Opracowanie urządzenia do noszenia do zapobiegania osteoporozie i zmniejszania ryzyka złamań u kobiet (Weapom)

STAN AKTUALNY I UZASADNIENIE WNIOSKU Osteoporoza jest ważnym problemem zdrowia publicznego i charakteryzuje się pogorszeniem mikroarchitektury tkanki kostnej oraz niską gęstością mineralną kości (BMD), co prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości kości i w konsekwencji zwiększonego ryzyka wystąpienia złamania kości 1. Jedna na trzy kobiety w ciągu swojego życia dozna złamania osteoporotycznego 2. W rzeczywistości szacuje się, że na osteoporozę cierpi ponad 200 milionów ludzi, a liczby te rosną ze względu na starzenie się społeczeństwa i zmianę stylu życia 3. Niedawne badanie w przeglądzie systematycznym zebrano informacje epidemiologiczne na temat wybranych urazów układu mięśniowo-szkieletowego i przedstawiono zbiorcze wskaźniki zachorowalności dla poszczególnych urazów. Autorzy podali, że najczęstszymi złamaniami w całej populacji dorosłych, na podstawie zbiorczych wskaźników zapadalności, były złamania dalszej części kości promieniowej (212 na 100 000 osobolat)4. Złamania dalszej części kości promieniowej są przyczyną jednego na pięć urazów kości zarówno w opiece podstawowej, jak i specjalistycznej5. Według danych Międzynarodowej Fundacji Osteoporozy (IOF) w Hiszpanii na osteoporozę będzie cierpiało ponad 2,8 miliona kobiet w wieku powyżej 50 lat, z ponad 330 000 złamaniami związanymi z kruchością rocznie, a prognozy sugerują, że do 2030 r. liczba ta wzrośnie o 28,8%. 1. W związku z tym istnieje znaczne obciążenie ekonomiczne systemu opieki zdrowotnej dla pacjentów, u których wystąpiło złamanie związane z osteoporozą. Oczekuje się, że bezpośrednie koszty leczenia osteoporozy, takie jak leki, terapie zajęciowe oraz wizyty szpitalne i ambulatoryjne, wzrosną do 25 miliardów dolarów do 2025 r. w miarę starzenia się populacji w wieku 6 lat. Oczekuje się, że wraz z kosztami pośrednimi, takimi jak utrata produktywności, wzrosną do 25 miliardów dolarów ponad 95 miliardów dolarów w 2040 r. 6. Osteoporoza i 4,3 miliona złamań, które powoduje, kosztują systemy opieki zdrowotnej w Europie ponad 56 miliardów euro rocznie na podstawie dane za 2019 rok 7. Szacuje się, że jedynie w naszym kraju koszt zwolnień lekarskich z powodu złamań kruchych wynosi 355 000 euro rocznie. Jedynie bezpośrednie i pośrednie koszty związane z tymi złamaniami przekroczyłyby 4,2 miliarda euro, co oznacza przewidywany wzrost o 30,6% do 2030 r. 1. Nie powinno zatem nas dziwić, że u kobiet po menopauzie koszty złamań osteoporotycznych przewyższają roczne koszty leczenia raka piersi, zawału mięśnia sercowego (MI) i udaru mózgu 6.

Utrata ochronnego działania estrogenów na strukturę szkieletu po menopauzie nasila spadek gęstości kości w wyniku nagłego zaburzenia równowagi pomiędzy tworzeniem kości i resorpcją kości. Ten spadek estrogenów (np. estradiolu) prowadzi do zwiększenia szybkości przebudowy kości w wyniku wzrostu liczby osteoblastów i osteoklastów; chociaż usuwanie macierzy kostnej za pośrednictwem osteoklastów jest znacznie większe niż tworzenie kości przez osteoblasty8. Dlatego utrata BMD jest bardzo wyraźna, szczególnie w ciągu 3-5 lat po ostatniej miesiączce 9, przy wskaźniku utraty 2% rocznie 10. Równolegle do spadku BMD często obserwuje się spadek masy i siły mięśni, prawdopodobnie wynikający ze spadku w okresie menopauzy niektórych prekursorów (np. insulinopodobnego czynnika wzrostu typu 1, -IGF-1-)11. Należy zauważyć, że wytrzymałość kości zależy nie tylko od masy kości, ale także od wielkości, kształtu, struktury lub właściwości kolagenu 12. Ponieważ densytometria (DEXA) rejestruje tylko masę kości, rośnie zainteresowanie wykorzystaniem inne trójwymiarowe metody obrazowania, takie jak ilościowa tomografia komputerowa (QCT) w celu oceny wytrzymałości kości. QCT może pomóc w rozróżnieniu przedziału korowego i beleczkowego kości oraz ich względnym udziale w wytrzymałości kości in vivo. Podobnie zidentyfikowano różne biomarkery umożliwiające wykrywanie dynamiki przebudowy kości 13,14. National Bone Health Alliance i American Association for Clinical Chemistry sugerują, że najpowszechniej akceptowanymi biomarkerami do oceny interwencji w osteoporozie są C-końcowy telopeptyd kolagenu typu 1 -CTX-1- (resorpcja kości) i grupa aminowa końcowy propeptyd prokolagenu typu 1 -P1NP- (tworzenie kości) 13,14.

Istnieją dobrze znane modyfikowalne i niemodyfikowalne czynniki ryzyka osteoporozy. Elementy, których nie można modyfikować, obejmują wiek, występowanie w rodzinie złamań z powodu kruchości, cukrzycę typu 1, reumatoidalne zapalenie stawów lub leczenie raka (np. inhibitory aromatazy lub chemioterapia). W pierwszej grupie palenie tytoniu, nadmierne spożycie alkoholu, stosowanie kortykosteroidów, niedostateczna ilość wapnia lub witaminy D, niski wskaźnik masy ciała (BMI), siedzący tryb życia15 czy brak aktywności fizycznej, które byłyby kolejnym z głównych czynników ryzyka, mogą być uwzględnionym. Jednakże utrata masy kostnej może pozostać klinicznie cicha. Niedawne retrospektywne badanie dotyczące opieki zdrowotnej wykazało, że 79,4% pacjentów nie miało diagnozy ani leczenia osteoporozy na 12 miesięcy przed złamaniem 6. Zaskakujący jest fakt, że mniej niż połowa kobiet obciążonych wysokim ryzykiem złamań jest leczona pomimo wysokich kosztów złamań i dostępności niedrogich leków 2. W związku z tym według IOF istnieje duża niezaspokojona potrzeba dotycząca zapobiegania schorzeniom pomenopauzalnym osteoporozy, ponieważ wiele kobiet nie poddaje się zalecanym badaniom diagnostycznym lub nie ocenia podstawowego ryzyka osteoporozy 15.

Zapobieganie powinno być priorytetem w dążeniu do zmniejszenia obciążenia spowodowanego osteoporozą16. Oprócz zapobiegania należy dobrze rozważyć optymalizację zarządzania, od pierwszej pomocy po rehabilitację, aby zmniejszyć nadmierne koszty. Podejście w tej grupie populacji jest zwykle wielomodalne i obejmuje zarówno interwencje farmakologiczne, jak i niefarmakologiczne. W Europie najczęściej stosowanymi lekami na osteoporozę są bisfosfoniany, raloksyfen, leki na hormon przytarczyc i denosumab 17. Jednak powszechne i długotrwałe stosowanie tych leków jest ograniczone ze względu na możliwe skutki uboczne 18. Dlatego dieta i ćwiczenia fizyczne, wraz z innymi czynnikami środowiskowymi i stylem życia, stanowiłyby główne niefarmakologiczne strategie leczenia tej patologii 19. Chociaż jednak aktywność fizyczna jest modyfikowalnym czynnikiem przyczyniającym się do poprawy masy i siły kości, nasza wiedza na temat ilościowego określania wymiarów aktywności fizycznej, które są osteogenne (w tym częstotliwości, intensywności, czasu i rodzaju) jest niepełna. Nie ma wątpliwości, że aby zainicjować odpowiedź osteogenną, kość musi zostać poddana bodźcowi przekraczającemu próg określony przez zwykły zakres odkształceń w dominującym kierunku obciążenia19. Dokładnie, obciążenie mechaniczne, któremu podlegają ćwiczenia (uderzenia i skurcze mięśni) poddawane kości (np. napięcie, ucisk, ciśnienie hydrostatyczne) mogą promować osteogenne różnicowanie mezenchymalnych komórek macierzystych, zwiększając regulację osteoblastów poprzez różne mechanizmy 20. Aby zwiększyć skuteczność, ćwiczenie musi: (i) być dynamiczne, a nie statyczne; (ii) przekroczenie progu intensywności; (iii) przekroczenie progu częstotliwości odkształcenia; (iv) być stosunkowo krótkie, ale przerywane; (v) nałożenie na kości nietypowego układu obciążenia; (vi) uwzględniać odpowiednią dostępność wapnia i witaminy D21. Jednakże optymalne wzorce obciążenia kości, które przynoszą klinicznie istotne korzyści, nie zostały dotychczas jasno określone, ponieważ nie było możliwe łatwe ilościowe określenie intensywności ćwiczeń w kategoriach sił obciążających kości w warunkach klinicznych22. Pytanie 1

Najnowsze wytyczne dotyczące zapobiegania i leczenia osteoporozy poprzez ćwiczenia fizyczne sugerują interwencje trwające dłużej niż 8 miesięcy i łączące duży wpływ z treningiem siłowym o wysokiej intensywności. Interwencje, podczas których szybki chód (np. > 6 km/h) łączy się z czynnościami obejmującymi stosunkowo niewielką liczbę uderzeń (np. 10–50 skoków dziennie) o intensywności przekraczającej 2–4-krotność masy ciała (~ 3,9 G ), co najmniej 4 sesje w tygodniu i stosowanie ćwiczeń wieloosiowych w celu wygenerowania nietypowego obciążenia biodra, mogą pomóc kobietom po menopauzie zrekompensować związaną z wiekiem utratę masy kostnej 23. Byłyby to skuteczne strategie zachowania BMD u kobiet po menopauzie, przy poziomie dowodów 1a24. Jednakże nie ma dowodów na jego skuteczność w zapobieganiu złamaniom dalszej części kości promieniowej Q2, a także odsetek osób przerywających naukę w tego typu programach jest wysoki25 i pomimo dowodów uczestnicy często niechętnie podejmują ćwiczenia, powołując się na bariery, takie jak zły stan zdrowia, brak czasu ze względu na obowiązki rodzinne, brak towarzystwa i zachęty, brak dostępu do odpowiednich obiektów lub możliwości, lub koszty. Pacjenci z osteoporozą często jako główne bariery ograniczające ich udział w nadzorowanych programach szkoleniowych wskazują brak czasu i ograniczeń transportowych 26. Z tych powodów zasugerowano, aby próby interwencyjne odbywały się w warunkach łatwo dostępnych dla uczestników i zapewniały elastyczne harmonogramy ćwiczeń25.

W literaturze sugeruje się, że w interwencjach mających na celu zdrowie kości u młodych dorosłych kobiet istotne jest minimalizowanie postrzeganych wymagań czasowych (np. krótkie i elastyczne przerwy) oraz barier środowiskowych związanych z wygodą i dostępnością aktywności fizycznej 25 . Dlatego też, aby zwiększyć przestrzeganie zaleceń w tej grupie populacji, sugeruje się regularny kontakt z personelem badania, personalizację progresji i odpowiednie monitorowanie ćwiczeń (unikanie obaw związanych z bezpieczeństwem i brakiem pewności siebie). W niedawnym badaniu przeprowadzonym przez naszą grupę znaleziono dowody wskazujące, że programy ćwiczeń bez nadzoru mogą skutecznie poprawiać BMD u dorosłych kobiet. Jednakże dostępnych było tylko pięć badań z udziałem kobiet po menopauzie i ogólnie odnotowano znaczny odsetek osób przerywających naukę (ponad 40%) z powodu niechęci do kontynuowania nauki i choroby wśród głównych przyczyn. Dlatego też podkreślono konieczność zbadania skuteczności technologii zdalnych/wspomagających w dostarczaniu i monitorowaniu interwencji ćwiczeń bez nadzoru. Należy zadać pytanie, w jaki sposób można zarządzać wszystkimi tymi kwestiami, ułatwiając monitorowanie programu i eliminując zarysowane bariery?

Technologie mobilne i cyfrowe (mHealth) umożliwiają uzupełnienie programowania ćwiczeń w leczeniu osteoporozy poprzez dostarczanie informacji na temat mechaniki szkieletu podczas lokomocji23. Jednak mimo że przenośne urządzenia do śledzenia aktywności oferują potencjał wieloaspektowej interwencji pomagającej ludziom zwiększyć aktywność, w żadnym badaniu nie sprawdzano przydatności tych urządzeń do noszenia u kobiet po menopauzie ani w kończynach górnych Q3. Znaczenie osiągnięcia minimalnego progu stymulacji w celu uzyskania adaptacji kostnych zostało uzasadnione, gdyż niewystarczające obciążenia nie przyniosłyby pożądanego efektu, dlatego konieczne jest dokładne określenie ilościowe obciążeń mechanicznych, jakim poddawany jest układ mięśniowo-szkieletowy, co mogłoby zostać osiągnąć za pomocą niektórych biosensorów28. Jednak interwencje oparte na tego typu technologii, mające na celu zapobieganie osteoporozie, są bardzo rzadkie29, mimo że autorzy są zgodni co do ich potencjału nie tylko w zakresie zwiększania korzyści z interwencji, ale przede wszystkim poprawy ich przestrzegania.

Podsumowując, środowisko naukowe stoi w obliczu grupy kobiet o wysokim ryzyku zachorowania na osteoporozę (potencjalna częstość występowania złamań z powodu kruchości), która z jednej strony zagraża ich funkcjonalności i jakości życia, a z drugiej strony systemowi opieki zdrowotnej, z drugiej. Strategie zarządzania tą grupą sugerują włączenie zajęć wymagających treningu uderzeniowego i siłowego; jednakże bezpośredni pomiar odkształceń kości wymaga inwazyjnych zabiegów chirurgicznych, a pośredni pomiar sił reakcji podłoża ogranicza się do określonego miejsca i czasu, przez co jest niepraktyczny w długoterminowych pomiarach klinicznych. Ocena efektów tego typu interwencji mogłaby pomóc w zarejestrowaniu zmiennych, które po odpowiedniej analizie (np. uczeniu maszynowym) ułatwiają podejmowanie decyzji i zmniejszają wykorzystanie zasobów systemu opieki zdrowotnej. W związku z tym pojawiają się pytania: czy można zastosować pośredni substytut naprężeń kości, które można obecnie łatwo zmierzyć za pomocą nowatorskiego urządzenia pomiarowego opartego na akcelerometrze? Czy te urządzenia do noszenia można wykorzystać do badania wpływu obciążenia udarowego wywołanego wysiłkiem fizycznym na gęstość mineralną, geometrię i metabolizm kości u kobiet po menopauzie w celu oceny intensywności i wielkości obciążenia udarowego wymaganego do uzyskania efektów adaptacyjnych na poziomie nadgarstka? Hipoteza wyjściowa: Interwencja dotycząca stylu życia kontrolująca intensywność oddziaływania oraz ćwiczenia z użyciem urządzeń przenośnych poprawią skład i strukturę kości, sprawność fizyczną oraz jakość życia kobiet po menopauzie. Oceniając wpływ programu ćwiczeń ukierunkowanych na kości na pozaszkieletowe czynniki ryzyka złamań osteoporotycznych i sprawność fizyczną, naukowiec będzie w stanie zaprojektować technologiczną inteligentną platformę chmurową z technologiami cyfrowymi (sztuczna inteligencja, aplikacja mobilna i urządzenie do noszenia zarządzane w chmura), które mogłyby zostać wdrożone (po właściwej identyfikacji kluczowych czynników transferu wyników badań uzyskanych w fazie eksperymentalnej) do publicznego systemu społeczno-zdrowotnego, przyczyniają się do zapobiegania osteoporozie i złamaniom kruchym.

Procedury

Cel 1 Uczestnicy będą mieli trzy dni na wypełnienie protokołu pomiarowego. Pierwszego dnia udają się do szpitala i uzupełniają informacje socjodemograficzne i kliniczne. Następnie otrzymają akcelerometr i wszystkie kwestionariusze do wypełnienia w domu. Ponadto uczestnicy ze szpitala zostaną skierowani jeszcze jeden dzień na analizę biochemiczną, QCT i densytometrię. Drugiego dnia uczestnicy zostaną wezwani do laboratorium uniwersyteckiego w celu zwrotu akcelerometrów i kwestionariuszy oraz przystąpią do testów sprawności fizycznej. Wreszcie podczas trzeciej wizyty w laboratorium uczestnicy zostaną zaznajomieni z obsługą urządzenia do nagrywania. Na koniec wszyscy uczestnicy otrzymają codzienny suplement witaminy D w wysokości 600 jm/dzień. W przypadku niedoboru poziomu w surowicy będzie ona dostarczana przez 4 miesiące: 1 fiolka 25 000 jm na miesiąc, jeśli <20 ng/ml, 1 fiolka 25 000 jm co 15 dni, jeśli <15 ng/ml, 1 fiolka 25 000 jm co tydzień, jeśli < 10 ng/ml. Spożycie wapnia zostanie obliczone na podstawie danych z 3 dni i uzupełnione do 1200 mg na dzień.

Interwencja dotycząca stylu życia

A. Program zwiększania aktywności fizycznej i oddziaływań. Do interwencji zostanie wykorzystany biosensor – urządzenie do noszenia na ciele – (Fitbit Versa). Urządzenie jest połączone z aplikacją (Weapom), która pozwala użytkownikom określić ilościowo liczbę kroków (w tym szybkość kroków na minutę), wpływ i ich intensywność. Użytkownicy otrzymają informację zwrotną z aplikacji na temat stopnia osiągnięcia celów zaproponowanych w programie oddziaływania (EV). Proponowane będzie wykonanie 50 skoków pionowych i wielokierunkowych dziennie (kamień milowy 1. Rejestrowana będzie liczba skoków > 3,9 G dziennie 28, podzielona na 3-5 serii po 10-20 powtórzeń z minimalną 1-2 minutową przerwą pomiędzy seriami. Stosowana będzie częstotliwość od 4 do 7 dni w tygodniu. W ten sam sposób zalecane będzie osiągnięcie 10 000 kroków dziennie (kamień milowy 2. Liczba kroków dziennie będzie rejestrowana) i w miarę możliwości w szybkim tempie (kamień milowy 3. Liczba minut chodzenia dziennie w rejestrowane będzie tempo powyżej 110 kroków na minutę, ponieważ jest to uważane za próg umiarkowanej intensywności w tym przedziale wiekowym 40 lat. Dlatego też, zgodnie z nowymi wytycznymi WHO 41 dotyczącymi aktywności fizycznej i siedzącego trybu życia, ilościowo zostanie określone, czy udało się osiągnąć 150 minut tygodniowo umiarkowanej aktywności fizycznej. Dodatkowo, aby szczególnie skupić się na sile promienia, należy zarejestrować 50 (3 do 5 cm) upadków z całkowicie wyprostowanymi ramionami. Równolegle uczestnicy obu grup otrzymają za pośrednictwem aplikacji przepisy bogate w wapń oraz kalkulator pozwalający obliczyć spożycie wapnia i innych mikroelementów w diecie. Otrzymają także informacje na temat osteoporozy i strategii jej zapobiegania (np. porady dotyczące ekspozycji na słońce).

B. Grupa kontrolna Uczestnicy losowo przydzieleni do CON otrzymają od personelu medycznego ogólne porady dotyczące pozytywnego wpływu aktywności fizycznej i aspektów żywieniowych w profilaktyce osteoporozy. Uczestnicy tej grupy będą nosić urządzenie, ale nie będą mieli dostępu do aplikacji Muvone.

Cel 2 Po umieszczeniu akcelerometrów uczestnicy wypełnili standardowy protokół ćwiczeń podczas sesji ćwiczeń laboratoryjnych. Protokół ćwiczeń składał się z pięciu skoków w przeciwstawnym ruchu (CMJ) z 30-sekundową przerwą pomiędzy każdym skokiem. Wysokość skoku mierzono za pomocą systemu bariery świetlnej (OptoGait, Microgate, Bolzano, Włochy). Następnie uczestnicy wykonali cztery ćwiczenia na bieżni (HP-Cosmos®, Traunstein, Niemcy): marsz/bieganie z szybkością 4,8, 6,4, 9,7 i 12 km·h-1. Czas trwania każdego treningu na bieżni wynosił 2 minuty z 1-minutową przerwą pomiędzy nimi stan : schorzenie. Uczestnicy stali nieruchomo podczas przerw na odpoczynek i wykonywali każdy protokół ćwiczeń w losowej kolejności. Aby ocenić czasowo-przestrzenne parametry chodu podczas protokołu, zastosowano system fotokomórek umieszczony na podłodze (OptoGait, Microgate, Bolzano, Włochy). Na koniec uczestnicy zostaną poinstruowani, aby ułożyć golenie na miękkiej poduszce i wyprostować kolana, aby pochylić się do przodu. Udo będzie ustawione pod kątem 30° od poziomu. Uczestnicy zostaną podniesieni, aby osiągnąć odpowiednią wysokość od podłoża (3 cm lub 5 cm pomiędzy dłonią a płytkami siłowymi). Badani zostaną poinstruowani, aby łokcie były całkowicie wyprostowane (tj. wyciągniętymi rękami), a kąt ramienia będzie ustawiony na 15° do pionu. Każdy uczestnik wykona dziesięć prób, które obejmowały pięć prób w h=3 cm, 15 minut odpoczynku i pięć eksperymentów w h=5 cm.

Aby ocenić intensywność i wielkość obciążenia udarowego, wartości szczytowe przyspieszenia pionowego zostaną zarejestrowane za pomocą monitora ruchu ludzkiego ciała opartego na akcelerometrze (Fitbit). Monitor noszony był na nadgarstku 2 cm powyżej nadkłykcia przyśrodkowego. W celu indywidualnej oceny codziennej aktywności fizycznej wszyscy uczestnicy zostaną poproszeni o noszenie monitora przez całą dobę przez 36 tygodni. Liczba dziennych szczytów przyspieszenia będzie rejestrowana przy 33 poziomach przyspieszenia od 0,3 do 9,9 g. Do analizy zostanie obliczona indywidualna średnia dzienna liczba szczytów na każdym poziomie przyspieszenia. Liczby przy różnych poziomach przyspieszenia zostaną przeanalizowane w celu opisania intensywności ćwiczeń. Wcześniej sprawdzono niezawodność metody opartej na akcelerometrze z wykorzystaniem trójwymiarowego prototypu. Jednak w tym projekcie uderzenia będą mierzone na poziomie nadgarstka. Wartości szczytowe uzyskano głównie bezpośrednio po kontakcie pięty podczas różnych czynności; ponadto szczytowe wartości przyspieszenia zostaną porównane z wartościami uzyskanymi jednocześnie przy użyciu standardowego systemu optycznej analizy ruchu. Ponadto wartości przyspieszenia zostaną także porównane z GRF zmierzonym za pomocą płytki siłowej (Kistler 9287A, Kistler Instrument, Szwajcaria), przy czym wartości przyspieszenia zostaną pomnożone przez masę ciała.

Cel 3 W celu zidentyfikowania kluczowych czynników transferu wyników badań uzyskanych w fazie eksperymentalnej do publicznego systemu społeczno-zdrowotnego, wyniki zostaną omówione podczas 3 spotkań przez grupę ekspertów w dziedzinie systemu zdrowia (np. dyrektor ośrodków podstawowej opieki zdrowotnej lub polityk ze strefy zdrowia Junta de Andalucía, dwóch dyrektorów ośrodków podstawowej opieki zdrowotnej, specjalista ds. promocji zdrowia, pielęgniarka opiekująca się pacjentami z osteoporozą itp.). Zostaną zaprojektowane różne modele z wykorzystaniem danych biochemicznych, obrazowych, stanu klinicznego i fizycznego, które pomogą personelowi medycznemu określić najważniejsze czynniki determinujące odpowiedź na tego rodzaju leczenie. Z całego zestawu zmiennych zawartych w elektronicznej dokumentacji medycznej zostanie zaprojektowany nowy model medyczny obejmujący jedynie wybrane zmienne o dużym wpływie (podzbiór danych) obliczone za pomocą technik selekcji funkcji uczenia maszynowego. Określone zostaną korzyści zdrowotne (QUALY) i koszty, a także obliczony zostanie stosunek kosztów do efektywności (ICUR).