Sviluppo di un dispositivo indossabile per la prevenzione dell'osteoporosi e la riduzione del rischio di fratture nelle donne (Weapom)

STATO ATTUALE E GIUSTIFICAZIONE DELLA PROPOSTA L'osteoporosi è un importante problema di sanità pubblica ed è caratterizzata dal deterioramento della microarchitettura del tessuto osseo e da una bassa densità minerale ossea (BMD) che porta ad una riduzione della resistenza ossea e al conseguente aumento del rischio di fratture scheletriche 1. Una donna su tre subirà una frattura osteoporotica nel corso della propria vita 2. Si stima, infatti, che oltre 200 milioni di persone soffrano di osteoporosi e queste cifre sono in aumento a causa dell’invecchiamento della popolazione e del cambiamento degli stili di vita 3. Un recente la revisione sistematica ha raccolto informazioni epidemiologiche su lesioni muscolo-scheletriche selezionate e ha fornito tassi di incidenza specifici per le lesioni. Gli autori hanno riferito che le fratture più comuni nell'intera popolazione adulta sulla base dei tassi di incidenza aggregati erano le fratture del radio distale (212 per 100.000 anni-persona)4. Le fratture del radio distale rappresentano una lesione ossea su cinque sia nell'assistenza primaria che secondaria5. Secondo i dati della Fondazione Internazionale per l’Osteoporosi (IOF), in Spagna ci sarebbero più di 2,8 milioni di donne sopra i 50 anni affette da osteoporosi, con più di 330.000 fratture da fragilità all’anno e le proiezioni suggeriscono che entro il 2030 queste cifre aumenteranno del 28,8% 1. Di conseguenza, vi è un onere economico significativo sul sistema sanitario per i pazienti che subiscono una frattura correlata all’osteoporosi. Si prevede che i costi diretti dell’osteoporosi, come farmaci, terapie occupazionali e visite ospedaliere e ambulatoriali, aumenteranno fino a 25 miliardi di dollari entro il 2025 con l’età della popolazione di 6 anni. Insieme ai costi indiretti, come la perdita di produttività, si prevede che aumenteranno a 25 miliardi di dollari entro il 2025. più di 95 miliardi di dollari nel 2040 6. L’osteoporosi e i 4,3 milioni di fratture da fragilità che provoca costano ai sistemi sanitari europei oltre 56 miliardi di euro ogni anno, sulla base dei dati relativi 20197. Solo nel nostro Paese si stima che il costo associato ai giorni di malattia per fratture da fragilità ammonti a 355.000 euro ogni anno. Solo i costi diretti e indiretti associati a queste fratture supererebbero i 4,2 miliardi di euro, con un aumento previsto del 30,6% entro il 2030 1. Non dovrebbe sorprenderci, quindi, che nelle donne in postmenopausa, i costi delle fratture osteoporotiche superino i costi annuali del cancro al seno, dell’infarto miocardico (IM) e dell’ictus 6.

La perdita dell'effetto protettivo degli estrogeni sulla struttura scheletrica dopo la menopausa intensifica la diminuzione della densità ossea a causa di un improvviso squilibrio tra formazione ossea e riassorbimento osseo. Questa diminuzione degli estrogeni (ad esempio estradiolo) porta ad un aumento della velocità di rimodellamento osseo dovuto ad un aumento del numero di osteoblasti e osteoclasti; sebbene la rimozione della matrice ossea mediata dagli osteoclasti sia molto maggiore della formazione ossea degli osteoblasti8. Pertanto, la perdita di densità minerale ossea è molto evidente, soprattutto nei 3-5 anni successivi all’ultimo periodo mestruale 9, con un tasso di perdita del 2% all’anno 10. Parallelamente a questa diminuzione della BMD, è comune riscontrare una diminuzione della massa e della forza muscolare, probabilmente derivata dalla diminuzione durante la menopausa di alcuni precursori (ad esempio, il fattore di crescita simile all'insulina di tipo 1, -IGF-1-) 11. È importante notare che la resistenza ossea è determinata non solo dalla massa ossea, ma anche dalla dimensione, forma, struttura o proprietà del collagene 12. Poiché la densitometria (DEXA) cattura solo la massa ossea, vi è un crescente interesse nell’uso di altre modalità di imaging tridimensionale, come la tomografia computerizzata quantitativa (QCT) per valutare la resistenza ossea. La QCT può aiutare a distinguere tra i compartimenti corticale e trabecolare dell’osso e il loro relativo contributo alla resistenza ossea in vivo. Allo stesso modo, sono stati identificati diversi biomarcatori per rilevare la dinamica del rimodellamento osseo 13,14. La National Bone Health Alliance e l’American Association for Clinical Chemistry hanno suggerito che i biomarcatori più ampiamente accettati per la valutazione degli interventi sull’osteoporosi siano il telopeptide C-terminale del collagene di tipo 1 -CTX-1- (riassorbimento osseo) e l’amino- propeptide terminale del procollagene di tipo 1 -P1NP- (formazione ossea) 13,14.

Esistono fattori di rischio modificabili e non modificabili ben noti per l’osteoporosi. Gli elementi non modificabili includono età, storia familiare di fratture da fragilità, diabete di tipo 1, artrite reumatoide o trattamento del cancro (ad esempio inibitori dell'aromatasi o chemioterapia). Nel primo gruppo, il fumo, il consumo eccessivo di alcol, l'uso di corticosteroidi, l'insufficienza di calcio o vitamina D, un basso indice di massa corporea (BMI), uno stile di vita sedentario15 o la mancanza di attività fisica, che sarebbero altri dei principali fattori di rischio, possono essere incluso. Tuttavia, la perdita ossea può rimanere clinicamente silente. Un recente studio sanitario retrospettivo ha rilevato che il 79,4% dei pazienti non aveva una diagnosi o un trattamento a bordo per l’osteoporosi 12 mesi prima della frattura 6. Sorprende che meno della metà delle donne ad alto rischio di frattura venga curata nonostante l’elevato costo delle fratture e la disponibilità di farmaci a prezzi accessibili. 2. Di conseguenza, secondo l’IOF, esiste un ampio bisogno insoddisfatto per quanto riguarda la prevenzione della postmenopausa osteoporosi perché molte donne non vengono sottoposte agli screening diagnostici raccomandati o alla valutazione del rischio di osteoporosi di base 15.

La prevenzione dovrebbe essere la priorità quando si persegue la riduzione del peso causato dall’osteoporosi16. Oltre alla prevenzione, per ridurre i costi in eccesso, è opportuno considerare l'ottimizzazione della gestione, dal primo soccorso alla riabilitazione. L’approccio in questo gruppo di popolazione è solitamente multimodale e comprende interventi sia farmacologici che non farmacologici. In Europa, i farmaci più comunemente utilizzati per l’osteoporosi sono i bifosfonati, il raloxifene, i farmaci a base di ormone paratiroideo e il denosumab 17. Tuttavia, l’uso diffuso e a lungo termine di questi farmaci è limitato a causa dei possibili effetti collaterali 18. Pertanto, dieta ed esercizio fisico, insieme ad altri fattori ambientali e di stile di vita, costituirebbero le principali strategie non farmacologiche per la gestione di questa patologia19. Tuttavia, sebbene l’attività fisica sia un fattore modificabile che contribuisce al miglioramento della massa e della forza ossea, la nostra comprensione di come quantificare le dimensioni dell’attività fisica che sono osteogeniche (inclusi frequenza, intensità, tempo e tipo) è incompleta. Non c'è dubbio che per avviare una risposta osteogenica, l'osso deve essere sottoposto ad uno stimolo che supera una soglia determinata dall'abituale intervallo di deformazione nella direzione di carico predominante19. Precisamente, lo stress meccanico a cui l’esercizio (urti e contrazione muscolare) sottopone l’osso (es. tensione, compressione, pressione idrostatica) possono promuovere la differenziazione osteogenica delle cellule staminali mesenchimali, aumentando la regolazione osteoblastica attraverso diversi meccanismi 20. Per aumentare l'efficacia, l'esercizio deve: (i) essere dinamico, non statico; (ii) superamento di una soglia di intensità; (iii) superamento di una soglia di frequenza di deformazione; (iv) essere relativamente breve ma intermittente; (v) imporre un modello di carico insolito sulle ossa; (vi) includere un'adeguata disponibilità di calcio e vitamina D 21. Tuttavia, i modelli ottimali di carico dell’osso che producono benefici clinicamente significativi non sono stati ad oggi chiaramente definiti, poiché non è stato possibile quantificare facilmente l’intensità dell’esercizio in termini di forze di carico dell’osso in contesti clinici22. Q1

Recenti linee guida per la prevenzione e la gestione dell’osteoporosi attraverso l’esercizio fisico suggeriscono interventi che durano più di 8 mesi e che combinano allenamenti ad alto impatto e forza ad alta intensità. Interventi in cui la camminata veloce (ad esempio, > 6 km/h) è combinata con attività che incorporano un numero relativamente breve di impatti (ad esempio, 10-50 salti al giorno), ad intensità superiori a 2-4 volte il peso corporeo (~ 3,9 G ), almeno 4 sessioni a settimana e l'utilizzo di esercizi multiassiali per generare un carico insolito sull'anca, possono aiutare le donne in postmenopausa a compensare la perdita ossea correlata all'età 23. Queste sarebbero strategie efficaci per preservare la BMD nelle donne in postmenopausa con un livello di evidenza 1a24. Tuttavia, non vi è alcuna prova della sua efficacia nel prevenire le fratture del radio distale Q2 e anche i tassi di abbandono in questi tipi di programmi sono elevati25 e, nonostante le prove, i partecipanti sono spesso riluttanti a fare esercizio, citando ostacoli come cattiva salute, mancanza di tempo dovuta alla mancanza di tempo. responsabilità familiari, mancanza di compagnia o incoraggiamento, mancanza di accesso a strutture o opportunità adeguate o costi. I pazienti affetti da osteoporosi spesso segnalano la mancanza di tempo e limitazioni di trasporto come i principali ostacoli che limiterebbero la loro partecipazione a programmi di formazione supervisionati 26. Per questi motivi, è stato suggerito che gli studi di intervento dovrebbero utilizzare ambienti facilmente accessibili ai partecipanti e fornire programmi di esercizi flessibili25.

In letteratura, si suggerisce che negli interventi mirati alla salute delle ossa nelle giovani donne adulte, è fondamentale ridurre al minimo le richieste di tempo percepite (ad esempio, intervalli brevi e flessibili) e le barriere ambientali legate alla comodità e all’accessibilità dell’attività fisica25. . Pertanto, per aumentare l'aderenza in questo gruppo di popolazione, si suggeriscono contatti regolari con il personale dello studio, personalizzazione della progressione e un adeguato monitoraggio dell'esercizio (evitare problemi di sicurezza e mancanza di fiducia). In un recente studio del nostro gruppo, sono state trovate prove che dimostrano che i programmi di esercizi non supervisionati potrebbero essere efficaci per migliorare la densità minerale ossea nelle donne adulte. Tuttavia, erano disponibili solo cinque studi su donne in postmenopausa e nel complesso hanno registrato un tasso di abbandono sostanziale (superiore al 40%) dovuto alla riluttanza a continuare e alla malattia tra i motivi principali. Pertanto, è stata evidenziata la necessità di studiare l’efficacia delle tecnologie remote/assistitive per fornire e monitorare interventi di esercizio non supervisionati. La domanda che ci si dovrebbe porre è: in che modo è possibile gestire tutte queste questioni, facilitando il monitoraggio del programma e risolvendo le barriere delineate?

Le tecnologie mobili e digitali (mHealth) consentono di integrare la programmazione degli esercizi per la gestione dell'osteoporosi fornendo informazioni sulla meccanica scheletrica durante la locomozione23. Tuttavia, e anche se i tracker di attività indossabili offrono il potenziale come intervento multiforme per aiutare le persone a diventare più attive, nessuno studio ha esaminato l’utilità di questi dispositivi indossabili nelle donne in postmenopausa né negli arti superiori Q3. L'importanza di raggiungere una soglia minima di stimolazione per ottenere adattamenti ossei è stata giustificata, poiché carichi insufficienti non avrebbero l'effetto desiderato, per questo motivo è necessaria una quantificazione precisa dei carichi meccanici a cui è sottoposto il sistema muscolo-scheletrico, quali potrebbero essere ottenuto con alcuni biosensori28. Tuttavia, gli interventi basati su questo tipo di tecnologia volti a prevenire l’osteoporosi sono molto scarsi29, anche se gli autori concordano sul loro potenziale, non solo per aumentare i benefici degli interventi, ma soprattutto per migliorare l’aderenza agli stessi.

In sintesi, la comunità scientifica si trova di fronte ad un gruppo di donne ad alto rischio di soffrire di osteoporosi (potenziale incidenza di fratture da fragilità), con la conseguente incidenza sulla loro funzionalità e qualità di vita, da un lato, e sul sistema sanitario, dall'altro. dall'altro. Le strategie per la gestione di questo gruppo suggeriscono l'incorporazione di attività che richiedono allenamento di impatto e forza; tuttavia, la misurazione diretta delle deformazioni ossee richiede procedure chirurgiche invasive e la misurazione indiretta delle forze di reazione al suolo è limitata a un luogo e a un tempo fissi, essendo quindi impraticabile nelle misurazioni cliniche a lungo termine. Valutare gli effetti di questo tipo di intervento potrebbe aiutare a registrare variabili che, dopo un’adeguata analisi (ad esempio, l’apprendimento automatico), facilitano il processo decisionale e riducono l’uso delle risorse nel sistema sanitario. Pertanto, le domande che sorgono sono: ¿è possibile utilizzare un surrogato indiretto delle deformazioni ossee che ora sono facilmente misurabili con un nuovo dispositivo di misurazione basato su accelerometro? ¿Questi dispositivi indossabili possono essere utilizzati per studiare l'effetto del carico d'impatto indotto dall'esercizio fisico sulla densità minerale ossea, sulla geometria e sul metabolismo nelle donne in postmenopausa con l'intenzione di valutare l'intensità e la quantità di carico d'impatto richiesto per ottenere effetti adattivi a livello del polso? Ipotesi di partenza: l'intervento sullo stile di vita controllando l'intensità dell'impatto e gli esercizi con dispositivi indossabili miglioreranno la composizione e la struttura ossea, la forma fisica e la qualità della vita nelle donne in postmenopausa. Valutando l'effetto di un programma di allenamento fisico mirato alle ossa sui fattori di rischio extra-scheletrici delle fratture osteoporotiche e sulle prestazioni fisiche, gli scienziati saranno in grado di progettare una piattaforma tecnologica cloud intelligente con tecnologie digitali (intelligenza artificiale, un'applicazione basata su dispositivi mobili e dispositivi indossabili gestiti in the cloud) che potrebbero essere implementati (dopo la corretta individuazione dei fattori chiave per il trasferimento dei risultati della ricerca ottenuti in fase sperimentale) al sistema socio-sanitario pubblico per contribuire alla prevenzione dell’osteoporosi e delle fratture da fragilità.

Procedure

Obiettivo 1 I partecipanti avranno a disposizione tre giorni per completare il protocollo di misurazione. Il primo giorno si recheranno in ospedale e completeranno le informazioni sociodemografiche e cliniche. Riceveranno poi l'accelerometro e tutti i questionari da compilare a casa. Inoltre, dal centro ospedaliero, i partecipanti verranno citati un altro giorno per le analisi biochimiche, QCT e densitometria. In una seconda giornata, i partecipanti verranno citati al laboratorio universitario per restituire gli accelerometri e i questionari, e saranno sottoposti ai test di idoneità fisica. Infine, in una terza visita al laboratorio, i partecipanti acquisiranno familiarità con l'uso del dispositivo indossabile di registrazione. Infine, tutti i partecipanti riceveranno un supplemento giornaliero di vitamina D di 600 UI/giorno. Se i livelli sierici sono carenti, verrà fornita per 4 mesi: 1 fiala da 25.000 UI al mese se <20 ng/ml, 1 fiala da 25.000 UI ogni 15 giorni se <15 ng/ml, 1 fiala da 25.000 UI ogni settimana se < 10ng/ml. L'assunzione di calcio verrà calcolata utilizzando il richiamo di 3 giorni e integrata fino a 1200 mg al giorno.

Intervento sullo stile di vita

A. Programma per aumentare l'attività fisica e gli impatti Per l'intervento verrà utilizzato un biosensore -dispositivo indossabile- (Fitbit Versa). Il dispositivo è collegato a un'app (Weapom) che consentirà agli utenti di quantificare il numero di passi (inclusa la frequenza di passi al minuto), gli impatti e la loro intensità. Dall'applicazione verrà fornito agli utenti un feedback sul livello di raggiungimento degli obiettivi proposti nel programma di impatto (EV). Verrà proposto di realizzare 50 salti verticali e multidirezionali al giorno (traguardo 1. Il numero di salti > 3,9 G al giorno verranno registrati 28, suddivisi in 3-5 serie da 10-20 ripetizioni con un riposo minimo di 1-2 minuti tra le serie. Verrà utilizzata una frequenza compresa tra 4-7 giorni a settimana. Allo stesso modo, si consiglierà di raggiungere i 10.000 passi al giorno (traguardo 2. Verrà registrato il numero di passi giornalieri) e, per quanto possibile, a ritmo sostenuto (traguardo 3. Il numero di minuti giornalieri di camminata a verrà registrato un ritmo superiore a 110 passi/minuto, in quanto questa è considerata la soglia di intensità moderata-vigorosa in questa fascia di età 40 anni. Pertanto, secondo le nuove linee guida OMS41 sull'attività fisica e la sedentarietà, verrà quantificato se si raggiungono 150 minuti settimanali di attività fisica moderato-vigorosa. Inoltre, per concentrarsi specificamente sulla forza del raggio, verranno registrate 50 cadute (da 3 a 5 cm) con le braccia completamente tese. Parallelamente, i partecipanti di entrambi i gruppi riceveranno ricette ricche di calcio attraverso l'App e avranno a disposizione un calcolatore per calcolare l'apporto di calcio e di altri micronutrienti attraverso la dieta. Riceveranno inoltre informazioni sull'osteoporosi e sulle strategie per la sua prevenzione (ad esempio, consigli sull'esposizione al sole).

B. Gruppo di controllo I partecipanti assegnati in modo casuale al CON riceveranno consigli generali dal personale medico sugli effetti positivi dell'attività fisica e sugli aspetti nutrizionali per la prevenzione dell'osteoporosi. I partecipanti a questo gruppo porteranno con sé il dispositivo, ma non avranno accesso all'App Muvone.

Obiettivo 2 Dopo aver posizionato gli accelerometri, i partecipanti hanno completato un protocollo di esercizi standardizzato durante una sessione di attività di laboratorio. Il protocollo dell'esercizio consisteva in cinque salti con contromovimento (CMJ) con un riposo di 30 secondi tra ogni salto. L'altezza del salto è stata misurata con un sistema di barriere fotoelettriche (OptoGait, Microgate, Bolzano, Italia). I partecipanti hanno quindi eseguito quattro attività su tapis roulant (HP-Cosmos®, Traunstein, Germania), camminando/correndo a 4,8, 6,4, 9,7 e 12 km·h-1. La durata di ciascuna sessione di tapis roulant è stata di 2 minuti con una pausa di 1 minuto tra ciascuna. condizione. I partecipanti sono rimasti fermi durante gli intervalli di riposo e hanno completato ogni protocollo di esercizi in ordine casuale. Per valutare i parametri spazio-temporali dell'andatura durante il protocollo, è stato utilizzato un sistema di fotocellule a pavimento (OptoGait, Microgate, Bolzano, Italia). Infine, ai partecipanti verrà chiesto di fissare gli stinchi su un morbido cuscino e di estendere le ginocchia per piegarsi in avanti. La coscia sarà posizionata a 30º rispetto all'orizzontale. I partecipanti verranno sollevati per raggiungere un'altezza adeguata da terra (3 cm o 5 cm tra il palmo della mano e le piastre di forza). Ai soggetti verrà chiesto di mantenere i gomiti completamente estesi (es. mani tese) e l'angolo del braccio sarà impostato a 15° rispetto alla verticale. Ogni partecipante completerà dieci prove, che prevedevano cinque prove ad h=3 cm, 15 minuti di riposo e cinque esperimenti ad h=5 cm.

Per valutare l'intensità e la quantità del carico d'impatto, i valori di picco dell'accelerazione verticale verranno registrati con un monitor del movimento del corpo umano basato su un accelerometro (Fitbit). Il monitor è stato indossato al polso 2 cm sopra l'epicondilo mediale. Per la quantificazione individuale della propria attività fisica quotidiana, a tutti i partecipanti verrà chiesto di portare con sé il monitor durante tutte le ore di veglia per 36 settimane. Il numero di picchi di accelerazione giornalieri verrà registrato su 33 livelli di accelerazione da 0,3 a 9,9 g. Per l'analisi verrà calcolato il numero medio giornaliero individuale di picchi a ciascun livello di accelerazione. Il numero a diversi livelli di accelerazione verrà analizzato per descrivere l'intensità dell'esercizio. In precedenza, è stata testata l'affidabilità del metodo basato sull'accelerometro utilizzando un prototipo tridimensionale. Tuttavia, in questo progetto verranno misurati gli impatti a livello del polso. I valori di picco sono stati ottenuti prevalentemente immediatamente dopo il contatto con il tallone in diverse attività; inoltre, i valori di accelerazione di picco verranno confrontati con i valori ottenuti simultaneamente utilizzando un sistema standard di analisi del movimento ottico. Inoltre, i valori di accelerazione verranno confrontati anche con la GRF misurata con una piastra di forza (Kistler 9287A, Kistler Instrument, Svizzera), con i valori di accelerazione moltiplicati per il peso corporeo.

Obiettivo 3 Al fine di individuare i fattori chiave per il trasferimento dei risultati della ricerca ottenuti in fase sperimentale al sistema socio-sanitario pubblico, i risultati verranno discussi in 3 incontri da un gruppo di esperti del sistema sanitario (es. direttore di centri di cure primarie o un politico dell'area sanitaria della Junta de Andalucía, due direttori di centri di cure primarie, un esperto in promozione della salute, un infermiere che si occupa di pazienti affetti da osteoporosi, ecc.). Verranno progettati diversi modelli utilizzando dati biochimici, di immagine, clinici e fisici che guidano il personale medico sui fattori più rilevanti che determinano la risposta a questo tipo di trattamento. Dall'intero insieme di variabili incluse nelle cartelle cliniche elettroniche, verrà progettato un nuovo modello medico che include solo le variabili selezionate ad alto impatto (sotto-dataset) calcolate con tecniche di selezione delle caratteristiche di machine learning. Verranno determinati il ​​guadagno in salute (QUALY) e i costi, nonché calcolato il rapporto costo-efficacia (ICUR).