Cross-education improves quadriceps strength recovery after ACL reconstruction: a randomized controlled trial

    Publication Date
    Source Authors
    Source Title
    Source Issue
    Publication Date

    Gennaio 2019

    Source Authors

    Harput G., Ulusoy B., Yildiz T.I., Demirci S., Eraslan L., Turhan E., Tunay, V.B.

    Source Title

    Cross-education improves quadriceps strength recovery after ACL reconstruction: a randomized controlled trial

    Source Issue

    Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy

    27

    Page Range: 68-75

    Le lesioni a carico del legamento crociato anteriore (LCA) sono i traumi del ginocchio che si verificano più frequentemente durante gli sport che includono manovre di taglio e rotazione. Gli individui che soffrono di queste lesioni, necessitano della ricostruzione del LCA se desiderano ritornare ai livelli di attività sportiva pre-lesione. In ogni caso, dopo questo tipo di intervento chirurgico, sono state comunemente osservate diminuzioni significative nella forza muscolare, asimmetrie nelle strategie di carico e diminuzione nella stabilità del ginocchio, che possono causare un più basso tasso di ritorno all’attività sportiva e una seconda lesione a carico del LCA.
    Il principale problema che può presentarsi dopo ricostruzione del LCA è il decremento della forza del quadricipite. Questo può persistere per anni, anche se vengono seguiti protocolli riabilitativi intensivi e avanzati.  Poichè la forza del quadricipite è correlata alle prestazioni funzionali, si possono verificare esiti riportati dal paziente e sviluppo di osteoartriti a lungo termine dopo ricostruzione del LCA; così, massimizzare la forza del quadricipite dopo l’intervento di ricostruzione del LCA è una componente essenziale della riabilitazione.
    Secondo alcuni studi, gli attuali esercizi di rinforzo, soprattutto quelli eseguiti in assenza di carico nelle fasi iniziali della riabilitazione, non permettono di recuperare sufficientemente la forza e il volume del quadricipite femorale.
    Un fenomeno interessante è correlato alla “cross-education” (CE) secondo cui si verifica un miglioramento nella forza nell’arto non trattato, dopo rinforzo unilaterale dell’arto omologo controlaterale. Il meccanismo fisiologico alla base di questo fenomeno rimane sconosciuto, ma il trattamento CE può essere promettente, soprattutto nei casi in cui il rinforzo dell’arto lesionato non è possibile o può risultare dannoso.
    Gli autori dell’articolo in esame dunque, hanno voluto studiare il recupero della forza del quadricipite dell’arto sottoposto a ricostruzione di LCA dopo 8 settimane di allenamento isocinetico concentrico ed eccentrico del quadricipite dell’arto controlaterale e di nuovo dopo 12 settimane post-allenamento.

    Per raggiungere gli obiettivi dello studio, sono stati reclutati 48 pazienti sottoposti ad intervento di ricostruzione del LCA di tipo autologo con tendine dei muscoli ischiocrurali, prendendo in considerazione, per la selezione dei partecipanti, specifici criteri di inclusione ed esclusione descritti all’interno dello studio. In seguito, questi soggetti, sono stati divisi in tre gruppi: (a) CE concentrica+  riabilitazione per intervento di ricostruzione del LCA; (b) CE eccentrica+ riabilitazione per intervento di ricostruzione di LCA; (c) riabilitazione per intervento di ricostruzione del LCA.
    La valutazione della massima contrazione isometrica volontaria del quadricipite (MVIC), è stata eseguita  utilizzando un dinamometro isocinetico alla quarta settimana post-chirurgia e poi dopo 12  e  24 settimane dall’intervento chirurgico.
    La valutazione invece della funzionalità del ginocchio è stata eseguita 24 settimane dopo la chirurgia, utilizzando il One-Leg Hop for Distance Test (OLHDT) e l’International Knee Document Committee 2000 Subjective Knee Form (IKDC).
    I partecipanti di ogni gruppo sono stati sottoposti, dopo una settimana dalla chirurgia, a trattamento riabilitativo (ben descritto all’interno dello studio) per intervento di ricostruzione del LCA, con una frequenza di 3 giorni a settimana, fino alla 12a settimana post-intervento chirurgico.
    I soggetti assegnati ai gruppi CE sono stati sottoposti, in aggiunta, ad un allenamento isocinetico concentrico o eccentrico a livello dell’arto controlaterale (quello con legamento non ricostruito) per 3 volte a settimana durante le 8 settimane comprese tra la 4a e la 12a settimana post-chirurgia.

    Analizzando i risultati delle misure di outcome utilizzate, viene rilevato che la principale scoperta è che il rinforzo del quadricipite tramite allenamento isocinetico concentrico ed eccentrico dell’arto controlaterale, nella fase precoce dell’intervento riabilitativo, migliora il recupero della forza isometrica del quadricipite dell’arto non trattato e sottoposto ad intervento di ricostruzione del LCA.
    In aggiunta, i valori della MVIC dell’arto non trattato, alla dodicesima e ventiquattresima settimana post-intervento, nei due gruppi CE sono simili tra loro e sono migliori rispetto ai valori del gruppo di controllo.
    Per quanto riguarda invece i punteggi OLHDT E IKDC non ci sono differenze significative tra i due gruppi.

    Nonostante la presenza di limiti, riportati all’interno dell’articolo, possiamo concludere che i risultati dello studio evidenziano che un programma di allenamento isocinetico concentrico ed eccentrico, migliora i valori della MVIC del quadricipite dell’arto ricostruito e dell’arto allenato per gli individui sottoposti ad intervento di ricostruzione del LCA, anche se i meccanismi precisi che generano questi effetti devono essere investigati più dettagliatamente.
    L’allenamento CE quindi, dovrebbe essere integrato alla riabilitazione eseguita in seguito ad intervento di ricostruzione del LCA, soprattutto nelle fasi precoci della riabilitazione, per massimizzare la forza del quadricipite.

    REFERENCES

    1. Ageberg, E., Roos, H.P., Silbernagel, K.G., Thomee, R., & Roos, E.M. (2009). Knee extension and flexion muscle power after anterior cruciate ligament reconstruction with patellar tendon graft or hamstring tendons graft: a cross-sectional comparison 3 years post surgery. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 17,162–169.
    2. American College of Sports M. (2009). American College of Sports Medicine position stand. Progression models in resistance training for healthy adults. Med Sci Sports Exerc, 41, 687–708.
    3. Augustsson, J. (2013). Documentation of strength training for research purposes after ACL reconstruction. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 21, 1849–1855.
    4. Beyer, K.S., Fukuda, D.H., Boone, C.H., Wells, A.J., Townsend, J.R., Jajtner, A.R. et al. (2016). Short-term unilateral resistance training results in cross Education of strength without changes in muscle size, activation, or endocrine response. J Strength Cond Res, 30, 1213–1223.
    5. Beynnon, B.D., Johnson, R.J., Abate, J.A., Fleming, B.C., & Nichols, C.E. (2005). Treatment of anterior cruciate ligament injuries, part I. Am J Sports Med, 33, 1579–1602.
    6. Callaghan, M.J., McCarthy, C.J., Al-Omar, A., & Oldham, J.A. (2000). The reproducibility of multi-joint isokinetic and isometric assessments in a healthy and patient population. Clin Biomech (Bristol Avon), 15, 678–683.
    7. Carroll, T.J., Herbert, R.D., Munn, J., Lee, M., & Gandevia, S.C. (2006). Contralateral effects of unilateral strength training: evidence and possible mechanisms. J Appl Physiol (1985), 101, 1514–1522.
    8. Cirer-Sastre, R., Beltran-Garrido, J.V., & Corbi, F. (2017). Contralateral effects after unilateral strength training: a meta-analysis comparing training loads. J Sports Sci Med, 16, 180–186.
    9. Escamilla, R.F., Macleod, T.D., Wilk, K.E., Paulos, L., & Andrews J.R. (2012). Anterior cruciate ligament strain and tensile forces for weight-bearing and non-weight-bearing exercises: a guide to exercise selection. J Orthop Sports Phys Ther, 42, 208–220.
    10. Farthing, J.P., Borowsky, R., Chilibeck, P.D., Binsted, G., & Sarty, G.E. (2007). Neuro-physiological adaptations associated with crosseducation of strength. Brain Topogr, 20, 77–88.
    11. Farthing JP, Krentz JR, Magnus CR, Barss TS, Lanovaz JL, Cummine J et al. (2011). Changes in functional magnetic resonance imaging cortical activation with cross education to an immobilized limb. Med Sci Sports Exerc 43:1394–1405
    12. Fimland, M.S., Helgerud, J., Solstad, G.M., Iversen, V.M., Leivseth, G., & Hoff, J. (2009). Neural adaptations underlying cross-education after unilateral strength training. Eur J Appl Physiol, 107, 723–730.
    13. Gokeler, A., Bisschop, M., Benjaminse, A., Myer, G.D., Eppinga, P., & Otten, E. (2014). Quadriceps function following ACL reconstruction and rehabilitation: implications for optimisation of current practices. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 22, 1163–1174.
    14. Hart, J.M., Pietrosimone, B., Hertel, J., & Ingersoll, C.D. (2010). Quadriceps activation following knee injuries: a systematic review. J Athl Train, 45, 87–97.
    15. Hortobagyi, T., Lambert, N.J., & Hill, J.P. (1997). Greater cross education following training with muscle lengthening than shortening. Med Sci Sports Exerc, 29, 107–112.
    16. Irrgang, J.J., Anderson, A.F., Boland, A.L., Harner, C.D., Kurosaka, M., Neyret, P. et al. (2001). Development and validation of the international knee documentation committee subjective knee form. Am J Sports Med, 29, 600–613.
    17. Ithurburn, M.P., Paterno, M.V., Ford, K.R., Hewett, T.E., & Schmitt, L.C. (2015). Young athletes with quadriceps femoris strength asymmetry at return to sport after anterior cruciate ligament reconstruction demonstrate asymmetric single-leg drop-landing mechanics. Am J Sports Med, 43, 2727–2737.
    18. Kidgell, D.J., Frazer, A.K., Daly, R.M., Rantalainen, T., Ruotsalainen, I., Ahtiainen, J. et al. (2015). Increased cross-education of muscle strength and reduced corticospinal inhibition following eccentric strength training. Neuroscience, 300, 566–575.
    19. Kramer, G.A., DeMarais, D.R. (1992). Reliability and validity of the pilot national board dental examination. J Dent Educ, 56, 236–241.
    20. Latella, C., Kidgell, D.J., & Pearce, A.J. (2012). Reduction in corticospinal inhibition in the trained and untrained limb following unilateral leg strength training. Eur J Appl Physiol, 112, 3097–3107.
    21. Lee, M., & Carroll, T.J. (2007). Cross education: possible mechanisms for the contralateral effects of unilateral resistance training. Sports Med, 37, 1–14.
    22. Lepley, L.K., & Palmieri-Smith, R.M. (2014). Cross-education strength and activation after eccentric exercise. J Athl Train, 49, 582–589.
    23. Manca, A., Dragone, D., Dvir, Z., & Deriu, F. (2017). Cross-education of muscular strength following unilateral resistance training: a meta-analysis. Eur J Appl Physiol, 117, 2335–2354.
    24. Munn, J., Herbert, R.D., & Gandevia, S.C. (2004). Contralateral effects of unilateral resistance training: a meta-analysis. J Appl Physiol (1985), 96, 1861–1866.
    25. Munn, J., Herbert, R.D., Hancock, M.J., & Gandevia, S.C. (2005). Training with unilateral resistance exercise increases contralateral strength. J Appl Physiol (1985), 99, 1880–1884.
    26. Papandreou, M., Billis, E., Papathanasiou, G., Spyropoulos, P., & Papaioannou, N. (2013). Cross-exercise on quadriceps deficit after ACL reconstruction. J Knee Surg, 26, 51–58.
    27. Paterno, M.V., Schmitt, L.C., Ford, K.R., Rauh, M.J., Myer, G.D., Huang, B. et al. (2010). Biomechanical measures during landing and postural stability predict second anterior cruciate ligament injury after anterior cruciate ligament reconstruction and return to sport. Am J Sports Med, 38, 1968–1978.
    28. Pipes, T.V., & Wilmore, J.H. (1975). Isokinetic vs isotonic strength training in adult men. Med Sci Sports, 7, 262–274.
    29. Schmitt, L.C., Paterno, M.V., Ford, K.R., Myer, G.D., & Hewett, T.E. (2015). Strength asymmetry and landing mechanics at return to sport after anterior cruciate ligament reconstruction. Med Sci Sports Exerc, 47, 1426–1434.
    30. Schmitt, L.C., Paterno, M.V., & Hewett, T.E. (2012). The impact of quadriceps femoris strength asymmetry on functional performance at return to sport following anterior cruciate ligament reconstruction. J Orthop Sports Phys Ther, 42, 750–759.
    31. Scripture, E.W.S.T., & Brown, E.M. (1894). On the education of muscular control and power. Stud Yale Psychol Lab, 2, 5.
    32. Shima, N., Ishida, K., Katayama, K., Morotome, Y., Sato, Y., & Miyamura, M. (2002). Cross education of muscular strength during unilateral resistance training and detraining. Eur J Appl Physiol, 86, 287–294.
    33. Thomas, A.C., Wojtys, E.M., Brandon, C., & Palmieri-Smith, R.M. (2016). Muscle atrophy contributes to quadriceps weakness after anterior cruciate ligament reconstruction. J Sci Med Sport, 19, 7–11.
    34. Tourville, T.W., Jarrell, K.M., Naud, S., Slauterbeck, J.R., Johnson, R.J., & Beynnon, B.D. (2014). Relationship between isokinetic strength and tibiofemoral joint space width changes after anterior cruciate ligament reconstruction. Am J Sports Med, 42, 302–311.
    35. Weir, J.P., Housh, D.J., Housh, T.J., & Weir, L.L. (1997). The effect of unilateral concentric weight training and detraining on joint angle specificity, cross-training, and the bilateral deficit. J Orthop Sports Phys Ther, 25, 264–270.
    36. Weir, J.P., Housh, D.J., Housh, T.J., & Weir, L.L. (1995). The effect of unilateral eccentric weight training and detraining on joint angle specificity, cross-training, and the bilateral deficit. J Orthop Sports Phys Ther, 22, 207–215.
    37. Wilk, K.E., Romaniello, W.T., Soscia, S.M., Arrigo, C.A., & Andrews, J.R. (1994). The relationship between subjective knee scores, isokinetic testing, and functional testing in the ACL-reconstructed knee. J Orthop Sports Phys Ther, 20, 60–73.
    38. Zhou, S. (2000). Chronic neural adaptations to unilateral exercise: mechanisms of cross education. Exerc Sport Sci Rev, 28, 177–184.