심혈관질환 발병은 세포사멸, 심장근 비대, 섬유화 초래등 대사적 기전에 영향을 받고, 염증성 물질 생성과 산화적 스트레스 상승의 복잡한 상호작용으로 이루어진다. 특히 관상동맥질환의 허혈에 의한 심근의 손상[1]은 심장 기능을 저하시켜 심근 세포 사멸을 유도한다[2]. 열 쇼크 단백질(heat shock protein, HSP)은 허혈에 의해 손상된 심근의 단백질 구조 변성 및 높은 산화적 스트레스 수준을 억제하거나 감소시키는데 관여하는 조직 특이적으로 발현되는 단백질이다[3]. 그 중 HSP70은 대부분의 세포 종류에서 존재하며 샤페론(cheparones)의 기능을 통해 미토콘드리아 막을 통한 단백질의 수송이 원활히 이루어지도록 하며 세포의 항상성을 유지시키고 단백질을 형성시키고, 변성 및 기형이 된 단백질을 복원시키며, 세포사멸 억제와 면역반응을 유도한다[4]. 특히 운동을 통한 HSP70 단백질 과발현은 미토콘드리아 손상을 억제하여 조직손상을 억제하는데[5], 골격근뿐만 아니라 심장근육 내 세포사멸을 억제할 뿐만 아니라 세포들을 보호한다[6].

운동은 산소섭취량의 증가와 반응성 산소종(reactive oxygen species, ROS)이 증가하여 세포가 산화성 스트레스를 받게 된다. 그러나 체내항산화 효소인 superoxide dismutase (SOD)가 활성화되어[7], 활성산소의 증가로 단백질, 핵산 및 세포막이 손상에 대한 세포의 적응 효과가 일어나 심근세포를 보호한다[8]. 특히 심혈관계의 산화적 스트레스 억제 조절자 역할을 하는 것으로 알려져 있는 SOD는 규칙적인 유산소운동에 의해 발현량이 증가한다[9]. 노화 쥐의 운동처치 연구에서 총 SOD, 미토콘드리아 SOD, 세포질 SOD, 세포외 SOD의 활성을 유의하게 증가시켰다고 보고되었다[10].

20개월 이상 노화 쥐의 트레드밀 달리기 운동은 심근에서 HSP70 단백질 발현이 증가되었다고 보고되었지만[11,12], 14주 동안 수영훈련을 한 수컷쥐의 심실조직에서는 HSP70 단백질 변화가 나타나지 않았다[13]. 또한 노화 쥐의 운동 후 SOD1 단백질 발현이 심장근에서 증가[11,14] 혹은 감소[15]하였으며, 대동맥과 장간막동맥(mesenteric artery)에서도 증가[16], 혹은 감소[17] 등의 결과가 나타났으며 급성운동[12,14]과 만성적 장기간 운동[16,18]에서도 상이한 연구결과가 보고되고 있다. 이와 같이 상이한 연구결과에서 운동은 활성산소를 생성하는 동시에 항산화 효소의 활성을 높여줌으로써, 활성산소의 생성과 소멸에 영향을 미쳐 심근보호 효과를 발휘할 것[19]으로 예측되지만, 심혈관질환자의 건강개선을 위한 중요한 처치방법인 운동 트레이닝은 운동형태, 운동기간 및 분석조직에 따라 HSP70 및 SOD1 단백질 발현의 결과가 일치되지 않음을 알 수 있다.

이에 노화에 따른 심근의 산화적 스트레스로 인한 세포내 방어 시스템 손상과 함께 세포사멸이 가속되어 심근경색 유발로 인한 사망률이 증가하고 있는 측면에서 볼 때 조직 간의 세포회복 및 항산화 대사기전에는 차이가 있을 것이다. 특히 운동은 혈관죽종에 의한 허혈, 심근괴사 및 심근세포 내 산화적 스트레스 증가에 대한 심혈관질환의 심장보호 효과 발휘에 대하여 명확하게 규명되지 않은 상태이며 운동에 의해 각 조직에서 유발되는 심장 보호 효과를 규명하는 기전연구는 불분명하다.

그러므로 본 연구는 세포회복기전과 항산화효소활성 측면에서 대동맥, 골격근 및 심근의 각 조직에서 HSP70 및 SOD1 단백질 발현을 분석하고 비교함으로서 노화과정에서 운동이 체내 적응 반응을 유도하여 각 조직 세포의 스트레스에 대한 저항력을 증진할 수 있는 가능성을 확인하고자 한다.

운동은 노화에 의해 손상된 심근조직 및 세포의 대사적 기질 산화와 운반에 관련된 단백질의 발현량을 증가시켜, 심근의 대사적 효율성 증가와 심근 보호 기능을 향상시키는데 영향을 미친다[24,25]. 산화적 스트레스를 제어하기 위해 운동은 신체 내 조직에서 SOD, 등의 항산화효소의 활동을 자극시켜 조직을 보호하며, 특히 심근경색 부위를 감소시킨다[26].

혈청 HSP70의 높은 수준은 죽상(atherogenesis) 생성을 억제하여 관상동맥경화증 발생을 감소시킨다[27]. 또한 HSP70 유전자 형질주입(transfection) 연구에서 허혈-재관류 손상(ischemia-reperfusion injury)에 대하여 심근을 보호한다고 보고하였다[28]. 그러나 간헐적 파행(claudication), 심각한 하지 허혈 및 동맥류(aneurysms) 환자에서는 HSP70 항체 수준이 낮게 나타났다고 하였다[29]. 그러나 죽상 경화증 발병에서 HSP70의 역할은 연구결과에 따라 다소 논쟁의 여지가 있다. Fig. 2에서 나타난 바와 같이 NDEx 그룹 및 HFDEx 그룹의 운동 그룹은 심근조직에서 HSP70 단백질 발현이 높게 나타났다. 24개월된 노화 쥐의 연구에서 분당 30 m 속도로 하루 45분 동안 주당 5일, 6주간 트레드밀 러닝 운동 결과 심장조직에서 HSP70 단백질 발현이 증가되었으며[11], 2개월된 수컷 흰쥐의 주당 3일, 14주 동안 트레드밀 운동 후 심장조직에서 HSP70 단백질 발현이 증가하였고[18], 70-75%VO₂max 강도의 60분 동안 급성운동 후 4개월 젊은 수컷 쥐와 21개월 노화 쥐의 심장에서 HSP70 단백질 발현이 증가되었다고 보고되어[12] 본 연구의 심근조직에서의 운동효과와 비슷한 결과를 나타내었다. 그러나 하루 60분 동안 주당 5일, 12주 동안 트레드밀 운동을 한 연구에서 좌심실의 HSP70 단백질 발현이 6개월된 젊은 쥐는 비운동군에 비해 증가되었으나 27개월 노화 쥐에서는 변화가 없었다고 보고[30]되었으며, 6-8주령 수컷 쥐의 14주 동안 수영훈련 결과 심실근 조직에서 HSP70 단백질 발현의 변화가 나타나지 않았다[13]. 이러한 결과 운동이 심근조직의 세포회복인자 발현에 영향을 미친다고 생각되지만 연령, 운동기간, 운동형태 및 운동강도에 따라 결과의 차이가 있어 후속적인 연구가 필요할 것이다. 아울러 본 연구의 골격근에서는 4그룹 간에 HSP70 단백질 발현의 유의한 차가 나타나지 않았다. 그러므로 조직에 따라 단백질 발현 수준 및 발현 양상이 다를 수 있으며 각 조직 세포 특성의 차이인지 중간기전의 차이인지에 대한 본 연구에서는 알 수 없으며 지속적인 연구가 필요할 것이다.

Fig. 3에서 나타난 바와 같이 심근조직에서 운동 그룹이 SOD1 단백질 발현이 비교적 높게 나타났으며 특히 골격근에서는 운동 그룹이 비운동 그룹에 비해 유의하게 높게 나타났다(ND vs. NDEx, HFD vs. HFDEx). 24개월 노화 수컷 쥐의 분당 30 m 속도로 1일 45분씩 6주간 트레드밀 운동을 한 연구에서 심장조직에서 SOD1 단백질 발현이 증가하였으며[11], 성인 암컷 쥐의 20주간 운동 후 심실에서 SOD1 단백질 발현이 증가하였다고 보고되어[31] 본 연구의 심근조직 결과와 일치하였다. 그러나 연령에 따른 동물 연구에서 젊은 쥐(3개월)와 노화 쥐(30개월)의 저항성 운동을 4주간 실시한 결과 골격근에서 SOD1 단백질 발현이 젊은 쥐에서는 증가하였으나 노화 쥐는 오히려 감소하였으며[15], 젊은 수컷 쥐(3-5개월)와 노화 쥐(24-27개월)의 탈진적인 운동을 한 결과 골격근과 심장 조직에서 젊은 쥐는 두 조직 모두 SOD1이 활성화 되었으며 노화 쥐는 심장에서만 SOD1가 활성화되었다[14]. 또한 암컷 쥐의 탈진적인 급성 트레드밀 운동 후 골격근에서 SOD1 단백질은 증가하였으나 SOD1 mRNA는 활성화되지 않았다[32]. 이상의 선행연구에서도 연령, 운동형태 및 운동기간에 따라 결과의 차이가 나타났으며, 노화 쥐의 심근 및 골격근 조직에서도 발현정도가 일치하지 않았다.

고지방식이를 한 수컷 쥐의 60분씩 주당 5일, 12주간 달리기 운동은 대동맥과 장간막동맥(mesenteric artery)에서 비운동군에 비해 상대적으로 SOD1가 증가하였으며[16], 당뇨병성 젊은 수컷 생쥐의 10주간 트레드밀 운동 후 대동맥에서 SOD1 단백질 발현이 증가하였다고 보고되어[33] 본 연구결과를 뒷받침하였다. 본 연구의 대동맥에서의 HFDEx 그룹은 12주간 운동 프로그램 수행 후 SOD1 단백질 발현이 ND 및 NDEx 그룹보다 높게 나타났으며, 골격근에서는 ND 및 HFD 그룹보다 높게 나타났다. 이러한 결과는 대동맥에서는 식이처치에 따라 유의차가 나타났으며, 골격근에서는 운동처치에 의한 유의차가 나타났다. 세포의 분자생물학 수준에서의 발현이 전체 기전 및 기능에 직접적인 연관이 강력하지는 않다. 그러나 표적세포의 세포회복 측면에서 역으로 고려해볼 때 중요하고 강조되어야 할 부분은 예측할 수 있지만 본 연구에서는 분명히 알 수 없다. 그러므로 골격근의 결과에서 중강도 장기간 신체활동이 미토콘드리아를 통해 발생시키는 활성산소는 세포 내에서 적응성 역반응을 하는데 이는 활성산소 신호를 활성화시켜 오히려 심한 산화적 스트레스에 의한 항산화 능력이 증진된 것[34]으로 생각된다.

그러나 생쥐의 분당 15 m 속도로 하루 30분씩 주당 5일, 3주간 트레드밀 달리기 운동 후 대동맥에서 SOD1 단백질 발현의 변화는 없었다고 보고되어[17] 운동의 강도와 기간에 따라 세포 내 다양한 요인들의 상호작용에 의해 체내 적응 반응이 다른것으로 생각된다. 또한 9주된 고혈압 암컷 쥐의 5주동안 자발적 휠(wheel) 러닝을 한 후 대동맥에서는 HSP70 유전자 발현이 감소하였으나, 대동맥 혈관벽에서는 산화적 스트레스가 감소되어 대동맥 조직에서 CuZnSOD의 높은 상향 조절 기능과 염증성 사이토카인 분비가 감소되어 운동이 새로운 항죽종성 기전 역할을 한다고 보고하였다[35]. HSP는 세포사멸 또는 세포손상 동안 세포외기질(extracellular)로 배출될 수 있으며, 세포외기질의 HSP60 및 HSP70은 염증성 사이토카인의 생성 및 분비를 유도하는 것으로 나타났다[36]. 그러므로 본 연구결과에서도 대동맥의 높은 항산화효소 발현이 세포회복기전과 패턴이 일치하지 않아 대동맥 벽 확장성 개선과 함께 HSP 발현과 혈관 기능 사이의 잠재적 인과관계가 있으므로 지속적인 연구가 필요할 것이다.

HSP의 샤페론 활성은 전사(transcription), 번역(translation), 분비(release)를 제어하는 명확한 기전이 있을 수 있지만 HSP 발현의 조절은 주전사 수준에서 발생하는 것으로 나타났으며, HSP의 세포 내 과발현은 단백질을 세포 표면으로 전위시키는 것으로 나타났다[37]. HSP 발현은 분석된 조직에 따라 발현정도가 다르게 나타나는데 양의 소뇌 또는 연수에서 전사 수준의 변화가 관찰되지 않았지만, 전두엽 피질에서 HSP27 및 HSP90의 현저한 감소가 검출되어 HSP는 뇌손상의 항세포사멸 과정보다 신경 교착 및 염증 반응에 관여하는 것으로 보인다고 보고되었다[38]. 본 연구에서도 대동맥, 골격근 및 심근의 HSP70 단백질 발현 정도의 차이나 나타나 세포사멸 과정과 더불어 다른 과정도 발생 가능성이 있지만 아직 불분명하므로 세부적인 추후연구가 필요할 것이다.

특히 장기간 운동은 골격근 적응이 완벽히 이루어져 미토콘드리아 생합성이 충분히 이루어져 산화적 스트레스 생성자체가 감소되고, 산화적 스트레스가 생성되더라도 미토콘드리아에 존재하는 항산화 효소에 의한 효과적인 방어능력의 증가로 인해 조절된다[39]. 그러므로 선행연구의 결과에 의해 골격근에서의 단백질 발현은 대동맥 및 심근보다 운동기간이 좀 더 영향을 미치는 것으로 판단된다. 아울러 장기간의 운동 적응이 골격근뿐만 아니라 대동맥 및 심근의 HSP70 단백질 발현을 높은 수준으로 유지시켜줌으로써 심근세포의 스트레스에 대한 저항력을 증진할 수 있는 가능성을 확인한 것으로 생각된다.

그러나 HSP70 및 SOD1 단백질의 활성이 운동에 의해 나타났다 하더라도 세포사멸의 변화로 세포손상에 직접적인 영향을 규명하지 못한 한계점이 있기에 세포회복기전의 측면에서 세포사멸 관련인자들의 변인과 연령에 따른 운동프로그램의 강도와 시간에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

50주령 비만 유도 흰쥐의 12주간 복합운동은 심근에서 HSP70 단백질 발현이 높게 나타났으며 대동맥, 골격근 및 심근 세포에서 SOD1 단백질 발현이 증가하였다. 그러므로 비만 노화 쥐를 대상으로 한 운동처치는 심근 세포 회복 단백질 및 항산화 효소 활성 기능을 개선시킨 것으로 생각된다.