Growth, maturation, functional body composition, isokinetic strength and bone health: multilevel modelling of developmental changes in male adolescent athletes contrasting in mechanical loading

Abstract

A presente tese teve como objetivo examinar os efeitos independentes e combinados do crescimento, maturação e treino recorrendo a um desenho longitudinal misto, inicialmente, dedicado ao desenvolvimento de parâmetros de tecido ósseo em adolescentes masculinos de modalidades desportivas contrastantes em termos de impacto mecânico. Após uma breve apresentação do problema apoiada na literatura pediátrica em ciências do desporto, atinente ao escopo da pesquisa, é apresentada de forma detalhada as opções metodológicas da investigação. Seguiu-se uma revisão sistemática da literatura dedicada aos jovens atletas pubertários, com especial atenção á compreensão dos marcadores bioquímicos e hormonais que concorrem para o desenvolvimento dos diversos parâmetros de saúde óssea em que se inclui o conteúdo, densidade, geometria e rigidez. A revisão sistemática abordou criticamente as tecnologias disponíveis para avaliação do tecido ósseo. Alinhado com estudos precedentes do mesmo projeto de investigação conexo à presente tese, foi desenvolvido um estudo analítico que pretendeu quantificar e discutir os efeitos de aprendizagem inerentes ao protocolo de avaliação força da musculatura do joelho por dinamometria isocinética, conforme opções do estudo longitudinal. Assim, com base em medidas repetidas de 38 nadadores, foi possível reportar a variação intra-individual para cada uma das formas de manifestação (concêntrica e excêntrica) dos momento de força máximo dos extensores e flexores do joelho. Finalmente, foi examinada a variabilidade inter-individual e das trajetórias intra-individuais por um período de 12 meses em dois grupos de pubertários masculinos envolvidos na prática de futebol e natação, tendo como variáveis dependentes medidas de composição corporal e densidade mineral no corpo todo e em regiões de interesse. Os futebolistas, apesar de treinarem menos, apresentaram consistentemente valores significativamente superiores nas medidas de densidade mineral extraídas dos membros inferiores, incluindo região proximal do fémur, não tendo sido observadas diferenças nem para os membros superiores nem para o tronco. Por fim, o último capítulo discutiu e resumiu os principais resultados de cada estudo, sugerindo pistas para futuras investigações, implicações práticas e conclusivas, a saber: o esqueleto reflete as opções de estilo de vida e, de forma a prever e prevenir fragilidades na população de idade avançada, torna-se fundamental, prosseguir com estudos de maior duração, abordando um conjunto mais vasto de variáveis, como por exemplo marcadores bioquímicos específicos do osso que deve ser progressivamente avaliado com base em medidas de rigidez e geometrianuma perspectiva desenvolvimentista, isto é, longitudinal; o protocolo de dinamometria isocinética utilizados para avaliar o momento máximo de força da musculatura do joelho, nas contrações concêntricas e excêntricas, pelo menos na população pediátrica, recomendam não menos de cinco repetições, tendo-se evidenciado menor estabilidade dos desempenhos intra-individuais nos flexores de joelho, especialmente na contração excêntrica; para além de benefícios de formação geral, o desporto federado em modalidades com maior carga mecânica concorre para maximizar os efeitos do salto de crescimento pubertário no que diz respeito ao incremento da densidade óssea, sendo necessário explorar o contributo de parâmetros de treino e competição, em minutos, sessões, intensidade, conjuntamente com medidas de atividade física habitual, nutrição, sono para desenhar programas de desporto infanto-juvenil dirigido para atletas em percurso com expectativas de alta competição, ou simplesmente de participação desportiva num contexto organizado, competitivo e supervisionado.

The present thesis aimed to examine the independent and combined effects of growth, maturation, and training using a mixed-longitudinal design, initially, on developmental changes related to muscle strength and, on parameters of bone tissue in male young athletes that are involved in sports characterized by different mechanical loading on the skeleton. The thesis was organized into six chapters. Firstly, chapter I introduced a brief literature review and the main concepts regarding growth and maturation, bone health, and muscle strength in youth male athletes. Chapter II presented a detailed description of the study design, participants, procedures, and analysis performed for the two studies presented in chapters IV and V. The specificity of the methods section for a systematic review was well described in chapter III, which presented a manuscript that identified and dissertated forty-four articles. This study merged different methods that were already used in the literature to describe and quantify bone content, density, bone biochemical markers, hormonal profile, bone geometry, and bone stiffness among adolescent male athletes. This systematic review highlighted new technologies and approaches to access bone that continue to differentiate adolescent athletes by sports. In order to better understand the existence of the learning effect on the protocol used to assess the isokinetic strength of the knee flexors and extensors on different contractions in the present thesis, chapter IV presented an analytical study on the strength assessment protocol. The study presented the gradient of best peak torque for 38 adolescent swimmers with higher values and an intra-class correlation coefficient for the knee extensors when compared with knee flexors that presented the lowest values for intra-class correlation coefficient on concentric contractions. The chapter V of the thesis presented a developmental study to examine the effect of sport over a 12-month period among male adolescent soccer players and swimmers on body size, body composition, and indicators of bone health. Swimmers showed greater training volume during the study period and higher values for lean soft tissue. Regarding areal bone mineral density, soccer players were characterized by significantly higher in the lower limbs. Of interest, mean values did not differ at upper limbs or trunk between groups but regarding proximal femur, soccer players showed consistently higher areal bone mineral density than swimmers. Finally, the last chapter discussed and summarized the main findings of each study and, suggested future research, practical implications, and, conclusions. The main findings and contributions of the present thesis were that: i) The adult skeleton reflects the background of each individual and, to predict and prevent future fragilities, variables such as the content, density, bone-specific biochemical markers, stiffness, and, geometry should be combined when studying youth population; ii) isokinetic dynamometer protocols used to access the peak torque on concentric and eccentric actions in the pediatric population must include at least five repetitions per test, knowing that knee flexors and eccentric repetitions are not easy reliable, especially in young participants; iii) federated sports with higher mechanical loading produce greater results on areal bone mineral density (mostly at specific and relevant clinical sites) than the ones with lower mechanical loading during the crucial years of adolescence. Training variables such as the time spent on higher impact loading exercises per session may help technicians to control and help to improve athletes bone health parameters.