Επίδραση του εμβιομηχανικού συστήματος δρομέα-υποδήματος, στην εμφάνιση προφλεγμονωδών κυτταροκινών και κατ' επέκταση, του κινδύνου τραυματισμού του αθλούμενου

Abstract

As a periodic motion, running generates transient forces that measure up to 3 times the athlete’s body mass. Long-distance running is known to induce joint overloading and elevate cytokine levels, which are the hallmarks for a variety of running-related injuries, which can be attributed to frequency of these impulses, along with their repetitive nature. To address this, footwear systems incorporate cushioning midsoles to mitigate injurious mechanical loading. The aim of this thesis was to associate footwear choice to etiologic factors related to running injuries, with an emphasis on the transient shock waves experienced during foot strike. The hypotheses of this thesis are, that: a) the weight of the runner is associated to the shock mitigating capacity of their footwear, b) the use of an “appropriate” midsole system can prolong the duration of injury-free training and c) a suitable footwear choice can be based on experimental and/or analytical methodologies. To achieve this, the thesis is divided into 3 sections, examining: a) The complex interaction of runner specific characteristics on the employed footwear system, b) The correlation between subject specific footwear stiffness and proinflammatory cytokine levels is sought and c) the capacity of finite element modelling techniques to evaluate the shock mitigating properties of a midsole system under different gait types and/or pronation. The results of this thesis indicate IL-6 as the only cytokine that showed a strong correlation to the stiffness of the employed footwear system, which was expressed in a Pearson’s correlation coefficient of r(4)= 0.82. The statistical significance of these two values was calculated at p =0.044 (< alpha = .05), with the average (post-training) increase in IL-6 levels valuing at 274%. In contrast to this, the statistical significance of IL-2 and TNFα was recorded at p = 0.798 and 0.738 respectively. This could be explained by recent literature suggesting that post-training increase of IL-2 and TNFα, requires longer training durations, than the ones monitored here. This was however a conscious choice, as longer durations have been associated to actual injury and not just pro-inflammatory responses. This is in good agreement with past research, stressing that the increase in IL-6 levels, following strenuous training, is far more pronounced than the increase observed in any other cytokine. Considering this, along with the fact that IL-6 suppresses the expression of TNFa, could be a further parameter in the observed trends. Despite being a multiparametric system, the biomechanics of running seem to be strongly depended on the stiffness of the employed footwear, which in return can affect the injury risk of the runner over longer training durations. This is in agreement with recent epidemiologic studies, stressing the importance of footwear on the injury risk of athletes. In conclusion and based on the results of this thesis, the selection of an appropriate footwear system can be either based on experimentation of the available footwear choices or analytical methodologies considering the runner’s strike pattern and pronation.

Τα κρουστικά φορτία που διαδίδονται μέσω του μυοσκελετικού συστήματος δρομέων κατά την φάση στήριξης κάθε διασκελισμού, σε συνδυασμό με την περιοδικότητα τους, ευθύνεται για μια σειρά τραυματισμών και χρόνιων παθήσεων που εντείνονται σημαντικά για δρομείς μεγάλων αποστάσεων. Ένας συνήθης πρόδρομος τέτοιων κακώσεων, είναι η εμφάνιση φλεγμονών στις αρθρώσεις των δρομέων. Δεδομένο ότι η εξομάλυνση των κρουστικών αυτών φορτίων, επιχειρείται συνήθως μέσω της χρήσης τεχνικών υποδημάτων, αποσκοπείται στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, η συστηματική διερεύνηση του εμβιομηχανικού συστήματος δρομέα-υποδήματος. Στόχος είναι η αποτίμηση της επίδρασης των υποδημάτων στην εμφάνιση προφλεγμονωδών κυτταροκινών και κατ’ επέκταση, του κίνδυνου τραυματισμού του αθλούμενου. Η ερευνητικές υποθέσεις είναι, πως: α) το βάρος του δρομέα σχετίζεται με την ικανότητα απόσβεσης του υποδήματος, β) η χρήση «κατάλληλου» υποδήματος μπορεί να παρατείνει την μέγιστη προβλεπόμενη διάρκεια άθλησης χωρίς την εμφάνιση αντίστοιχων κακώσεων και γ) η επιλογή κατάλληλου υποδήματος μπορεί να γίνει είτε βάσει πειραματικών δεδομένων είτε με την βοήθεια ενός μοντέλου πρόβλεψης. Η διατριβή επιμερίζεται, προς επίτευξη αυτού, σε 3 διακριτά σκέλη: α) Σύνδεση της στιβαρότητας του υποδήματος με τα ανθρωπομετρικά χαρακτηριστικά του δρομέα, β) Συσχέτιση των επιπέδων κυτταροκινών που ανιχνεύονται στο πλάσμα αίματος αθλητών, με την στιβαρότητα του υποδήματος τους και γ) Χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων για την αξιολόγησης της παρεχόμενης απόσβεσης σε διαφορετικούς τύπους βάδισης. Τα αποτελέσματα της εργασίας έδειξαν την IL-6 ως την μόνη από τις εξεταζόμενες κυτταροκίνες, που συσχετίζονται με την στιβαρότητα του χρησιμοποιούμενου υποδήματος, παρουσιάζοντας έναν συντελεστή συνδιακύμανσης Pearson’s r(4)= 0.82. Βάσει αυτού αναδείχθηκε μια στατιστικά σημαντική εξάρτηση των δύο μεταβλητών με p=0.044 (< alpha = .05), με την μέση αύξηση της, κατά την επίπονη άσκηση, να προσδιορίζεται στο 274%. Σε αντίθεση με αυτό, η στατιστική σημαντικότητα των IL-2 και TNFα διαμορφώνεται σε p = 0.798 και 0.738 αντίστοιχα. Η αδυναμία συσχέτισης του TNFa και της IL-2 με την στιβαρότητα του υποδήματος, ενδέχεται να οφείλεται στο γεγονός πως η έκκριση κυτταροκινών δεν σχετίζεται με την ένταση της άσκησης, αλλά με την διάρκεια αυτής. Προηγούμενες εργασίες δείξανε πως η αύξηση TNFa και IL-2, παρατηρείται μετά από μεγαλύτερο χρόνο προπόνησης των αθλητών. Στις περιπτώσεις αυτές καταγράφηκαν ωστόσο τραυματισμοί και για αυτό επιλέχθηκε εδώ, μικρότερος χρόνος άσκησης, προς αποφυγή επιπλοκών στους αθλητές. Τα αποτελέσματα της εργασίας συνάδουν με την βιβλιογραφία, όπου διατυπώνεται πως η παραγωγή IL-6, κατά την μεγάλης διάρκειας άσκηση, είναι εντονότερη από κάθε άλλη κυτταροκίνη. Αυτό, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η αύξηση της IL-6 λειτουργεί ανασταλτικά στην αύξηση του TNFa, εξηγεί την υστέρηση στατιστικά σημαντικής μεταβολής του TNFa. Αν και ιδιαίτερα πολυπαραμετρικό, το εμβιομηχανικό σύστημα δρομέα-υποδήματος επιβεβαιώθηκε πως μπορεί να μεταβάλλει σημαντικά τα αναπτυσσόμενα κρουστικά φορτία που αναπτύσσονται κατά το τρέξιμο και κατά συνέπια να επηρεάσει τον κίνδυνο εμφάνισης τραυματισμού. Αυτό επιβεβαιώνεται και από επιδημιολογικές μελέτες που τονίζουν πως η λανθασμένη χρήση αθλητικού υποδήματος, σχετίζεται άμεσα με την πιθανότητα τραυματισμού δρομέων. Συμπερασματικά και με βάση τα αποτελέσματα της διατριβής, θα μπορούσε να στοιχειοθετεί η επιλογή κατάλληλου υποδήματος μπορεί να γίνει τόσο πειραματικά όσο και με υπολογιστικές μεθόδους, με κριτήριο την ανοιγμένη στο βάρος του αθλητή στιβαρότητα του υποδήματος.