J Korean Biol Nurs Sci > Volume 23(3); 2021 > Article
8주간의 유산소 운동강도에 따른 어린 생쥐의 체중, 식이효율, 뇌의 비만조절 인자(AMPK), 활성산소(MDA), 항산화효소(SOD)의 차이

Abstract

Purpose: The goal of this study was to see how different aerobic exercise intensities affected AMP-activated protein kinase (AMPK), reactive oxygen, and antioxidant enzymes in young mice during an 8-week period. Methods: Forty male C57BL/6 mice, aged seven weeks, were randomly assigned to one of four groups: control (n=10), low-intensity exercise (n=10), moderate-intensity exercise (n=10), and high-intensity exercise (n=10). For eight weeks, aerobic activity was performed once a day for 35-40 minutes, five days a week. The data were analyzed using descriptive statistics, analysis of variance (ANOVA), chi-squared tests, and the Tukey test in the SPSS/WIN 25.0 program. Results: Weight (p=.001) was substantially different between the moderate-intensity exercise group and the control group in AMPK (p<.001). In addition, there were no significant differences between the moderate-intensity exercise group and the control group in reactive oxygen malondialdehyde (MDA) levels (p=.136) and antioxidant enzyme superoxide dismutase (SOD) levels (p=.521). Conclusion: These findings suggest that moderate-intensity aerobic exercise increased AMPK activation and helped young mice shed weight.

서 론

1. 연구의 필요성

코로나바이러스감염증-19 (Coronavirus Disease-19, 코로나19)는 2019년 중국 후난성 우한시에서 발생하였으며, 2020년 3월 11일 세계보건기구(World Health Organization, WHO)는 세계적으로 코로나19로 인한 사망자가 증가하면서 감염병 최고 경고 등급인 팬데 (Pandemic)을 선언하였다[1]. 우리나라도 2021년 7월 25일 현재 14,092명이 감염되었으며, 298명(치명률 2.11%)이 사망한 것으로 보고되고 있다[2]. 현재 많은 국가들이 코로나19의 확산을 방지하기 위해 사회적 거리두기를 시행하고 있으며 감염병 확산이 심각한 나라에서는 록다운(lock down)을 실시하고 있어 일상생활에 변화가 많으며, 활동 제한으로 신체활동이 감소하면서 비만이 발생할 가능성이 높아졌다[3]. 특히 아동들은 학교를 임시 폐쇄하고 비대면으로 온라인 학습을 실시하고 있기 때문에 코로나19 발생 기간 동안 가정에만 머물러 있어야 하는 시간이 길어지고, 스마트폰이나 컴퓨터 사용량이 증가면서 비만 및 과체중이 증가하였다[3]. 아동 비만은 아동의 신체적, 심리·정서적, 사회적 성장 발달에 부정적 영향을 끼칠 뿐만 아니라 성인 비만으로 이어져 각종 질환의 발생 위험을 증가시키므로 치료보다는 예방이 중요하다[4,5].
비만은 과잉지방조직의 축적과 지방세포 기능 장애로 인한 에너지 섭취와 에너지 소비 사이의 불균형에 의해 유발된다[6]. 지방 생성을 조절하는 요소와 분자메커니즘은 다양하다. 그중 과산화소체 증식자 활성화 수용체 감마(Peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPAR-γ)와 CCAAT/촉진 결합단백질 베타 동형(CCAAT/enhancer-binding protein beta isoforms, C/EBPs)이 주요 전사인자이다[7,8]. PPAR-γ의 주요 조절인자인 과산화소체 증식자 활성화 수용체 감마 공활성 인자 1α (Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α, [PGC-1α])는 미토콘드리아 생합성의 주요 조절 인자이며, PPAR-γ의 주요 활성 인자로 [9,10], 5’아데노신 1인산염 활성화 단백질 인산화효소(AMP activated protein kinase, AMPK)에 의해 직접 조절된다.
AMPK는 신체 조직, 특히 뇌, 간, 지방 세포 및 골격근에 저장된다. 뇌에서는 시상하부와 관련된다. 시상하부는 자율신경계를 통합하는 중요한 대뇌중추로 체액과 전해질 균형, 식욕, 혈압조절, 체온, 수면, 성적 충동 중추로 기능한다[11]. 시상하부가 에너지 수준이 낮음을 감지하면 AMPK가 자극되어 에너지 소비는 감소하고 식욕은 증가되며, 세포 에너지가 높으면 그 반대로 식욕을 감소시키고 에너지 소비를 증가시켜 에너지 균형을 조절한다. 또한 AMPK는 세포 에너지 항상성을 유지하는 핵심 조절자[12]로 미토콘드리아의 기능에 관여하여 대사 항상성을 조절하는 역할을 하며[13], 운동에 의해 상향 조절된다[14,15]. AMPK는 아데노신삼인산(adenosine triphosphate, ATP)의 소비를 증가시키거나 ATP의 생산을 감소시켜 세포내 AMP 대 ATP 비율을 조절하며 공복 또는 신체 운동과 같은 다양한 대사 스트레스 요인에 반응하여 활성화된다[12,16-18].
AMPK가 활성화되면 세포 에너지 항상성을 회복하기 위해 주요 대사물질과 전사 조절자(예: PGC-1α)의 인산화를 통해 증가된 이화작용 및 감소된 동화작용으로 세포 대사를 재조정한다[15,18]. AMPK가 활성화되면 비만, 간의 지질 축적 및 비만 유발 인슐린 저항성으로부터 인체를 보호할 수 있기 때문에 AMPK는 대사성질환을 예방하거나 치료할 때 유용한 표식이 된다[18-20].
Khalafi 등[21]은 7주령의 어린 쥐에게 중강도 운동과 고강도 운동을 12주간 실시한 결과, 두 군 모두에서 AMPK/PGC1-α의 발현이 증가하였다고 보고하였다. Lee, Zhang, Kwak, Shin과 Song [22]은 비만 쥐에게 8주간 트레드밀 운동과 포도당과 지방제한 식이의 효과를 비교분석하기 위해 쥐를 8개 그룹으로 나누어 중재한 결과, 8주간의 운동은 체중을 감소시키고 혈중지질을 개선시키고, PGC-1α의 단백질 발현 수준을 증가시켰으며 식이제한은 인산화된 AMP 활성화 단백질 인산화효소와 AMPK ((pAMPK)/AMPK)의 비율과 PGC-1α를 대조군인 정상군 수준으로 감소시킨 것으로 보고하였다. 그러나 대부분의 선행연구[21,22]는 운동 후 골격근에서의 AMPK의 발현을 확인하고 있어, 운동 후 뇌에서 발현되는 AMPK에 대해서는 명확하게 규명되어져 있지 않다. 운동을 통해 에너지를 소비할 뿐 아니라 운동 후 뇌에서 AMPK의 발현이 증가하여 식욕을 통제하는지를 확인한다면 운동을 비만을 예방할 수 있는 중재로 적극적으로 활용할 수 있을 것이다.
비만은 조직의 산소유리기, 활성산소와 항산화효소 간에 불균형이 초래되는 만성적인 산화적 스트레스(oxidative stress) 상태라 할 수 있다[23]. 산화적 스트레스 상황에서 체지방은 지방선조(fatty streaks) 형태로 혈관 구조에 침투하며, 산화적 스트레스가 만성화될 경우 심혈관질환과 당뇨병으로 진전될 수 있다[24]. 그러므로 비만인 아동은 정상체중 아동보다 성인이 된 이후 당뇨병, 고혈압, 뇌졸중, 심부전과 같은 심혈관질환이 발생할 가능성이 높으므로[25] 비만이 발생한 후 치료하기 보다는 예방하는 것이 중요하다.
규칙적인 운동은 심혈관계 질환의 주요 위험 요인을 개선시켜 심혈관질환을 예방하거나 심혈관질환의 발병률을 낮추는 매우 효과적인 비약물 중재로 알려져 있다. 최근 운동이 심혈관질환 위험 인자에 영향을 미칠 뿐만 아니라 혈관에 직접적으로 영향을 미쳐 혈관내피 세포기능을 개선시키는 것으로 보고되었다[26-28]. 운동이 혈관기능에 영향을 주는 기전으로는 AMPKα2에 의해 미토콘드리아의 기능과 혈관내피세포 기능이 증진된다는 기전[26]과 운동을 할 때 증가된 혈류량과 전단력(shear stress)이 혈관내피세포를 자극하여 혈관 확장 물질인 산화질소(nitric oxide, NO) 생성과 NO 생체이용률을 증가시키고 이는 혈관내피산화질소합성효소(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)를 활성화시켜 혈관을 확장시키는 기전 등 여러 가지 기전으로 설명되고 있다[27,28]. 또한 운동으로 NO 생체이용율이 증가하며 산화적 스트레스(oxidative stress)와 활성산소 의 생성을 감소시키고 항산화 효소를 활성화시킨다[28]. 그러나 운동강도에 따른 활성산소 생성과 항산화 효소의 활성화의 효과에 대해서는 명확하게 밝혀져 있지 않다[29].
이에 본 연구에서는 어린 생쥐에게 유산소 운동의 강도에 따른 체중, 식이효율, 뇌의 비만조절 인자(AMPK), 활성산소(MDA), 항산화효소(SOD)에 미치는 효과의 차이를 규명하고자 한다.

2. 연구목적

본 연구의 목적은 8주간의 유산소 운동강도에 따른 어린 생쥐의 체중, 식이효율, 뇌의 비만조절 인자(AMPK), 활성산소(MDA), 항산화효소(SOD)의 차이를 검증하기 위함이며, 구체적인 목적은 다음과 같다.
  1. 유산소 운동강도에 따른 어린 생쥐의 체중, 식이효율의 차이를 규명한다.

  2. 유산소 운동강도에 따른 어린 생쥐의 뇌의 비만조절 인자(AMPK)의 차이를 규명한다.

  3. 유산소 운동의 운동강도가 어린 생쥐의 활성산소(MDA)와 항산화효소(SOD)의 차이를 규명한다.

연구 방법

1. 연구설계

본 연구는 8주 유산소 운동강도에 따라 7주 된 어린 생쥐의 체중, 식이효율, 뇌의 비만조절 인자(AMPK), 활성산소(MDA), 항산화효소(SOD)의 차이를 검정한 순수 실험 연구로, 동등성 대조군 전후실험 설계이다.

2. 연구대상

본 연구는 생후 7주 된 C57BL/6 계통의 수컷 생쥐 중, 체중 20±5 g의 실험동물을 대상으로 하였다. 실험동물은 무작위 표본추출로 실험군(n=30)과 대조군(n=10)으로 분류하였으며, 실험군은 저강도운동군(n=10), 중강도운동군(n=10)과 고강도운동군(n=10)으로 분류하였다. 집단별 실험동물 수는 생명존엄성에 따른 실험동물 최소 사용이라는 생명윤리위원회의 규정에 따라 각 집단별로 10마리씩 배정하였다. 실험동물은 OrientBio (Seongnam, Korea)에서 구입한 후 청결한 사육케이지(20×25×13 cm)에 넣어 D대학교의 청정동물실에서 실험기간동안 사육하였다. 실험실 환경은 온도(21±1°C)와 습도(55±5%)를 자동으로 조절하고 12시간 간격으로 낮과 밤을 교대시켰다. 실험동물이 실험실 환경에 적응할 수 있도록 실험 전 1주일 동안 실험이 진행될 동일한 환경에서 사육한 후에 실험을 실시하였다.
본 연구에서 7주된 생쥐를 어린 생쥐로 정의한 것은 선행연구[30-33]에 의하면 5주-16주령의 생쥐를 어린 생쥐로 정의한 것을 근거로 하였다.

3. 연구도구

1) 체중

본 연구에서 체중은 체중계(CAS, Korea)를 이용하여 매주 월요일 오전 10-12시사이에 측정하였다. 체중을 측정하기 전에 체중계의 영점을 맞추고 실험동물이 들어갈 네모상자를 체중계 위에 올린 후 다시 영점을 맞추었다. 실험동물을 네모 상자 안에 한 마리씩 올려놓고 체중을 측정하였다.

2) 사료 섭취량

본 연구에서 섭취한 사료(LabDiet 5L79, OrientBio, Seongnam, Korea)량은 실험처치 첫날에 배급한 사료량에서 실험 종료 다음 날에 남아 있는 사료량을 뺀 값으로 산출하였다.

3) 식이효율(food efficiency ratio, FER)

본 연구에서 FER은 실험기간에 증가한 체중(g)을 같은 기간 동안 섭취한 사료의 양(g)으로 나누고 100을 곱하여 산출하였다.

4) 뇌의 비만조절 인자(AMPK)

본 연구에서 뇌의 비만조절 인자로 5’아데노신 1인산염 활성화 단백질 인산화효소(5’ adenosine monophosphate-activated protein kinase, AMPK)를 확인하기 위해 단백질 흡입검사(Western blot test)로 산출하였으며 구체적 방법은 다음과 같다.
어린 쥐에서 뇌를 적출하고, 적출된 뇌 조직을 1배 완충용해용액(2%SDS, 5% 2-mercaptoethanol, 10% glycerol and 0.1 mg/mL bromphenol blue in Tris-HCl, pH 6.8)에 넣어 용해(lysis) 한 후 100°C에서 10분 동안 끓였다. 세포 용해물의 30 μg을 SDS-PAGE (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, Hoefer SE260)에서 nitrocellulose membrane에 이동한다. 5% skimmilk에 30분 동안 담근(blocking)후에 5% skimmilk를 이용하여 3회 세척하였다. antibody(p-AMPK (1:1,000, #2537), total AMPK (1:1,000, #2532))에 2시간 동안 반응시켰다. 마지막으로 membrane은 5% skimmilk로 3회 세척하였다. 이후 ECL (Enhanced Chemiluminescence) system (Thermo Fisher Scientific, USA)을 이용하여 band를 발색시켰다. Molecualr Imager ChemiDoc XRS+(Bio-Rad, Hercules, CA, USA)을 이용하여 band image를 확인하였다. Band intensity는 Image Lab TM software version 2.0.1 (Bio-Rad)를 사용하여 분석하였으며, 통제군의 측정치를 1로 설정하여 상대적인 값으로 비교분석하였다.

5) 혈액 내 활성산소(MDA)

본 연구에서는 활성산소를 혈액 내에 존재하는 말론디알데하이드(malondialdehyde, MDA)의 농도로 측정하였다. MDA 농도는 Fluorometric assay kit (BioVision, Seongnam, Korea)를 이용하여 분석하였다. 1차로 혈액에 1/12N H2SO4와 10% 인텅스텐산(phosphotungstic acid)을 첨가하여 25°C에서 5분간 사전배양(preincubation)한 후 원심분리하여 침전물인 혈청단백질만 채취하였다. 2차로 1차에서 채취한 혈청단백질에 1/12N와 10% 인텅스텐산을 첨가하여 원심분리한 후 침전물을 채취하였다. 3차로 2차 침전물에 증류수 1 mL와 0.67% 티오바르비투산(thiobarbituric acid)과 50% 아세트산을 추가 첨가하여 95°C에서 50분간 반응시켜 실온에서 냉각하였다. 4차로 n-BuOH을 5 mL를 첨가하여 10분간 원심분리 하여 생성된 홍색의 n-BuOH층을 채취하였다. 이를 분광형광계를 사용하여 흡광도를 측정하여 표준곡선에서 MDA의 농도를 혈청 1 mL 당 nmole로 표시하였다.

6) 혈액 내 항산화효소(SOD)

본 연구에서 항산화효소는 혈액 내의 과산화물불균화효소(superoxide dismustase, SOD)의 농도로 분석하였다. SOD 농도는 SOD activity assay K335-100 kit (BioVision, Seongnam, Korea)를 이용하여 분석하였다. 분석과정은 1차 혈장을 인산칼륨 완충액으로 100배 희석하였다. 2차로 희석한 용액 중 100 μL를 시험관에 넣고 여기에 증류수 500 μL, 시약 A (3 mM hypoxanthine) 200 μL 및 시약 B [7.5 mU/mL xanthine oxidase (XOD) with 0.1 mM EDTA2Na] 200 μL를 넣고 vortex에서 잘 혼합하였다. 3차는, 37°C 수조에서 40분간 정치하였다. 4차는 반응액에 시약 C (300 mg of sulfanilic acid/5.0 mg N1-naphthyl-ethylenediamine in 500 mL of 16.7% acetic acid) 2.0 mL를 넣어 잘 혼합하여 실온에서 20분간 정치한 다음 550 nm에서 흡광도를 측정하여 표준검량선에 준하여 SOD의 농도를 혈청 1 mL 당 U로 측정하였다.

4. 실험처치

본 연구에서 유산소 운동은 소형 동물용 트레드밀에서 점증 부하운동으로 실시하였다. 점증부하 운동을 위한 운동 프로토콜은 Kim 등[29]의 실험동물 운동 프로토콜(저강도 운동: 1일 1회, 1회 30분 중 8 m/min 속도로 5분, 11 m/min 속도로 5분, 14 m/min 속도로 20분 동안 운동, 중강도 운동: 1일 1회, 1회 30분 중 8 m/min 속도로 5분, 11 m/min 속도로 5분, 22 m/min 속도로 20분 운동, 고강도 운동: 1일 1회, 1회 30분 중 11 m/min 속도로 5분, 15 m/min 속도로 5분, 25 m/ min 속도로 20분 운동)을 변형하여 진행하였다. 변형된 운동 프로토콜에 대한 전문가 내용타당도는 어린 생쥐를 대상으로 운동 실험을 실시한 경험 있는 운동생리학과 교수 2인, 물리치료학과 교수 2인, 간호학과 교수 2인에게 검증받았다. 전문가 내용타당도를 4개 항목(운동횟수, 운동시간, 운동강도, 운동시간과 강도의 점진적 증가)에 대해 각각 검증받았으며, 4개 문항 모두 CVI는 0.8 이상이었다.
본 연구에서 유산소 운동은 1일 1회, 1주 5일, 총 8주로 설정하였다. 운동기간과 운동횟수는 C57BL/6 생쥐를 이용하여 운동의 효과를 AMPK의 변화, 활성산소, 항산화효소의 변화로 확인하고자 시도한 선행연구[21,22,26-29]를 근거로 설정하였다.
저강도운동군은 1주 5일, 1일 1회, 1회 35-40분, 총 8주간 동물용 트레드밀 운동을 시켰다. 1일째는 트레드밀에서 경사도 0°에서 4 m/min 속도로 1일 1회, 1회 10분 동안 운동시켰고, 2-14일은 경사도 0°에서 4 m/min 속도로 10분, 8 m/min 속도로 30분간 운동시켰다. 15-56일에는 4 m/min 속도로 10분, 10 m/min 속도로 25분 동안 운동시켰다.
중강도운동군은 1주 5일, 1일 1회 35-40분, 총 8주간 동물용 트레드밀 운동을 실시하였다. 1일째는 트레드밀에서 경사도 0°, 8 m/min속도로 1회 10분 동안 운동시켰고, 2-14일은 경사도 0°에서 8 m/min속도로 10분, 12 m/min 속도로 25분 운동시켰다. 15-56일은 10분, 15 m/min 25분 총 2회, 3주-4주는 경사도 0°에서 20 m/min 속도로 1회 10분간 운동시켰다.
고강도운동군은 1주 5일, 1일 1회, 1회 35분, 총 8주간 동물용 트레드밀 운동을 실시하였다. 1일째는 트레드밀에서 경사도 0°, 15 m/min 속도로 1회 10분 동안 운동시켰고, 2-14일은 경사도 0°에서 15 m/min 속도로 10분, 20 m/min 속도로 25분, 15-56일에는 15 m/min 속도로 10분, 23 m/min 속도로 25분간 운동시켰다. 대조군은 특별한 운동처치 없이 사육케이지에서 8주간 사육하였다(Table 1).
Table 1.
Exercise Program
Intensity Slope (°) Duration (day) Speed (m/min) Time spent Running (min) Exercise frequency (day/week)

Low 0 1 4 10 5
0 2-28 4 10 5
8 30
0 29-56 4 10 5
10 25
Moderate 0 1 8 10 5
0 2-28 8 10 5
12 25
0 29-56 8 10 5
15 25
High 0 1 15 10 5
0 2-28 15 10 5
20 25
0 29-56 15 10 5
23 25

5. 자료 수집

1) 사전조사

본 연구에서 실험처치 전 실험동물의 체중을 측정하였다.

2) 사후조사

본 연구에서 실험처치 후 실험동물의 체중, 사료섭취량을 측정한 후 식이효율은 증가한 체중량을 섭취한 사료량으로 나눈 후 100을 곱하여 산출하였다. MDA와 SOD는 복부 대동맥에서 10 mL의 혈액을 채취하여 항응고제로 처리된 tube에 넣은 후, 원심분리하여 혈장을 분리시킨 후 분석하였다. AMPK는 적출한 뇌조직 1 g당 4배량 의 0.1 M 인산칼륨 완충액(potassium phosphate buffer, pH 7.5)을 가하여 뇌조직을 glass teflon homogenizer (Virtis, USA)로 마쇄하였다. 이 마쇄액을 원심분리한 후 핵 및 미마쇄부분을 제거한 상등액에서 AMPK를 분석하였다.

6. 자료분석

자료는 SPSS/WIN 21.0 프로그램을 이용하여 다음과 같이 분석하였다.
  1. 실험동물의 일반적 특성은 빈도, 백분율, 평균, 표준편차로 분석하고, 실험동물의 일반적 특성 및 연구변수의 동질성 검증은 ANOVA로 분석하였다.

  2. 실험동물의 운동효과를 검증하기 위해 체중, 먹이섭취량, 식이효율은 반복측정분산분석으로, AMPK, SOD와 MDA는 ANOVA 를 이용하여 검증하였으며, 사후검증은 Tukey 방법으로 검정하였다.

7. 윤리적 고려

본 연구는 G시 소재의 D대학교 동물실험윤리위원회로부터 연구의 목적, 방법, 대상 등에 대한 심의를 거쳐 연구 승인(IRB No. 2019030)을 받았다. 실험동물의 집단분류는 무작위 표본추출 방법으로 분류하였으며 집단별 실험동물 수는 생명존엄성에 따른 실험동물 최소 사용이라는 생명윤리위원회의 규정에 따라 각 군당 10마리로 선정하였다. 실험 종료 시 안락사 방법은 신속한 의식소실 및 사망을 유발하기 위해 조건부 허용인 경추탈골을 이용하였고, 실험동물 사체는 위탁 처리하였다.

연구 결과

1. 실험동물의 일반적 특성의 동질성 검정

실험동물의 일반적 특성의 동질성을 검정한 결과, 실험동물의 체중은 대조군 23.11±0.85 g, 저강도운동군 22.33±1.02 g, 중강도운동군 22.65±0.93 g, 고강도운동군 22.76±0.68 g으로 세 군 간에 유의한 차이가 없어 세 군은 동질하였다(F=1.34, p=.246)(Table 2).
Table 2.
Homogeneity Verification of General Characteristics (N = 40)
Variable Control group (n = 10) Low intensity group (n = 10) Moderate intensity group (n = 10) High intensity group (n = 10) F p




Mean ± SD Mean ± SD Mean ± SD Mean ± SD

Weight (g) 23.11 ± 0.85 22.33 ± 1.02 22.65 ± 0.93 22.76 ± 0.68 1.34 246

2. 운동강도에 따른 체중과 식이효율의 차이

실험동물의 체중은 4주간의 실험 후 대조군 26.25±0.92 g, 저강도운동군 24.74±1.64 g, 중강도운동군 24.38±0.72 g, 고강도운동군 24.249±0.50 g으로 대조군과 실험군 세 군 모두 유의한 차이가 있었다(F=10.36, p<.001). 8주간의 실험 후 대조군 29.55±1.45 g, 저강도운동군 27.53±1.33 g, 중강도운동군 27.41±1.10 g, 고강도운동군 27.65±1.53 g으로 대조군과 실험군 세 군 모두 유의한 차이가 있었다(F=5.14, p=.005)(Table 3).
Table 3.
Comparison of Weight, Total Feeding Intake, Weight Gain, and Feed Efficiency according to Intensities of Aerobic Exercise (N = 40)
Variable Control groupa (n = 10) Low intensity groupb (n = 10) Moderate intensity groupc (n = 10) High intensity groupd (n = 10) F (p) Tukey HSD




Mean ± SD Mean ± SD Mean ± SD Mean ± SD

Weight (g)
Pretest 23.11 ± 0.85 22.33 ± 1.02 22.64 ± 0.93 22.76 ± 0.68 1.34 (.276)
4 week 26.25 ± 0.92 24.74 ± 1.16 24.38 ± 0.72 24.24 ± 0.50 10.36 ( < .001) a > b, c, d
8 week 29.55 ± 1.45 27.53 ± 1.33 27.41 ± 1.10 27.65 ± 1.53 5.14 (.005) a > b, c, d
Weight gain (g)
4 week 3.14 ± 0.39 2.41 ± 1.16 2.10 ± 0.86 1.44 ± 0.57 7.25 (.001) a>d
8 week 6.44 ± 1.21 5.20 ± 1.33 4.73 ± 0.54 4.76 ± 1.31 4.03 (.016) a > c, a > d
TFI (g)
4 week 167.94 ± 2.54 150.21 ± 1.27 144.40 ± 5.14 144.93 ± 8.59 3.62 (.022) a > c, a > d
8 week 334.27 ± 6.40 332.39 ± 2.96 330.52 ± 1.30 326.76 ± 3.68 10.2 ( < .001) a > c, a > d
Feed efficiency (%)
4 week 1.89 ± 0.34 1.38 ± 0.37 1.36 ± 0.44 1.02 ± 0.38 8.59 ( < .001) a > b, c, d
8 week 1.92 ± 0.33 1.46 ± 0.26 1.43 ± 0.16 1.46 ± 0.40 5.31 (.005) a > b, c, d

TFI = Total feeding intake; TFI 4 week = Total feeding intake: Total feeding intake from 1st week to 4th week; TFI 8 week = Total feeding intake: Total feeding intake from 1st week to 8th week; FER = Feed efficiency rate: (Mean weight gain/TFI)*100.

사료 섭취량은 4주간의 실험 후 대조군 167.94±2.54 g, 저강도운동군 150.21±1.27 g, 중강도운동군 144.40±5.14 g, 고강도운동군 144.93±8.59 g으로 대조군과 실험군 세 군 모두 유의한 차이가 있었다(F=3.62, p=.022). 8주간의 실험 후 대조군 334.27±6.40 g, 저강도운동군 332.39±2.96 g, 중강도운동군 330.52±1.30 g, 고강도운동군 326.76±3.68 g으로 대조군과 실험군 세 군 모두 유의한 차이가 있었다(F=10.20, p<.001)(Table 3).
식이효율은 4주간의 실험 후 대조군 1.89±0.34 g, 저강도운동군 1.38±0.37 g, 중강도운동군 1.36±0.44 g, 고강도운동군 1.02±0.38 g으로 대조군과 실험군 세 군 모두 유의한 차이가 있었다(F=8.59, p<.001). 8주간의 실험 후 대조군 1.92±0.33 g, 저강도운동군 1.46±0.26 g, 중강도운동군 1.43±0.16 g, 고강도운동군 1.46±0.40 g으로 대조군과 실험군 세 군 모두 유의한 차이가 있었다(F=5.31, p=.005)(Table 3).

3. 운동 강도에 따른 뇌의 비만조절 인자(AMPK)의 차이

본 연구에서 AMPK는 8주간의 실험 후 대조군 114.25±12.61, 저강도운동군 167.75±15.13, 중강도운동군 170.75±14.75, 고강도운동군 93.75±13.84으로 대조군과 실험군 간에 유의한 차이가 있었다(F=5.31, p=.005). 세 군간의 차이를 확인하기 위해 Tukey 방법으로 사후 검증을 실시한 결과, 중강도운동군은 대조군과 유의한 차이가 있었다(p=.023)(Table 4).
Table 4.
Comparison of AMPK, MDA, and SOD according to Intensities of Aerobic exercise (N = 40)
Variable Control groupa (n = 10) Low intensity groupb (n = 10) Moderate intensity groupc (n = 10) High intensity groupd (n = 10) F (p) Tukey HSD




Mean ± SD Mean ± SD Mean ± SD Mean ± SD

AMPK 114.25 ± 12.61 167.75 ± 15.13 170.75 ± 14.57 93.75 ± 13.84 30.128 ( < .001) a>c
pAMPK 105.75 ± 4.65 103.50 ± 3.78 149.50 ± 13.18 101.75 ± 5.56 35.02 ( < .001) c > a, b, d
pAMPK/AMPK (%) 107.90 ± 8.91 161.98 ± 11.36 115.49 ± 20.38 92.51 ± 16.08 16.22 ( < .001) a > d, b > a, c, d
MDA (nmol/mL) 127.48 ± 22.48 113.19 ± 9.05 125.06 ± 8.37 112.27 ± 7.93 2.07 (.136)
SOD (nmol/mL) 75.63 ± 8.80 75.85 ± 5.29 70.57 ± 9.41 75.79 ± 3.76 0.78 (.521)

AMPK = AMP-activated protein kinase; pAMPK = Phosphorylated AMP-activated protein kinase; MDA = malondialdehyde; SOD = superoxide dismutase

pAMPK는 8주간의 실험 후 대조군 105.75±4.65, 저강도운동군 103.50±3.78, 중강도운동군 149.50±13.18, 고강도운동군 101.75±5.56으로 대조군과 실험군 간에 유의한 차이가 있었다(F=35.02, p<.001). 세군 간의 차이를 확인하기 위해 Tukey 방법으로 사후 검증을 실시한 결과, 중강도운동군은 대조군, 저강도운동군과 고강도운동군과 유의한 차이가 있었다(p=.023)(Table 4).
pAMPK/AMPK는 8주간의 실험 후 대조군 107.90±8.91%, 저강도운동군 161.98±11.36%, 중강도운동군 115.49±20.38%, 고강도운동군 92.51±16.08%로 대조군과 실험군 간에 유의한 차이가 있었다(F=16.22, p<.001). 세군 간의 차이를 확인하기 위해 Tukey 방법으로 사후 검증을 실시한 결과, 중강도운동군은 대조군, 저강도운동군과 고강도운동군과 유의한 차이가 있었다(p=.023)(Table 4)

4. 운동 강도에 따른 활성산소의 차이와 항산화효소의 차이

본 연구에서 혈액 내 활성산소(MDA) 농도는 대조군 127.48±22.48 nmol/mL, 저강도운동군 113.19±9.05 nmol/mL, 중강도운동군 125.06±8.37 nmol/mL, 고강도운동군 112.27±7.93 nmol/mL으로 세 군 간에 통계적으로 유의한 차이가 없었다(F=2.07 p=.136)(Table 4).
본 연구에서 혈액 내 항산화효소(SOD) 활성도는 대조군 75.63±8.80 nmol/mL, 저강도운동군 75.85±5.29 nmol/mL, 중강도운동군 70.57±9.41 nmol/mL, 고강도운동군 75.79±3.76 nmol/mL으로 세군 간에 통계적으로 유의한 차이가 없었다(F=0.78 p=.521)(Table 4).

논 의

본 연구는 8주 유산소 운동의 운동강도가 어린 생쥐의 체중, 식이효율, 비만조절 인자(AMPK), 혈액내 활성산소(MDA)와 항산화효소(SOD)에 미치는 효과를 규명하여 아동의 비만을 예방하고 체중을 감소시킬 수 있는 적정 운동강도를 제시하고자 시도되었다.
본 연구에서 8주간의 유산소 운동강도에 따른 어린 생쥐의 체중, 식이효율의 차이를 확인하기 위해 대조군, 저강도운동군, 중강도운동군, 고강도운동군의 체중을 비교한 결과, 세 군간에 통계적으로 유의한 차이가 있었고 4주차와 8주차 모두 대조군은 실험군(저강도운동군, 중강도운동군, 고강도운동군) 보다 체중이 통계적으로 유의하게 많았다. 이는 실험군은 1일 1회 35-40분간 점진적으로 운동강도를 높이면서 운동하였기 때문에 특별한 처치 없이 사육케이지에만 생활한 대조군보다 에너지 소비량이 높았기 때문으로 생각한다. 또한 대조군은 실험군보다 사료섭취량이 통계적으로 유의하게 많았다. 이를 고려한다면 실험군은 대조군보다 에너지섭취량은 적은 반면 에너지 소비량은 많았기 때문에 대조군보다 체중이 적은 것으로 판단된다. 그러나 운동강도에 따른 체중의 차이는 없는 것으로 나타났다. 이는 6주된 수컷 쥐에게 8주간의 트레드밀 운동을 실시한 결과, 운동만 실시한 군보다 운동과 함께 간헐적 단식으로 식이를 조절한 실험군의 체중이 현저히 감소하였다고 보고한 선행연구[34] 결과와 맥락을 같이 한다. 이는 실험군은 대조군보다 사료 섭취량은 적으면서 활동량은 많았기 때문에 체중 증가가 대조군가 비교하여 적은 것으로 사료된다. 또한 본 연구에서는 실험군에게 운동강도를 다르게 하여 운동을 실시하였지만 사료섭취를 제한하지는 않았기 때문에 실험군간에 체중은 통계적으로 의미있는 차이는 없는 것으로 판단한다.
본 연구에서 뇌의 비만조절인자의 차이를 파악하기 위해 뇌 조직에서 AMPK의 발현정도를 평가하였다. 연구 결과, 실험군 중 저강도운동군과 중강도 운동군은 대조군보다 AMPK의 발현정도가 통계적으로 유의하게 높았으나 고강도군은 대조군과 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다. 이는 AMPK는 운동과 같은 산화스트레스 상태에서 활성화되지만 고강도의 운동보다는 저강도와 중강도에서 더 많이 발현된다는 것을 의미한다. 이는 7주령의 어린 쥐에게 트레드밀 운동을 중강도와 고강도로 실시한 결과, 두 군간에 체중의 차이는 없었으나 AMPK, pAMPK에는 차이가 있다고 보고한 결과와 유사하다[22]. 본 연구와 선행연구에서 운동을 실시한 군이 운동을 실시하지 않은 군보다 AMPK의 발현 정도가 높은 것은 운동을 통해 인체에서 AMPK의 분비가 증가하였기 때문으로 생각한다. 그러나 본 연구는 뇌에서의 AMPK의 발현 정도를 평가하였으나 선행연구들[35-37]은 골격근내에서의 AMPK 발현 정도를 평가한 점은 차이점이다. 선행연구[35-37]에서는 운동을 하면 골격근에서 미토콘드리아가 활성화되고 발달되어 AMPK의 조절 기능이 증가하여 운동으로 인한 에너지 대사가 증가하고 이로 인해 체중이 감소한 것으로 보고하였다. 그러나 본 연구에서는 뇌에서의 AMPK 발현을 평가함으로서 뇌의 시상하부에서 분비되는 기아 호르몬 중 하나인 Ghrelin이 시상하부에서 AMPK를 자극하여 식욕을 억제하고 미토콘드리아를 생합성하고 에너지 대사를 활성화하였기 때문에 운동으로 소모되는 에너지 이외에 AMPK가 식욕을 억제하여 섭취량이 감소하면서 더 많은 체중이 감소할 것이다. 그러나 아직 뇌조직에서 발현되는 AMPK는 뇌신경생성인자 또는 불안을 조절하는 단백질로 설명되고 있으므로 AMPK가 증가하였을 때 자율신경계와 뇌하수체 활동이 증가하여 에너지 소비가 증가하고, 체온이 상승하며, 배고품을 억제하고 신체활동을 조절하는 등의 역할을 확인하는 연구를 제안한다. 또한 AMPK는 ATP와 ADP 그리고 AMP의 농도들로 부터 에너지 평형상태에 의존하는 신호전달기전으로 아세틸-CoA 카복실레이스(acetyl CoA carboxylase, ACC)의 활성과 억제에 관여하는 것으로 알려져 있다. ACC는 지방산 생합성의 개시 기전에 관여하는 효소이다. 운동을 통해 AMPK의 활동이 활성화되면 ACC의 활동을 증가시켜 지방합성을 억제하는 효과를 기대할 수 있을 것이다. 추후 AMPK가 비만 예방 및 체중 감소에 영향을 미치는 광범위한 기전에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서 활성산소로 혈청 검사를 통해 평가한 MDA 농도와 항산화효소로 측정한 SOD 농도 모두 실험군과 대조군 간에 유의한 차이가 없었다. 본 연구에서는 실험 전과 실험 후에 활성산소와 항산화효소의 농도를 측정하지 않았기 때문에 실험 후 대조군과 실험군간의 차이만을 비교하였으나 Lee 등[38]은 6주령의 생쥐를 대상으로 8주간의 수영 훈련을 실시한 후 혈중 MDA 농도와 SOD 농도가 운동 전보다 운동 후에 더 높았졌다고 보고한 결과와 차이가 있었다. 또한 4주된 생쥐를 대상으로 점증적인 부하 운동방법으로 4주간 유산소 운동을 실시한 후 운동군에서 혈중 MDA 농도와 SOD 농도가 증가하였다고 보고한 선행연구[39]와 차이가 하였다. 이처럼 선행연구[38,39]에서는 실험군이 대조군보다 MDA 농도가 높게 나타난 것은 유산소 운동을 할 때 산소소모량을 증가시켜 산화적 스트레스를 촉진하였기 때문으로 설명할 수 있다. 인체내 활성산소가 증가하면 항상성을 유지하고 세포손상을 보호하기 위해 항산화효소의 생성이 증가하는 것으로 알려져 있는데 본 연구에서 실험군과 대조군 모두에서 활성산소와 항산화효소가 증가하지 않았기 때문에 반복 연구를 통해 확인하는 것이 필요하다. 또한 본 연구는 운동강도에 따른 차이를 규명하고자 시도하였으므로 추후 운동기간, 운동강도를 달리한 반복연구가 필요하다.
본 연구는 실험동물을 활용하여 운동강도에 따른 유산소운동 효과의 차이를 비만지표가 되는 체중 뿐 아니라 뇌에서의 비만조절인자 발현, 혈액의 활성산소와 항산화효소까지 규명하였다는데 의의가 있다. 그러나 실험동물을 대상으로 한 연구결과라는 점과 생명윤리위원회 규정으로 최소한의 동물을 사용한 점에서 연구 결과를 일반화하는데 제한점이 있다. 그러므로 추후 인간을 대상으로 한 반복연구를 통해 운동강도에 따른 차이를 규명함으로써 개인의 연령, 신체적 특성을 고려한 적정 운동강도를 처방한다면 뇌의 비만조절인자를 활성화하고 활성산소로 인한 세포손상은 최소화 하면서 항산화효소를 활성화 할 수 있을 것이다.

결 론

본 연구는 8주 유산소 운동의 운동강도가 어린 생쥐의 비만조절 인자, 체중, 활성산소, 항산화효소에 미치는 영향을 규명하기 위해 7주된 C57BL/6 계통의 수컷 생쥐를 대상으로 실험군(저강도운동군[n=10], 중강도운동군[n=10], 고강도운동군[n=10]), 대조군(n=10)으로 나누어 1회 10분, 1일 1회, 1회 35-40분, 주 5일 총 8주간 트레드밀을 이용한 유산소 운동을 실시하였다. 본 연구에서 체중, 식이효율, AMPK는 대조군보다 실험군 세 군 모두 통계적으로 유의한 차이가 있었다. 본 연구의 결과는 어린 생쥐의 체중을 감소시키고 비만을 예방하기 위해서는 유산소 운동이 적절함을 의미한다.

CONFLICT OF INTEREST

The authors declared no conflict of interest.

AUTHORSHIP

JMY contributed to the conception and design of this study; JMY collected data; JMY performed the statistical analysis and interpretation; JMY drafted the manuscript; JMY critically revised the manuscript; JMY supervised the whole study process. JMY authors read and approved the final manuscript.

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