Vývoj nositelného zařízení pro prevenci osteoporózy a snížení rizika zlomenin u žen (Weapom)

SOUČASNÝ STAV A ODŮVODNĚNÍ NÁVRHU Osteoporóza je závažným problémem veřejného zdraví a je charakterizována zhoršováním mikroarchitektury kostní tkáně a nízkou hustotou kostních minerálů (BMD), což vede ke snížení pevnosti kostí a následnému zvýšenému riziku vzniku zlomeniny skeletu 1. Jedna ze tří žen během svého života utrpí osteoporotickou zlomeninu 2. Ve skutečnosti se odhaduje, že více než 200 milionů lidí trpí osteoporózou a tato čísla se zvyšují v důsledku stárnutí populace a změny životního stylu. systematický přehled shromáždil epidemiologické informace o vybraných muskuloskeletálních poraněních a poskytl souhrnné míry incidence specifické pro zranění. Autoři uvedli, že nejčastější zlomeniny v celé dospělé populaci na základě souhrnné četnosti výskytu byly zlomeniny distálního radia (212 na 100 000 osoboroků)4. Zlomeniny distálního radia představují jedno z pěti poranění kostí v primární i sekundární péči5. Podle údajů Mezinárodní nadace pro osteoporózu (IOF) by ve Španělsku bylo více než 2,8 milionu žen starších 50 let s osteoporózou, s více než 330 000 zlomeninami způsobenými křehkostí za rok a projekce naznačují, že do roku 2030 se tato čísla zvýší o 28,8 %. 1. V důsledku toho existuje značná ekonomická zátěž pro systém zdravotní péče pro pacienty, kteří utrpěli zlomeninu související s osteoporózou. Očekává se, že přímé náklady na osteoporózu, jako jsou léky, pracovní terapie a návštěvy hospitalizovaných a ambulantních pacientů, vzrostou do roku 2025 na 25 miliard USD, protože populace stárne o 6 let. Spolu s nepřímými náklady, jako je ztráta produktivity, se očekává nárůst na více než 95 miliard dolarů v roce 2040 6. Osteoporóza a 4,3 milionu zlomenin způsobených křehkostí, které způsobují, stojí systémy zdravotní péče v Evropě více než 56 miliard EUR každý rok na základě údajů za rok 2019 7. Jen u nás se odhaduje, že náklady spojené s sick days v důsledku zlomenin z důvodu křehkosti dosahují každý rok 355 000 €. Pouze přímé a nepřímé náklady spojené s těmito zlomeninami by přesáhly 4,2 miliardy EUR s předpokládaným nárůstem o 30,6 % do roku 20301. Nemělo by nás proto překvapit, že u žen po menopauze náklady na osteoporotické zlomeniny převyšují roční náklady na rakovinu prsu, infarkt myokardu (IM) a cévní mozkovou příhodu 6.

Ztráta ochranného účinku estrogenů na kosterní strukturu po menopauze zesiluje pokles kostní denzity v důsledku náhlé nerovnováhy mezi kostní tvorbou a kostní resorpcí. Toto snížení estrogenů (např. estradiolu) vede ke zvýšení rychlosti kostní remodelace v důsledku zvýšení počtu osteoblastů a osteoklastů; ačkoli odstranění kostní matrice zprostředkované osteoklasty je mnohem větší než tvorba kosti osteoblasty8. Ztráta BMD je proto velmi patrná, zejména během 3-5 let po poslední menstruaci 9, ve 2% ztrátě za rok 10. Paralelně s tímto poklesem BMD je běžné nalézt pokles svalové hmoty a síly, pravděpodobně odvozený od poklesu určitých prekurzorů během menopauzy (např. inzulinu podobný růstový faktor typu 1, -IGF-1-) 11. Je důležité si uvědomit, že pevnost kostí je dána nejen kostní hmotou, ale také velikostí, tvarem, strukturou nebo vlastnostmi kolagenu 12. Vzhledem k tomu, že denzitometrie (DEXA) zachycuje pouze kostní hmotu, roste zájem o použití další trojrozměrné zobrazovací modality, jako je kvantitativní počítačová tomografie (QCT) k posouzení síly kosti. QCT může pomoci odlišit kortikální a trabekulární kompartmenty kosti a jejich relativní příspěvek k pevnosti kosti in vivo. Podobně byly identifikovány různé biomarkery pro detekci dynamiky kostní remodelace13,14. National Bone Health Alliance a American Association for Clinical Chemistry navrhly, že nejrozšířenějšími biomarkery pro hodnocení intervencí při osteoporóze jsou C-terminální telopeptid kolagenu typu 1 -CTX-1- (kostní resorpce) a amino- terminální propeptid prokolagenu typu 1 -P1NP- (tvorba kosti) 13,14.

Existují dobře známé modifikovatelné a neovlivnitelné rizikové faktory osteoporózy. Mezi nemodifikovatelné položky patří věk, rodinná anamnéza křehkých zlomenin, diabetes typu 1, revmatoidní artritida nebo léčba rakoviny (např. inhibitory aromatázy nebo chemoterapie). V první skupině může být kouření, nadměrná konzumace alkoholu, užívání kortikosteroidů, nedostatek vápníku nebo vitamínu D, nízký index tělesné hmotnosti (BMI), sedavý způsob života15 nebo nedostatek fyzické aktivity, což by byl další z hlavních rizikových faktorů. být zahrnut. Ztráta kostní hmoty však může zůstat klinicky němá. Nedávná retrospektivní zdravotnická studie zjistila, že 79,4 % pacientů nemělo diagnózu nebo léčbu osteoporózy 12 měsíců před zlomeninou 6. Překvapuje, že méně než polovina žen s vysokým rizikem zlomenin je léčena navzdory vysokým nákladům na zlomeniny a dostupnosti dostupných léků 2. V důsledku toho podle IOF existuje velká neuspokojená potřeba, pokud jde o prevenci postmenopauzálních osteoporózy, protože mnoho žen nepodstupuje doporučená diagnostická vyšetření nebo nehodnotí výchozí riziko osteoporózy 15.

Prevence by měla být prioritou při snižování zátěže způsobené osteoporózou16. Kromě prevence by měla být dobře zvážena optimalizace řízení, od první pomoci po rehabilitaci, aby se snížily nadměrné náklady. Přístup v této skupině populace je obvykle multimodální a zahrnuje jak farmakologické, tak nefarmakologické intervence. V Evropě jsou nejčastěji používanými léky na osteoporózu bisfosfonáty, raloxifen, léky na parathormon a denosumab 17. Rozšířené a dlouhodobé užívání těchto léků je však omezené kvůli možným vedlejším účinkům 18. Proto by strava a fyzické cvičení spolu s dalšími faktory životního prostředí a životního stylu představovaly hlavní nefarmakologické strategie pro léčbu této patologie 19. Ačkoli je však fyzická aktivita modifikovatelným faktorem, který přispívá ke zlepšení kostní hmoty a síly, naše chápání toho, jak kvantifikovat rozměry fyzické aktivity, které jsou osteogenní (včetně frekvence, intenzity, času a typu), je neúplné. Není pochyb o tom, že k zahájení osteogenní reakce musí být kost vystavena stimulu, který přesahuje práh určený obvyklým rozsahem deformace v převažujícím směru zatížení19. Právě mechanické namáhání, kterému cvičení (nárazy a svalové kontrakce) vystavuje kost (např. napětí, komprese, hydrostatický tlak) může podporovat osteogenní diferenciaci mezenchymálních kmenových buněk a zvyšovat osteoblastickou regulaci prostřednictvím různých mechanismů 20. Pro zvýšení účinnosti musí cvičení: (i) být dynamické, nikoli statické; (ii) překročení prahové hodnoty intenzity; (iii) překročení prahové hodnoty frekvence namáhání; (iv) být relativně krátké, ale přerušované; (v) uvalení neobvyklého zatížení na kosti; vi) zahrnují dostatečnou dostupnost vápníku a vitaminu D21. Optimální vzorce zatížení kosti, které přináší klinicky významné výhody, však dosud nebyly jasně definovány, protože v klinických podmínkách nebylo možné snadno kvantifikovat intenzitu cvičení z hlediska sil zatěžujících kost22. Q1

Nedávná doporučení pro prevenci a léčbu osteoporózy prostřednictvím fyzického cvičení navrhují intervence, které trvají déle než 8 měsíců a které kombinují vysoké dopady a vysoce intenzivní silový trénink. Zákroky, při kterých je rychlá chůze (např. > 6 km/h) kombinována s aktivitami, které zahrnují relativně krátký počet dopadů (např. 10–50 skoků za den), při intenzitách přesahujících 2–4násobek tělesné hmotnosti (~ 3,9 G ), alespoň 4 sezení týdně a používání víceosých cvičení k vytvoření neobvyklé zátěže na kyčle, může pomoci ženám po menopauze kompenzovat ztrátu kostní hmoty související s věkem 23. To by byly účinné strategie pro zachování BMD u postmenopauzálních žen s úrovní důkazu 1a24. Neexistují však žádné důkazy o jeho účinnosti při prevenci zlomenin distálního radia Q2 a také míra předčasného ukončení v těchto typech programů je vysoká25 a navzdory důkazům se účastníci často zdráhají cvičit a uvádějí překážky jako špatný zdravotní stav, nedostatek času kvůli rodinné povinnosti, nedostatek společnosti nebo podpory, nedostatek přístupu k odpovídajícím zařízením nebo příležitostem nebo náklady. Pacienti s osteoporózou často uvádějí nedostatek času a dopravní omezení jako hlavní překážky, které by omezovaly jejich účast na školicích programech pod dohledem 26. Z těchto důvodů bylo navrženo, aby intervenční studie využívaly nastavení, která jsou účastníkům snadno dostupná a poskytují flexibilní rozvrhy cvičení 25.

V literatuře se uvádí, že při intervencích zaměřených na zdraví kostí u mladých dospělých žen je zásadní minimalizovat vnímané nároky na čas (např. krátké a flexibilní intervaly) a bariéry prostředí související s pohodlím a dostupností fyzické aktivity 25 . Proto se pro zvýšení adherence v této skupině populace doporučuje pravidelný kontakt s personálem studie, personalizace progrese a adekvátní sledování cvičení (vyhněte se obavám o bezpečnost a nedostatku důvěry). V nedávné studii naší skupiny byly nalezeny důkazy ukazující, že cvičební programy bez dozoru by mohly být účinné pro zlepšení BMD u dospělých žen. Bylo však k dispozici pouze pět studií u žen po menopauze a celkově zaznamenaly značnou míru předčasného ukončení (nad 40 %) kvůli neochotě pokračovat a mezi hlavními důvody onemocnění. Proto byla zdůrazněna potřeba prozkoumat účinnost vzdálených/asistenčních technologií pro poskytování a monitorování nekontrolovaných cvičebních intervencí. Je třeba si položit otázku, jakým způsobem lze všechny tyto problémy zvládnout, usnadnit monitorování programu a vyřešit nastíněné překážky?

Mobilní a digitální technologie (mHealth) umožňují doplnit programování cvičení pro management osteoporózy poskytováním informací o mechanice skeletu během lokomoce23. Přestože nositelné sledovače aktivity nabízejí potenciál jako mnohostranný zásah, který lidem pomůže stát se aktivnějšími, žádná studie nezkoumala užitečnost těchto nositelných zařízení u žen po menopauze ani u horních končetin Q3. Význam dosažení minimálního prahu stimulace pro získání kostních adaptací byl odůvodněn, protože nedostatečné zatížení by nemělo požadovaný účinek, z tohoto důvodu je nutná přesná kvantifikace mechanického zatížení, kterému je pohybový aparát vystaven, co by mohlo být dosaženo pomocí určitých biosenzorů28. Intervencí založených na tomto typu technologie zaměřených na prevenci osteoporózy je však velmi málo29, i když se autoři shodují na jejich potenciálu nejen pro zvýšení přínosu intervencí, ale především pro zlepšení jejich adherence.

Souhrnně lze říci, že vědecká komunita čelí skupině žen s vysokým rizikem onemocnění osteoporózou (potenciální výskyt křehkých zlomenin), s následným dopadem na jejich funkčnost a kvalitu života na straně jedné a na zdravotní systém. na druhé straně. Strategie pro řízení této skupiny navrhují začlenění aktivit, které vyžadují nárazový a silový trénink; přímé měření kostního napětí však vyžaduje invazivní chirurgické postupy a nepřímé měření reakčních sil na zemi je omezeno na pevné místo a čas, takže je při dlouhodobých klinických měřeních neproveditelné. Posouzení účinků tohoto typu intervence by mohlo pomoci zaznamenat proměnné, které po správné analýze (např. strojové učení) usnadňují rozhodování a snižují využití zdrojů ve zdravotnickém systému. Vyvstávají proto otázky: „Lze použít nepřímou náhradu kostních kmenů, které jsou nyní snadno měřitelné pomocí nového měřicího zařízení založeného na akcelerometru? ¿Mohou být tato nositelná zařízení použita ke zkoumání účinku nárazového zatížení vyvolaného cvičením na hustotu kostních minerálů, geometrii a metabolismus u žen po menopauze se záměrem vyhodnotit intenzitu a množství nárazového zatížení potřebného k získání adaptivních účinků na úrovni zápěstí? Výchozí hypotéza: Intervence v oblasti životního stylu kontrolující intenzitu nárazu a cvičení s nositelnými zařízeními zlepší složení a strukturu kostí, fyzickou zdatnost a kvalitu života u žen po menopauze. Vyhodnocení vlivu cvičebního programu zaměřeného na kosti na mimokosterní rizikové faktory osteoporotických zlomenin a fyzickou výkonnost bude vědec schopen navrhnout technologickou chytrou cloudovou platformu s digitálními technologiemi (umělá inteligence, mobilní aplikace a nositelná zařízení spravovaná v cloud), které by mohly být implementovány (po správné identifikaci klíčových faktorů pro přenos výsledků výzkumu získaných v experimentální fázi) do veřejného sociálně-zdravotního systému, přispívají k prevenci osteoporózy a křehkých zlomenin.

Postupy

Cíl 1 Účastníci budou mít na dokončení protokolu měření tři dny. První den navštíví nemocnici a doplní sociodemografické a klinické informace. Poté obdrží akcelerometr a všechny dotazníky k vyplnění doma. Kromě toho budou účastníci z nemocničního centra uvedeni další den na biochemickou analýzu, QCT a denzitometrii. Druhý den budou účastníci pozváni do univerzitní laboratoře, kde vrátí akcelerometry a dotazníky a podstoupí testy fyzické zdatnosti. Konečně při třetí návštěvě laboratoře budou účastníci seznámeni s používáním nahrávacího nositelného zařízení. Nakonec všichni účastníci dostanou denní doplněk vitaminu D ve výši 600 IU/den. Pokud jsou sérové ​​hladiny nedostatečné, bude dodáván po dobu 4 měsíců: 1 lahvička s 25 000 IU za měsíc, pokud <20 ng/ml, 1 lahvička s 25 000 IU každých 15 dní, pokud <15 ng/ml, 1 lahvička s 25 000 IU každý týden, pokud < 10 ng/ml. Příjem vápníku bude vypočítán pomocí 3denního stažení a doplněn až na 1200 mg denně.

Intervence do životního stylu

A. Program pro zvýšení fyzické aktivity a dopadů K zásahu bude použito biosenzor - nositelné zařízení- (Fitbit Versa). Zařízení je propojeno s aplikací (Weapom), která uživatelům umožní kvantifikovat počet kroků (včetně rychlosti kroků za minutu), dopady a jejich intenzitu. Uživatelům bude z aplikace poskytnuta zpětná vazba o úrovni dosažení cílů navržených v programu dopadů (EV). Bude navrženo dosáhnout 50 vertikálních a vícesměrných skoků za den (milník 1. Počet skoků > 3,9 G za den bude zaznamenán 28, rozdělených mezi 3-5 sérií po 10-20 opakováních s minimální 1-2 minutovou přestávkou mezi sériemi. Bude použita frekvence mezi 4-7 dny v týdnu. Stejně tak bude doporučeno dosáhnout 10 000 kroků za den (milník 2. Bude zaznamenáván počet denních kroků) a pokud možno rychlým tempem (milník 3. Počet denních minut chůze při bude zaznamenáno tempo nad 110 kroků/minutu, protože to je považováno za práh středně intenzivní intenzity v tomto věkovém rozmezí 40 let. Podle nových pokynů WHO 41 o fyzické aktivitě a sedavém chování bude proto kvantifikováno, zda je dosaženo 150 minut týdně středně intenzivní fyzické aktivity. Kromě toho, a abychom se konkrétně zaměřili na sílu rádiusu, bude registrováno 50 (3 až 5 cm) poklesů s úplně rovnými pažemi. Paralelně dostanou účastníci v obou skupinách prostřednictvím aplikace recepty bohaté na vápník a budou mít k dispozici kalkulačku pro výpočet příjmu vápníku a dalších mikroživin prostřednictvím stravy. Dostanou také informace o osteoporóze a strategiích její prevence (např. rady ohledně slunění).

B. Kontrolní skupina Účastníci náhodně přidělení do CON obdrží obecné rady od zdravotnického personálu o pozitivních účincích fyzické aktivity a nutričních aspektech pro prevenci osteoporózy. Účastníci v této skupině budou nosit zařízení, ale nebudou mít přístup k aplikaci Muvone.

Cíl 2 Po umístění akcelerometrů účastníci dokončili standardizovaný cvičební protokol během laboratorního cvičení. Cvičební protokol se skládal z pěti protipohybových skoků (CMJ) s 30s přestávkou mezi každým skokem. Výška skoku byla měřena systémem světelné závory (OptoGait, Microgate, Bolzano, Itálie). Účastníci poté prováděli čtyři aktivity na běžeckém pásu (HP-Cosmos®, Traunstein, Německo), chůze/běh rychlostí 4,8, 6,4, 9,7 a 12 km·h-1. Doba trvání každého běhu na běžeckém pásu byla 2 minuty s 1 minutovou přestávkou mezi jednotlivými stav. Účastníci stáli v klidu během intervalů odpočinku a dokončili každý cvičební protokol v náhodném pořadí. K vyhodnocení časoprostorových parametrů chůze během protokolu byl použit systém fotobuněk na podlaze (OptoGait, Microgate, Bolzano, Itálie). Nakonec budou účastníci instruováni, aby si zafixovali holeně na měkký polštář a natáhli kolena, aby se předklonili. Stehno bude nastaveno na 30º od horizontály. Účastníci budou zvednuti tak, aby dosáhli správné výšky od země (3 cm nebo 5 cm mezi dlaní a silovými deskami). Subjekty budou instruovány, aby držely lokty plně natažené (tj. natažené ruce) a úhel paží bude nastaven na 15° k vertikále. Každý účastník absolvuje deset pokusů, které zahrnovaly pět pokusů při h=3 cm, 15 minut odpočinku a pět pokusů při h=5 cm.

Pro posouzení intenzity a množství nárazového zatížení budou maximální hodnoty vertikálního zrychlení zaznamenány pomocí akcelerometru založeného na monitoru pohybu lidského těla (Fitbit). Monitor byl nošen na zápěstí 2 cm nad mediálním epikondylem. Pro individuální kvantifikaci jejich denní fyzické aktivity budou všichni účastníci požádáni, aby nosili monitor po celou dobu bdění po dobu 36 týdnů. Počet denních vrcholů zrychlení bude zaznamenán na 33 úrovních zrychlení od 0,3 do 9,9 g. Pro analýzu bude vypočítán individuální průměrný denní počet vrcholů na každé úrovni zrychlení. Počet na různých úrovních zrychlení bude analyzován, aby se popsala intenzita cvičení. Dříve byla testována spolehlivost metody založené na akcelerometru pomocí trojrozměrného prototypu. V tomto projektu však budou měřeny dopady na úrovni zápěstí. Vrcholové hodnoty byly převážně získány bezprostředně po kontaktu s patou při různých činnostech; dále budou špičkové hodnoty zrychlení porovnány s hodnotami získanými současně za použití standardního systému optické analýzy pohybu. Kromě toho budou hodnoty zrychlení také porovnány s GRF naměřeným pomocí silové desky (Kistler 9287A, Kistler Instrument, Švýcarsko), přičemž hodnoty zrychlení se vynásobí tělesnou hmotností.

Cíl 3 Aby bylo možné identifikovat klíčové faktory pro přenos výsledků výzkumu získaných v experimentální fázi do veřejného sociálně-zdravotního systému, budou výsledky prodiskutovány na 3 setkáních skupinou odborníků v oblasti zdravotnictví (např. ředitel center primární péče nebo politik ze zdravotnické oblasti Junta de Andalucía, dva ředitelé center primární péče, odborník na podporu zdraví, sestra v péči o pacienty s osteoporózou atd.). Budou navrženy různé modely využívající biochemické, obrazové, klinické a fyzické údaje, které vedou lékařský personál k nejdůležitějším faktorům, které určují odpověď na tento typ léčby. Z celé sady proměnných obsažených v elektronických zdravotnických záznamech bude navržen nový lékařský model zahrnující pouze vybrané proměnné s vysokým dopadem (sub-soubor dat) vypočítané pomocí technik výběru funkcí strojového učení. Stanoví se zdravotní zisk (QUALYs) a náklady a vypočítá se také poměr nákladů a efektivity (ICUR).