Effect of Physical Activity on Bone, Muscle and Fracture Risk during Growth

Abstract

Osteoporosis and related fractures are a global health problem. Physical activity, especially during growth, has been suggested as a strategy to improve musculoskeletal health in the population. Previous prospective pediatric exercise intervention studies, however, are short-term, mostly covering less than one year and use bone traits as surrogate endpoints for fractures. The Pediatric Osteoporosis Prevention (POP) study is a prospective, controlled exercise intervention study, which was designed to annually assess musculoskeletal development and fracture risk in response to increased physical education in school in children aged 7-9 years and onwards, at a population-based level. The data presented in this thesis cover the results for the first two to four years from the POP study.

The intervention included 40 minutes/day of school physical education in one school whereas children from three schools in the same area served as controls achieving the Swedish standard of average 60 minutes of physical education per week. All children with school start between the years 1999 and 2008, assigned to the four participating schools in the POP study, were included in the fracture registration. In a subsample of children with school start during two years, annual measurements of musculoskeletal traits were done. Also, as part of this project, potential skeletal benefits achieved by consistently walking or cycling to school compared to if going by bus or car for two years were investigated.

Fractures were prospectively registered in a cohort of 2625 children for up to two years and in 2395 children for up to four years. Muscle strength was evaluated by isokinetic Peak Torque (PT) of the knee extensors and flexors at 60 and 180 º/second by a computerized dynamometer and neuromuscular performance by Vertical Jump Height (VJH) in 129 children in the intervention and 103 children in the control group, for two years. Bone mineral content (BMC; g) and bone width (cm) were followed by means of dual X-ray absorptiometry (DXA) for four years, in the measured subsample of 121 children in the intervention and 100 children in the control group.

The fracture risk was not higher in children receiving increased physical education in school compared to children in the control group either at the two-, three- or four-year evaluations. The rate ratio (RR) (95% CI) for fractures was 1.11 (0.78, 1.57) at the four year evaluation. The annual gain in knee extensor PT at 180º/ second was significantly higher for both genders in the intervention compared to the control group. Boys in the intervention group also had a greater annual gain in knee flexion PT at 180 º/second and girls a greater gain in VJH. The mean annual gain in lumbar spine BMC and femoral neck width was higher in both genders in the intervention compared to the control group at the four year follow-up. The mode of school transportation for two years did not influence either the annual gain in BMC or bone size in these pre-pubertal children.

This thesis concludes that increased physical education in school for two years enhanced muscle strength and increased physical activity for four years increased bone mass and size in these at study start seven- to nine-year-old children without affecting the fracture risk.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ger en ökad fysisk aktivitet bland växande barn bättre skelett- och muskelutveckling och påverkar det i så fall frakturrisken?

Benskörhet och låg benmassa medför en ökad risk för frakturer. Låg fysisk aktivitet är också en riskfaktor. En ökad frakturförekomst är i dag ett växande samhällsproblem, och med dessutom en åldrande population samt en generellt mindre fysiskt aktiv livsstil riskerar frakturförekomsten därför att öka. Men det finns hopp. Från tidigare studier bland vuxna vet vi att fysisk aktivitet ökar benmassan (BMD) och förbättrar muskelfunktionen. En hög BMD och bra muskelfunktion minskar risken för fraktur. Andra studier har visat att åren precis före puberteten samt under tidig pubertet förefaller vara den period i livet då skelettet har störst möjlighet att svara på fysisk belastning.

Därför lanserades 1999 Bunkefloprojektet, en studie där vi årligen följer dels barn i en skola som dagligen har en lektionstimme idrott och hälsa i skolan, dels barn i tre närliggande skolor som fortsätter med svensk standard på 1-2 lektionstimmar per vecka. Studieupplägget ger oss möjligheter att utvärdera om ökad fysisk aktivitet kan användas för att förbättra skeletthälsan i befolkningen och i en förlängning minska antalet frakturer. Då studien löper över flera år ger den oss möjligheter att utvärdera om träning ger upphov till långtideseffekter, detta då studien har en betydligt längre uppföljningstid än tidigare publicerade undersökningar. Studien innefattade även utvärdering om daglig skolgymnastik påverkar muskelstyrka och muskelfunktion samt om sättet man transporterar sig till skolan påverkar skelett- och muskelutvecklingen. Alla barn i studien följdes från skolstarten med avseende på förekomst av frakturer och hos 121 barn i skolan med daglig skolgymnastik och 100 i kontrollskolorna mätte vi också årligen skelett och muskelfunktion från skolstarten och framåt. Studien planeras att fortsätta tills ungdomarna är vuxna.

Forskargruppen har tidigare publicerat skelettdata från Bunkefloprojektets första 2 år. Denna avhandling utvärderar vad som händer med skelettet efter 3 till 4 års ökad skolgymnastik, samt hur muskelfunktionen påverkas av ökad fysisk aktivitet i ett tvåårsperspektiv. Dessutom utvärderas om de barn som går och cylar till skolan får en bättre skelettutveckling än de barn som åker buss eller bil. De resultat vi presenterar kan ses som extra intressanta då barnen under denna period går in i puberteten och då tidig pubertet är en period där tidigare studier har visat att vi kan förvänta oss extra tydliga effekter. Puberteten är också en period där många ungdomar, främst flickor, väljer att byta till en livsstil med minskad fysisk aktivitet. Annan forskning som tidigare publicerats med liknande studieupplägg har i jämförelse med Bunkefloprojektet kortare uppföljningstid och ingen har utvärderat om en ökning av fysisk aktivitet påverkar frakturförekomsten. Tidigare repporter från vårt projekt (ett och tvåårsdata) indikerar att ökad skolgymnastik har en positiv effekt på benmassan och benstorleken, två storheter som båda påverkar fraktur-risken. Delarbete II och III i denna avhandling (3-4 års data från projektet), visar att de tidigare beskrivna positiva korttidseffekterna kvarstår även i ett längre perspektiv och då även när barnen börjar påverkas av pubertetsutvecklingen. Samtliga barn i skolan med ökad skolgymnastik och de tre kontrollskolorna med skolstart 1999-2008 följdes även med avseende på frakturer. Totalt följdes 2395 barn under upp till 4 års tid där resultaten visar att ökad idrott och hälsa i skolan inte påverkar frakturförekomsten. Studien visar också att ökad idrott och hälsa under de två första skolåren ger positiva effekter på utvecklingen av muskelstyrka och muskelfunktion, också fynd av stort intresse då då många forskare tidigare menar att muskelstyrka inte går att påverka hos barn genom träning före puberteten och då förbättrad muskelstyrka i regel är kopplad till minskad fraktur-risk. Däremot gav våra fynd inte hållpunkter för att de barn som gick och cyklade till skolan fick en bättre skelettutveckling. Sammanfattningsvis kan man därför konkludera att med en ökning av den fysiska aktiviteten kan skelett och muskelutvecklingen förbättras hos barn som börjar skolan.

• author: Löfgren, Bjarne
• supervisor: Magnus Karlsson; Christian Lindén; Henrik Ahlborg
• opponent: Prof. Karlsson, Jón, Avdelningen för Ortopedi SU/Sahlgrenska, Göteborg
• organization: Orthopedics (research group); EpiHealth: Epidemiology for Health
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Orthopedics
• keywords: BMC, bone size, children, exercise, fracture, growth, hip stucture analysis, muscle strength, physical activity
• categories: Higher Education
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:2
• pages: 145 pages
• defense location: Medicinaulan, Inga Marie Nilssons gata 46, SUS, Malmö
• defense date: 2013-03-01 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-70-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 35df99ed-160f-4db5-86d6-62cec9bbe10f (old id 3410929)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:56:27
• date last changed: 2020-09-03 09:15:09