뼈는 생리학적 메커니즘에 따라 지속적으로 새로운 뼈로 교체되는 골대사회전이 일어난다. 조골세포에 의한 골형성과 파골세포에 의한 골흡수의 상호작용을 통해 항상성이 유지된다[1]. 최근 파골세포에 관한 기전연구들이 주목받고 있으며, 특히 Receptor activator of nuclear factor kappa-B (RANK) / Receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (RANKL) / osteoprotegerin (OPG) pathway에 대한 연구가 지속되고 있다. RANK는 성숙파골세포[2] 및 전구파골세포, 순환단핵세포[3] 등의 표면에 발현되며[4], 여기에 조골세포[5]와 B림프구[6], T 림프구[7] 등의 세포에서 발현되는 RANKL이 결합하게 되면 TNF receptor associated factor 5 (TRAF5)와 TRAF6를 매개하여 파골세포의 형성 및 분화, 증식, 활성화에 강력하게 영향을 미친다[8,9]. 이와 대조적으로 OPG는 RANK와 RANKL이 결합하기 이전에 RANKL과 먼저 결합하여 파골세포의 분화와 활성작용을 차단하는 역할을 하는 RANKL 유도인자로, 파골세포 생성억제 인자(osteoclastogenesis inhibitory factor, OCIF)로 인식되고 있다[10]. 즉, RANKL과 RANK는 파골세포의 형성과 분화, 생존을 조절하는 반면, OPG는 RANK-RANKL결합에 inhibitor의 역할을 하는 상반된 역할을 수행하고 있으며, 이들을 합쳐서 RANKL/RANK/OPG pathway라고 하고 있다. 따라서 골흡수에 관여하는 파골세포의 수준에서 골대사를 이해하기에 매우 유용한 경로라고 할 수 있다. 이러한 RANKL/RANK/OPG pathway에 대한 연구는 골다공증 환자나 이차성 골다공증 방지를 위한 약제연구[11]에 주로 집중되어 있다.

한편, 골대사는 운동과 같은 물리적 부하에 영향을 받으며, 외부의 기계적인 자극에 반응하여 변화가 일어난다[12]. 일반적으로 장기간의 운동이 골밀도를 개선시키는 것이 알려져 있지만, 1회성 운동에 따른 골대사의 변화는 아직 잘 알려져 있지 않다. 운동에는 다양한 형태 및 강도, 시간, 빈도가 있으며, 이들의 다양한 조건에 따라서 골밀도에 미치는 영향이 다를 수 있다. 특히 걷기, 달리기, 자전거타기 등의 유산소운동의 경우 대상자의 능력에 맞추어 설정되어야 할 것이 운동 강도이나, 골대사와 운동에 관한 연구에 있어서 운동 강도에 대한 연구는 미비한 실정으로, 아직 그 결과가 일관되게 나타나지 않고 있다. Rong et al. [13]은 젊은 성인남성에게 55% VO₂max 강도로 45분 또는 85% VO₂max 강도로 15분간 사이클 운동을 실시한 집단과 85% RM의 강도로 하지 근력운동을 한 집단의 3집단으로 나누어 각각 운동전과 후, 회복기 혈액에서 칼슘조절 호르몬 및 골대사지표의 변화를 검토하였다. 그 결과, 모든 운동집단에서 운동 후 골흡수 지표인 Type I collagen C-telopeptide (ICTP)가 감소하였으나, 근력운동집단에서 부갑상샘호르몬(parathyroid hormone, PTH)이 상승하는 것을 보고하고 있다. Welsh et al. [14]도 성인남성 10명에게 중강도 걷기운동을 실시한 뒤 운동 전과 운동 후 0.5, 1, 8, 24, 32시간 동안의 혈액샘플과 3일 동안의 소변샘플을 분석한 결과, 골형성 지표인 osteocalcin (OC)과 alkaline phosphatase (ALP)는 유의한 변화가 나타나지 않았지만, 골흡수 지표인 pyridinoline과 deoxypyridinoline이 증가함을 밝히면서 중강도의 1회성 운동이 32시간 이내에 골흡수를 자극하는 반면, 골형성은 자극하지 않음을 보고하였다. 이처럼 1회성 운동 후 골흡수 작용에 영향을 미칠 가능성이 시사되었지만, 최근 밝혀진 강력한 골흡수 조절 시스템인 RANK/RANKL/OPG pathway에 미치는 1회성 운동 효과에 대해서는 아직 연구가 미미한 실정이다. 이에 Kim et al. [15]은 골감소증 고령여성을 대상으로 저강도(40% VO₂max) 및 고강도(80% VO₂max)의 1회성 운동을 부하하여 운동강도의 차이가 RANKL과 RANK, OPG 혈중 생성량과 PBMC에서 생성되는 mRNA의 발현에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과 운동강도에 따른 유의미한 변화를 발견하지 못하였다고 보고하면서, 평소 운동 습관이 없는 고령의 골감소증 여성들은 건강한 여성들과는 운동에 대한 반응이 다르게 나타날 가능성도 상정된다고 보고하였다.

따라서 이 연구에서는 지난 연구에서 문제가 있다고 판단된 대상자를 건강한 20대 여성으로 변경하여 실험을 진행하여 운동강도의 차이가 건강한 여대생의 RANKL/RANK/OPG pathway 및 골대사 지표에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 이 연구에서는 1회성 운동량을 건강한 여대생에 맞추어 250 kcal로 증가시키고, 운동강도를 중강도(60% VO₂max)와 고강도(80% VO₂max)로 변경하여 실시하였다. 분석항목은 기존 연구와 동일하게 하여 1회성 운동에 따른 RANK/RANKL/OPG pathway의 변화를 혈중 농도와 전혈세포에서의 mRNA 발현 수준을 검토하였고, 골대사 지표(bone metabolic markers)로 알려진 osteocalcin (OC)과 C-telopeptide of collagen cross-link (CTx)의 혈중 농도 변화를 검토하였다.

골 리모델링 과정은 골활성, 골흡수, 골형성의 단계로 진행이 되며, 골활성화의 과정에서는 비활성상태의 조골세포가 자극을 받아 세포 표면의 RANKL이 활성화되고 활성화된 RANKL은 RANK의 수용체와 상호작용을 한다[16]. 이 상호작용으로 파골전구세포를 발현시켜 융합과 분화과정을 겪으며, 이를 통해 양성다핵형세포로 분화, 양극화되면서 파골세포로 성장하게 된다. 한편, 조골세포의 macrophase colony stimulation factor (M-CSF) 생성과 RANKL의 발현을 통한 양성다핵형세포로 분화시키는 과정에서 이들의 억제·제어 역할을 하는 인자가 OPG이다[17]. OPG는 TNF 수용체의 superfamily에 속하며, RANKL-RANK의 결합을 방해하고 RANK대신 RANKL과 결합하면서 파골세포의 형성에 억제 작용을 한다[18]. 이처럼 RANKL/RANK/OPG pathway는 기존에 알려져 있는 골대사 지표들과 달리 파골세포의 형성과 활성에 작용하는 국소 인자들로, 이들의 활성과 제어를 통해 골흡수에 포커스를 맞추어 골대사를 평가할 수 있다. 그 중 RANK와 RANKL의 발현과 활성은 파골세포의 형성을 촉진하는 골흡수 촉진인자로, OPG의 발현과 활성은 파골세포의 분화와 형성을 억제하는 골흡수 억제인자로 평가할 수 있다. 지금까지 본 연구진들은 Nuclear factor of activated T-cells, cytoplasmic1 (NFATC1)을 활성시켜 Tartrate resistance acid phosphatase (TRAP), cathepsin K, DC-STAMP 등의 전구파골세포 분화를 유도하는 TNF-α, IL-1 등의 골흡수성 사이토카인의 역할에 대해서도 검토해 왔지만[19-22], 최근에는 운동의 골흡수 개선 작용에 대한 기전을 이해하기 위하여 RANKL/RANK/OPG pathway에 미치는 운동 효과를 검토하고 있다. Kim et al. [15]의 연구에서는 평소 운동 습관이 없는 고령의 골감소증 여성을 대상으로 1회성의 저강도(40% VO₂max)와 고강도(80% VO₂max) 운동에 따른 RANKL/RANK/OPG pathway에 미치는 효과를 검토하였다. 그 결과 두 강도의 1회성 운동 모두 RANKL와 RANK에서는 혈중농도 및 mRNA 발현에 어떠한 영향을 미치지 않으나, 혈중 OPG 농도는 고강도 운동 후 회복기에 운동 전보다 감소하는 경향을 나타내는 것을 보고하였다. 이는 고강도의 운동에서는 파골세포의 활성을 억제시키는 OPG의 혈중 농도가 감소될 가능성을 시사하는 것으로 해석되었지만, 건강한 여성들과는 운동에 대한 반응이 다르게 나타날 가능성도 있어 추가 연구가 필요하다고 하였다.

한편, OC는 골형성 지표[23]로 조골세포로부터 생성·방출 · 순환되어, 골기질에 결합하는 단백질의 주요 성분으로[24], 골형성의 예측 또는 골교체율을 반영하는 지표로 사용이 된다[25]. CTx는 골대사의 비율을 나타내는 지표[26]로, 대사성 골질환에서 골흡수가 촉진될 때 증가하여 골흡수 지표로 알려져 있다[27]. 운동의 골대사에 미치는 영향에 있어서 운동이 골흡수를 억제하는 것인지, 또는 골형성을 촉진하는 것인지, 아니면 이 둘 모두를 동시에 조절하는지에 대한 연구에 있어서 OC와 CTx가 많이 연구되고 있다. Scott et al. [28]은 저항운동과 지구성운동을 각각 부하하여 운동 전, 운동 중, 회복 2시간 후, 4일 후의 혈중 골대사 변인의 변화를 확인한 연구에서 두 운동집단 모두에서 CTx가 4일 동안 증가된 상태를 유지하는 것을 보고하면서, 격렬한 운동은 골흡수를 증가시키지만 골형성은 증가시키지 않는다고 하였다. 12명의 엘리트 선수들을 대상으로 60분 동안 80% VO₂max 강도로 사이클 운동을 실시한 뒤 골대사 지표를 확인한 연구에서도 CTx의 증가를 보고하면서, 파골세포의 급격한 골흡수 작용이 유도되었을 가능성을 보고하였다[29]. 그러나 다음의 연구들과 같이 운동 후에 무변화 또는 감소하는 결과도 발표되고 있어 아직 논란이 많은 실정이다. Sherk et al. [30]의 젊은 여성 10명을 대상으로 진동운동과 저항운동을 실시한 뒤의 혈중 골대사 지표를 확인한 연구에서, 저항운동을 처치한 집단에서 CTx가 운동 30분 뒤 감소하였다고 하였으며, 18명의 건강한 남성을 대상으로 70% VO₂max 강도로 60분간 달리기 운동을 한 뒤 3시간 후에도 CTx에 변화가 나타나지 않았다고 보고하고 있다[31]. Kim et al. [15]의 연구에서도 1회성의 저강도(40% VO₂max)와 고강도(80% VO₂max) 운동 후에 저강도에서 OC가 운동 후 회복기에 증가하는 것이 관찰되었지만, 고강도에서는 변화하지 않는 점, CTx는 두 강도 모두 변화하지 않는 점, 혈중 OPG와는 다르게 나타나는 점 등이 불명확하여 건강한 여성을 대상으로 한 후속연구가 필요하다고 하였다.

이에 이 연구에서는 연구 대상자를 20대 건강한 여대생으로 바꾸고, 중강도(60%)와 고강도(80% VO₂max)의 운동을 부하하여 1회성 운동이 RANK/RANKL/OPG pathway의 혈중 농도와 혈액세포에서 생성되는 mRNA의 발현에 미치는 영향을 재검토하였다. 이 연구에서는 건강한 여대생을 대상으로 하는 만큼, 이전 연구와 비교하여 운동강도와 운동량을 증가시켜 본 연구를 진행하였으나, 이전 연구[15]와 유사하게 RANKL, OPG, OPG/RANKL ratio의 혈중농도와 혈액세포 mRNA 발현에서 유의미한 차이를 발견할 수 없었다. 또한 골대사 지표인 OC, CTx의 혈중 농도 및 OC와 CTx의 비율(OC/CTx ratio)에 있어서도 1회성 운동에 따른 유의미한 변화를 찾을 수 없었다. 이 결과는 RANK/RANKL/OPG pathway 및 골대사 지표에 있어서 1회성 운동의 효과가 나타나지 않는 다는 것이고, 운동 강도의 차이가 없다는 것으로 의외의 결과라 할 수 있다. 왜냐하면 다음과 같은 적지 않은 연구에서 운동 후에 골대사 관련 인자들의 변화가 보고되기 때문이다. Kish et al. [32]의 선행연구에 따르면, 소년과 젊은 남성을 대상으로 144회의 점프동작으로 구성된 플라이오메트릭 운동을 1회성으로 실시한 후, 운동 전과 운동 직후, 1시간 후, 24시간 후 혈액을 채취하여 OPG, RANKL변인을 측정한 결과, 운동 직후에 골흡수 억제 인자인 OPG가 두 그룹 모두에서 증가되어 기계적 자극에 대해 세포 내 골활성이 더 활발히 일어난다고 하였다. Mezil et al. [33]도 최대부하의 90%의 고강도 운동 1분과 휴식 1분을 1세트로 하여, 총 6세트, 12분간 진행하는 저충격 고강도 인터벌 운동프로그램 결과, 혈중 BAP, OPG, RANKL의 혈중 농도는 운동 전에 비하여 운동 5분 후에 시기 간에 유의하게 증가하고, 1시간과 24시간 뒤에 BAP만 증가하는 것을 보고하고 있다.

본 연구에서 이들 연구들과 다르게 측정변인 모두 변화가 없는 것으로 나타난 이유는 운동에 대한 RANK/RANKL/OPG pathway 및 골대사 지표의 반응 시간이 상당히 지연되기 때문일 것이라고 상정되었다. 왜냐하면 Kim et al. [15]의 연구와 본 연구에서는 운동 후 60분 또는 90분 후까지만을 검토하고 있으나, 다음과 같이 적지 않은 연구에서 상당히 지연된 시간에 골대사의 반응이 나타난다고 보고하고 있기 때문이다. Bowtell et al. [34]은 26-46세 여성 56명을 대상으로 단시간 축구 혹은 전신진동 운동을 실시한 뒤 운동 전, 운동 15분 후, 30분 후, 48시간 후에 oesteocalcin의 혈중농도변화를 검토한 연구에서는 축구 운동 48시간 후에야 oesteocalcin이 증가한다는 것을 보고하고 있다. 17명의 20대 남성을 대상으로 고강도의 격렬한 신장성 수축운동을 실시한 후 5일 동안 혈중 변화를 확인한 연구에서도, 운동 2시간 후, 운동 1일 후보다 5일 후에서 더 높은 osteocalcin 농도를 나타낸다는 보고도 있다[35]. Rogers et al. [36]도 24-62세 남성 12명을 대상으로 60-80% RM의 저항성운동 또는 플라이오메트릭 운동을 실시한 뒤, 운동 전과 운동 후, 운동 15분, 30분, 1시간, 2시간, 24시간 뒤의 혈중 osteocalcin을 검토한 결과, 어느 시점에서도 유의한 변화가 없었음을 보고하고 있다. 중년여성 24명을 대상으로 60% RM의 강도로 저항성 운동을 실시한 연구에서도, 운동 전과 운동 직후, 운동 60분 뒤에 채혈한 혈액 모두에서 골대사 관련 사이토카인과 OPG의 농도 변화를 확인할 수 없었다고 보고되고 있다[37]. Scott et al. [38]도 10명의 건강한 남성을 대상으로 9일 동안 실험실에서 식이와 활동을 통제하며 65% VO₂max 트레드밀 달리기 운동 후 혈중 OPG를 포함하여 골대사 지표를 검토한 연구에서, 3시간과 23시간 후에는 유의한 변화가 없었지만, 운동 48시간 후 OPG가 약 10% 증가하고, 96시간 후에는 다시 약 20%가 감소하는 것을 보고하면서, OPG의 변화는 48시간에서 1주일간의 추적 검토가 필요하다는 것을 제기하는 것처럼, 본 연구에서 검토한 운동 후 90분에서는 RANK/RANKL/OPG pathway 및 골대사 지표에 있어서 어떠한 변화도 나타나지 않았을 가능성도 있다. 후속 연구에 있어서는 충분한 회복시간을 두어 검토할 필요가 있다고 판단되는 이유이다.

본 연구에서는 20대 여성 10명을 대상으로 60% VO₂max와 80% VO₂max의 운동강도로 1회성 운동을 각각 부하하여 운동강도의 차이가 RANKL 신호전달인자 및 골대사에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 그 결과, 혈중 RANKL, OPG, OPG/RANKL ratio의 농도와 RANK/RANKL/OPG pathway mRNA 발현량 변화에서 유의한 변화가 나타나지 않았으며, 골대사 지표인 OC, CTx의 혈중 농도에서도 유의미한 변화를 확인할 수 없었다. 이 결과로부터 1회성 운동에 대한 골대사의 반응은 단시간 내에는 일어나지 않을 가능성이 시사되었다. 추후 골대사에 미치는 1회성 운동 효과를 명확하게 하기 위해서는 3일-1주일 후까지의 추적·검토가 필요할 것으로 사료되었다.