Exercise Science Vol.27, No.1, February 2018: 23-31 https://doi.org/10.15857/ksep.2018.27.1.23 ISSN(Online) 2384-0544 ORIGINAL ARTICLE 한국성인남성의단일근섬유유형별수축특성과하지근력과의상관관계 전유나 1,2, 김희쟁 1, 양소영 1, 이소현 2, 김대영 2, 배준현 2, 이호준 1,2, 임재영 2, 최승준 1 ¹ 경성대학교스포츠건강학부, ² 분당서울대학교병원재활의학과 Contractile Properties of Single Muscle Fiber and Their Relations to Whole Muscle Strength in Korean Young Male Yu-Nah Jeon 1,2, Hee-Jaeng Kim 1, So-Young Yang 1, So-Hyun Lee 2, Dae-Young Kim 2, Jun-Hyun Bae 2, Ho-Jun Lee 1,2, Jae-Young Lim 2, Seung-Jun Choi 1 ¹School of Sports & Health Science, Kyungsung University, Busan; ²Department of Rehabilitation Medicine, Seoul National University Bundang Hospital, Seongnam, Korea PURPOSE: This study investigated the muscle fiber type-related contractile properties and examined the relationship between whole limb muscle strengths and single muscle fiber contractile properties in Korean men. METHODS: Six Korean men (29.8±1.49 yr) were recruited and participated in the study. Samples were obtained from vastus lateralis muscles. CSA, Po, SF, Vo of single fiber segments were measured using an isometric force transducer and a high-speed motor. Silver staining was performed to identify MHC isoform composition of single muscle fiber segments. Multiple regression was tested to identify the relationship between single muscle fiber contractile properties and whole muscle strength. RESULTS: MHC isoforms were distributed in different proportion (Type I: 57.3%, IIa: 34.2%, IIa/IIx: 4.3%, IIx: 4.3%). CSA of type IIx were smaller compared to type I (-50%) and type IIa (-57.5%). Po in type IIa was 12.9% higher compared to type I (p<.05). While SF in type IIa were 7.7% higher than type I, type IIx were higher than type I, IIa, IIa/IIx (31.4%, 25.7%, 30.9%). Vo increased in the order type I<IIa<IIa/IIx<IIx. There was positive correlation between single fiber and properties (Po vs. thigh strength: r 2 =.248, Po vs. thigh power: r 2 =.058, Vo vs. thigh power: r 2 =.095). CONCLUSIONS: These results suggest that single muscle fiber contractile properties were exclusively dependent on fiber type isoforms, ruling out a possibility of race-induced difference in fiber type-matched contractile properties. Key words: Korean men, Single muscle fiber, Whole muscle strength, MHC isoform, Hybrid fiber 서론 인간의골격근은자세를유지하고일상생활을수행하기위한기능적인힘을발휘하는중요한조직이며, 힘 (force) 과파워 (power) 를발생시킴으로써건강을유지하고독립적인생활을가능하게한다. 이러한 기능을하는골격근의수준을분석하기위한방법은전근 (whole muscle) 에서근세포 (myocyte) 또는분자 (molecular) 수준에이르기까지다양한수준에서이루어져왔다 [1]. 전근의힘과파워는악력측정 (hand grip strength measurement), 최대자발성수축 (maximum voluntary isometric contraction) 그리고등속 Corresponding author: Seung Jun Choi Tel +82-10-2477-5471 Fax +82-51-663-5059 E-mail choisj@ks.ac.kr * 이논문또는저서는 2016년정부 ( 교육부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (NRF-2016R1C1B2015125). Keywords 한국남성, 단일근섬유, 근력, 근섬유유형, 하이브리드섬유 Received 13 Nov 2017 Revised 28 Nov 2017 Accepted 12 Dec 2017 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright 2018 Korean Society of Exercise Physiology 23
Vol.27, No.1, February 2018: 23-31 성검사 (isokinetic test) 등다양한방법을사용하여측정할수있다 [1]. 이와같은방법에의해얻어진전근의근력은근육량, 체중또는더욱정확한측정을위해 computed tomography (CT) 등의영상장비를이용하여해당근육부위의횡단면적에표준화된값을분석하여사용하기도하나 [2,3], 이러한경우근력이과소평가되어올바른분석이이루어지지않을수있다고보고된바있다 [4,5]. 또한전근의근력은운동신경활동전위, 근신경전도, 근섬유활동전위, 세포내칼슘방출, 수축단백질과조절체계활성을포함하는일련의복잡한과정을통해발생되기때문에 [6] 전근의수준의분석만으로는골격근의본질적인기능을평가하기어렵다고판단되어왔다. 이에따라골격근의특성을파악하기위한시도는전근수준에서뿐만아니라근섬유수준에서보다본질적으로접근하기위해이루어져왔다. 근초 (sarcolemma) 를제거한근섬유처리방법을이용하여근원섬유 (myofilament) 를손상시키지않고근형질세망, T-세관등을제거시켜 [1] 신경의영향이나근섬유구조의변화, 세포간결합조직의영향없이단일근섬유의본질적인수축특성을직접적으로관찰할수있는방법이제시된바있다 [7,8]. 이방법을통해단일근섬유의횡단면적 (cross-sectional area), 최대근수축력 (maximal isometric force, Po), 근섬유의횡단면적에표준화한수축력 (specific force, SF), 그리고최대근수축속도 (maximal shortening velocity, Vo) 를분석함으로써골격근의양 (quantity) 뿐만아니라질 (quality) 적인측면에서의특성을이해할수있다. 또한근섬유의유형및수축특성은전근의특성을결정짓는요소가되기때문에 [9], 단일근섬유의유형과특성을파악하는것은매우중요한과제로여겨지고있다. 인간의근섬유를확인하는방법으로 adenosine-triphosphatase (ATPase) staining과같은조직화학적분석방법 (histochemical analysis) 을통해 type I 섬유와 type IIa 섬유및 type IIx 섬유를구별하는시도를해왔지만실험방법적인특성상근섬유유형과수축특성의상관관계를분석하는것이불가능하다. 따라서본연구에서는근섬유의수축특성을측정한후, 해당근섬유의유형을파악하기위해 silver stain 분석을실시하였다. 현재까지 silver stain 방법으로인간의근섬유를분석한연구들은 hybrid 섬유를분석하지않은연구들 [10-17] 이대다수이며분석할수있는정도의충분한양이확보되지않아일부의근섬유분석을결과에제시하지않은연구들 [18-25] 도있다. Shoepe et al. [24] 의연구에서비활동적인젊은남성 6명과규칙적으로저항성운동을수행하고있는젊은남성을대상으로근섬유유형별 (type I, IIa, IIa/IIx) 근수축특성을비교분석한결과, 규칙적으로저항성운동을수행하고있는남성이비활동적인남성에비해 3가지유형의근섬유유형모두에서단일근섬유횡단면적과수축력이높았으나최대근수축속도는두집단간차이를보이지않았다. 따라서, 최대근수축속도는운동수행여부가아닌 myosin heavy chain (MHC) 아형에영향을 받는다고하였다. 그러나현재까지선행연구들은단일근섬유의수축특성을집단간근섬유유형별로비교제시하였을뿐근섬유유형간의수축특성에대한차이를관찰한연구는미흡한상황이며, 특히 hybrid 섬유에대한수축특성을관찰한연구는극히미흡한실정이다. 한편, 최근인간의근섬유유형분포비율에대한연구들은인종 (race) 간근섬유유형이서로다른양상을보일가능성을제시하고있다. 각각의인종 ( 백인, 흑인, 동양인 ) 은고유의다른유전적형질을나타내기때문에 [26], 근골격계의특성과근섬유유형의분포또한인종간상이할것으로가정된다. 미국인구통계국 (American Census Bureau, US) 은골격근양이인종 ( 백인, 흑인, 동양인 ) 에따라서로상이하며감소비율도다르게나타난다고제시하였으며, Nielsen et al. [27] 의연구에서도인종간 type II 섬유비율이다르다고보고한바있어한국인의근섬유유형및수축특성에대한연구가의미가있을것으로사료된다. 그러나현재한국을포함한아시아권나라에서는근섬유수축특성을관찰한연구는찾아보기힘들며국내에서발표된연구중에서는 Choi & Lim [28] 연구가있으나대상자가주로백인 (Caucasian) 이기에실제한국남성을대상으로단일근섬유의특성을비교분석한연구는전무한실정이며, 현재까지단일근섬유연구가서양인을기준으로만이루어진상황을고려하면한국인또는동양인을대상으로단일근섬유의특성파악에대한필요성이제기된다. 한국인의골격근단일근섬유의수축특성을파악하는것은한국인의근골격계기능향상, 체력증진그리고나아가운동과학분야의발전을위해수행되어야할중요한과제가될것이다. 이연구는건강한한국남성을대상으로대퇴외측광근의근육표본을적출하여근섬유유형및비율을확인하기위해단일근섬유의수축특성을직접적으로확인할수있는특수한장비 (Aurora Scientific, Ontario, Canada) 로근섬유유형간수축특성을분석하였으며, in vivo 하지근력과 in vitro 단일근섬유수축력간의상관관계분석을통해단일근섬유의수축력이전근에미치는영향을보다명확히평가하고자하였다. 연구방법 1. 연구대상이연구의대상자들은분당시 S 대학병원의공고를통해모집되었으며, 연구대상조건에따라지원자를구분하여선정하였다. 연구참여대상자는근골격계질환및특별한대사적질환이없으며, 3개월이내에규칙적인운동을수행하지않은성인남성 6명으로하였으며, 연구수행개시전, 대상자들에게연구의목적과절차를구두로설명하고연구진행내용이상세히기술된동의서에이연구에자발적참여를희망한다는서명을받았다. 최종연구에참여한대상자의특성은 24 Yu-Nah Jeon, et al. Single Muscle Fiber Properties in Korean Young Male
https://doi.org/10.15857/ksep.2018.27.1.23 Table 1에기술하였다. 이연구는분당 S 대학병원 IRB (Institutional Review Board) 의승인을받아수행되었다 (B-1610/365-001). 2. 실험절차 1) 신체계측및신체조성 연구참여대상자들신체계측을통해신장, 체중체질량지수 (body mass index, BMI), 엉덩이둘레, 허리둘레, 엉덩이-허리둘레비율 (wrist/hip ratio, WHR) 을구하였다. 골격근량과체지방량및체지방률은생체전기저항측정법 (bioelectric impedance analysis, Inbody S10, Inbody Co., Korea) 을사용하여분석하였다. 2) 전신근력 등속성근력측정장비 (BTE Primus RS, BTE tech, MD, USA) 를사용하여무릎신전시에작용하는대퇴사두근의기능을평가하였다. 등척성근력 (isometric strength) 과최대근력 (isokinetic strength, 60 /sec) 과파워 (isokinetic power, 240 /sec) 를측정하기위해대퇴사두근의최대토크와시간당일률을측정하였다. 3) 근육조직채취 (muscle biopsy) 모든참여대상자에대한근조직채취과정은분당 S대학병원에소속된전문의에의해진행되었으며, 근생검법 (muscle biopsy) 을적용하였다. 먼저초음파장비 (Ultrasound V20 Prestige, Samsung Medison Table 1. In vivo characteristics of subjects Participants (N=6) Age (yr) 29.8±1.49 Height (cm) 175.7±1.73 Weight (kg) 77.57±2.12 Body mass index (kg/m 2 ) 25.2 ± 1.06 Mid-thigh girth (cm) 53.93 ± 1.31 54.08 ± 1.34 Waist-hip ratio 0.85±0.02 Skeletal muscle mass (kg) 33.52±0.72 Body fat mass (kg) 18.47±1.75 Percent body fat (%) 23.67±1.84 Grip strength (kg) Isometric extension (Nm) Isokinetic strength (60 /Nm) Isokinetic power (240 /Nm) 42.45 ± 4.01 43.32 ± 3.34 229.05 ± 3.41 219.5 ± 8.09 190.06 ± 9.86 188.1 ± 10.81 Co. Ltd, Seoul, Korea) 를사용하여대상자의왼쪽하지외측광근의위치과깊이를확인하고, 근생검실시전통증등의불편함을덜기위해피하및근육부위 ( 외측광근 ) 를국소마취 (2% lidocaine hydrochloride) 하였으며, 근생검바늘 (biopsy needle) 두께보다약간큰정도 (5-7 mm) 로피부를절개하였다. 근생검바늘을삽입후초음파장비의유도하에흡입방법을통하여안전하게근육조직을채취하였다. 4) 근육조직처리 근생검직후, 근육표본은즉시이완용액 (2.5 M KCl, 0.1 M EGTA, 0.1 M CaCl 2, 0.5 M Imidazole, 0.1 M MgCl 2) 으로옮겨져 (4 C), 종단면으로주의깊게손상없이분리되었다. 분리된근섬유다발 (muscle fiber bundle) 은약 50-100 여개의단일근섬유 (single muscle fiber) 를포함하였다. 분리된근섬유다발은분리용액 (50% glycerol, 50% 이완용액 ) 에넣어 4 C 에서 24시간배양하였다. 배양후, 근초가제거된근다발 (permeabilized single fiber) 은 3주이내에차후분석할때까지 -20 C에서보관되었다. 5) 단일근섬유기능측정 실험당일에는, 근다발을이완용액 (pca 9.0) 이들어있는특수실험장치의챔버에옮겨서, 단일근섬유를손상되지않게분리하였다. 단일근섬유는의료용 10-0 봉합사로티타늄와이어에견고하게고정되었다. 근섬유는평균길이 1.37± 0.02 mm로, 한쪽은등척성근력변환기 (Model 403A, Aurora Scientific, Aurora, Ontario, Canada) 에연결하고, 다른한쪽은고속모터 (Model 315C, Aurora Scientific, Ontario, Canada) 에고정되었다. 고정된근섬유절편은이완용액을함유하는챔버에서활성용액을담고있는챔버로고속이동시킬수있도록, 특수하게고안된실험장치에연결되었다. 특수실험장치는현미경위에설치되어, 근섬유절편을 450 또는 600 배율 (Olympus IX71) 로실험과정동안관찰하였고, 근섬유이미지는 CDC 카메라와 graphic acquisition board를이용하여획득하였다 (Fig. 1). 모든실험과정동안근절길이 (sarcomere length, SL) 는 2.6 μm로유지되었다. 근절길이는단일근섬유를따라각기다른 4곳의근절길이를측정하여확인하였다. 근섬유길이 (fiber length, FL) 는현미경에설치된마이크로미터 (micrometer) 를이용하여측정했다. 근섬유횡단면적은근섬유길이를따라타원형으로 4쌍의 88.5 ± 8.23 90.57±5.41 Fig. 1. Segment of a chemically skinned single muscle fiber. 전유나외 한국성인남성의단일근섬유특성 25
Vol.27, No.1, February 2018: 23-31 폭과깊이를측정하여계산하였다. 근섬유폭은광학면에서측정했고, 근섬유깊이는근섬유로향해있는프리즘으로부터반사된이미지를 이용하여측정하였다. 근섬유폭과깊이는접안 (eyepiece) 마이크로미 터로측정했다. 모든측정은 15 C 에서실시하였다. Ca 2+ - 활성화최대 수축력 (Po) 과최대수축속도 (Vo) 는선행연구에서와같이 slack 검사 절차를통해서측정하였다 [18]. 간단히요약하면, 근섬유는활성용액 (pca 4.5) 으로옮겨진후, 최대 수축력 (peak force) 에도달하게되면, 근섬유한쪽에빠른 (1-2 ms 이내 ) 단축성길이변화 ( 근섬유길이의약 7-15% 범위 ) 를유발하였다. 단축성 길이변화가가해진후, 장력이재발생되기까지의시간을측정하였고, 이러한과정을각각다른단축성길이변화로최소 5 회이상실시하였 다 (Fig. 2A). 이렇게얻은결과들은최소자승회귀법 (least-squares regression) 을이용해 시간 vs. 단축성길이 로전개했을때회귀직선의 기울기는 Vo 로기록되었다 (Fig. 2B). 단회귀식의설명력 (r 2 ) 이.95 이상 일때에만유효한실험수치로기록되었다. 실험이실시되는동안, 외부 요인에의한기준선변화 (baseline drift) 로인한근력측정의오류를제 거하기위해, 최대근섬유의수축력은활성용액내에서의최대근력 과이어지는기저근력 (baseline force) 사이의차이로계산되었다. 6) MHC 아형 단일근섬유의기능측정이완료된근섬유절편을티타늄와이어에 서제거하여 2-3 mm 정도의길이로자른후, 15 μl 의 SDS sample buffer Length 1.0 L Force Max B A 0.93 L C A=Fiber in relax solution B = Fiber in Ca 2+ solution C=Slack initiated D=Fiber unloaded E=Fiber transferred to relax solution 가들어있는 microtube에넣어서 MHC 분석시까지 -20 C에보관하였다. 근섬유의 MHC 조성은 SDS-PAGE (Bio-Rad Mini-PROTEAN Tetra Cell electrophoresis system) 를이용하여 6% separating gel (40% acrylamide, 1.5 M tris ph 8.8, 10% SDS, 60% glycerol, TEMED, 10% APS) 과 4% stacking gel (40% acrylamide, 1 M tris ph 6.8, 10% SDS, 60% glycerol, TEMED, 10% APS) 을만들어 140 V에서 6시간동안전기영동하였다. 또한전기영동시, 기존의시료에서얻은 Human MHC의세가지아형에대한 standard를같이전개하여시료의아형을확인하였다 (Fig. 3). 전기영동이끝난 gel을 fixing solution (Acetic acid) 에담가두었다가 distilled water로 2-3 번세척한후 gel을 glutaldehyde solution 에 45분동안담가흔들리도록했다. Distilled water로 30분씩 4번세척한후 silver staining solution (0.09 M NaOH, 28% NH4OH, 1.14 M AgNO3) 에 10분간흔들면서염색해준다. 그후 distilled water로 1분 30초씩 3번세척하였다. Gel을 developing solution (47.6 mm citric acid, 37% formaldehyde) 에담가놓은후흔들면서 gel의표면상에서 MHC 아형을구분지을수있는밴드가확인되면 storage solution (5% acetic acid) 을넣은후에보관하였다. 3. 자료처리방법실험을통해서얻어진모든결과는평균과표준편차를산출하였으며통계적자료처리를위해 SPSS 18.0 통계프로그램을사용하였다. 단일근섬유유형별각요인의차이를비교하기위해일원변량분석법 (One way ANOVA) 을실시하였으며사후검증은 Least significant difference (LSD) 를적용하였다. 또한단일근섬유의수축특성이하지근력에영향을미치는요인을알아보기위해다중회귀분석 (multiple regression analysis) 을실시하였으며모든통계적유의수준은 p =.05로설정하였다. 연구결과 Slack distance (μm) 300 250 200 150 100 50 D E A 1. 단일근섬유의수와 MHC 아형분포 (MHC composition) 이연구에서는한국성인남성 6명을대상으로외측광근으로부터근육표본을채취하여대상자한명당 20개씩총 120개중분석이되지않은 3개를제외한 117개의단일근섬유를분석하였다. Silver stain 분 1 2 3 4 5 6 7 8 0 50 100 150 200 250 300 Time for tension redevelopment (ms) B IIx IIa I IIa/IIx Fig. 2. Real time trace of a single slack (A). Straight line was fitted to a plot of slack length versus time (B). The slope of the first-order least-squares regression (r 2 =.996) fit to the data points represents the fibers unloaded shortening velocity (0.43 fiber length [F]/s). Fig. 3. Silver stained gel image of human single muscle fibers for MHC fiber type. Single muscle fiber express type I (lanes 2, 4 and 5) or type IIa (lanes 3, 6 and 7) or type IIa/IIx (lane 8) or type IIx (lane 1). 26 Yu-Nah Jeon, et al. Single Muscle Fiber Properties in Korean Young Male
https://doi.org/10.15857/ksep.2018.27.1.23 석결과, type I 섬유는 57.3% 로가장높은분포를나타냈으며, type IIa 섬유는 34.2% 로두번째로높은분포를나타냈지만속근섬유아형 (type IIa, IIa/IIx, IIx) 중에서는가장높았다. 반면, type IIa/IIx 섬유는 4.3%, type IIx 섬유는 4.3% 로낮은분포를나타냈다 (Table 2). 한국성 인남성의 MHC 아형분포를카이제곱적합도검정 (chisquare goodness-of-fit) 으로검증한결과, MHC 아형간에분포비율이차이가있는 것으로나타났다 (chi-square =92.88, p =.001). 또한선행연구에서서양 인남성의 type IIx 분포가포함되어있는 Widrick et al. [29] 의연구결 과를기대분포로적용하여검증한결과, 인종간의 MHC 아형간분포 비율에차이가있는것으로나타났다 (chi-square =25.647, p =.001). 2. 단일근섬유의횡단면적 (cross sectional area, CSA) 외측광근의단일근섬유횡단면적 (CSA) 은 Fig. 4A 에서보여지는바 와같이, type IIa (7,144.1 μm 2 ± 1,129.6) 가모든아형중가장크게나타 났으나통계적으로유의하지않았다 (p >.05). type IIx (4,534.9 ± 2,028.1 μm 2 ) 는 type I (6,822.9 ± 833.6 μm 2 ) 과 type IIa (7,144.1 ±1,129.6 μm 2 ) 에 Table 2. MHC isoform composition of whole muscle in 6 young male MHC Isoform I IIa IIa/IIx IIx No. of fibers 67 40 5 5 Percentage 57.30 34.20 4.30 4.30 비해각각 -50%, -57.5% 낮게나타났으나 (p <.05), type IIa/IIx (5,967.1± 2,688.6 μm 2 ) 와는차이가없었다 (p >.05). 3. 단일근섬유의최대수축력 (maximal Ca 2+ -activated force, Po) 과단일근섬유횡단면적에표준화한수축력 (SF) 단일근섬유의최대등척성수축력 (Po) 은 Fig. 4B에서보여지는바와같이, 속근섬유아형인 type IIa (0.85 ± 0.1 mn) 가지근섬유아형인 type I (0.74 ± 0.1 mn) 에비해 12.9% 높았으나 (p <.05), 속근섬유아형인 type IIa, type IIa/IIx (0.66 ± 0.3 mn), type IIx (0.73 ± 0.3 mn) 간에는차이가없었다. 반면횡단면적에표준화된수축력 (SF) 은속근섬유아형인 type IIa (120.7± 19.1 kn/m 2 ) 가지근섬유아형인 type I (111.4 ±13.6 kn/m 2 ) 에비해 7.7% 높게나타났다. 그러나속근섬유아형간에차이가없었던 Po 와는달리 SF는 type IIx (162.4 ±72.7 kn/m 2 ) 는 type I에비해 31.4%, type IIa에비해 25.7% 그리고 hybrid 섬유인 type IIa/IIx (112.3 ± 50.2 kn/m 2 ) 에비해 30.9% 높게나타남으로써 (p <.05, Fig. 4C,) SF는근섬유아형간차이가있음을보여주었다. 4. 단일근섬유의최대수축속도 (Vo) 단일근섬유의최대수축속도 (Vo) 는 Fig. 4D에서보여지는바와같 10,000 1.5 Fiber cross sectional area (μm 2 ) 8,000 6,000 4,000 2,000 0 a,b I IIa IIa/IIx IIx A Maximal Ca 2+ -activated force (mn) 1.0 0.5 0 a I IIa IIa/IIx IIx B Maximal Ca 2+ -activated force (kn/m 2 ) 250 200 150 100 50 0 a a,b,c I IIa IIa/IIx IIx C Maximal shortening velocity (FL/sec) 15 10 5 0 a,b,c a a I IIa IIa/IIx IIx D Fig. 4. In vitro single muscle fiber size and mechanical characteristics of the vastus lateralis. Values are means±se. (A) Average fiber cross-sectional area (CSA). (B) Maximal Ca 2+ -activated force (Po). (C) Specific force (Po/CSA). (D) Maximal shortening velocity (Vo). a Significantly different from type I fiber (p<.05); b Significantly different from type IIa fiber (p<.05); c Significantly different from type IIa/IIx fiber (p<.05). 전유나외 한국성인남성의단일근섬유특성 27
Vol.27, No.1, February 2018: 23-31 Table 3. Multiple regression analysis between whole muscle strength and single muscle fiber strength De. Inde. r 2 B β t p VIF Isokinetic Po.248 18.727.187 2.311 *.023 1.015 Strength (60 ) Isokinetic Power (240 ) Po Vo.058.095 10.978 1.362.227.193 2.542 * 2.159 *.012.033 1.005 1.005 * statistically significant (p<.05). 이, 속근섬유아형인 type IIa (2.44 ± 0.4 FL/s), type IIa/IIx (2.60 ±1.2 FL/ s), type IIx (7.37± 3.3 FL/s) 에서모두 type I (0.66 ± 0.1 FL/s) 에비해높게나타났다 (73%, 74.6%, 91%). 더욱이 type IIx의최대수축속도는모든아형중가장높게나타났다 (p <.05). 5. 하지근력과단일근섬유수축력과의상관관계단일근섬유의수축특성이하지근력에영향을미치는요인을알아보기위하여다중회귀분석 (multiple regression) 을실시하였으며통계적으로유의한변인들을 Table 3에제시하였다. 분석결과, 각속도 60 로수행한등속성근력 (isokinetic extension strength) 은단일근섬유의최대수축력 (Po) 과정적상관관계가있었으며 (r 2 =.248), 각속도 240 로수행한등속성파워 (isokinetic extension power) 는 Po와최대수축속도 (Vo) 와정적상관관계가있는것으로나타났으며 (r 2 =.058, r 2 =.095), Po (β =.227) 가 Vo (β =.193) 보다더큰영향을주는것으로나타났다. 논의 이연구는한국성인남성을대상으로단일근섬유의수축특성과하지근력에미치는요인을알아보기위하여외측광근의단일근섬유유형및수축특성을분석하였고등속성장비를이용하여무릎신전근의근력을측정하였다. 연구의주요결과는한국남성의외측광근에서축출한단일근섬유의아형중에서 type I/IIa 섬유를제외한 4가지 MHC 아형 (type I, type IIa, type IIa/IIx, type IIx) 이존재하며, 속근섬유의아형 (type IIa, IIa/IIx, IIx) 과지근섬유아형 (type I) 간에수축특성이차이가있음을확인하였다. 또한등속성장비로측정한하지근력이단일섬유의수축특성과높은상관관계가있음을확인하였다. 이연구에서는 silver staining 방법을통해외측광근으로부터얻은 117개의단일근섬유의 MHC isoform을분석하였다. Silver stain 분석은기존에사용되어온 ATPase를통한조직화학적 (histochemistry) 분석과비교하여보다세부적인근섬유유형을확인할수있는효과적인방법으로 type I, type IIa, type IIx 뿐만아니라중간섬유형태인 type I/ IIa, type IIa/IIx hybrid 섬유를분석할수있다. 분석결과, type I 섬유는 57.3% 로가장높은분포를차지하였으며 type IIa 섬유는 34.2% 로두번째로높은분포를나타냈다. Hybrid 섬유인 type I/IIa 섬유는한국 성인남성을대상으로한우리연구에서는확인되지않았지만, type IIa/IIx 섬유는 4.3% 로나타났다. 또한 type IIx 섬유도 4.3% 로낮은분포를나타냈으나통계적인분석이가능할정도의수준으로한국성인남성의 4가지 MHC 아형분포를카이제곱적합도검정 (chisquare goodness-of-fit) 으로검증한결과, MHC 아형간의분포에차이가있는것으로나타났다 (chi-square =92.88, p =.001). Widrick et al. [29] 의연구에서도미국인젊은성인남성 6명을대상으로외측광근의총 204 개의단일근섬유의유형을분석한결과, type I 섬유는 86개 (42%), type I/IIa 섬유는 8개 (4%), type IIa 섬유는 62개 (30%), type IIa/IIx 섬유는 45 개 (22%) 그리고 type IIx는 3개 (2%) 로 type I 섬유의분포가가장높았고 type I > type IIa > type IIa/IIx 섬유순으로나타났으며 hybrid 섬유인 type I/IIa와 type IIx 섬유는분포가낮게나타났다. Widrick et al. [29] 의연구결과를기대분포로적용하여한국남성의 MHC 아형분포간의차이를 chisquare goodness-of-fit 검증한결과, 인종간의 MHC 아형간의분포에차이가있는것으로나타났다 (chisquare = 25.647, p =.001). 서양인을대상으로연구한 Widrick et al. [29] 의결과와비교해보면, 한국인을대상으로한우리결과에서는지근섬유아형인 type I 섬유가높은분포를보인반면, 서양인 (Caucasian) 을대상으로한 Widrick et al. [29] 에서는속근섬유아형인 type IIa/IIx 섬유가높은분포를보여주었다. 인간의근섬유는각유형에따라서로다른대사적기능 [30] 과수축특성 [31] 을가지는것으로밝혀졌다. Type I 섬유는느리게수축하며지질, 미오글로빈, 모세혈관및미토콘드리아함량이많아유산소대사능력과지구력이높고자세유지에주로사용되는반면에 type II 섬유는빠르게수축하며유산소능력과미오글로빈수치가낮고모세혈관도적어높은강도로짧은시간지속할수있는무산소성운동에효과적이다 [32]. 따라서한국성인남성은서양인에비해서근육의산화적능력이높고피로도가상대적으로낮을수있으며이러한근섬유유형의분포차이에의해유산소대사능력과지구력과같은운동수행능력에도영향을미칠것으로사료된다. 한편이연구에서분석한한국남성의단일근섬유횡단면적 (CSA) 은 type IIx 섬유가 type I과 type IIa 섬유에비해각각 -50.5%, -57.5% 낮게나타났다 (p >.05). 이와유사하게선행연구들 [12,14,19,33] 에서도 MHC II 섬유아형의횡단면적이 MHC I 섬유아형보다작은결과를보여주고있지만단순히지근섬유와속근섬유의횡단면적을나타낸 28 Yu-Nah Jeon, et al. Single Muscle Fiber Properties in Korean Young Male
https://doi.org/10.15857/ksep.2018.27.1.23 결과로 hybrid 섬유의횡단면적결과를나타내지않았다. 그러나이상의연구들은속근섬유아형인 type IIx 섬유가지근섬유아형인 type I 섬유보다횡단면적이더작다는우리의결과를뒷받침해준다. 보편적으로단일근섬유의최대등척성수축력 (Po) 은해당단일근섬유의횡단면적과근섬유특성에비례하는것으로잘알려져있다 [49]. 우리의연구결과에서보여지는것처럼통계적인유의수준에는미치지못하였으나 (p >.05) type IIa 섬유의 CSA가모든섬유아형중가장크게나타났다. 이와상응하여 type IIa 섬유의 Po가모든섬유아형중에서가장높은경향을나타냈으며 (p >.05), 특히 type I 섬유에비해 12.9% 높게나타났다 (p >.05). 반면 type IIx 섬유는횡단면적이가장작았음에도불구하고 Po는다른섬유유형과차이가없는것으로나타났다. Miller et al. [34] 은젊은성인을대상으로 MHC 아형에따른마이오신과액틴의십자형가교교차결합역학을연구한결과, 속근섬유아형이지근섬유아형에비해수축시활성되는마이오신비율과액틴에결합한마이오신머리의수가더높다고보고하였다. 또한다른선행연구들 [34-36] 에서도제시된바와같이속근섬유가지근섬유에비해마이오신농도가높아힘생성상태 (force-generation state) 일때지근섬유보다더강하게결합되기때문인것으로판단된다. 근섬유의단위면적당발생하는수축력을평가하는것은근섬유의수축력을질적으로판단하는중요한지표다. 단일근섬유의횡단면적이더큰섬유는작은섬유에비해 ADP나 Pi같은작은분자들을더많이포함하고있어크기에의존적으로십자형가교의교차결합에영향을줄수있는가능성때문에단일근섬유의최대수축력 (SF) 측정은횡단면적에표준화시켜평가해야한다. 선행연구들의결과를살펴보면근섬유횡단면적에표준화된수축력 (SF) 은 MHC II 섬유아형이 MHC I 섬유아형보다더높거나 [18,37-40], 두아형이유사한값을가지는것으로보고된바있다 [7,41-43]. 이연구에서근섬유횡단면적에표준화된근력 (SF) 을측정한결과, hybrid 섬유인 type IIa/IIx 섬유를제외한속근섬유아형 (type IIa, IIx) 의 SF가 type I 섬유에비해각각 7.7%, 31.4% 높게나타났다. 더욱이 type IIx 섬유의 SF는모든섬유아형중에서가장높게나타났다 (p <.05). Widrick et al. [29] 의연구에서도 type IIx 섬유의 SF가다른아형의섬유들보다가장높게나타났으며 type IIa 섬유가 type I 섬유보다높게나타나우리의연구의결과와일치하는결과를보여주었다. 횡단면적이큰섬유가작은섬유에비해막제거과정 (skinning) 후에부푸는현상 (swelling) 이더크게나타남으로써 [44] type I/IIa 섬유가상대적으로낮은 SF 수치를보일수있는가능성을배제할수없다. 아직까지 hybrid 섬유의수축특성에대한연구는국제적으로도극히제한적이기때문에근섬유의횡단면적과수축특성을밝히는추가적인연구가필요할것으로사료된다. 단일근섬유의최대수축속도 (Vo) 는속근섬유아형인 type IIa, type IIa/IIx, type IIx 섬유에서모두 type I 섬유에비해높게나타났으며 (73%, 74.6%, 91%), type IIx 섬유의최대수축속도는모든아형중가장높게나타났다 (p <.05). 우리의연구에서 Vo 는근섬유유형에의존하여 type I< type I/IIa < type IIa < type IIa/IIx< type IIx 순으로높게나타났으며타인종을대상으로한선행연구와도일치하는결과를보여주었다. Ochala et al. [16] 의연구에서는젊은남성의 type II 섬유의 Vo가 1.66 FL/s으로 type I 섬유 (0.91 FL/s) 보다높은것으로나타났으며이러한결과는 type I 섬유는느린움직임을 type II 섬유는빠른움직임을수행하게하는서로다른기능에기인하는결과라고보고하였다. 또한 Widrick et al. [29] 의연구에서도속근섬유인 type IIa (2.95 ± 0.17 FL/s), type IIa/IIx (3.78 ± 0.2 FL/s) 와 type IIx 섬유 (4.72 ± 0.79 FL/s) 가지근섬유인 type I (0.58 ± 0.02 FL/s) 과 type I/IIa 섬유 (1.61 ± 0.36 FL/s) 보다높게나타나우리의연구결과를뒷받침해주고있다. 근섬유의유형분포및수축특성은전근의근력을결정짓는요소이다 [9]. 그러나대부분의선행연구들은인간을대상으로 in vivo 수준에서의전근의기능과 in vitro 수준에서단일근섬유의특성을각각다른대상자로분석되어단일근섬유의수축력이하지근력에미치는영향을평가하기에는부족하다. 하지근력과단일근섬유수축특성의관계를보고한한편의연구 [12] 는하지근력과단일근섬유의 SF 간에관련성이없다고보고한바있다. 그러나이결과는대상자에대한이질적인특성이포함되어있어연령과성별에대한차이를고려하지않았다. 우리의연구는동질한젊은남성을대상으로단일근섬유의수축특성중하지근력에영향을미치는요인을알아보기위하여다중회귀분석 (multiple regression analysis) 을실시한결과, 각속도 60 로수행한등속성근력 (isokinetic extension strength) 은단일근섬유의최대수축력 (Po) 과정적상관관계가있었다 (r 2 =.248). 또한각속도 240 로수행한등속성파워 (isokinetic extension power) 는 Po와최대수축속도 (Vo) 와정적상관관계가있는것으로나타났으며 (r 2 =.058, r 2 =.095), Po (β =.227) 가 Vo (β =.193) 보다더큰영향을주는것으로나타났다. 선행연구에서는유럽인여성을대상으로다양한중재에의한전근의근력의변화와함께단일근섬유최대수축속도 (Po) 도비례하여변화되는결과를보여주었다 [45,46]. 이는본연구의근세포수준의연구가 in vivo 연구의결과를반영할수있음을암시한다. 종합하면, 먼저젊은한국남성의근섬유유형은선행연구에서제시된서양인의결과와비교하여지근섬유아형분포가높은반면속근섬유아형분포는낮게나타나인종간의 MHC 아형분포가차이가날수있음을보여주었다. 단일근섬유횡단면적의경우 type IIx 섬유가가장작았음에도불구하고 Po는다른섬유아형과차이가없는것으로나타났다. 단일근섬유의수축특성 (Po, SF, Vo) 은속근섬유아형이지근섬유아형에비해높은수준을보이며서양인을대상으로한선행연구결과와유사하게나타남으로써인종간차이가없을것으로사료된다. 한편한국성인남성전근의등속성근력은 Po와정적상관 전유나외 한국성인남성의단일근섬유특성 29
Vol.27, No.1, February 2018: 23-31 관계를보였고등속성파워경우 Po 및 Vo 와정적상관관계가있으며 Po가 Vo보다더큰영향을주는것으로확인되었다. 추후연구에서는수축력에영향을줄수있는단백질및유전자발현을함께분석하여한국인의근육특성이보다심도있게밝혀져야할것이다. 결론 이연구는건강한젊은남성을대상으로대퇴외측광근을적출하여근섬유유형비율과근섬유유형간수축특성을확인하고, in vivo 하지근력과 in vitro 단일근섬유수축력간의상관관계분석을통해단일근섬유의수축력이전근에미치는영향을평가한연구이다. 한국성인남성의근섬유아형분포는 type I 섬유가가장높은분포를차지하였으며최대등척성수축력 (Po) 은 type IIa 섬유가모든섬유아형중에서가장높은경향을나타냈다. 반면, 횡단면적에표준화된수축력 (SF) 과최대수축속도 (Vo) 는 type IIx 섬유가가장높게나타났다. 또한본연구에서는단일근섬유의수축특성이전근의근력과높은상관관계를보여줌으로써단일근섬유의수축특성이전근의근력을대변할수있는가능성을제시한다. 전근의수준의분석만으로는골격근의본질적인기능을판단하기어렵기때문에차후연구에서는다양한중재 ( 노화, 식이, 운동등 ) 에의한근육수축특성의변화를통합적으로분석하는것이요구된다. REFERENCES 1. Krivickas LS, Frontera WR. Single muscle fiber physiology in neuromuscular disease. Phys Med Rehabil Clin N Am. 2005;16(4):951-65. 2. Frontera WR, Reid KF, Phillips EM, Krivickas LS, Hughes VA, et al. Muscle fiber size and function in elderly humans: a longitudinal study. J Appl Physiol. 2008;105(2):637-42. 3. Reid KF, Doros G, Clark DJ, Patten C, Carabello RJ, et al. Muscle power failure in mobility-limited older adults: preserved single fiber function despite lower whole muscle size, quality and rate of neuromuscular activation. Eur J Appl Physiol. 2012;112(6):2289-301. 4. Hurley BF. Age, gender, and muscular strength. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 1995;50:41-4. 5. Lynch NA, Metter EJ, Lindle RS, Fozard JL, Tobin JD, et al. Muscle quality. I. Age associated differences between arm and leg muscle groups. J Appl Physiol. 1999;86(1):188-94. 6. Miller MS, Callahan DM, Toth MJ. Skeletal muscle myofilament adaptations to aging, disease, and disuse and their effects on whole muscle performance in older adult humans. Front Physiol. 2014;26(5):369. 7. Larsson L, Moss R. Maximum velocity of shortening in relation to myosin isoform composition in single fibres from human skeletal muscles. J Physiol. 1993;472(1):595-614. 8. Wood DS, Zollman J, Reuben JP, Brandt PW. Human skeletal muscle: properties of the chemically skinned fiber. Science. 1975;187(4181):1075-6. 9. Bottinelli R. Functional heterogeneity of mammalian single muscle fibres: do myosin isoforms tell the whole story?. Pflugers Arch. 2001; 443(1):6-17. 10. Canepari M, Rossi R, Pellegrino MA, Orrell RW, Cobbold M, et al. Effects of resistance training on myosin function studied by the in vitro motility assay in young and older men. J Appl Physiol. 2005;98(6):2390-5. 11. Claflin DR, Larkin LM, Cederna PS, Horowitz JF, Alexander NB, et al. Effects of high-and low-velocity resistance training on the contractile properties of skeletal muscle fibers from young and older humans. J Appl Physiol. 2011;111(4):1021-30. 12. Frontera WR, Suh D, Krivickas LS, Hughes VA, Goldstein R, et al. Skeletal muscle fiber quality in older men and women. Am J Physiol Cell Physiol. 2000;279(3):C611-C8. 13. Krivickas LS, Suh D, Wilkins J, Hughes VA, Roubenoff R, et al. Age and gender-related differences in maximum shortening velocity of skeletal muscle fibers. Am J Phys Med Rehabil. 2001;80(6):447-55. 14. Krivickas LS, Yang JI, Kim SK, Frontera WR. Skeletal muscle fiber function and rate of disease progression in amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 2002;26(5):636-43. 15. Ochala J, Dorer DJ, Frontera WR, Krivickas LS. Single skeletal muscle fiber behavior after a quick stretch in young and older men: a possible explanation of the relative preservation of eccentric force in old age. Pflugers Arch. 2006;452(4):464-70. 16. Ochala J, Frontera WR, Dorer DJ, Hoecke JV, Krivickas LS. Single skeletal muscle fiber elastic and contractile characteristics in young and older men. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2007;62(4):375-81. 17. Trappe S, Harber M, Creer A, Gallagher P, Slivka D, et al. Single muscle fiber adaptations with marathon training. J Appl Physiol. 2006; 101(3):721-7. 18. Choi SJ, Widrick JJ. Calcium-activated force of human muscle fibers following a standardized eccentric contraction. Am J Physiol Cell Physiol. 2010;299(6):C1409-C17. 19. Grosicki GJ, Standley RA, Murach KA, Raue U, Minchev K, et al. Improved single muscle fiber quality in the oldest-old. J Appl Physiol. 2016;121(4):878-84. 20. Harber MP, Konopka AR, Douglass MD, Minchev K, Kaminsky LA, 30 Yu-Nah Jeon, et al. Single Muscle Fiber Properties in Korean Young Male
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