1회성 운동이 건강한 여대생의 RANKL/RANK/OPG pathway 및 골대사 지표에 미치는 영향

The Effects of Acute Exercise on RANKL/RANK/OPG Pathway and Bone Metabolic Markers in Healthy College Female

Article information

Exerc Sci. 2018;27(3):225-231
Publication date (electronic) : 2018 August 6
doi : https://doi.org/10.15857/ksep.2018.27.3.225
1Department of Counseling, Health & Kinesiology, Texas A&M University-San Antonio, Texas, USA
2Department of Physical Education, Dongduck Women’s University, Seoul, Korea
3Department of Kinesiology, Inha University, Incheon, Korea
4Department of Exercise Prescription and Rehabilitation, Dankook University, Cheonan, Korea
5Department of Sport Science, Korea Institute of Sport Science (KISS), Seoul, Korea
김지연1, 김효진2, 박동호3, 신윤아4, 민석기5, 김창선,2
1Texas A&M University-San Antonio, Department of Counseling, Health & Kinesiology
2동덕여자대학교 체육학과
3인하대학교 스포츠과학과
4단국대학교 운동처방재활학과
5한국스포츠정책과학원 스포츠과학실
Corresponding author: Chang-Sun Kim Tel + 82-2-940-4507 Fax +82-2-940-4502 E-mail chang@dongduk.ac.kr
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본 논문은 2015년 대한민국 교육부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2015S1A5A2A01011501).

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본 논문은 김지연의 박사학위논문(2017)의 일부를 발췌하여 작성하였음.

Received 2018 July 25; Revised 2018 July 31; Accepted 2018 August 6.

Trans Abstract

PURPOSE

The purpose of this study was to examine the effects of acute exercise with difference Intensitis on RANKL/RANK/OPG pathway and bone metabolic markers in healthy college female.

METHODS

Ten healthy college females (aged 21.5±1.84 years; VO2max 37.69±3.74 mL/kg/min) examined bone metabolic markers and RANKL/RANK/OPG pathway responses to acute exercise of high (80% VO2max; HIGH group), moderate (60% VO2max; MOD group) intensity with a treadmill ergometer, and sedentary rest (CON group) in a randomized, cross-over repeated measures design. The serum concentrations of bone metabolic markers such as OC and CTx, and RANKL, OPG measured at before, immediately after and then recovery 90 minutes after exercise. mRNA expressions of RANKL and RANK, OPG from PBMC were also measured at same times.

RESULTS

There were no significant differences in the serum OC, CTx concentrations among different exercise intensities (CON, MOD, HIGH) and over time (before, after and recovery) (NS). Also no significant differences were found in the serum RANKL, OPG concentrations and all RANKL/RANK/OPG pathway mRNA expression (NS).

CONCLUSIONS

These results suggested that acute exercise does not disrupted the RANKL/RANK/OPG pathway and bone metabolic markers in a short time. A follow-up studies are required that tracking for long term from 3 days to 1 week.

서 론

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.

연구 방법

1. 연구대상 및 연구절차

본 연구의 대상은 건강한 여대생(21.5±1.8세)으로, 지난 6개월 동안 규칙적인 신체활동 경험이 없는 대상자 중 설문에 의한 사전 건강검사 및 운동부하 검사를 실시하여 운동부하가 가능한 10명을 최종 대상자로 선정하였다(Table 1). 단일집단 반복측정의 실험 디자인 등의 실험적 절차는 Kim et al. [15]의 연구와 동일하게 진행하였으며, 보건복지부 지정 공용기관 생명윤리 위원회의 승인을 받아 진행하였다.

The characteristics of subjects

2. 목표 운동강도의 설정 및 운동부하

최대산소섭취량 측정은 트레드밀 에르고미터(T150 DE, Cosmed, Italy)와 호흡가스분석기(VO 2,000 metabolic measurement system, Med Graphics, USA), 심박수 측정기(Polar, Finland)를 이용하여 측정하였다. 운동부하 검사는 modified Bruce protocol을 적용하여 최초 부하를 1.7 mph, 10%에서 시작하여 3분마다 증가시켰으며, 운동자각도(RPE) 등은 매 단계의 마지막 30초에 기록하였다. 그 결과 값을 토대로 중강도(60% VO2max) 및 고강도(80% VO2max)에서의 VO2와 운동부하강도(mph), 분당 심박수(bpm) 등을 구하여 각각의 % VO2max 운동강도를 설정하였다. 실험은 총 3회에 걸쳐 실시하였다. 각 개인의 체력수준에 맞게 산출된 속도와 시간 값을 이용하여 250 kcal를 소모하는 60% VO2max, 80% VO2max 강도의 운동부하 실험을 실시하였다. 본 실험에 있어 각 강도에 해당하는 달리기 속도를 계산하고, 산소 1 L 당 5 kcal의 열량을 소비하는 것으로 가정하여 250 kcal의 열량을 소비하는 운동 시간(min)을 계산하여 각 대상자별로 속도와 시간을 부하하였다(Table 2). 또한 동일한 시간 대에 실험실에서 안정을 취하는 안정 집단(CON)의 실험을 실시하였다. 모든 과정은 숙련된 연구자에 의하여 3회 측정 모두 동일한 시간과 환경에서 이루어졌으며, 실험참여 사이에 간섭효과가 나타나지 않도록 1주일 간격으로 실시하였다.

The running speed and time according to the each intensity for 250 kcal energy expenditure

3. 채혈 및 시료의 처리

연구 대상자들은 측정 당일 12시간 이상의 공복을 유지한 상태로 실험실에 도착하여 30분간 안정을 취하였다. 채혈의 시점은 운동 전 안정시, 운동 종료 직후, 회복 90분 후에 이루어졌으며, 안정 집단(CON)은 동일 시간대에 채혈을 진행하였다. 상완 정맥에서 채취된 10 mL의 혈액 일부는 전혈로부터 RNA를 분리 추출하여 OPG, RANK, RANKL의 mRNA 발현량을 분석하였으며, 일부는 혈청(serum)을 분리하여 Enzyme Linked Immunosorbent assay (ELISA) kit를 통하여 농도 분석을 실시하였다.

(1) RANK/RANKL/OPG 및 골대사 지표의 혈중 농도분석

RANKL 신호전달인자와 골대사 지표들의 혈청(serum) 농도를 ELISA 분석법을 이용하여 측정하였다. 측정인자로 신호전달인자인 RANKL, OPG와 골대사 지표인 OC와 CTx를 분석하였다. 분석은 각각의 전용 ELISA 측정 키트(Human OPG, RANKL, Osteocalcin ELISA kit, Fine Test, China)를 이용하여 농도를 측정하였다. CTx는 전문혈액 분석 회사(SQ Lab, Seoul)에 의뢰하여 ECLIA 법(CTx kit, Roche, Germany)으로 분석하였다.

(2) 전혈세포로부터 RNA 추출 및 real-time PCR 분석

NucleoSpin RNA blood kit (Macherey-nagel, Germany)를 이용하여 전혈세포로부터 총RNA를 추출하였고, Kim et al. [15]의 분석방법에 따라 역전사반응법에 의한 complementary DNA (cDNA)를 합성하고 실시간중합효소연쇄반응(real-time PCR)을 실시하였다. RANKL 신호전달인자인 OPG, RANK, RANKL mRNA의 발현량을 측정하고, 정량을 위하여 하우스키핑 유전자인 glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) mRNA에 대한 상대량을 분석하였다. DNA의 합성과 mRNA의 발현까지 사용한 forward와 reverse primer의 nucleotide sequence는 Table 3과 같다.

The sequence of RANKL pathway factors mRNA primers

4. 자료분석 및 통계방법

모든 자료는 SPSS for Window (ver. 22.0) 통계 프로그램을 이용하여 요인별 평균과 표준편차를 산출하였다. 통계처리는 이원변량 반복측정 분산분석(two-way repeated measure ANOVA)을 실시하여 운동강도(CON, 60%, 80% VO2max)에 따른 시기 간(운동 전, 운동 직후 및 운동 후 90분의 회복 시)의 차이(3 by 3)를 분석하였다. 집단 혹은 시기에서 주효과가 나타난 경우, 일원변량 분산분석(One-way ANOVA)의 Bonferroni를 통해 사후검사를 실시하였다. 통계적 유의 수준은 5% 미만(p<.05)으로 설정하였다.

연구 결과

1. 혈청 OC 및 CTx 농도, OC/CTx ratio 변화

골대사 지표인 OC, CTx,의 혈중 변화를 살펴 본 결과, 모든 인자들에게서 집단과 시기에 있어 유의미한 상호작용효과를 확인할 수 없었다(Table 4). CTx항목에서 집단 간 주효과가 나타나(F=11.386, p =.006) 대조집단에 비교하여 60%와 80% VO2max 운동집단의 각 시점의 혈중농도가 모두 높은 경향을 보였으며, 사후검증을 통해 확인해 본 결과 통계적으로 유의미한 차이를 확인할 수 없었다.

The change of serum bone metabolic markers after a bout exercise of different intensities

2. 혈청 RANKL 및 OPG농도, OPG/RANKL ratio 변화

RANKL, OPG, OPG/RANKL ratio의 혈중농도를 다음 Table 5에 제시하였다. 반복측정 분산분석 결과, 혈중 RANKL, OPG, OPG/RANKL ratio에서는 집단, 시기, 집단과 시기에서 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다.

The change of serum concentration and mRNA expression of RANK/RANKL/OPG after a bout exercise of different intensities

3. 혈액세포로부터의 RANK, RANKL 및 OPG mRNA 발현과 OPG/RANKL mRNA ratio 변화

RANK, RANKL, OPG mRNA 발현량에서는 OPG mRNA의 집단간 주효과가 나타나(F=5.573, p =.036), 60%와 80% VO2max 운동집단에서 운동직후 감소하였다가 증가하는 경향을 보였으나 사후검증 결과 통계적으로 유의한 차이는 확인할 수 없었다(Table 5). 그 이외의 변인에 있어서는 집단, 시기, 집단과 시기에서 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다.

논 의

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.

결 론

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.

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Table 1.

The characteristics of subjects

Variables (n = 10)
Age (year) 21.50 ± 1.84
Height (cm) 163.80 ± 5.29
Weight (kg) 57.04 ± 6.47
BMI (kg/m2) 21.25 ± 2.27
Body fat (%) 27.22 ± 5.14
VO2max (mL/kg/min) 37.69 ± 3.74
HRmax (beat/min) 185.50 ± 6.85

Mean±SD.

BMI, body mass index; VO2max, maximal oxygen consumption; HRmax, maximum heart rate.

Table 2.

The running speed and time according to the each intensity for 250 kcal energy expenditure

Group Intensity (%VO2max) Speed (mph) Time (min) TEE (kcal)
CON Sedentary - - -
MOD 60% 5.83 ± 0.62 37.60 ± 5.90 250
HIGH 80% 7.97 ± 0.68 28.22 ± 4.44 250

Mean±SD.

CON, Control group; MOD, 60% VO2max exercise group; HIGH, 80% VO2max exercise group; Speed, running speed; Time, running time; TEE, target energy expenditure.

Table 3.

The sequence of RANKL pathway factors mRNA primers

Gene Primer Sequences Annealing Temp (˚C)
RANK (+) 5’-CTG ACT CTT CGA GAT CAT TT-3’ 64
(-) 5’-CTA GGT CTT GGA CGT AAT AC-3’
RANKL (+) 5’-TTA TAA CGA CCT GCA AGG TTA-3’ 56
(-) 5’-TCC GGG CTT ACG ACG TAC CCT-3’
OPG (+) 5’-AGT CCC TGG ACT GAA CTA AAG-3’ 56
(-) 5’-ACC CCT GGT ATC ATT CAG GGC-3’
GAPDH (+) 5’-AGA GAT GGC CAC GGC TGC TT-3’ 58
(-) 5’-ATT TGC GGT GGA CGA TGG AG-3’

RANK, Receptor Activator of Nuclear Factor Kappa B; RANKL, RANK ligand; OPG, Osteoprotegerin; GAPDH, Glyceraldehyde 3-Phosphate Dehydrogenase.

Table 4.

The change of serum bone metabolic markers after a bout exercise of different intensities

Group Before After Recovery Source F (p)
OC (ng/mL) CON 4.04 ± 1.29 6.46 ± 3.21 5.41 ± 4.28 G 3.410 (.092)
MOD 4.30 ± 2.06 3.78 ± 1.54 3.52 ± 9.54 T 1.738 (.244)
HIGH 5.87 ± 4.80 4.55 ± 2.55 3.17 ± 3.67 G×T 0.966 (.499)
CTx (ng/mL) CON 0.33 ± 0.11 0.31 ± 0.14 0.36 ± 0.18 G 11.386 (.006)
MOD 0.37 ± 0.13 0.38 ± 0.13 0.40 ± 0.14 T 2.323 (.168)
HIGH 0.36 ± 0.17 0.40 ± 0.19 0.41 ± 0.17 G×T 1.872 (.254)
OC/CTx (ratio) CON 13.28 ± 5.20 27.30 ± 21.36 19.12 ± 16.26 G 2.965 (.080)
MOD 12.96 ± 6.95 10.72 ± 3.68 9.43 ± 3.08 T 2.369 (.126)
HIGH 21.63 ± 24.14 14.78 ± 12.72 9.11 ± 3.69 G×T 2.277 (.083)

Mean±SD.

CON, Control group; MOD, 60% VO2max exercise group; HIGH, 80% VO2max exercise group; OC, Osteocalcin; CTx, C-terminal Telopeptide of Type 1 Collagen cross-link; G, Group; T, Time; G×T, Group×Time.

Table 5.

The change of serum concentration and mRNA expression of RANK/RANKL/OPG after a bout exercise of different intensities

Group Before After Recovery Source F (p)
Serum concentration
 RANKL (pg/mL) CON 974 ± 1,082 1,299 ± 1,439 1,383 ± 1,148 G 1.691 (.262)
MOD 1,238 ± 1,261 1,034 ± 1,210 1,490 ± 2,001 T 1.072 (.400)
HIGH 1,242 ± 1,197 1,126 ± 1,211 1,060 ± 1,388 G×T 1.798 (.292)
 OPG (pg/mL) CON 32.7 ± 49.9 29.1 ± 14.6 42.3 ± 34.3 G 0.854 (.466)
MOD 37.3 ± 18.9 30.6 ± 14.4 29.8 ± 12.4 T 0.393 (.689)
HIGH 34.6 ± 19.4 36.3 ± 20.0 39.3 ± 21.0 G×T 1.062 (.462)
 OPG/RANKL (ratio) CON 0.09 ± 0.12 0.06 ± 0.08 0.11 ± 0.19 G 0.855 (.449)
MOD 0.21 ± 0.36 0.04 ± 0.03 0.06 ± 0.07 T 0.935 (.419)
HIGH 0.05 ± 0.05 0.10 ± 0.13 0.20 ± 0.29 G×T 1.572 (.214)
mRNA expression
 RANK (ratioa) CON 87.1 ± 114.5 30.8 ± 36.7 13.8 ± 11.3 G 2.824 (.126)
MOD 57.5 ± 115.8 13.8 ± 22.8 47.5 ± 64.8 T 1.609 (.266)
HIGH 42.1 ± 81.8 36.8 ± 46.9 96.4 ± 174.3 G×T 1.377 (.361)
 RANKL (ratioa) CON 61.3 ± 108.4 13.8 ± 17.4 7.3 ± 7.5 G 1.180 (.396)
MOD 38.7 ± 86.7 6.5 ± 10.3 38.6 ± 82.8 T 1.887 (.265)
HIGH 38.1 ± 79.5 22.9 ± 33.2 53.8 ± 90.5 G×T 0.443 (.779)
 OPG (ratioa) CON 169.0 ± 250.3 27.3 ± 30.4 15.6 ± 15.6 G 5.573 (.036)
MOD 74.9 ± 168.6 16.4 ± 30.6 73.1 ± 139.6 T 1.154 (.369)
HIGH 67.1 ± 129.7 48.1 ± 64.4 96.3 ± 133.6 G×T 0.884 (.535)
 OPG/RANKL (ratio) CON 1.74 ± 0.55 2.17 ± 0.78 2.19 ± 0.63 G 0.433 (.660)
MOD 1.69 ± 0.50 2.28 ± 1.23 2.55 ± 0.88 T 0.912 (.433)
HIGH 2.10 ± 0.66 1.93 ± 1.14 2.18 ± 0.54 G×T 1.015 (.423)

Mean±SD.

CON, Control group; MOD, 60% VO2max exercise group; HIGH, 80% VO2max exercise group; RANK, Receptor Activator of Nuclear factor-Kappa B; RANKL, RANK Ligand; OPG, Osteoprotegerin; G, Group; T, Time; G×T, Group×Time.

a

ratio from the amount of GAPDH mRNA.