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Mecanoterapia: cómo la prescripción de ejercicio de los fisioterapeutas promueve la reparación de los tejidos

Khan, Karim M., and Alex Scott. “Mechanotherapy: how physical therapists’ prescription of exercise promotes tissue repair.” British journal of sports medicine 43.4 (2009): 247-252.

http://dx.doi.org/10.1136/bjsm.2008.054239

La mecanotransducción es el proceso fisiológico en el que las células detectan y responden a cargas mecánicas. Este documento reclama el término “mecanoterapia” y presenta el conocimiento científico actual que respalda cómo la carga se puede utilizar terapéuticamente para estimular la reparación y remodelación de tejidos en tendones, músculos, cartílagos y huesos. El propósito de este breve artículo es responder una pregunta frecuente: “¿Con qué precisión el ejercicio promueve la curación de los tejidos?” Esta es una pregunta fundamental para los médicos que prescriben ejercicio para tendinopatías, desgarros musculares, artropatías no inflamatorias e incluso carga controlada después de fracturas. 

¿QUÉ ES LA MECANOTRANSDUCCIÓN?

La mecanotransducción se refiere al proceso por el cual el cuerpo convierte la carga mecánica en respuestas celulares. Estas respuestas celulares, a su vez, promueven el cambio estructural. Un ejemplo clásico de mecanotransducción en acción es la adaptación ósea a la carga. Un hueso pequeño y relativamente débil puede hacerse más grande y más fuerte en respuesta a la carga apropiada a través del proceso de mecanotransducción. 

Se realizaron búsquedas en PUBMED, EMBASE, MEDLINE, CINAHL, Google, Wikipedia, Melways y varias colecciones de la biblioteca para obtener la referencia más temprana a “mecanotransducción”. El primer artículo al que se hace referencia bajo este término es de McElhaney et al en el volumen 1 del Journal of Biomechanics , pero el término no se utiliza en ese documento. Aunque hay 2441 citas en MEDLINE para mecanotransducción, la palabra no se encuentra en la edición actual del Oxford English Dictionary. Una definición formal útil de mecanotransducción podría ser “los procesos mediante los cuales las células convierten estímulos mecánicos fisiológicos en respuestas bioquímicas”. La mecanotransducción generalmente se divide en tres pasos: (1) acoplamiento mecánico, (2) comunicación célula-célular y (3) la respuesta efectora. Para simplificar esto para los pacientes, estos mismos elementos pueden considerarse como (1) el gatillo mecánico o catalizador, (2) la comunicación a través de un tejido para distribuir el mensaje de carga y (3) la respuesta a nivel celular para efectuar la respuesta —Es decir, la “fábrica” de tejidos que produce y ensambla los materiales necesarios en la alineación correcta. La comunicación en cada etapa se produce a través de la señalización celular: una red de información de proteínas mensajeras, canales iónicos y lípidos. En la siguiente sección, detallamos estos tres pasos utilizando el tendón como ilustración; Los procesos fundamentales también se aplican a otros tejidos musculoesqueléticos.

1. Mecanoacoplamiento

El acoplamiento mecánico se refiere a la carga física (a menudo corte o compresión) que causa una perturbación física a las células que forman un tejido. Por ejemplo, con cada paso, el tendón de Aquiles recibe cargas de tracción generadas por tres elementos del complejo gastrocnemio-sóleo y, por lo tanto, las células que componen el tendón experimentan fuerzas de tensión y corte. Los tendones también pueden experimentar fuerzas de compresión (Fig. 1A, B ). Estas fuerzas provocan una deformación de la celda que puede desencadenar una amplia gama de respuestas según el tipo, la magnitud y la duración de la carga. La clave para el acoplamiento mecánico, como su nombre lo indica, es la perturbación física directa o indirecta de la célula, que se transforma en una variedad de señales químicas tanto dentro como entre las células.

Figura 1
Fig. 1 – Célula tendinosa sometida a cizalladura (A, B) y compresión (C) durante un ciclo de carga tendinosa.

2. Comunicación célula-célula

El párrafo anterior ilustraba el acoplamiento mecánico al enfocarse en una sola célula, pero retrocedamos para examinar un área de tejido más grande que contiene miles de células incrustadas dentro de una matriz extracelular (Fig. 2). Las proteínas de señalización para este paso incluyen calcio e inositol trifosfato. El proceso de comunicación célula-célula se entiende mejor mediante ilustración (Fig. 2) y animación (diapositivas complementarias en línea). El punto crítico es que el estímulo en una ubicación (ubicación “1” en la Fig. 2C) conduce a que una célula distante registre una nueva señal (ubicación “2” en la Fig. 2E) aunque la célula distante no recibe un estímulo mecánico.

Figura 2
Fig. 2 – El tejido tendinoso proporciona un ejemplo de comunicación célula-célula. 
(A) El tendón intacto consiste en una matriz extracelular (incluido el colágeno) y células tendinosas especializadas (puntas de flecha). 
(B) Tendón con colágeno eliminado para revelar la red celular interconectada. 
Las células están físicamente en contacto en todo el tendón, lo que facilita la comunicación célula-célula. 
Las uniones huecas son las regiones especializadas donde las células se conectan y comunican pequeñas partículas cargadas. 
Se pueden identificar por su proteína específica conexina 43. (C – E) Curso temporal de la comunicación célula-célula desde (C) comenzando, hasta (D) el punto medio hasta (E) el final. 
Las proteínas de señalización para este paso incluyen calcio (esferas rojas) e inositol trifosfato (IP3).

El tejido tendinoso proporciona un ejemplo de comunicación célula-célula. (A) El tendón intacto consiste en una matriz extracelular (incluido el colágeno) y células tendinosas especializadas (puntas de flecha). (B) Tendón con colágeno eliminado para revelar la red celular interconectada. Las células están físicamente en contacto en todo el tendón, lo que facilita la comunicación célula-célula. Las uniones huecas son las regiones especializadas donde las células se conectan y comunican pequeñas partículas cargadas. Se pueden identificar por su proteína específica conexina 43. (C – E) Curso temporal de la comunicación célula-célula desde (C) comenzando, hasta (D) el punto medio hasta (E) el final. Las proteínas de señalización para este paso incluyen calcio (esferas rojas) e inositol trifosfato (IP3).

3. Respuesta de la célula efectora

Para ilustrar la tercera parte de la mecanotransducción (respuesta de la célula efectora), nos centramos en el límite entre la matriz extracelular y una sola célula (Fig. 3). Este proceso puede aprovecharse mediante mecanoterapia para promover la reparación y remodelación de tejidos. Los pasos principales en mechanotransduction para los tejidos conectivos se han desentrañado esencialmente para el hueso, pero no siendo elementos desconocidos en las vías de señalización de carga inducida por el músculo,tendón y el cartílago articular. El lector que busca explicaciones más detalladas del proceso de síntesis de proteínas generalmente se refiere a textos clásicos (por ejemplo, Alberts et al.14]). Para explicaciones más detalladas de mechanotransduction en el tejido conectivo por que el trabajo de Ingber, Arnoczky, Banes, y Hart. 

figura 3
Fig. 3 – La carga mecánica estimula la síntesis de proteínas a nivel celular. 
(A) Una imagen a mayor escala de la red de células tendinosas para orientación. 
Nos centramos en una región muy pequeña. 
(B) Al acercarse a esta región, se revela la membrana celular, las proteínas de la integrina que unen las regiones intracelular y extracelular, y el citoesqueleto, que funciona para mantener la integridad celular y distribuir la carga mecánica. 
El núcleo celular y el ADN también se ilustran. 
(C) Con el movimiento (se ilustra el cizallamiento), las proteínas de la integrina activan al menos dos vías distintas. 
(D) Uno involucra el citoesqueleto que está en comunicación física directa con el núcleo (es decir, tirar del citoesqueleto envía una señal física al núcleo celular). 
Otra vía es activada por las integrinas que activan una serie de agentes de señalización bioquímicos que se ilustran esquemáticamente. 
Después de una serie de pasos intermedios, esas señales bioquímicas también influyen en la expresión génica en el núcleo. 
(MI). 
Una vez que el núcleo celular recibe las señales apropiadas, se activan los procesos celulares normales. 
El ARNm se transcribe y se transporta al retículo endoplásmico en el citoplasma celular, donde se traduce en proteína. 
La proteína se secreta y se incorpora a la matriz extracelular. 
(F) En resumen, el estímulo mecánico en el exterior de la célula promueve procesos intracelulares que conducen a la remodelación de la matriz. 
procesos celulares normales están comprometidos. 
El ARNm se transcribe y se transporta al retículo endoplásmico en el citoplasma celular, donde se traduce en proteína. 
La proteína se secreta y se incorpora a la matriz extracelular. 
(F) En resumen, el estímulo mecánico en el exterior de la célula promueve procesos intracelulares que conducen a la remodelación de la matriz. 
procesos celulares normales están comprometidos. 
El ARNm se transcribe y se transporta al retículo endoplásmico en el citoplasma celular, donde se traduce en proteína. 
La proteína se secreta y se incorpora a la matriz extracelular. 
(F) En resumen, el estímulo mecánico en el exterior de la célula promueve procesos intracelulares que conducen a la remodelación de la matriz.

La carga mecánica estimula la síntesis de proteínas a nivel celular. (A) Una imagen a mayor escala de la red de células tendinosas para orientación. Nos centramos en una región muy pequeña. (B) Al acercarse a esta región, se revela la membrana celular, las proteínas de la integrina que unen las regiones intracelular y extracelular, y el citoesqueleto, que funciona para mantener la integridad celular y distribuir la carga mecánica. El núcleo celular y el ADN también se ilustran. (C) Con el movimiento (se ilustra el cizallamiento), las proteínas de la integrina activan al menos dos vías distintas. (D) Uno involucra el citoesqueleto que está en comunicación física directa con el núcleo (es decir, tirar del citoesqueleto envía una señal física al núcleo celular). Otra vía es activada por las integrinas que activan una serie de agentes de señalización bioquímicos que se ilustran esquemáticamente. Después de una serie de pasos intermedios, esas señales bioquímicas también influyen en la expresión génica en el núcleo. (MI). Una vez que el núcleo celular recibe las señales apropiadas, se activan los procesos celulares normales. El ARNm se transcribe y se transporta al retículo endoplásmico en el citoplasma celular, donde se traduce en proteína. La proteína se secreta y se incorpora a la matriz extracelular. (F) En resumen, el estímulo mecánico en el exterior de la célula promueve procesos intracelulares que conducen a la remodelación de la matriz. procesos celulares normales están comprometidos. El ARNm se transcribe y se transporta al retículo endoplásmico en el citoplasma celular, donde se traduce en proteína. La proteína se secreta y se incorpora a la matriz extracelular. (F) En resumen, el estímulo mecánico en el exterior de la célula promueve procesos intracelulares que conducen a la remodelación de la matriz. procesos celulares normales están comprometidos. El ARNm se transcribe y se transporta al retículo endoplásmico en el citoplasma celular, donde se traduce en proteína. La proteína se secreta y se incorpora a la matriz extracelular. (F) En resumen, el estímulo mecánico en el exterior de la célula promueve procesos intracelulares que conducen a la remodelación de la matriz.

Para resumir brevemente, parece que la mecanotransducción es un proceso fisiológico continuo en el cuerpo humano, al igual que la respiración y la circulación. Considere el esqueleto como un ejemplo de tejido conectivo; El sensor del cuerpo es la red de osteocitos y el proceso de regulación del hueso para cargar se conoce como el “mecanostat”. En ausencia de actividad, la señal de mecanotransducción es débil, por lo que se pierde tejido conectivo (p. Ej., Osteoporosis). Cuando hay cargas por encima del punto de ajuste del tejido, hay un estímulo a través de la mecanotransducción para que el cuerpo se adapte aumentando la síntesis de proteínas y agregando tejido cuando sea posible (hueso más grande y fuerte). 

MECANOTERAPIA: LA APLICACIÓN CLÍNICA DE LA MECANOTRANSDUCCIÓN

Para evaluar si este importante proceso se enseñaba en los planes de estudio de fisioterapia, formamos grupos focales internacionales e intergeneracionales. Nuestros “resultados” informales (datos no publicados) sugirieron que la mecanotransducción no se enseñaba como un principio biológico importante en los programas de fisioterapia. Lo mismo se aplica a la medicina, pero no esperábamos que la educación médica incluyera este tema, ya que la mayoría de las facultades de medicina solo asignan una hora superficial al hecho de que la actividad física es medicina. Esta es una falla importante de la educación médica cuando la inactividad física es el principal problema de salud pública del siglo XXI.

Para resaltar el papel crucial de la mecanotransducción para apuntalar la rehabilitación musculoesquelética, proponemos reintroducir el término “mecanoterapia” para aquellas situaciones en las que se prescribe ejercicio terapéutico para promover la reparación o remodelación del tejido lesionado. La mecanoterapia se definió por primera vez en 1890 como “el empleo de medios mecánicos para la cura de enfermedades” (Oxford English Dictionary). Actualizaríamos esto a “el empleo de mecanotransducción para la estimulación de la reparación y remodelación de tejidos”. Esta distinción destaca la base celular de la prescripción de ejercicio para la curación de tejidos y también reconoce que los tejidos lesionados y sanos pueden responder de manera diferente a la carga mecánica. Las bases de datos y las búsquedas en la biblioteca no revelaron el término mecanoterapia utilizado de otras maneras en fisioterapia.

Para cerrar esta pieza introductoria, resumimos los estudios clínicos que han demostrado o implicado un potencial para la mecanoterapia para promover la curación de tendones, músculos, cartílagos y huesos.

RESUMEN DE ESTUDIOS CLINICOS

  • Tendón

El tendón es un tejido dinámico y mecanorreactivo. Una de las principales respuestas inducidas por la carga que se muestran tanto in vitro como in vivo en el tendón es una regulación positiva del factor de crecimiento similar a la insulina (IGF-I). Esta regulación positiva de IGF-I está asociada con la proliferación celular y la remodelación de la matriz dentro del tendón. Sin embargo, estudios recientes sugieren que otros factores de crecimiento y citocinas, además del IGF-I, también pueden desempeñar un papel. Alfredson y col.examinó la estructura del tendón mediante ultrasonido en escala de grises en 26 tendones con tendinosis de Aquiles, que habían sido tratados con ejercicio excéntrico. Sorprendentemente, después de un seguimiento medio de 3,8 años, 19 de 26 tendones tenían una estructura más normalizada, medida por su grosor y por la reducción de las áreas hipoecoicas. Este estudio y otros muestran que el tendón puede responder favorablemente a la carga controlada después de la lesión. La investigación sobre las condiciones ideales de carga para los diferentes tipos de lesiones en el tendón aún está en curso.

  • Músculo

El músculo ofrece una de las mejores oportunidades para explotar y estudiar los efectos de la mecanoterapia, ya que es altamente sensible a los cambios en las demandas funcionales a través de la modulación de las vías inducidas por la carga. La sobrecarga conduce a la regulación ascendente local inmediata del factor de crecimiento mecánico (MGF), una variante de empalme de IGF-I con acciones únicas. La expresión de MGF a su vez conduce a la hipertrofia muscular a través de la activación de células satélite. La aplicación clínica de la mecanoterapia para la lesión muscular se basa en estudios en animales. Después de un breve período de descanso para permitir que el tejido cicatricial se estabilice, se inicia la carga controlada. Los beneficios de la carga incluyen una mejor alineación de los miotubos en regeneración, una regeneración más rápida y completa, y la minimización de la atrofia de los miotubos circundantes. 

  • Cartílago articular

Al igual que otros tejidos musculoesqueléticos, el cartílago articular está poblado por células mecanosensibles (condrocitos), que señalan a través de vías altamente análogas. Alfredson y Lorentzon trataron a 57 pacientes consecutivos con defecto de cartílago de grosor completo aislado de la rótula y dolor incapacitante de rodilla de larga duración por trasplante perióstico con o sin movimiento pasivo continuo (CPM). En este estudio, el 76% de los pacientes que usan CPM lograron un resultado “excelente”, mientras que solo el 53% lo logró en ausencia de CPM. La reparación de tejidos no se evaluó directamente en esta serie de casos, pero los resultados fomentan una mayor investigación sobre la respuesta tisular subyacente y la optimización de los parámetros de carga.

  • Hueso

En los huesos, los osteocitos son los mecanosensores primarios. Un estudio clínico reciente sugirió que el efecto beneficioso de la mecanotransducción puede ser aprovechado por fisioterapeutas debidamente capacitados para mejorar la curación de fracturas. En este estudio, 21 pacientes con fractura de radio distal fueron asignados al azar para recibir (1) atención estándar, incluidos ejercicios de inmovilización y agarre, o (2) atención estándar más compresión intermitente administrada a través de un manguito neumático inflable que se usa debajo del yeso. El grupo experimental mostró una fuerza significativamente mayor (12–26%) y rango de movimiento (8–14%) al final del período de inmovilización y estas diferencias se mantuvieron a las 10 semanas. En el futuro, este grupo planifica estudios más grandes para confirmar si los efectos de la compresión afectaron la curación de la fractura en sí, como lo sugieren los estudios preclínicos con parámetros de carga similares.