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Influencia de la obesidad sobre la microarquitectura y las propiedades biomecánicas en pacientes con fractura de cadera

ORIGINALES ( PDF )   Rev Osteoporos Metab Miner 2017 9;1:20-27

Giner M1,2, Montoya MJ3, Miranda C1, Vázquez MA3, Miranda MJ1, Pérez-Cano R1,3

1 Unidad de Osteoporosis - Servicio Medicina Interna - Hospital Universitario Virgen Macarena - Sevilla (España)
2 Departamento de Citología Normal y Patológica - Facultad de Medicina - Universidad de Sevilla - Sevilla (España)
3 Departamento de Medicina - Facultad de Medicina - Universidad de Sevilla - Sevilla (España)

PALABRAS CLAVE: osteoporosis, obesidad, microestructura hueso trabecular, biomecánica, densidad mineral ósea, marcadores remodelado óseo.


Introducción: La obesidad y la osteoporosis (OP) son dos patologías muy prevalentes en nuestra sociedad actual. El efecto de la obesidad sobre la calidad ósea se encuentra en debate en la actualidad. Objetivo: Valorar el efecto del peso corporal sobre la microestructura y las propiedades biomecánicas de hueso trabecular procedente de biopsias de extremidad proximal de fémur de pacientes con fractura de cadera por fragilidad. Material y método: Estudio transversal de 16 pacientes con fractura de cadera. 2 grupos según su IMC: (A) sujetos normopeso y (B) con obesidad. Recogimos biopsias de hueso trabecular de cabeza femoral. Valoramos determinaciones bioquímicas (PTH, 25(OH) vitamina D e IGF-1), marcadores de remodelado óseo (PINP,CTX), masa ósea (DMO cuello y cadera total), microestructura ósea y estudio biomecánico (µCt). El análisis estadístico: t-Student (SPSS 22.0) significación p<0,05. Resultados: Todos los pacientes presentaron DMO de cadera en rango osteoporótico. El grupo de obesos presentó niveles superiores de PTH e inferiores de IGF-1, vitamina D y PINP. No encontramos diferencias en los parámetros relacionados con el metabolismo óseo. El grupo de obesos presentó mejores índices microestructurales alcanzando la significación: mayor volumen óseo (BV/TV: 36,6±12,7 vs. 19,4±11,4%, BS/TV: 5,5±1,1 vs. 3,9±1,3%), mayor número de trabéculas (Tb.N: 1,6±0,4 vs. 1,01±0,4), mayor anchura de trabéculas (Tb.Th: 0,22±0,003 vs. 0,17±0,05) y menor separación trabecular (Tb.Sp: 0,51±0,12 vs. 0,66±0,16). Los parámetros biomecánicos confirman una mayor resistencia del hueso trabecular en pacientes obesos. Conclusión: La obesidad puede ser un factor protector de la calidad ósea en la región femoral y tiene menos efecto sobre la densidad mineral ósea.

Introducción
La obesidad y la osteoporosis (OP) son patologías que vienen presentándose de forma epidémica durante las últimas décadas. Ambas son enfermedades de etiología multifactorial, de curso crónico y con una importante morbimortalidad relacionadas con las sociedades económicamente desarrolladas [1,2]. La relación entre ellas ha sido ampliamente investigada desde diferentes puntos de vista, incluyendo estudios epidemiológicos, clínicos y de investigación básica, y se han propuesto diferentes nexos de unión, tales como: 1) ambas están influidas por factores genéticos y ambientales, o la interacción entre ambos; 2) el envejecimiento se asocia con ellas, con alta incidencia de pérdida ósea y adiposidad en la médula ósea; 3) tanto remodelado óseo como obesidad son regulados por un complejo de adipoquinas y hormonas; 4) la actividad física mejora las dos patologías; y 5) adipocitos y osteoblastos derivan de progenitores comunes [3].
La obesidad está determinada por un disbalance en el que la ingesta calórica excede al consumo durante un periodo prolongado [3,4] y constituye un factor de riesgo de hipertensión, dislipemia, diabetes mellitus, enfermedad cardiovascular y algunas formas de tumores [5]. La osteoporosis es una enfermedad metabólica ósea caracterizada por un descenso en la resistencia ósea debido a una reducción en la cantidad y/o calidad ósea, que conduce a un mayor riesgo de fracturas espontáneas y traumáticas [6].
Tradicionalmente, la obesidad se ha venido considerando como un factor protector de la pérdida ósea y de osteoporosis, por la relación positiva entre peso corporal, o índice de masa corporal (IMC), con la densidad mineral ósea (DMO), que es uno de los principales determinantes del riesgo de fractura osteoporótica [7]. Este efecto beneficioso del peso corporal sobre la DMO se ha relacionado fundamentalmente con la mayor formación ósea, debido a la carga mecánica, además de la contribución de hormonas derivadas del tejido graso y su acción sobre el metabolismo óseo [6,8]. Se ha visto que la incidencia de fracturas de cadera está disminuida en sujetos con un elevado IMC [9], y al contrario un bajo IMC (inferior a 18 kg/m2) se ha comprobado que es un factor de riesgo de fractura osteoporótica [10]. Sin embargo, evidencias más recientes, señalan que mientras el sobrepeso (IMC entre 25-29 kg/m2) protege frente a la OP, la obesidad (IMC >30) interfiere con la salud ósea [11]. Así, se ha comprobado que las fracturas en los niños están asociadas con alteraciones en la composición corporal, tales como un incremento en la adiposidad y en la estructura ósea [12] y se ha descrito un riesgo de osteoporosis y fracturas no vertebrales en sujetos con más alta proporción de grasa corporal, independientemente del peso [11]. Esto ha llevado a sugerir que la relación entre el índice de masa corporal y la obesidad, por un lado, y el riesgo de fractura por fragilidad y la DMO por otra parte es compleja. Un meta-análisis publicado en 2014 demostró que más del 80% de las fracturas por osteoporosis (incluyendo la cadera) se encontraron en las mujeres con un IMC <30 kg/m2 [13] y en mujeres obesas se ha visto que existe una mayor prevalencia de fracturas de húmero proximal y tobillo [14,15].
En la obesidad también se han descrito alteraciones en los parámetros relacionados con el metabolismo óseo, tales como niveles insuficientes de vitamina D y elevados de PTH, junto con marcadores de remodelado óseo de formación y reabsorción [16], lo cual apunta, una vez más, a un efecto negativo del tejido graso sobre el óseo. Además, el metabolismo energético está estrechamente vinculado a la respuesta osteoblástica frente a la insulina regulando la homeostasis y remodelado óseo. En estadios de normaglucemia, la insulina estimula osteoblastogénesis y la producción de RANKL induciendo a un aumento del recambio óseo. Por otro lado, la liberación al medio de osteocalcina descarboxilada regula la producción de insulina de manera endocrina [17].
El efecto de la obesidad sobre la calidad ósea también se encuentra en debate en la actualidad y son muy pocos los estudios que han valorado la microestructura y las propiedades del hueso en esta patología. Así se ha señalado en mujeres premenopáusicas con obesidad una relación inversa entre la masa grasa y el índice Trabecular Bone Score (TBS), valorado en columna lumbar, mientras que no había relación con el análisis estructural de la cadera (HSA) [18]. También se ha comunicado una reducción de hueso cortical, por una mayor porosidad, y sin embargo un aumento de la DMO trabecular volumétrica analizada por tomografía computarizada periférica [19] y una correlación negativa de las propiedades del hueso cortical, en los índices de resistencia (por microindentación), con el IMC y la masa grasa total [20].
Nuestro objetivo es valorar el efecto del peso corporal sobre la microestructura y las propiedades biomecánicas de hueso trabecular procedente de biopsias de extremidad proximal de fémur de pacientes obesos frente a normopeso con fractura de cadera por fragilidad.

Material y métodos
1. Diseño del estudio y sujetos
El presente trabajo es un estudio experimental, analítico y transversal de casos y controles. Fue aprobado por el Comité de Ética del Hospital Virgen Macarena y el consentimiento informado por escrito se obtuvo de todos los participantes. Todos los pacientes incluidos accedieron a donar sus muestras óseas para el estudio.
Los pacientes han sido incluidos de forma aleatoria. Ingresaban en la Unidad de Gestión Clínica de Traumatología del Hospital Universitario Virgen Macarena para ser intervenidos de artrosplastia de cadera por fractura osteoporótica por fragilidad o por caída de altura inferior a la del individuo sin mecanismo de aceleración, todos ellos mayores de 65 años. Incluimos 16 pacientes divididos en dos grupos según IMC: 7 sujetos formaron el grupo A con ICM <25, y 9 el grupo B con ICM >30.
Excluimos a los pacientes que tomaban medicación con influencia sobre el metabolismo óseo (antirresortivos, osteoformadores, corticoides y anticonvulsivantes) y/o suplemento de vitamina D o calcio. A todos ellos se les realizó la historia clínica, determinaciones densitométricas, histomorfométricas y biomecánicas.

2. Datos clínicos
Se les realizó una historia clínica que incluía datos de filiación; fecha de nacimiento; medidas antropométricas: peso (kg); altura (cm) e índice de masa corporal (IMC) (peso en kg/altura en m2). Antecedentes de osteoporosis y fracturas previas.

3. Determinaciones bioquímicas
Las determinaciones bioquímicas, a partir de las muestras de suero, fueron realizadas en el Servicio de Bioquímica del Hospital Universitario Virgen Macarena (Sevilla).
Los parámetros que se determinaron fueron: glucosa, hemoglobina glicosilada (HbA1c), calcio, fósforo, factor de crecimiento de tipo insulínico 1 (IGF-I), fosfatasa alcalina total (FAT), telopéptido carboxilo-terminal del colágeno tipo I (?-CrossLaps) y propéptido amino-terminal del colágeno tipo I (P1NP) en autoanalizador ADVIA 2400 (Siemens). La vitamina D [25(OH)D3] y la PTH se determinaron mediante inmunoensayo quimioluminiscente (CLIA) en el equipo de Inmunoensayo CP ADVIA Centaur (Siemens).

4. Valoración de la masa ósea
Cuantificamos la densidad mineral ósea (DMO) de columna lumbar (L2-L4) y cadera (cadera total y cuello femoral) mediante Absorciometría Dual de Rayos X (DXA, Hologic-Discovery, Hologic Inc., Waltham, Massachusetts, EE.UU.). In vivo el CV fue 1,40% (columna L2-L4), 2,9% (cuello de femur) y 2,5% (cadera total).

5. Histomorfometría ósea y estudio biomecánico
El análisis microestructural de las biopsias se llevó a cabo mediante microtomografía computarizada (micro-TC) empleando el equipo comercial SkyScan 1172, 100 kV, 1.3 MPixels. Se realizó el escaneado de toda la muestra para reconstruir las imágenes y utilizarlas para el análisis cuantitativo y cualitativo de la microestructura ósea trabecular. Para el análisis de dicha microestructura se empleó el software proporcionado con el equipo de microtomografía (CTAn 1.7.0.5). Las variables cuantitativas que se determinaron fueron: fracción volumétrica ósea (BV/TV), superficie específica ósea (BS/BV), densidad de superficie ósea (BS/TV), grosor trabecular (Tb.Th), número trabecular (Tb.N), separación trabecular (Tb.Sp), grado de anisotropía (DA), relación entre estructuras en forma de platos y barras (como structural model index, SMI) y conectividad trabecular (como trabecular pattern factor, Tb.Pf).
Las muestras se sometieron a un test mecánico de compresión monoaxial hasta su rotura con el objetivo de evaluar las propiedades mecánicas elástico-plásticas de la biopsia (Microtest EM1/10/FR/m) a una velocidad de carga constante y empleando una célula de carga de 1 kN o de 10 kN, una vez obtenida la curva de fuerza-desplazamiento se determinó el módulo elástico de Young (E), la dureza (u), la tensión máxima soportada (?), la fuerza máxima alcanzada (F), la rigidez (S) y la energía necesaria para fracturar (U).

6. Análisis estadístico
Las variables fueron analizadas para la distribución de la normalidad mediante la prueba de Kolmogorov-Smirnov. Se realizó la prueba t de Student para determinar diferencias estadísticamente significativas entre los dos grupos.
Para el manejo estadístico de resultados se ha utilizado el paquete SPSS versión 22.0 para Windows (IBM Corp., Armonk, Nueva York, EE.UU.). En todos los casos se consideró como nivel de significación p<0,05.
Los datos son expresados como media ± DS.


Resultados
Las características antropométricas y la DMO de cadera, cuello de fémur y columna se muestran en la tabla 1. Ambos grupos fueron similares en cuanto a edad, peso y estilo de vida. Los valores de DMO, expresados de forma absoluta y la T-score de cadera, cuello de fémur y de columna son inferiores en el grupo de normopeso, obteniendo la mayor diferencia en la T-score de cadera de -2,87±0,84 en sujetos con normopeso y -1,67±1,07 en sujetos con obesidad aunque estas diferencias no fueron estadísticamente significativas.

El FRAX® riesgo a 10 años de fractura mayor y de cadera fue menor en los pacientes obesos que en los pacientes con un IMC <25 Kg/m2 aunque no fue estadísticamente significativo.
El análisis bioquímico, de parámetros relacionados con el metabolismo óseo, se muestra en la tabla 2. No observamos diferencias entre ambos grupos de estudio. Cabe destacar que los niveles de vitamina D se encontraron por debajo de 20 ng/mL en casi todos los pacientes estudiados independientemente del IMC del paciente.

Los índices microestructurales muestran diferencias en la microarquitectura del hueso esponjoso entre ambos grupos (Figura 1). El grupo de sujetos obesos presenta mayor BV/TV (p=0,015), BS/TV (p=0,015), Tb.Th (p=0,04) y Tb.N (p=0,007). Además, tienen menor separación trabecular Tb.Sp (p=0,038) y valores inferiores de Tb.Pf (p=0,015) y SMI (p=0,012). Indicando todo ello una mejor microestructura ósea en los sujetos osteoporóticos obesos frente a los con normopeso.

Los parámetros biomecánicos estudiados (Figura 2) confirman una mayor resistencia del hueso trabecular en pacientes obesos respecto a los sujetos con normopeso. El grupo obeso mostró una rigidez mayor, tanto en la rigidez debida a las características estructurales (p=0,029), como a la debida a las propiedades del material de hueso: el módulo de Young (p=0,01), la tensión máxima (p=0,036) y la fuerza máxima alcanzada (p=0,034). Además, la energía necesaria para fracturar al hueso osteoporótico obeso es el doble que en los sujetos con normopeso, aunque esta diferencia no llegó a alcanzar significación estadística.


Discusión
El efecto de la obesidad sobre el tejido óseo todavía no está claro. Si bien es conocido que las mujeres obesas tienen reducido el volumen de hueso cortical e incrementado el volumen del hueso trabecular [19], existen pocos datos sobre la repercusión en la microestructura y/o biomecánica del hueso de personas obesas.
Nuestros resultados señalan un efecto positivo del peso corporal sobre parámetros de microarquitectura y biomecánica en hueso trabecular. A pesar de que ambos grupos de estudio han presentado fractura de cadera, con valores de DMO semejantes, las características de calidad ósea son mejores en el grupo de personas obesas que en personas con normopeso.
El estudio por micro-CT de las biopsias de hueso trabecular de la cabeza de fémur procedentes de los pacientes fracturados obesos, nos indica que presentan una mayor cantidad de hueso, en relación con el volumen corporal total, una mayor densidad ósea y mayor número de trabéculas, siendo además éstas más anchas. A la vez, también obtuvimos que las trabéculas tienen menor separación entre ellas. Todos estos valores microestructurales correlacionan con los valores obtenidos en los estudios de biomecánica en los que observamos como el hueso trabecular de los pacientes obesos presentan una mayor rigidez y un mayor modelo de Young que el grupo de sujetos con un IMC <25 kg/m2.
Consideramos que este efecto sobre la microarquitectura puede ser debido a dos hechos fundamentales: a factores hormonales y/o mecánicos. A nivel hormonal, el incremento de la aromatización de los estrógenos a andrógenos que se da en el tejido adiposo, produce una disminución de las hormonas sexuales unidas a globulina, una mayor transformación de las hormonas suprarrenales a estronas a nivel periférico e hiperinsulinemia, lo cual conlleva un efecto mitógeno en los osteoblastos [21]. Además, estos pacientes, al soportar mayor peso, tiene una mayor actividad mecánica sobre el hueso que también puede actuar de manera estimuladora para la osteogénesis [19,21-23].
El efecto positivo del peso corporal sobre el tejido óseo también nos lleva a cuestionar si el tejido graso, muscular o ambos, en mayor o menor cuantía, son los responsables de estos resultados. Si es la mayor cantidad de tejido graso o el muscular la responsable de este efecto beneficioso esquelético no podemos asegurarlo, ya que no disponemos de datos sobre composición hormonal ni de niveles séricos de adipoquinas y mioquinas en estos sujetos.
Nuestros resultados no concuerdan con los de otros autores que señalan una peor microestructura ósea de fémur en personas obesas [24]. Sin embargo, estos autores no presentan resultados de biopsias óseas sino que los valores microestructurales son evaluados por DXA. Recientemente Shen et al., en un estudio similar, no han encontraron tales diferencias concluyendo que el tejido adiposo puede interferir en los valores obtenidos ya que por DXA, los tejidos blandos que rodean el hueso, pueden dar una lectura errónea en la medida del área ósea y por tanto de la cantidad de contenido mineral óseo [25,26].
La obesidad se asocia a una mayor masa ósea y a un menor riesgo de fracturas de cadera. Sin embargo, otras fracturas como las de tobillo u húmero tienen una mayor incidencia en personas obesas [27]. En nuestro caso, la DMO fue comparable en ambos grupos de estudio, la probabilidad de fractura según FRAX® también fue semejante entre sujetos con normopeso y obesos, pero hemos de considerar que en todos nuestros pacientes ya estaba presente la fractura de cadera, no había una mayor incidencia de fracturas previas en las personas obesas respecto a las de normopeso.
Nuestros pacientes obesos presentan ligeros aumentos de los niveles de PTH y menores de vitamina D y P1NP. En mujeres sanas post-menopáusicas los valores de PTH correlacionan positivamente con el IMC [19] y están descritos bajos niveles de vitamina D. Estos menores niveles de vitamina D se han atribuido a una mayor absorción de dicha hormona por parte de los adipocitos [28] y a una menor exposición solar, debida a la menor movilidad que presentan los sujetos obesos [29]. Por otro lado, está descrito que los pacientes obesos tienden a tener una menor actividad del remodelado óseo; se desconoce si esto es debido al efecto de otras enfermedades asociada a la obesidad como la diabetes mellitus tipo 2, entre otras, y/o por efecto de las adipoquinas y mioquinas sobre el remodelado [21,29].
Nuestro estudio tiene varias limitaciones: la principal es el tamaño de la muestra, que es relativamente pequeño, pero los datos obtenidos de microestructura y biomecánica, que eran el objetivo de nuestro estudio, son bastante contundentes y con fuerza estadística. No disponemos de niveles séricos de adipoquinas y hormonas derivadas del tejido graso para poder relacionarlos con los parámetros microestructurales y biomecánicos
En conclusión, podemos decir que las mediciones de las biopsias de hueso trabecular procedentes de la cabeza del fémur, nos indican que los pacientes obesos presentan mejores propiedades biomecánicas y mejor microarquitectura ósea que los pacientes con normopeso, mostrando un efecto beneficioso del peso corporal sobre la calidad del hueso.

Agradecimientos: Nuestro más profundo agradecimiento a todos los participantes en el estudio y para el personal de la Unidad de Gestión de Ortopedia y Traumatología del H.U.V. Macarena Ortopedia y Traumatología (España). Este estudio he estado financiado por el Proyecto de Investigación de Excelencia de la Junta de Andalucía (España) (CTS-5360/09) y por el ISCIII 2013-RED 12-0043 (RETICEF).
Conflicto de intereses: Los autores declaran no tener conflicto de intereses en relación con este trabajo.

Ética: El estudio fue aprobado por el Comité de Ética Institucional (HUV Macarena, Sevilla, España) y el consentimiento informado se obtuvo de cada participante.

DOI: http://dx.doi.org/10.4321/S1889-836X2017000100004


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