Valutazione quantitativa del cammino in soggetti con sindrome di Prader-Willi : identificazione di indici significativi e ricerca di correlazione con la composizione corporea

The aim of this thesis is to characterize the gait pattern in PWS and valuate the relationship between body composition and kinematics and dynamics gait variables. PWS is a genetic multisystemic disorder, characterised by a complex medical case. The genetic basis are the absent expression of the paternally active genes in the PWS critical region on chromosome 15 (15 q11-q13). It is characterized by muscolar hypotonia, short stature, acromicria, vertebral dysmorphic (scoliosis) and a reduced lean mass. These characteristics can be influent on gait pattern. Another influent characteristic is the obesity. PWS is considered the most frequent reason of syndromic obesity. This last condition is linked to hyperphagia, probabily due to hypothalamic dysfunction. A quantitative description of their patterns and the correlation study with body composition, in terms of lean mass and fat mass, can be useful to develop and to define effective rehabilitation programs. In literature there aren’t several studies that analyse motor activity of PWS. Instead many studies on body composition and therapeutic treatment are present. To achieve the aim of this thesis, for 17 PWS subjects,gait analysis tests and body composition measures using DEXA, were carried out. Regarding anthropometric characterization, is evident that, for both sexes, lean mass of PWS is approximately half of CG value, while fat mass is about twice as much. The gait analysis tests were carried out at the Ospedale San Giuseppe, Istituto Auxologico Italiano, Piancavallo (VB), using an optoelectronic system and two force platforms. The spatiotemporal parameters considered are: %stance (%gait cycle), step length (m), cadence (step/min) and velocity (m/s); kinematics index GVS and GPS; dynamics index, peak of ankle dorsiflexion moment (N*m/kg) and peaks, max and min, of ankle power (W/kg) and force variables of vertical ground reaction force: impact force (N/kg), propulsive force (N/kg), loading rate (N/kg*s), propulsive rate (N/kg*s). All parameters above described, were analysed in a statistic way to detect statistically significant differences between PWS and CG and research correlations between considered variables and body composition. By comparing PWS group and CG, there are differences statistically significant for spatio-temporal parameters considered. PWS subjects have shorter cadence, step length and velocity and more prolunged stance phase. PWS gait kinematics was investigated for the first time, analysis of kinematics index GPSoverall and GVS, showed statistically significant differences at all articulate levels in the three articulate planes, except to hip abd-adduction and ankle plantar-flexion. Statistically significant differences were found for dynamics index too. Average values of maximum ankle moment and maximum ankle power are less in PWS than GC. This result can mean that in PWS there is a reduced plantarflexor activity and reduced push-off ability during the end of stance phase. Morover, minimum ankle power of SPW is greater than CG. Causes of these alterations can be ligament laxity, muscular hypotonia and reduced lean mass. Moreover, the reduction of massimum power could be linked also to a lower velocity in PWS. In order to investigate the effect of obesity and body composition on the PWS gait, the vertical component of the ground reaction force was taken into consideration. This is an aspect not yet investigated in previous PWS studies. In particular, maximum peaks of vertical ground reaction force for PWS are less than CG. This result can be related to muscular hypotonia and low lean mass/fat mass ratio. In this thesis, correlations between some of the considered gait variables and body composition measures, were investigated. It does not find a statistically significant correlation between GPSoverall and body composition variables. For this fact, ligament laxity and muscular hypotonia may explain statistic differences in GPSoverall between PWS and CG. Direct correlation founded for maximum ankle moment and maximum ankle power, suggests the important role of leg muscle strength during forward body progress. Minimum power correlations founded, highlight an increase of absorbed power related to an excessive body weight. After founded correlations, regression models were calculated for force variables alone because of strong correlations between these variables and body composition measures. Regression linear models for force variables considered show the importance of leg muscles to control impact force. Regarding propulsive force is evident that if body masses increase, the propulsion force increases too. Propulsive rate is correlated to lean mass, as evident in previous study for obese no pathologic patients. This result suggests the importance role of lean mass and in particular leg muscle to exceed body weight resistance generated during the gait. Starting from thesis results and from previous studies, it can be confirm that PWS gait is affected by alterations. Both pathological characteristics such as ligament laxity, muscular hypotonia but also the excessive body weight and above all a low lean mass/fat mass ratio, cause these alterations. All these results carried out to underline the importance of an appropriate rehabilitation program aimed to improve muscle condition, reducing muscular hypotonia, ligament laxity and normalizing lean mass/fat mass ratio. Connecting these rehabilitation treatments at an hypocaloric diet, could reduce negative obesity effects on locomotor and muscuoloskeletal functionality of the subjects. The quantitative characterisation of gait patterns in PWS and researched correlations have aim to support the clinicians to define and develop effective rehabilitative options, that would contribute to improve daily functioning and quality of life in PWS patients.

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di caratterizzare il cammino dei soggetti con la sindrome di Prader-Willi (SPW) mediante indici sintetici e puntuali e ricercarne le correlazioni con la composizione corporea. L’SPW è una patologia genetica multisistemica, caratterizzata da un quadro clinico notevolmente complesso. Le sue basi genetiche risiedono essenzialmente nell’assenza di espressione genetica dei geni paterni, normalmente attivi, presenti su una regione specifica del braccio lungo del cromosoma 15 (15 q11-q13). Tra le caratteristiche cliniche della patologia, quelle che possono influire sul pattern deambulatorio sono l’ipotonia muscolare, la bassa statura, l’acromicria, i dismorfismi vertebrali (scoliosi) e una ridotta massa magra. Un’altra caratteristica che può essere influente è l’obesità. La SPW è considerata la causa più frequente di obesità sindromica. Tale condizione è dovuta all’insorgenza di iperfagia, probabilmente legata ad anomalie ipotalamiche. La caratterizzazione quantitativa del pattern deambulatorio dei soggetti con SPW e lo studio delle correlazioni tra le variabili del cammino e la composizione corporea, in termini di peso, massa magra e massa grassa, può risultare importante nello sviluppo e nella definizione di programmi riabilitativi efficaci. In letteratura non sono numerosi gli studi volti ad analizzare l’attività motoria dei soggetti con SPW. Maggiore sono invece le ricerche condotte per analizzare la composizione corporea e gli effetti dei trattamenti terapeutici. Per poter raggiungere l’obiettivo sopra descritto, per 17 soggetti con SPW, sono state condotte prove di analisi del cammino utilizzando la Gait Analysis ed è stata misurata la loro composizione corporea mediante la tecnologia DEXA (Assorbimetria a raggi-X a doppio livello di energia). Per quanto riguarda la caratterizzazione antropometrica è emerso che i soggetti con SPW, per entrambi i sessi, hanno una percentuale di massa magra pari a circa la metà del valore calcolato per il gruppo di controllo normopeso (GC). Per la massa grassa invece, le percentuali calcolate per i soggetti con SPW sono più del doppio delle percentuali trovate per il GC. Le prove di analisi del cammino realizzate presso il laboratorio di analisi del movimento dell’Istituto Auxologico Italiano, ospedale S.Giovanni di Piancavallo (VB), sono state condotte avvalendosi di un sistema optoelettronico e di due pedane dinamometriche. Per le prove di analisi del cammino sono stati scelti ed analizzati i parametri spazio-temporali (%stance [% del ciclo del passo], step length [m], cadence [step/min], velocità di cammino [m/s] ), gli indici sintetici di cinematica Gait Profile Score (GPS) e i Gait varaible Score (GVS), gli indici puntuali di dinamica, massimo momento della caviglia (N*m/kg), massima e minima potenza alla caviglia (W/kg), e le variabili della componente verticale della reazione d’appoggio: impact force (N/kg), propulsive force (N/kg), loading rate (N/kg*s), propulsive rate (N/kg*s). I parametri sopra descritti sono stati sottoposti ad un’analisi statistica volta a rilevare differenze statisticamente significative tra il gruppo di soggetti con SPW e il GC e per ricercare le correlazioni tra alcune delle variabili del cammino considerate e le misure della composizione corporea. Dal confronto tra i soggetti con SPW e il GC, si evincono delle differenze statisticamente significative per i parametri spazio-temporali analizzati. Come già evidenziato da studi precedenti, per i soggetti con SPW si è riscontrata una maggiore durata della fase di stance e valori minori di step length e velocità di cammino. La cinematica del cammino dei soggetti con SPW è stata indagata per la prima volta utilizzando gli indici sintetici GPS e GVS e sono emerse differenze statisticamente significative per tutti i livelli articolari nei tre piani anatomici, ad eccezione dell’abd-adduzione dell’anca e della dorsi-planta flessione della caviglia. Sono state riscontrate differenze statisticamente significative anche per gli indici puntuali di dinamica considerati. I valori medi del massimo momento e della massima potenza alla caviglia sono risultati minori per i soggetti con SPW rispetto al GC. Da ciò si può dedurre una riduzione dell’attività plantarflessoria e una riduzione della capacità di propulsione al termine della fase di stance per i soggetti con SPW. Il valore minimo della potenza articolare risulta essere maggiore, in valore assoluto, per i soggetti con SPW rispetto al GC. La lassità legamentosa, l’ipotonia muscolare e la ridotta massa magra possono essere causa delle alterazioni appena descritte. Inoltre, il ridotto picco della massima potenza può essere inmputato anche alla ridotta velocità di cammino. Al fine di approfondire l’effetto dell’obesità e della composizione corporea sul cammino dei soggetti con SPW, è stata presa in considerazione la componente verticale della forza di reazione del terreno. Si tratta di un aspetto non ancora indagato in studi precedenti riguardanti tali soggetti. In particolare, osservando i due picchi massimi (impact force, propulsive force) della forza, questi sono risultati inferiori per i soggetti con SPW rispetto al GC. Tale risultato può essere associato all’ipotonia muscolare e al basso rapporto massa magra/massa grassa tipico dei soggetti con la sindrome. Nel presente lavoro di tesi sono state ricercate anche le associazioni tra alcune delle variabili considerate e le misure della composizione corporea, peso, massa magra e massa grassa. Non sono emerse correlazioni statisticamente significative tra l’indice sintetico di cinematica GPS e le misure della composizione corporea. Ciò porta a ricercare la spiegazione di una differenza statisticamente significativa riscontrata tra gli indici GPS dei due gruppi, SPW e GC, in altre caratteristiche dei soggetti con SPW quali la lassità legamentosa e l’ipotonia muscolare. Le correlazioni dirette trovate per gli indici puntuali di dinamica, il massimo momento e la massima potenza alla caviglia, con le misure della composizione corporea, riflettono l’importanza dei muscoli della gamba nella fase di avanzamento del corpo in avanti. Dalle correlazioni trovate per il valore minimo della potenza articolare alla caviglia si evidenzia un aumento della potenza assorbita con l’aumento del peso corporeo. Dopo la ricerca delle correlazioni sono stati calcolati i modelli di regressione lineare per le sole variabili di forza data la presenza di correlazioni forti tra tali variabili e le misure della composizione corporea. Dalle equazioni di regressione associate a tali modelli emerge l’importanza dei muscoli della gamba per il controllo della forza di impatto (impact force), si deduce che all’aumentare delle masse corporee aumenta la forza di propulsione (propulsive force) che i soggetti devono generare durante il cammino e che la massa magra è un importante predittore per la propulsive rate. Dai risultati ottenuti nel presente lavoro di tesi e sulla base di quanto già trovato in letteratura si può affermare che il cammino dei soggetti con SPW sia affetto da alterazioni e che ad influire su tali alterazioni ci siano sia le caratteristiche patologiche quali la lassità legamentosa e l’ipotonia muscolare sia l’eccessivo peso corporeo ma soprattutto il basso rapporto massa magra/massa grassa. Tali risultati conducono a sottolineare l’importanza di un percorso riabilitativo specifico volto a migliorare la condizione muscolare dei soggetti, riducendo l’ipotonia muscolare, la lassità legamentosa e normalizzando il rapporto massa magra/massa grassa. Inoltre, associare ai trattamenti riabilitativi una dieta ipocalorica potrebbe portare a contenere gli effetti negativi dell’obesità sulle funzionalità locomotorie e muscolo-scheletriche dei soggetti. La caratterizzazione del cammino e le correlazioni ricercate nel presente lavoro hanno quindi come scopo ultimo quello di fornire maggiori informazioni ai clinici al fine di poter definire trattamenti terapeutici efficaci, che possano contribuire al miglioramento della qualità della vita dei soggetti patologici.