zaragoza, a ................................ de ................................. de 20.... D..................................................................……………………………………........ manifiesta que ha recibido información suficiente y en términos comprensibles para tomar la decisión de acuerdo con su propia y libre voluntad y presta su consentimiento y autorización a la práctica de la intervención reseñada en el proyecto: “Repercusión del entrenamiento y la práctica de la natacion sobre el desarrollo metabólico y estructural del hueso en crecimiento. Beneficios de la incorporación de entrenemiento pliométrico o vibratorio. (acrónimo: RENACIMIENTO)” financiado por el MICIN, en el que participa el Departamento de Fisiatría y Enfermería de la Universidad de Zaragoza, del que es investigador principal el profesor Dr. Germán Vicente-Rodríguez, Profesor Contratado Doctor de la Universidad de Zaragoza (Departamento de Fisiatría y Enfermería C/ Domingo Miral s/n 50008 Zaragoza, teléfono 974238422 (ext 853258), e-mail: [email protected]). Facultativos que intervienen: Profesor Dr. Germán Vicente-Rodriguez, y personal autorizado. PARTICIPANTE DOCTOR Padre, madre o tutor Dr. G. Vicente-Rodríguez Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 286 - Anexo VI INFORMACIÓN PARA PADRES PARA EL CONSENTIMIENTO INFORMADO CORRESPONDIENTE A LA PARTICIPACIÓN EN EL PROYECTO “RENACIMIENTO” Proyecto de investigación para el que se solicita el consentimiento informado La participación que se solicita es para la realización de un proyecto de investigación sobre “Repercusión del entrenamiento y la práctica de la natacion sobre el desarrollo metabólico y estructural del hueso en crecimiento. Beneficios de la incorporación de entrenamiento pliométrico o vibratorio. (acrónimo: RENACIMIENTO)” financiado por el MICIN, en el que participa el Departamento de Fisiatría y Enfermería de la Universidad de Zaragoza, del que es investigador principal el profesor Dr. Germán Vicente-Rodríguez, Profesor Contratado Doctor de la Universidad de Zaragoza (Departamento de Fisiatría y Enfermería C/ Domingo Miral s/n 50008 Zaragoza, teléfono 974238422 (ext 853258), e-mail: [email protected]). Facultativos que intervienen: Profesor Dr. Germán Vicente-Rodriguez, y personal autorizado. Intervención para la que se solicita el consentimiento informado Realización de una valoración médico-deportiva. Finalidad de la intervención: Observar el efecto de la práctica y entrenamiento de natación sobre el metabolismo, la geometría y arquitectura del hueso y sus posibles relaciones. Confidencialidad de los resultados Se garantiza la absoluta confidencialidad de los resultados, de forma que en ningún caso, sin consentimiento previo del participante, se dará a conocer ningún dato personal ni de los resultados de su colaboración en este proyecto. Naturaleza del estudio Realización de una prueba de tomografía cuantitativa computerizada periférica (pQCT) y otra de densitometría dual de rayos X (DXA) para obtener información del estado, geometría y arquitectura del hueso y estimar así factores determinantes de la fortaleza y resistencia del esqueleto. Estas técnicas conllevan una dosis de radiación total de entre 5 y 10 mrem, que es una dosis 20 veces más baja que la de una radiografía de tórax y similar a la radiación solar que conlleva un día de playa. Se obtendrán muestras de sangre (punción cubital) para determinaciones de marcadores bioquímicos del metabolismo del hueso. Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 287 - Además se realizarán pruebas de condición física: Cardiovascular El consumo máximo de oxígeno (VO2max) se estimará mediante una prueba de campo incluido en la batería Eurofit para escolares (test de 20 m de ida y vuelta). Test de velocidad de carrera El tiempo invertido en correr 30 m (T30) se medirá utilizando células fotoeléctricas (Byomedics, Barcelona). La fuerza isométrica máxima (FIM) De pierna Test de máxima contracción voluntaria isométrica (MCVI) Se registrará la fuerza ejercida por el sujeto durante 10 segundos con un ángulo de flexión de rodilla de 110º. De brazo La dinamometría manual se realizará con un dinamómetro y el adolescente de pie, brazos extendidos a lo largo del cuerpo hará la mayor fuerza posible de prensión manual sin apoyar el brazo en el cuerpo. Fuerza dinámica de las piernas. Las fuerzas generadas durante el salto vertical se medirán mediante el cálculo de la altura de vuelo durante el salto con una plataforma que registra la fuerza realizada durante el salto. Potencia muscular de tren inferior al 10%, 20% y al 30% de la MCVI. El objetivo de dicha evaluación será cuantificar la potencia máxima que será capaz de imprimir el adolescente durante la fase concéntrica del movimiento de extensión de piernas, utilizando una carga equivalente al 10, 20 y 30% de la MCVI que hemos medido anteriormente. Valoración de la dieta La dieta se valorará a partir de tres recuerdos de 24 h no consecutivos y en días distintos de la semana, realizados con un software informático. La duración total de la sesión de laboratorio será de 2 horas (una tarde). Para la extracción sanguínea se citara al participante un sábado por la mañana a elección del participante Posibles beneficios • Detección precoz de mineralización débil u otros problemas de microarquitectura ósea. • Mejora de la mineralización y desarrollo óseo durante el crecimiento. Riesgos No se ha descrito ningún efecto adverso grave derivado de estas pruebas o de la participación en un programa de ejercicio físico de estas características. Relación de la actividad y condición físicas con la composición, estructura y metabolismo óseos durante el crecimiento. Estrategias para la prevención temprana de la osteoporosis. - 288 - Contraindicaciones Patologías graves que contraindiquen la práctica deportiva escolar. Advertencias 1. El participante es advertido sobre la posibilidad de utilizar los resultados del diagnóstico en un proceso de investigación, que en ningún caso podrá comportar riesgo adicional para su salud y que no tendrá carácter comercial. 2. El participante es advertido de que puede revocar libremente por escrito su consentimiento en cualquier momento. 3. El participante es advertido de su derecho a que se le dé una copia del documento firmado. 4. El participante contará con la cobertura de un seguro para la realización de las pruebas. 5. El participante puede obtener la información complementaria del investigador principal del proyecto, cuya dirección figura en este escrito. 6. El participante puede solicitar por escrito dirigido al investigador principal del proyecto los resultados concretos obtenidos en su muestra donada. Un saludo Germán-Vicente Rodríguez Associations of physical activity and fitness with bone composition, structure and metabolism during growth. Strategies for the early prevention of osteoporosis. - 289 - Anexo VII