A Literature Review on the Effects of Different Types of Exercise on Bone Metabolism

Kim, Taewan; Shin, Jiho; Kim, Jeonghyeon; Kim, Changsun; Kim, Yoonhwan; Taewan Kim; Jiho Shin; Jeonghyeon Kim; Changsun Kim; Yoonhwan Kim

doi:10.15857/ksep.2025.00437

Exerc Sci > Volume 34(4); 2025 > Article

운동 유형이 골대사에 미치는 효과에 대한 문헌 고찰

Review Article

Exerc Sci. 2025; 34(4): 395-405.

Published online: Nov 28, 2025

DOI: https://doi.org/10.15857/ksep.2025.00437

운동 유형이 골대사에 미치는 효과에 대한 문헌 고찰

김태완 PhD¹

, 신지호 MS¹

, 김정현 PhD¹

, 김창선 PhD²

, 김윤환 MS^1,

¹성균관대학교 스포츠과학과

²동덕여자대학교 체육학과

A Literature Review on the Effects of Different Types of Exercise on Bone Metabolism

Taewan Kim PhD¹

, Jiho Shin MS¹

, Jeonghyeon Kim PhD¹

, Changsun Kim PhD²

, Yoonhwan Kim MS^1,

¹College of Sport Science, Sungkyunkwan University, Suwon, Korea

²Department of Physical Education, Dongduk Women's University, Seoul, Korea

Corresponding author: Yoonhwan Kim Tel +82-31-299-6923 Fax +82-31-299-6941 E-mail yh0524@skku.edu

*이 논문은 2024년 대한민국 과기정통부와 한국연구재단의 개인기초연구 중견연구(유형1)의 지원을 받아 수행된 연구임(RS-2024-00354668).

*이 논문은 성균관대학교 및 교육부, 한국연구재단의 4단계 두뇌한국21 사업 대학원혁신으로 지원된 연구임.

Received Jul 11, 2025 Revised Aug 26, 2025 Accepted Sep 2, 2025

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.

Abstract

PURPOSE

This study examined the effects of different types of exercise on bone metabolism and bone mineral density (BMD) in elderly individuals. Additionally, we sought to comprehensively analyze the physiological mechanisms underlying the prevention and management of osteoporosis through exercise.

METHODS

This review included previous publications found in PubMed, Google Scholar, and Science Direct databases.

RESULTS

Aerobic exercise was found to stimulate osteoblast activity and enhance bone formation by activating the Wnt/β-catenin signaling pathway, suppressing sclerostin expression, reducing pro-inflammatory cytokines, and promoting vitamin D metabolism. In contrast, resistance exercise increased the expression of genes associated with osteoblast differentiation and bone formation by applying a mechanical load to the bone, while simultaneously inhibiting osteoclast-related markers, thereby reducing bone resorption. Moderate-intensity exercise showed the most significant improvements in bone metabolism across both types of exercise.

CONCLUSIONS

Both aerobic and resistance exercises are effective non-pharmacological interventions for maintaining bone health and preventing osteoporosis in elderly individuals. Combined exercise, incorporating both types of exercise, appears to be more effective in optimizing the balance between bone formation and resorption, leading to improved BMD. In conclusion, aerobic and resistance exercises serve as beneficial nonpharmacological strategies for enhancing bone microarchitecture, maintaining BMD, and improving bone metabolism, thereby contributing positively to bone health in the elderly population.

Keywords: Osteoporosis, Bone, Aerobic exercise, Resistance exercise, Elderly

색인어: 골다공증, 뼈, 유산소 운동, 저항성 운동, 노인

서 론

골다공증은 골량 감소와 골 미세구조의 변화로 인해 골절 위험이 증가하는 대표적인 골격계 질환이다[1]. 골다공증으로 인한 골량 감소는 골격계 안정성을 위협하며 골절 위험을 높이고, 특히 노인에서 발생하는 골절은 삶의 질 저하, 질병의 이환율 증가 및 사망률 증가와 관련이 있다[2]. 전 세계 골다공증 환자는 약 2억 명 이상으로 추산되며[3], 국내에도 인구의 고령화에 따라 골다공증 유병률이 빠르게 증가하고 있다. 선행 연구에 따르면, 30-90세 골다공증 유병률이 24.1%로 보고되고 있고, 이중 19.2%가 30-50세, 23.5%가 50-90세 연령대에 분포하고 있다[3]. 또한, 국민건강영양조사 결과에 기반하면, 우리나라 기준 50세 이상 골다공증 유병률은 22.5%이며 남성의 경우 7.5%, 여성의 경우 37.5%로 여성에서 두드러지며 노인 여성(70세 이상)의 유병률은 68.7%로 심각한 수준이다[4]. 이러한 유병률 증가는 급속한 고령화로 인해 가속화될 것으로 예상되고, 이로 인한 의료비 부담 또한 점차 증가되고 있다. 골량의 조절은 전 생애에 걸쳐 골수 내 다양한 세포들이 상호작용하는 복합적인 미세환경에 의해 이루어진다. 조골세포(osteoblast), 파골세포(osteoclast), 그리고 기타 세포들 간의 상호작용은 골 흡수와 형성의 균형을 유지함으로써 정상적인 골량을 유지하지만, 이들 사이의 불균형이 이루어질 경우 골 형성 저하를 유발하여 골다공증 및 골경화증 등 골 건강에 부정적 영향을 초래한다[5].

현재, 골다공증 치료에는 칼슘, 비타민 D 보충, 호르몬 요법, 비스포스포네이트(Bisphosphonate) 등의 약물 치료가 주로 사용된다. 이러한 약물은 골 흡수 방지 및 골 형성 촉진에 효과적이나, 장기간 복용 시 부작용 발생, 높은 비용, 치료 지속성의 어려움 등의 한계가 존재한다[6]. 이에 따라 부작용이 적고 장기간 사용 시 안전하며 비침습적인 접근이 가능한 운동요법이 효과적인 대안으로 주목받고 있다.

본 문헌 고찰에서는 골다공증의 고위험군인 노인을 중심으로, 골다공증의 병태생리적 기전을 살펴보고 이를 완화할 수 있는 비약물적 중재인 운동요법의 생물학적 작용 기전을 운동 유형에 따라 살펴보고자 한다.

연구 방법

1. 자료수집

본 연구에서는 운동 유형과 골밀도에 관련된 최신 연구 동향을 포괄적으로 검토하기 위해 ‘ PubMed’, ‘ Google Scholar’, ‘ Science Direct databases’와 같은 학술 검색 시스템을 활용하였다. 검색은 2025년 6월까지 수행되었으며, ‘ osteoporosis’, ‘ elderly osteoporosis’, ‘ Vitamin D’, ‘ Vitamin D and osteoporosis’, ‘ inflammation and osteoporosis’, ‘ Parathyroid hormone and osteoporosis’, ‘ Aerobic exercise and osteoporosis’, ‘ Resistance exercise and osteoporosis’ 등으로 문헌을 검색하였다. 이러한 키워드는 골다공증의 원인, 관련 생리학적 인자, 염증 기전, 그리고 예방 및 치료 전략으로서의 유산소 및 저항성 운동 효과를 종합적으로 검토하기 위한 목적으로 선정하였다. 초기 검색 결과 총 87,030편의 논문이 확인되었으며, 중복 제거 및 초록 검토를 통해 관련성이 낮은 문헌을 제외한 후, 최종적으로 81편의 논문을 본 리뷰의 분석 대상으로 선정하였다.

연구 결과

1. 골 형성과 흡수를 조절하는 세포 및 생리학적 기전

1) 조골세포

조골세포는 골 형성에 있어 핵심적인 역할을 담당하는 세포로, Osteopontin (OPN), Type 1 collagen, Osteocalcin (OC), 그리고 ALP⁺ (Alkaline Phosphatase) 등 세포 외 기질 단백질을 분비하여 뼈 형성과 재구성에 기여한다[6]. 조골세포 형성 과정은 조골세포전구체(osteoprogenitor), 조골모세포(preosteoblast)와 성숙한 조골세포(osteoblast)로 나뉘며, 각 단계마다 특징적인 유전자 발현과 신호 경로가 활성화된다[7]. 예를 들어, SOX9 발현은 조골세포전구체의 연골세포로 분화를 유도하여 연골 기질의 주요 성분인 콜라겐과 프로테오글리칸을 생성한다[8]. Runt 관련 전사 인자 2 (RUNX2)의 발현은 조골세포전구체를 조골모세포로 분화시키며, 이후 Wnt/β-catenin 신호를 통해 조골모세포에서 조골세포로 분화된다[9]. 조골세포는 세포 외 기질 단백질을 분비하여 골 기질 형성에 기여하며, 일부는 골세포로 전환된다[10]. 골세포는 뼈의 유지와 재형성 과정에서 중요한 역할을 하며, 파골세포 간의 상호작용을 조절한다[10]. 특히, 조골세포에서 분비하는 OC는 비콜라겐성 단백질로, 뼈 미네랄화 및 칼슘 이온 항상성 유지에 중요한 역할을 한다[11,12]. OPN은 조골세포에서 주로 생성되며, 세포 부착과 이동, 생존 및 면역 반응 조절에 기여하는 다기능 단백질이다[13]. 뼈는 물리적 자극에 민감하게 반응하며, 자극이 감소할 경우 Receptor Activator of Nuclear Factor Kappa-B Ligand (RANKL) 발현이 증가하여 파골세포의 활성이 촉진되고 이에 따라 골 흡수가 증가한다[14]. 반대로, 물리적 자극이 가해지면 DKK1과 Sclerostin 발현이 억제되어 Wnt/β-catenin 신호 경로가 활성화되고, 이를 통해 골 형성이 촉진된다[15].

2) 파골세포

파골세포는 뼈 흡수가 주요 기능인 다핵세포로, 파골세포전구체(osteoprogenitor), 파골모세포(pre-osteoclast), 파골세포(osteoclast) 단계로 구분된다[8]. 이들은 조혈 세포 계열에서 유래하며, macrophage col-ony-stimulating factor (M-CSF)과 RANKL의 상호작용을 통해 분화한다[10,16]. 골수에서 M-CSF는 파골세포 전구체의 증식을 촉진하는 역할을 하며, RANKL은 파골세포 전구체를 성숙한 파골세포로 분화시켜 뼈 리모델링 과정을 시작한다[16]. 특히, RANKL은 파골세포의 기저 표면과 뼈 표면 사이에 형성된 밀폐 공간에서 양성자와 분해 효소를 분비하도록 자극하여 파골세포의 활성화를 유도한다[17]. 이 과정에서 내부 pH가 낮아져 산성화되며, 이로 인해 Tartrate-Resistant Acid Phosphatase (TRAP)와 Cathepsin K (CTSK)의 활성화를 통해 뼈의 무기질과 콜라겐을 분해한다[17]. 정상적인 뼈 항상성 유지 과정에서 파골세포는 뼈를 분해하여 미네랄과 단백질을 방출한다[18]. 이때 방출된 Transforming Growth Factor-beta (TGF-β)와 Insulin-like Growth Facotr-1 (IGF-1)과 같은 성장 인자는 조골세포를 자극하여 새로운 뼈 형성을 유도하지만 파골세포의 과도한 활성화 또는 조골세포의 기능 저하로 인해 골밀도가 감소하면 골다공증이 발생할 수 있다[18]. 추가적으로, N-telopeptide (NTX)와 C-telopeptide (CTX)는 뼈 유기질의 약 90%를 차지하며, 수치가 높을수록 골 손실과 골절 위험이 증가한다. 특히 CTX는 고관절 골절의 독립적인 예측인자로 작용하며[19], 50세 이상 남성과 폐경 후 여성에서 골 손실을 예측하는 중요한 지표로 보고되었다[20]. Sclerostin은 SOST 유전자에 의해 암호화되며, Wnt/β-catenin 경로를 억제하여 조골세포의 분화와 기능을 저해함으로써 골 형성을 억제한다[21]. Sclerostin은 골세포에서 특이적으로 발현되며, 연령 증가 및 폐경 후 농도가 상승하는 경향이 있다.

부갑상선 호르몬(parathyroid hormone, PTH)은 직접적으로 파골세포에 작용하지 않고, 조골세포를 매개로 하여 간접적으로 파골세포 형성을 증가시킨다. PTH는 조골세포에서 RANKL 발현을 증가시키고, osteoprotegerin (OPG) 발현을 억제하여 파골세포 형성을 촉진한다[22]. RANKL은 파골세포 전구세포의 RANK 수용체에 결합하여 파골세포 분화를 유도하는 반면, OPG는 RANKL의 작용을 차단하는 역할을 한다. 따라서 PTH는 RANKL/OPG 균형을 조절하여 파골세포 활성화를 유도한다[22]. 또한, PTH 농도가 증가하면 조골세포에서 염증성 사이토카인(예: IL-6, IL-11 등)의 분비가 촉진되며, 이는 파골세포 활성화를 통해 골 흡수 증가로 이어진다[23].

2. 골 형성과 흡수의 조절에 관여하는 주요 생리학적 인자들

1) 염증(Inflammation)

염증성 사이토카인은 골 흡수를 촉진하는 반면, 항염증성 사이토카인은 골 흡수를 억제한다[1]. 염증성 사이토카인인 IL-1, IL-6, IL-11, IL-17 및 Tumor Necrosis Factor-alpha (TNF-α)는 파골세포 활성을 유도하고, 항염증성 사이토카인인 IL-10과 IL-13은 조골세포 활성화를 촉진하는 것으로 나타났다[24]. 특히 골 내벽 세포 사이에 존재하는 대식세포는 TNF-α를 방출하여 파골세포의 활성을 촉진한다. TNF-α는 RANKL 신호 경로를 활성화시키며, IL-1은 조골세포에 작용해 prostaglandin E2 (PGE2) 합성과 파골세포 형성을 유도한다[25]. 또한 IL-6는 관절 침식과 밀접한 상관관계를 보이며, 이는 골 흡수 과정의 중요한 지표로 작용한다[25]. 이러한 사이토카인들의 상호작용은 염증과 골 리모델링의 균형을 조절하며, 골 흡수와 형성의 조화를 결정짓는 중요한 기전으로 이해된다. IL-10은 대표적인 항염증성 사이토카인으로, IL-1, IL-5, TNF- α 등 염증성 사이토카인 및 케모카인의 생성을 억제하는 기능을 갖는다[26]. Xu et al. [26]의 연구를 포함한 여러 선행 연구에 따르면, IL-10은 파골세포 형성을 억제하는 효과를 나타낸다. 이러한 억제 작용은 파골세포 전구세포에 직접적으로 작용함으로써, 실제로 IL-10이 결핍된 골수 유래 대식세포를 배양한 조건에서는 파골세포 형성이 유의하게 증가하는 것으로 보고되었다[27]. IL-10이 관여하는 신호 전달 경로를 살펴보면, IL-10은 OPG 발현을 증가시키는 반면, RNAKL (receptor activator of NF-κB ligand)과 CSF-1 (Colony-stimulation factor-1)의 발현을 감소시키는 것을 확인할 수 있다[28]. 또한 in vitro 실험에서는 IL-10이 NFATc1 (nuclear factor of activated T cells c1) 발현을 억제함으로써 파골세포 분화를 저해하는 것으로 확인되었다[29]. 이러한 기전들을 종합하면, IL-10과 같은 항염증성 사이토카인은 골 흡수를 조절하는 데 있어 중요한 생리적 조절 인자로 작용함을 시사한다.

2) 에스트로겐(Estrogen)

폐경 후 초기 6년 동안 약 15%의 골손실이 나타나고, 골다공증의 위험이 증가한다[30]. 폐경 후 감소하는 에스트로겐은 골 항상성에 중요한 호르몬으로, 골 흡수를 활성화하는 사이토카인인 RANKL 등의 발현을 조절함으로써 파골세포의 활동을 억제하여 뼈를 보호하는 역할을 한다[31]. 또한 골 항상성과 골 리모델링에 중요 역할을 하며 estrogen receptor-alpha (ERα)와 -beta (ERβ)를 통해 활성화된다. Erα와 Erβ는 골 세포와 골수에 많이 포진되어 있으며, 특히 ERα는 골 대사활동에 중요 역할을 한다[32]. 이를 통해 조절되는 주요 골 형성 메커니즘은 OPG와 RNAKL 시스템이다[32]. OPG는 RANKL에 결합하여 RANK 수용체와의 상호작용을 차단함으로써 파골세포 생성을 저해하며 이는 성 호르몬에 의해 조절된다고 밝혀졌다. 이에 따른 선행 연구를 살펴보면, 난소절제(OVX) 동물 모델은 RNAKL mRNA의 증가로 파골세포 활성화로 인한 골밀도 감소가 있었지만[33], 운동을 통한 에스트로겐 회복은 이를 완화시켰다[34].

3) 부갑상선 호르몬(PTH)

PTH는 칼슘 항상성 유지에 중요한 역할을 하는 호르몬으로, 분비 방식에 따라 뼈에 미치는 영향이 상반된다. 연속적인 PTH 과다 노출은 뼈 흡수를 촉진하여 골 손실을 유발하는 반면, 간헐적 PTH 노출은 골 형성을 촉진하고 골밀도를 증가시키는 효과를 나타낸다[35,36].

간헐적 PTH는 척추 부위에서 골밀도 증가 및 골 구조 개선에 효과적이므로 골다공증 치료제로 활용되고 있다[37]. 다만, 지속적으로 높은 PTH는 주로 피질골의 골밀도를 감소시키며 골 재생 촉진에 한계가 있다. 그러나 특정 농도 이하에서는 지속적 PTH도 골 형성에 기여할 가능성이 있으며, 국소적 PTH 전달을 통해 전신적 부작용을 최소화하면서 골 치유를 촉진할 수 있다는 연구가 보고된 바 있다[35]. 이러한 효과의 메커니즘은 PTH가 SOST/sclerostin mRNA 발현을 억제하여 Wnt/β-catenin 경로를 활성화함으로써 조골세포를 자극하고 뼈 형성을 유도하는 것으로 알려져 있다[38]. 하지만, 장기간 고용량 PTH 투여는 골흡수를 촉진함으로써 골 건강에 부정적 영향을 주기 때문에 치료 시 단기 저용량에 한정해 신중히 사용해야 한다[39].

4) 비타민 D (Vitamin D)

비타민 D는 조골세포의 분화를 촉진할 뿐 아니라, 파골세포의 활성을 간접적으로 증가시킨다. 활성형 비타민 D (1,25(OH)₂ D₃)는 조골세포의 비타민 D 수용체(Vitamin D Receptor, VDR)에 작용하여 RANKL 발현을 증가시키고, 이는 파골세포 전구체의 분화를 유도한다[40]. 조골세포는 VDR이 없으면 비타민 D에 반응하지 않지만, 파골세포는 VDR이 없어도 조골세포에서 분비된 RANKL에 의해 간접적으로 활성화될 수 있다[40]. 비타민 D 결핍은 노인에서 흔히 발생하며, 이로 인해 혈중 칼슘 농도가 감소하고, 이에 반응하여 부갑상선 호르몬의 분비가 증가한다. 부갑상선 호르몬의 지속적인 활성은 뼈에서 칼슘을 동원하기 위해 파골세포 활성을 유도하며, 이 과정에서 조골세포에서의 RANKL 발현이 증가하고, OPG는 억제되어 RANKL/OPG 신호 축이 활성화된다[41]. 또한, 부갑상선 호르몬은 신장에서 비타민 D를 활성형으로 전환시키며, 이 활성형 비타민 D 역시 조골세포에 작용하여 RANKL 발현을 촉진함으로써 파골세포 형성을 더욱 강화한다[42].

3. 운동 유형에 따른 골 생성 효과와 관련 신호 경로

운동은 뼈에 물리적 자극을 제공하여 Wnt 신호 전달 경로를 활성화하고, 8주간의 저항성 운동이 Wnt1 mRNA와 β-catenin 단백질을 증가시켜 Wnt/β-catenin pathway 경로의 활성을 유도한다고 보고되었다[40]. 또한 트레드밀 운동은 난소 절제 쥐의 요추에서 β-catenin 수치를 증가시키고, Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR-γ)의 감소를 통해 골 손실을 예방했다[43] 이처럼 다양한 운동 형태가 골 생성에 관여하고 있기에 운동 유형별 골밀도 혹은 골 생성 마커 확인과 어떠한 메커니즘을 통해 기여하는지 서술하고자 한다.

1) 유산소 운동이 노화의 골 건강에 미치는 영향

운동은 비약리적 중재 전략으로서 뼈에 기계적 자극을 제공하고, 이를 통해 골 대사를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 특히, 운동은 골세포의 활성을 촉진하여 조골세포와 파골세포의 분화를 조절함으로써 뼈 리모델링을 통해 골 형성에 기여한다[44]. 기존 선행 연구에 따르면, 트레드밀을 활용한 중재는 중강도 이상의 유산소 운동을 통해 골다공증 예방, 골밀도 증가, 골 미세구조 개선 및 혈중 골 대사 지표들의 긍정적인 변화를 유도하는 것으로 보고되고 있다[45]. 이러한 결과는 유산소 운동이 골 건강 유지 및 향상에 있어 중요한 역할을 수행할 수 있음을 시사한다. 한편, 노화는 폐경뿐만 아니라 비타민 D 결핍과도 밀접하게 연관되어 있을 뿐만 아니라 특히, 골격근 약화, 관절 기능 저하, 골밀도 감소 등을 초래하며 그 결과 골다공증 발생 위험이 약 80%까지 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러나 유산소 운동은 이러한 골 소실을 예방하고, 골 형성 관련 대사 경로를 자극하는 효과적인 전략으로 제시되고 있으며, 다수의 연구를 통해 그 효능이 입증되고 있다(Tables 1, 2).

Table 1.

Outcomes of aerobic exercise to bone-related disease in animal model

References	Species/condition	Type of exercise	Speed	Time (min)	Frequency (day/week)	Duration (week)	Findings
Chen et al., 2021 [46]	Female C57BL/6J mice with STZ (T2D model)	Swimming Downhill running	50 min/day 13.33 m/min, −9 degrees	50	6	8	Wnt3a/β-catenin pathway↑ Rnux2 mRNA expression↑
Shen et al., 2022 [47]	Ovariectomy mice	Wheel Running	12 rpm/min	30	2	8	IFN-γ ↑, NF-κB↓ MAPK↓, RANKL↓
Palmisano et al., 2023 [48]	Female Il6r^f/f Mice	Treadmill	6-18 m/min 10.2-18 m/min	17 exhaustion	5	1	IL-6↑, IL-6R↑
Hatakeyama et al., 2024 [49]	Male C57BL/6J mice		8-24 m/min (Low-High)	60	7	4-8	Wnt3a/β-catenin pathway↑ RANKL↓
Kawao et al., 2021 [50]	Ovariectomy mice		9-13 m/min	60	5	8	Irisin↑ Wnt3a/β-catenin pathway↑
Behera et al., 2022 [51]	Female C57BL/6J mice with STZ (T2D model)		7-11 m/min	60	5	8	Irisin↑, FNDC5↑ miR-150-5p↓
Chen et al., 2016 [52]	Male SAMP6 Mice		8-24 m/min	10-40	6	9	Wnt/β-catenin pathway↑ Wnt1↑, Lrp5 mRNA↑ OCN↑, ALP↑
McCabe et al., 2019 [53]	Male C57BL6 mice with HFD (HFD model)	Wheel Running				12	Adipocyte↓ Firmicutes/Bacteroidetes Ratio↓ TRAP5b↓
Kang et al., 2019 [54]	Male Sprague-Dawley Rat with HFD (HFD model)	Swimming		45-60	3	8	Irisin↑ PGC-1α↑ FNDC5↑
Zhang et al., 2022 [55]	Male C57BL/6J mice with STZ (T2D model)	Treadmill Swimming	15 m/min 30 min/day 40 min/day 50 min/day	45 50	3 6	8	BMD↑ RUNX2↑ OSX↑ BMP2↑
Zhang et al., 2022 [55]	Male C57BL/6J mice with STZ (T2D model)	Interval training	16-26 m/min	4 (10 cycle)	5

STZ, Streptozotocin; T2DM, Type 2 diabetes mellitus; HFD, High Fat Diet; RUNX, Runt-related transcription factor; IFN-γ, Interferon gamma; NF-κB, nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells; MAPK, Mitogen-Activated Protein Kinase; RANKL, Receptor Activator of Nuclear factor κB, Ligand; OCN, Osteocalcin; ALP, Alkaline phosphatase; TRAP5b, Tartrate-resistance acid phosphatase 5b; FNDC5, fibronectin type III domain-containing protein 5; PGC-1α, Peroxisome proliferator-activated receptor Gamma Coactivator 1-alpha; BMD, Bone Mineral Density; BMC, Bone mineral content; OSX, Osterix;↑, indicated increased level; ↓, indicated decreased level.

Table 2.

Outcomes of aerobic exercise to bone-related disease in human

References	Age	Type of exercise	Intensity	Time (min)	Frequency (day/week)	Duration (week)	Findings
Silverman et al., 2009 [56]	50-70	Treadmill	HRR 50-70%	45-60	3	24	BMD (Femoral neck) 2.0%↑ IL-6 0.02 pg/mL↓
Hatori et al., 1993 [57]	45-67		moderate AT 90% high AT 110%	30	3	28	BMD (Lumbar) 1.1% HEX↑ BMD (Lumbar) 1.0% MEX↑
Chien et al., 2000 [58]	48-65		VO2 max 70-85% Stepping: 96 beats 20 cm	50	3	24	BMD (Spinal) 2.0%↑ BMD (Femoral neck) 6.8%↑
Roghani et al., 2013 [59]	45-65		HRR 50-60%	30	3	6	NTX 1.29 nM↓ BALP 17.3 mg/dl↑
Du et al., 2024 [60]	50-65		VO2 max 60-75% Nordic walking	30-60	2-3	24-44	EG: BMD (Lumbar) 0.4%↑ CG: BMD (Lumbar) 2.6% ↓

BMD, Bone Mineral Density; AT, Anaerobic Threshold; HEX, High Exercise Group; MEX, Moderate Exercise Group; NTX, N-telopeptide; BALP, Bone Specific Alkaline Phosphatase; EG, Exercise Group; CG, Control group;↑, indicated increased level; ↓, indicated decreased level.

50세 이상의 성인을 대상으로 한 중강도 유산소 운동 중재 연구에서, 대퇴골의 골밀도가 유의하게 증가한 것으로 보고되었으며 척추 및 요추의 골밀도 또한 향상된 것으로 나타났다[61]. 이러한 골밀도 증가의 주요 기전은 염증성 사이토카인의 감소가 제시되며, 혈중 지표 분석 결과에서도 골 형성 지표인 bone-specific alkaline phosphatase (BALP)의 상승과 골 흡수 지표인 N-terminal telopeptide (NTX)의 감소가 관찰되어, 유산소 운동이 골 리모델링에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 확인되었다[62]. 또한, 비만 집단을 대상으로 한 선행 연구에서는 유산소 운동이 고관절 골밀도, P1NP (Procollagen 1 N-terminal propeptide), OC를 증가시키는 것으로 나타났고, CTX 또한 증가하는 양상을 보였다[63]. 이는 체중 감량으로 인해 뼈에 가해지는 기계적 부하가 줄어들어 골 흡수가 촉진된 결과로 해석되며, 그럼에도 불구하고 골밀도 감소가 완화되는 양상을 고려할 때, 이러한 변화는 골 리모델링에 긍정적인 영향을 미친 것으로 볼 수 있다[63].

중강도 운동뿐만 아니라 저강도 및 고강도 유산소 운동도 골밀도 향상에 일정 부분 기여할 수 있다. 선행 연구에 따르면, 유산소 운동은 sclerostin mRNA의 발현을 억제하고, Wnt/β-catenin 신호전달 경로를 활성화함으로써 조골세포의 활성을 유도하여 골 리모델링을 촉진한다[49]. 특히 난소절제(ovariectomized, OVX) 마우스를 대상으로 한 중강도 트레드밀 운동 중재 연구에서는, 골격근 내 Irisin 및 Fibronectin Type III Domain-Containing Protein 5 (FNDC 5) mRNA의 발현이 증가하였으며, 이로 인해 Wnt/β-catenin 신호를 통해 골밀도 감소가 완화되는 결과가 나타났다[50].

더 나아가, 같은 OVX 모델에서 유산소 운동은 CD8⁺ T 세포 및 Interferon-gamma (IFN-γ)의 활성을 유도하였으며, IFN-γ는 NF-κB 및 MAPK 신호 경로를 조절하여 파골세포의 분화 및 골 흡수를 억제하고, 결과적으로 파골세포 관련 유전자의 발현을 감소시켜 골 형성을 촉진하였다[64].

반면, 일부 고강도 운동 중재에서는 골 질량이 오히려 감소하는 상반된 결과도 보고되었다[49]. 그러나 골강도가 유지되거나 증가한 연구들도 존재하며, 이는 Wnt1 및 Lrp5 mRNA 발현 증가[52] 그리고 β-catenin 증가를 통해 Wnt/β-catenin 경로가 활성화되어 조골세포 관련 신호전달이 촉진된 결과로 해석된다[65].

한편, 노화는 VDR의 발현 저하 및 기능 감소를 초래하여 골 건강에 부정적인 영향을 미친다[66]. 그러나 유산소 운동은 VDR의 발현을 증가시켜 골 형성을 촉진할 수 있으며, 활성형 비타민 D는 파골세포 수를 감소시켜 골 흡수를 억제하고, 골량 및 골강도를 향상시키는 데 기여한다[66]. 또한, 비타민 D는 칼슘과 인의 항상성 유지에 필수적이며, 장에서의 흡수 증가, 신장에서의 재흡수 조절, 그리고 뼈에서의 골 무기질화 조절을 통해 골 리모델링 과정에 중요한 역할을 수행한다[67].

이러한 일련의 결과는 운동 강도에 따라 골 형성과 골 흡수의 균형이 달라질 수 있음을 시사하며, 특히 중강도 유산소 운동이 골 건강 증진에 가장 적합한 생리학적 자극이 될 수 있음을 보여준다. 중강도 운동은 RANKL 발현을 억제하고, Wnt/β-catenin 신호경로를 활성화함으로써 조골세포의 분화와 활성을 유도하여 골 형성을 강화한다. 이와 같은 기전을 바탕으로 중강도 유산소 운동은 골다공증의 예방 및 치료에 효과적인 비약물적 중재 전략으로 간주될 수 있다.

종합적으로, 유산소 운동은 건강한 성인뿐 아니라 노인에게도 골 유지 및 형성 촉진에 긍정적인 영향을 미치며, 폐경 여성이나 비만 등 대사질환을 동반한 인구에서도 파골세포 활성 증가로 인한 골 손실을 억제하는 데 효과적인 것으로 보인다. 특히, 운동 강도와 중재 기간의 다양한 조합은 이러한 효과를 극대화하는 데 중요한 요소로 작용할 수 있을 것이다.

2) 저항성 운동이 노화의 골 건강에 미치는 영향

저항 운동은 뼈에 기계적 부하를 주어 골 유지 및 골형성을 자극하고, 골 관련 지표들을 변화시키는 것으로 나타난다. 구체적으로 골 형성 지표인 OC와 BALP 등의 활성화와 골 흡수 지표인 C-terminal cross-linking telopeptide of type I collagen (CTX)과 NTX 등의 감소로 인해 골밀도를 개선할 수 있다[59]. 또한, 저항 운동은 중간엽 줄기세포가 조골세포로 분화하도록 유도함으로써 골 형성을 조절하는 전사인자를 활성화하며, 해면골의 수와 두께의 증가로 인해 최대 골량이 증가하게 되어 골다공증을 개선한다[68] (Tables 3, 4).

Table 3.

Outcomes of resistance exercise to bone-related disease in animal model

References	Species/Condition	Type of exercise	Intensity	Reps	Time	Frequency (day/week)	Duration (week)	Findings
Menuki et al., 2008 [69]	Male C57BL/6J mice	Voluntary climbing	100 cm tower		24 hr monitoring	1	4	PTH/PTHrP↑
Mori et al., 2003 [70]	Male Sprague-Dawley Rat		200 cm tower			2	4-8	ALP⁺, CFU‐f↑, TRACP⁺ cell ↓
Notomi et al., 2003 [71]	Ovariectomy mice	Ladder climbing	Drink bottle 200 cm↑ per week			1	12-24	BMD↑
Kim et al., 2016 [72]	Male C57BL/6J mice		85° incline			3	12	FGF-2 ↓, Lean mass↑ Grip strength↑
Singulani et al., 2017 [68]	Female Sprague-Dawley Rat		80° incline			3	16	ALP⁺↑, Runx2↑, Osx↑, Ppar-γ↓,TNF-α↓, IL6↓
de Farias et al., 2020 [73]	Male Wistar Rat		80° incline			3	12	Ppar-γ, MMP-9 ↓
de Sousa et al., 2021 [74]	Male Wistar Rat		80° incline	8		3	12	MMP2↑
Back et al., 2020 [75]	Orchiectomized Rat		80° incline	8		3	12	Osteocalcin↑, CTx-1↓
Tang et al., 2016 [76]	Male Spragu-Dawley Rat with HFD (HFD model)		85° incline	15		3	8	BMD↑, IL-6↑,TNF-α↑
Kim et al., 2015 [77]	Male C57BL/6J mice		85° incline			3	12	Irisin↑
Notomi et al., 2000 [78]	Male Sprague-Dawley Rat	Electrically stimulated jumping exercise	10 V, 100 Hz for 0.3 s	15	1 hr	3	4-8	BMC↑, BMD↑

PTH/PTHrP, Parathyroid Hormone/Parathyroid Hormone-related Protein; CFU-F, Colony Forming Unit-Fibroblast; TRACP, Tartrate-resistant acid phosphatase; BMD, Bone Mineral Density; FGF-2, Fibroblast Growth Factor-2; RUNX, Runt-related transcription factor; ALP, Alkaline phosphatase; OSX, Osterix; Ppar-γ, Peroxisome Proliferator-Activated Receptor gamma; MMP-9, Matrix Metalloproteinase-9; CTx-1, C-telopeptide of collagen type 1; HFD, High Fat Diet; BMC, Bone Mineral Content; TNF-α, Tumor Necrosis Factor-alpha; ↑, indicated increased level; ↓, indicated decreased level.

Table 4.

Outcomes of resistance exercise to bone-related disease in human

References	Age	Type of exercise	Intensity	Reps	Frequency (day/week)	Duration (week)	Findings
Nasr et al., 2019 [79]	65-75	Resistance	1RM 70-75%	10	2	48	BMD (Whole body) 6.64%↑ BMD (Lumbar) 5.42%↑
Karaarslan et al., 2010 [80]	45-60		1RM 40-80%	8-13	4	12	OC 0.53 ng/mL↑ BMD (Spine) 5.5%↑
Huovinen et al., 2016 [81]	60-75		1RM 40-50%	13-17	3	12	OC 1.3 ng/mL↑ CTX 0.28 ng/mL↓
Vincent et al., 2002 [82]	60-83		1RM 50-80%	8-13	3	24	BMD (Femoral neck) 1.96%↑ OC 2.8 ng/mL-3.6 ng/mL↑ BAP 1.29 ng/mL↑
Romero-Arenas et al., 2013 [94]	55-75	HRC high-resistance circuit training	1RM 85-90%	6	2	12	BMD (Total) 1.20%↑

BMD, Bone Mineral Density; OC, Osteocalcin; CTX, C-telopeptide of type 1 collagen; BAP, Bone-specific Alkaline phosphatase; HRC, High Resistance Circuit training; ↑, indicated increased level; ↓, indicated decreased level.

저항 운동이 여성 노인의 뼈 관련 지표와 골밀도 개선에 미치는 효과는 여러 연구에서 확인되고 있다. 선행 연구에 따르면, 노인 여성을 대상으로 한 16주간의 저항 운동 중재가 종료 후 1년 시점에서도 골 대사 지표에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다[81]. 구체적으로 골 흡수 지표인 CTX는 0.28 ng/mL 감소, 골 형성 지표인 오스테오칼신은 1.3 ng/mL 증가하였다[81]. 이와 같은 결과는 저항 운동은 골 형성 지표에 긍정적 영향을 미쳐 노인 골 건강 유지에 기여한다. 또한 강도에 따른 결과를 살펴보면 저강도 운동 그룹보다 고강도 운동 그룹에서 OC의 증가가 나타났고 이로 인한 골밀도는 1.96% 상승을 관찰할 수 있으며, 골 무기질량까지 향상시켰다[81,82]. 6주간의 저항성 운동을 한 남성 노인의 골 마커를 살펴보면, 골 형성 지표인 ALP와 흡수 지표인 CTX의 감소를 확인할 수 있고, 이에 따른 ALP/CTX ratio 또한 시간에 따른 유의한 차이가 존재한다[83].

이에 따른 메커니즘을 살펴보면, 골 형성과 관련된 호르몬 및 유전자 발현에 긍정적인 변화를 유도하며, 반대로 골 흡수 관련 지표들을 억제하는 경향을 보인다. 선행 연구에 따르면, 저항성 운동은 부갑상선 호르몬/부갑상선 호르몬 관련 단백질(Parathyroid Hormone/Parathyroid Hormone-Related Protein, PTH/PTHrP)의 발현을 증가시키고, ALP⁺ 세포 수와 Colony Forming Units-Fibroblast (CFU-f)의 수를 증가시키는 반면, 골 흡수에 관여하는 Tartrate-resistant acid phosphatase (TRACP⁺) 세포 수는 감소하였다[84]. 추가적으로 RUNX2, Osx, ALP 의 발현이 증가한 반면, 염증 관련 인자들인 Ppar-γ, TNF-α, IL-6은 억제되었다[85]. 이러한 변화는 골밀도의 증가로 이어졌으며 제지방량과 악력 역시 향상된 것으로 나타났다. 이러한 결과는 저항성 운동이 여성 노인에게 있어 골 형성 촉진 및 골 흡수 억제를 통해 골 건강 개선에 기여할 수 있는 가능성을 시사한다.

폐경 후 여성은 골밀도 감소로 인해 다양한 건강 문제에 노출될 위험이 높아지며, 저항성 운동이 이를 완화하는 데 효과적이라는 연구 결과가 다수 보고되고 있다. 예를 들어, Kerr et al. [86]은 폐경 후 여성에게 2년간 점진적 저항성 운동을 실시한 결과, 고관절과 대퇴골의 골밀도가 유의미하게 증가했다고 보고하였다. 1년간의 저항성 운동 중재 연구를 살펴보면, 혈청 NTX, BALP, OC 수치가 감소하고 골밀도 유지에 긍정적인 효과가 있었다고 제시하였다[87].

반면, 저항성 운동이 골밀도 개선에는 효과적이었으나, 혈청 OPG 및 RANKL/OPG 비율에는 영향을 주지 못한 연구가 존재한다[88]. Bemben et al. [89]의 연구에서는 골 ALP, CTX 및 골밀도 모두에서 유의미한 변화가 관찰되지 않는 등 상반된 결과도 존재한다. 장기간 중재 연구 결과를 살펴보면 골 형성 및 흡수 지표들은 유의한 차이를 보이지 않았다. 선행 연구를 따르면, 초기 3개월까지는 유의한 차이가 존재 했지만, 장기 개입 시 평형 상태에 도달해 지표들의 차이가 둔화될 수 있음을 시사한다[90,91].

이러한 점을 보완하고자, OVX 동물 모델을 활용한 기전 연구들이 진행되었다. Mori et al. [70]은 200 cm 높이의 벽 오르기 운동을 통해 골 미네랄 함량과 골밀도의 증가를 확인하였고, Hajisadeghi et al. [92]은 저항성 운동과 함께 비타민 D를 보충한 그룹에서 파골세포 수가 감소하고 골밀도 유지에 도움이 되었다고 보고하였다. 또한, Nazari-Makiabadi et al. [93]은 저항성 운동이 OVX에 의해 유도된 파골세포 증가와 PPAR-γ 상승을 억제하고, ALP와 Osterix 발현을 회복시켰다고 밝혔다. 이는 저항성 운동이 파골세포 관련 유전자 발현을 억제하고, 골 형성 관련 지표를 증가시켜 Wnt/β-catenin 경로를 활성화시킨 결과로 해석된다.

종합하면, 저항성 운동은 노인과 폐경 후 여성의 골밀도 감소를 완화하고 골 손실을 예방하는 데 기여한다. 강도와 형태의 차이는 존재할 수 있지만, 뼈에 기계적 자극을 주는 저항성 운동은 골 손실을 방지하고 골 형성을 촉진하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 운동 강도와 중재 기간의 적절한 조합이 저항성 운동의 효과를 극대화하는 데 중요한 요소로 작용할 수 있다.

결 론

본 문헌 고찰에서는 노인과 폐경 여성을 대상으로 한 유산소 및 저항성 운동이 골밀도 및 골대사 지표에 미치는 영향을 종합적으로 검토하였다. 유산소 운동은 Wnt/β-catenin 신호 경로 활성화, 염증성 사이토카인 억제, 비타민 D 대사 개선 등을 통해 골 형성을 촉진하고 골밀도를 유지하는 데 기여하는 것으로 나타났다. 반면, 저항성 운동은 기계적 부하에 의한 직접적 자극을 통해 조골세포 활성화를 유도하고, 파골세포 관련 마커의 감소를 통해 골 흡수를 억제하는 효과가 두드러졌다. 특히, 중강도 운동은 노인과 폐경 후 여성에서 골대사 균형 유지에 가장 효과적이라는 점이 다수의 연구에서 확인되었으며, 이는 향후 골다공증 예방 및 비약물적 치료에 있어 운동 중재 전략의 최적화에 중요한 시사점을 제공한다. 다만, 운동 강도, 빈도 등 다양한 요인이 복합적으로 작용함에 따라 운동 효과에 대한 상이한 결과도 보고되고 있기에, 향후 보다 정밀한 메커니즘 규명과 장기적 중재 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한, 두 운동 방식 모두 골밀도 관리에 효과적이기에 유산소 운동과 무산소 운동을 병행하는 복합 운동 프로그램이 골다공증 예방 및 골 건강 증진에 가장 효과적일 것으로 판단된다. 결론적으로, 유산소 및 저항성 운동은 골밀도 유지와 골 대사 개선에 긍정적인 영향을 미치는 비약물적 중재로서, 노화에 따른 골 건강 증진을 위한 효과적인 전략으로 작용할 수 있음을 시사한다.

Notes

CONFLICT OF INTEREST

이 논문 작성에 있어서 어떠한 조직으로부터 재정을 포함한 일체의 지원을 받지 않았으며, 논문에 영향을 미칠 수 있는 어떠한 관계도 없음을 밝힌다.

AUTHOR CONTRIBUTIONS

Conceptualization: Y Kim, T Kim; Data curation: J Shin, J Kim; For-mal analysis: Y Kim, J Kim, T Kim, J Shin; Funding acquisition: C Kim; Methodology: Y Kim, J Kim, T Kim, J Shin; Project administration: Y Kim, T Kim; Visualization: Y Kim, T Kim, S Shin, C Kim; Writing - original draft: Y Kim, J Shin; Writing - review & editing: T Kim, J Kim, C Kim.

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