노화에 따른 개의 트레드밀 운동 시 생리학적·혈액학적 반응 비교
Lee, Hae Sung1; Oh, Hyun Ju2; Lee, Seok Hee2; Kim, Jin Wook2; Kim, Jong-Hee1*
체육과학연구Korean Journal of Sport Science, Vol.30, No.4, pp.677-688
https://doi.org/10.24985/kjss.2019.30.4.677
© Korea Institute of Sport Science
Abstract
Purpose
The purpose of this study was to investigate changes of the cardiovascular system by comparing heart rate (HR) and blood responses to exercise in younger and older adult dogs and to verify the value of dogs as aging model in exercise science research.
Methods
A total of 11 healthy beagles were divided into 2 groups according to age: younger adult dogs (1~2 years old, 7 animals) and older adult dogs (9~11 years old, 4 animals). Each animal exercised on the treadmill for 25 minutes, twice a week, and for 4 weeks. The exercise intensity was gradually increased by applying four different protocols. Resting HR, HR during exercise, and HR recovery time were determined as HR parameters. Biochemical analysis was performed on blood samples. The independent Student’s t-test and one-way ANOVA were used to analyze the mean difference of each variable. The associations between age and HR parameters were determined using Spearman‘s analysis.
Results
Older adult dogs showed higher HRs during rest and exercise than younger adult dogs. HR recovery time was significantly longer in older adult dogs than in younger adult dogs. A strong positive relationship was observed between beagles’ age and resting HR, HR during exercise, and HR recovery time, respectively. The heart rate response to the treadmill exercise was similar between the 1st week and 4th week in younger and older adult dogs. Exercise significantly reduced the white blood cell level in older adult dogs and increased the alkali phosphatase level in younger adult dogs.
초록
목적
본 연구의 목적은 성견과 노견을 대상으로 트레드밀 운동 시 심박수 반응을 비교하여, 노화에 따른 심혈관계 시스템의 변화를 평가하고, 운동생리학적 접근을 통한 노화 모델로서 개의 가치를 검증하는 데 있다.
방법
연구대상은 건강한 비글 11두가 참여하였고, 연령에 따라 성견(1~2세) 7두와 노견(9~11세) 4두로 분류하였다. 트레드밀 운동은 주 2회 반복 실시하여 4주간 진행하였고, 네 개의 다른 프로토콜을 적용해 운동강도를 점진적으로 증가시켰다. 심박수 변인과 혈액학적 변인의 평가는 독립 t-검정과 일원분산분석을 통해 실시하였고, 연령과 심박수 반응, 심박수 회복 시간 간의 상관성은 Spearman’s 상관분석을 통해 검증하였다.
결과
본 연구의 결과, 노견은 성견보다 안정 시, 운동 중 심박수가 유의하게 높았으며, 운동 후 심박수 회복 시간도 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 비글의 연령과 안정 시, 운동 중 심박수, 심박수 회복 시간 간에 강한 양의 상관관계를 확인하였다. 또한, 성견과 노견 모두 운동 강도의 증가에도 불구하고 1주차와 4주차의 운동 중 심박수 반응에는 차이가 없었다. 운동은 노견의 백혈구 수치를 낮추고, 성견의 ALP 수준을 증가시키는 효과를 나타냈다.
서론
심박수는 심혈관계 체력(cardiovascular fitness)의 대표적 평가 지표로서 비침습적이고 간단한 방법으로 심장의 구조 및 기능, 심혈관계 질환, 심장 돌연사, 사망률에 대한 잠재적인 임상 정보를 얻을 수 있고(Cole et al., 1999), 윤리적인 연구 설계가 가능하다는 장점이 있어 여러 연구에서 활용되고 있다(Maros et al., 2008). 일반적으로, 심혈관계 체력이 우수할수록 심장의 1회 박출량(stroke volume)이 증가하여 낮은 심박수에서도 높은 효율의 산소운반능력을 가지게 되는데(Coote, 2010), 고도로 훈련된 운동선수의 경우, 안정 시 심박수가 분당 40회 수준인 것으로 알려져 있다(Brito et al., 2015). 운동 중 교감신경계의 활성과 부교감신경계의 억제로 증가한 심박수는 운동 종료 후 부교감신경계가 재활성하여 빠르게 회복하게 된다(Brito et al., 2015).
그러나 노인의 경우, 노화에 따른 심혈관계 시스템(cardiovascular system)의 구조적, 기능적 변화로(Spina et al., 1993) 최대 심박수 및 심박출량(cardiac output) 감소, 동정맥 기능 저하, 좌심실 기능부전 등이 발생하여 동일 조건에서 건강한 성인보다 높은 심박수 반응을 보인다(Stratton et al., 1994). 또한, 자율신경계 기능이 저하되고, 카테콜라민에 대한 심혈관 수축력(inotropic)과 심박수 변동력(chronotropic)이 감소하는데, 이는 노화에 따른 느린 심박수 회복과 관련된다(Levy et al., 1998). 이러한 현상은 휴식 시 보다 운동 중에 더욱 명백하게 나타나며(Gerstenblith et al., 1976), 심혈관계 체력과 밀접한 관계가 있는 유산소 운동을 통해 노화에 따른 심박수 변화를 관찰하여 심혈관계 시스템에 대한 정보를 얻을 수 있다(Boutcher & Stocker, 1999). 여러 선행연구에서 운동은 인간의 심혈관계, 신경 및 호르몬 대사 등에 긍정적인 결과를 도출한다고 보고하였고(Ryan, 2010; deFilippi et al., 2012), 4주간의 운동으로도 동맥경화(arteriosclerosis)와 심폐 기능 향상을 확인할 수 있다고 보고하였다(Cameron & Dart, 1994). 이처럼 운동이 심혈관계 시스템 및 다양한 질환 등을 개선, 평가하는 방법으로 활용되고 있음에도 불구하고(Madden et al., 2009), 노화에 따른 혈관 긴장도(vascular tone) 증가, 자율신경계 및 근신경계 기능 저하 등의 생리적 변화는 노인을 대상으로 한 운동 연구의 중요한 제한점으로 작용한다(Krzeminski et al., 2012).
개는 인간과 유사한 해부학적 구조와 생리학적 기전을 가지고 있고(Khanna et al., 2006), 환경과 질병 등을 공유하며(Ostrander et al, 2000), 노화의 형태와 기전이 유사한 것으로 알려져 있다(Egenvall et al., 2005). 이에 따라 개에서도 운동의 중요성이 대두되어, 운동에 따른 심박수 반응과 생리적 변화를 조사하는 연구가 진행되고 있다(Rizzo et al., 2017; Wall et al., 2018; Lee & Kim, 2019). Schober & Fuentes (2001)는 개의 심박수가 좌심방, 좌심실 기능을 확인할 수 있는 중요한 지표임을 제언하였고, Radin et al. (2015)은 개를 대상으로 트레드밀과 심박수 측정장치를 이용한 점증운동부하검사에서 인간과 유사하게 운동 강도가 증가함에 따라 심박수와 산소섭취량(V̇O2)이 증가하는 것을 확인하며, 최대심박수와 심박수를 통해 운동강도를 확인할 수 있다고 제언하였다. Piccione et al. (2012)는 운동 후 체온 및 혈청학적 변인 변화를 통해 운동을 실시한 개에서도 인간과 유사한 생리적 반응이 나타났음을 보고하였고, Wall et al. (2018)은 트레드밀 운동이 개의 심장질환과 기능을 평가하는데 효과적인 연구 방법임을 제언하였다. 또한, Mosier (1989)는 동물의 건강과 복지, 삶의 질 향상을 위해서는 질환, 영양, 환경 그리고 운동이 중요한 요인이 될 수 있음을 제언하였다.
특히, 노견의 경우 노화에 따라 노인성 질환이 발병하고(Salvin et al., 2010), 신체 시스템의 구조와 기능이 변화함에도 불구하고(Bellows et al., 2015), 개의 노화와 운동에 관한 연구는 노견의 확보와 견주의 인식 제고 등의 이유로 심도 있는 접근이 미흡한 실정이다. 미국국립보건원은 canine longevity consortium을 구성하여 개를 대상으로 장기적 노화 연구를 진행하고 있으나, 노견의 자료수집에 5~10년가량이 소요될 것이라 예상하였다(Kaeberlein et al., 2016). 이에 따라 현재까지는 마우스를 통한 노화 연구가 활발하게 진행되고 있으나, 마우스 연구는 주로 병원체의 영향이 없도록 통제된 시설에서 이루어지며, 동일한 사육 환경, 단일화된 품종 등의 특징이 있어 인간의 생애 과정에서 발생하는 다변성을 고려하기에는 다소 한계가 있는 것으로 알려져 있다(Richards et al., 2013). 다양한 분야에서 마우스 연구를 통해 괄목할 만한 발전을 이루었으나, 노화와 유전, 질병, 생리학적 접근에 있어서 마우스 연구가 가지는 한계를 극복하기 위한 다각적인 접근이 필요한 실정이다(Richardson et al., 2016).
따라서, 본 연구의 목적은 인간의 20대에 해당하는 성견과 60대에 해당하는 노견을 대상으로 4주간의 트레드밀 운동을 통해 노화에 따른 심박수 반응과 회복 시간을 비교하고, 혈액·혈청학적 분석을 통해 단기 트레드밀 운동의 효과를 평가하는 데 있으며, 운동생리학적 접근을 통한 노화와 운동 과학 연구의 동물 모델로서 개의 가치를 검증하는 데 있다.
연구방법
연구대상
본 연구는 중증질환 병력이 없는 건강한 비글 11두가 참여하였으며, 운동 시작 전 수의사에 의한 신체검사와 혈액, 혈청 검사에서 정상 소견을 확인하였다. 본 연구는 A대학교 실험동물윤리위원회의 승인을 받아 진행하였으며(SNU-180731-2), 실험동물은 이용과 관리를 위한 지침에 따라 사육되었다. 사육 장소의 온도는 22~23°C, 습도는 40~60%를 유지하였으며, 12시간을 주기로 밝은 조명(07:00~19:00)과 어두운 조명(19:00~07:00)으로 관리하였다. 모든 비글은 부드러운 고무바닥으로 제작된 cages (775 x 960 x 900cm)에서 생활하였고, 주 2~3회 약 30분 자유로운 산책을 실시하였다. 사육 장소는 매일 30분 이상 소요하여 청소하였고, 사료(Natural Core co., Ltd., Gyeonggi-do, Republic of Korea)는 일일 권장 급여량(150~200g)을 제공하였으나, 소화 불량 등을 우려하여 실험 4시간 전에는 급식을 제한하였다. 신선한 물은 수시로 보충하였고, 자유롭게 섭취할 수 있도록 하였다 <Table 1>.
Table 1.
(Mean ± SD)
| Parameter | Younger adult dogs | Older adult dogs |
|---|---|---|
| Dogs (n) | 7 | 4 |
| Age (yrs) | 1.7±0.5 | 10.5±1.2 |
연구방법
트레드밀 운동
모든 비글은 실험을 시작하기 앞서 연구원, 실험 절차, 연구실 환경 및 트레드밀에 익숙해지기 위해 1주일간 적응 훈련을 실시하였으며, 트레드밀 운동 시작 전 2.0km/h 속도로 5분 동안 준비운동을 실시하였다. 본 연구에서 실시한 트레드밀 운동 프로그램은 선행연구를 참고하여 본 연구의 목적에 맞게 수정, 보완되었다(Radin, et al. 2015; Vrbanac, et al. 2016). 트레드밀 운동은 총 4개의 프로토콜, 각 프로토콜 당 5개의 운동 단계(1~5)로 구분되었다. 4주 동안 실시한 트레드밀 운동은 5개로 구분된 운동 단계로 각 5분간 진행되었으며, 총 운동시간은 25분이었다. 프로토콜 및 운동 단계가 진행됨에 따라 트레드밀의 경사도(%)와 속도(km/h)를 점진적으로 증가시켰다.
Table 2.
Treadmill exercise protocol
| Protocol | Stage | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Min | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Grade (%) | 0 | 1 | 1 | 2 | 2 | |
| Km/h | 3.0 | 3.2 | 3.4 | 3.6 | 3.8 | |
| 2 | Min | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Grade (%) | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | |
| Km/h | 3.2 | 3.4 | 3.6 | 3.8 | 4.0 | |
| 3 | Min | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Grade (%) | 2 | 3 | 3 | 4 | 4 | |
| Km/h | 3.4 | 3.6 | 3.8 | 4.0 | 4.2 | |
| 4 | Min | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Grade (%) | 3 | 4 | 4 | 5 | 5 | |
| Km/h | 3.6 | 3.8 | 4.0 | 4.2 | 4.4 |
주요 실험 장비로 트레드밀(Egojin XG-V6E, Gyeonggi-do, Republic of Korea)을 이용하였고, 이탈과 낙상, 기타 부상을 예방하기 위해 가슴과 어깨에 고정하는 harness (Pocket lead, DOG DAYS, Gyeonggi-do, Republic of Korea)를 사용하였다. 운동 중 트레드밀을 이탈하는 비글은 없었으나, 불규칙하게 냄새를 맡고 주변을 탐색하는 모습을 보이는 경우, 이름을 부르거나 손뼉을 쳐서 운동에 집중할 수 있도록 격려하였으며, 실험의 전 과정에 수의사 및 전문 인력을 배치하여 안전사고에 대비하였다.
심박수 측정
앞선 연구에서 신뢰도가 높은 것으로 보고된 심박수 측정 장치(Polar H-10, Polar Electro, Kempele, Finland; Rahel et al., 2019)를 사용하여, 모든 비글의 심박수를 1초 단위로 수집하였다. 안정 시 심박수는 외부 자극이 최소화된 환경에서 비글의 목과 배를 쓰다듬으며 안정상태를 유지하여 1분간 2회 측정하였다. 운동 시 심박수는 모든 프로토콜에서 각 운동 단계별 심박수를 평균값으로 분석하였고, 운동 후 심박수 회복 시간은 선행연구를 참고하여 운동 종료 시점 이후 안정 시 심박수 수준까지 감소하는 시간을 측정하여 평균값을 분석하였다(Pierpont et al., 2000). 상관관계 분석은 안정 시, 운동 중 심박수, 심박수 회복 시간의 평균값을 개체 별로 분석하였다.
혈액 및 혈청 검사
모든 비글은 건강의 이상 유무 및 단기간의 운동 효과를 평가하기 위해 혈액 및 혈청 분석을 실시하였으며, 채혈은 운동 프로토콜 1 시작 24시간 전, 프로토콜 4 종료 24시간 후 실시하였다. 채혈 부위인 요측피정맥 주변을 클리퍼로 삭모 후 70% 알코올로 소독하고 요측피정맥에서 5ml의 혈액을 채취하였다. SST tube에 2ml과 EDTA tube에 1ml을 넣어 전혈혈구분석기에서 혈액 및 혈청 분석을 실시하였다. SST tube에서 응고된 혈액은 1500rpm에서 10분간 원심분리 후 혈청을 분리하였고, 상층의 혈청을 시료와 반응시켜 정량적 분석인 혈청검사를 실시하였다.
자료처리
실험 과정에서 수집된 안정 시 및 운동 중 심박수, 운동 후 심박수 회복 시간, 혈액 및 혈청학적 검사 결과를 분석하였으며, 통계 분석은 GraphPad Prism 5 (GraphPad Inc., La Jolla, CA, USA)를 이용하여 그룹과 변인에 대한 평균(mean) 및 표준편차(SD)를 산출하여 도표화하였다. 성견과 노견의 변인 값을 비교하기 위해 독립 t-검정(unpaired t-test)을 실시하였고, 통계적 유의성은 양측 검정을 실시하였다. 연령과 운동에 대한 변인의 상관성을 알아보기 위해 Spearman’s 상관분석을 실시하였다. 트레드밀 운동의 프로토콜에 따른 심박수 변화에 대한 유의성 검정은 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였으며, 사후 검정을 위해 본페로니 수정법(Bonferroni’s adjustment)를 적용하였다. 모든 자료의 통계적 유의수준은 p<0.05로 설정하였다.
연구결과
연령에 따른 안정 시 및 운동 중 심박수
안정 시 심박수는 노견(110.1±4.1 bpm)이 성견(86.4±9.3 bpm)에 비해 유의하게 높았으며(p<0.05), 운동 중 심박수 역시 모든 운동 단계에서 노견이 성견보다 유의하게 높게 나타났다 <Table 3>.
Table 3.
(Mean±SD)
연령에 따른 심박수 회복 시간
운동 종료 후 안정 시 심박수 수준까지 회복되는 시간을 측정한 결과, 노견(219.5±85.9초)은 성견(70.1± 11.8초)에 비해 유의하게 느린 심박수 회복 반응을 보였다 <Table 3>.
연령과 심박수 반응 간의 상관관계
비글의 연령과 안정 시 및 운동 중 심박수, 운동 종료 후 심박수 회복 시간의 상관관계를 분석한 결과, 안정 시(r=0.784; p=0.006), 운동 중 심박수(r=0.721; p=0.014), 심박수 회복 시간(r=0.669; p=0.027)은 연령과 강한 양의 상관관계가 있는 것으로 확인되었다 <Figure 1(A), 1(B), 1(C)>.