인하대학교 스포츠과학과 우: 402-751

REVIEW ARTICLE

JMBS Journal of Metabolic and Bariatric Surgery J Metab Bariatr Surg 2013;2(1):1-9

투고일: 2013년 5월 20일, 심사일: 2013년 5월 31일, 게재확정일: 2013년 6월 7일 책임저자： 곽효범, 인천시 남구 인하로 100

인하대학교 스포츠과학과 우: 402-751

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고도비만 환자의 골격근 인슐린 저항성의 변화: 비만수술과 운동의 효과

인하대학교 스포츠과학과

곽효범

Insulin Resistance with Severe Obesity in Skeletal Muscle: Role of Bariatric Surgery and Exercise

Hyo-Bum Kwak

Department of Kinesiology, Inha University, Incheon, Korea

The prevalence of obesity throughout the world has reached epidemic proportions. In modern society, obesity induced by high fat/calorie diet and reduced physical activity results in a serious health threat because of the increased risk of developing chronic diseases such as cardiovascular disease and diabetes, which are associated with insulin resistance. Skeletal muscle in our body plays an important role in regulating whole-body homeostasis; a) skeletal muscle is responsible for

∼80% of the post-prandial clearance of glucose, b) skeletal muscle fatty acid oxidation comprises approximately ∼90%

of energy requirements in the rested state. Severe obesity is associated with multiple defects in skeletal muscle which contributes to insulin resistance and a reduction in fatty acid oxidation in skeletal muscle. However, so far it is not clear what specific mechanisms are responsible for obesity-induced insulin resistance. Bariatric surgery offers the most effective therapy for weight loss and type II diabetes mellitus (T2DM) with full and durable remission of the disease in severe obesity.

However, depressed fatty acid oxidation in severe obesity is not altered with gastric bypass surgery/weight loss. Exercise training can improve fatty acid oxidation and insulin action in skeletal muscle, suggesting that exercise training should be considered as an adjunct to bariatric surgery as an intervention to severe obesity. In this review, I will briefly summarize the potential mechanisms by which severe obesity contributes to the development of insulin resistance in skeletal muscle.

Also, I will discuss the effects of bariatric surgery and exercise training on weight loss and remission of T2DM including the exercise guidelines for morbidly obese and diabetic patients.

Key Words: Severe obesity, Insulin resistance, Skeletal muscle, Gastric bypass, Exercise

서론

최근에 현대사회가 도시화, 자동화 및 기계화되면서 인간의 신체활동은 급격히 감소하고 있다. 또한, 과도한 칼로리 및 지방 섭취로 인하여 전 세계적으로 비만인구는 기하급수적으로 증가

하고 있는 추세이다. Kelly 등(1)의 연구에 의하면 2005년 기준

세계성인인구의 33.0% (약 13억 명)가 과체중/비만이었던 인구

가 2030년에는 57.8% (약 33억 명)까지 증가할 것으로 예상하

고 있다. 비만인구의 증가와 비례하여 인슐린 저항성에 기인하

는 제2형 당뇨병 환자의 수도 급진적으로 증가하고 있다. 우리나

Table 1. Impairments of glucose metabolism in insulin resistant conditions

Insulin resistant

conditions Defects in glucose metabolism Insulin signaling ∙↓ insulin receptor (tyrosine)

phosphorylation

∙↓ IRS-1 (tyrosine) phosphorylation (or ↑ IRS-1 (serine) phosphorylation)

∙↓ PI3-kinase activation

∙↓ Akt phosphorylation

∙↓ AS160 phosphorylation Glucose transport ∙↓ GLUT4 translocation Glucose

metabolism

∙↓ glucose phosphorylation

∙↓ glucose oxidation in mitochondria

∙↓ glycogen synthase

IRS-1 = insulin receptor substrate-1; GLUT4 = glucose transporter protein 4.

라의 경우 2010년 기준 30세 이상 당뇨병 유병률은 10.1%로 성 인 10명 중 1명이 당뇨병환자이고, 연령이 높을수록 더 증가해 65세 이상은 22.7%가 당뇨병환자이다.(2)

골격근은 음식 등을 통해 섭취한 글루코스를 에너지 생산과 이용 측면에서 인체에서 매우 주요한 기관이다. 식사 후 섭취한 글루코스의 1/3은 간으로 이동하고, 2/3은 인슐린 작용을 통해 골격근으로 이동한다.(3) 식사 후 증가된 글루코스(hypergly- cemia)는 췌장으로부터 인슐린 분비를 촉진하고, 혈액의 증가 된 인슐린은 골격근 안으로 글루코스 섭취를 촉진하여 결국 혈액 내 글루코스 양을 감소시켜 혈당조절이 가능하다. 하지만, 비만 이나 제2형 당뇨병과 같은 인슐린 저항성 상태에서 인슐린에 의 한 골격근 안으로의 글루코스 이동과 섭취는 장애를 받는다.(4) (Table 1) 골격근은 글루코스 대사뿐만 아니라 지방 대사에도 중 요한 역할을 한다.(5) 특히, 금식상태(탄수화물 섭취가 제한된 상 태)에서 지방 산화가 골격근에서 대사 작용을 위한 주도적인 역 할을 한다. 이처럼 골격근에 의한 지방 산화는 인슐린 저항성 예 방을 위해 매우 중요하다. 하지만, 고도비만 등에 의한 골격근 내 미토콘드리아의 기능저하는 골격근 내 지방을 산화시키지 못하 고 지방세포로 저장시켜 인슐린 저항성과 당뇨병을 유발하는 주 요한 원인이 된다. 특히, 골격근에서 지방산이 지방으로 저장되 는 과정에서 발생되는 중간물질들이 활성화되어 인슐린 신호전 달 장애와 인슐린 저항성을 유발하는 원인이 되기도 한다.(4,6)

비만은 서양인과 동양인의 체형 등의 차이로 인해 서로 다른 비만의 기준(서양: BMI＞30 kg/m

, 동양: BMI＞25 kg/m

)을 가지고 있다. 이러한 비만을 예방하고 치료하기 위한 일반적인 치료법에는 식사요법, 운동요법, 행동수정요법, 약물요법 등이 있다. 하지만, 최근에 국내외적으로 고도비만 환자(서양: BMI≥

40 kg/m

, 동양: BMI≥37 kg/m

)의 고도비만 처치와 당뇨병의

예방 및 치료를 위해 비만수술(bariatric surgery)의 중요성이 강 조되고 있다. 우리나라에서는 아직 비만수술에 대해서 일반인들 뿐만 아니라 의사들조차도 부정적인 견해를 가지고 있지만, 많 은 국외 문헌자료에 의하면 고도비만 환자에게 있어 가장 효과적 인 방법은 수술적 치료방법이다.(7-10) 한 예로, 수술적 치료방 법 중 미국에서 가장 많이 시행되고 있는 방법인 위우회술 (Roux-en-Y gastric bypass; RYGB)은 매우 탁월한 체중감소 의 효과를 유발한다. 이러한 수술적 치료방법은 체중 감소의 지 속성뿐만 아니라 고도비만에 따른 동반질환들(당뇨병, 고혈압, 수면무호흡증 등)의 개선에도 매우 효과적이다.(8)

운동은 우리의 건강과 체력을 향상시키는데 필수적이다. 운 동은 골격 근육량을 증가시키고, 체지방을 감소시키며, 근력, 지 구력, 혈액 내 글루코스 섭취와 면역 기능을 향상시킨다. 특히, 지구성 운동은 미토콘드리아의 생체형성(biogenesis)을 자극하 고, 근육의 산화적 능력을 증가시킨다.(11,12) Chow 등(11)은 8주간의 유산소 트레드밀 운동이 미토콘드리아의 효소 활동, 최 대 ATP 생성과 최대산소섭취량을 증가시킨다고 보고하였다. 이 러한 운동에 의한 미토콘드리아의 기능 향상은 증가된 미토콘드 리아의 구성성분 단백질, 미토콘드리아의 DNA 양과 PGC-1α (peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator 1α) 발현과 관련되어 있다.(12) 또한, 규칙적인 운동은 근육과 간에서의 인슐린 감수성을 향상시켜 당뇨병 발병을 감소시키고 근육의 글루코스 섭취와 이용을 증가시킨다.(13,14)

지금까지 국외에서 비만에 따른 인슐린 저항성에 관한 잠재적 인 기전들이 많이 보고되어 왔는데, 본 장에서는 골격근에서 고 도비만에 의해 야기되는 인슐린 저항성의 원인과 기전들을 세포 내 미토콘드리아의 역할과 관련하여 살펴보고, 고도비만환자 치 료를 위한 비만수술(특히, 위우회술)과 운동의 효과를 골격근과 관련하여 논의하고자 한다.

고도비만과 골격근 내 인슐린 저항성의 기전들

골격근은 에너지 생성을 위한 에너지원으로 글루코스와 자유

지방산을 이용한다. 혈액 내 인슐린은 지방세포에서의 지방분해

를 억제하고 골격근에서의 글루코스 섭취를 활성화시키는 역할

을 하여 금식상태에서 골격근 내 글루코스 섭취는 감소되고 혈액

내 자유지방산 농도는 증가한다. 따라서 금식상태에서 자유지방

산은 골격근에서 에너지 생성을 위한 가장 중요한 원료로 사용된

다.(4) 반면에 식사를 통한 글루코스 섭취는 혈액 내 글루코스 농

도를 증가시키고 이는 췌장 내 베타 세포에서의 인슐린 분비를

증가시키며 지방분해를 감소시켜 결국 혈액 내 자유지방산 농도

의 감소로 지방 분해를 억제한다. 동시에 골격근에서의 인슐린

작용이 증가되어 골격근 안으로의 글루코스 이동을 활성화시킨

Fig. 1. Integrative models of fatty oxidation and insulin signaling path- ways in skeletal muscle. IRS-1 = in- sulin receptor substrate-1; AS160 = Akt substrate 160 kD; GLUT4 = glu- cose transporter protein 4; TG = triacylglycerol; DAG = diacylglyce- rol; ACSL = long-chain acyl-CoA syn- thethase; FA-CoA = fatty acyl-CoA;

CPT-I = carnitine palmitoyl trans- ferase 1; CPT-II = carnitine palmi- toyl transferase 2; TCA = tricarboxy- lic acid; NADH = nicotinamide ade- nine dinucleotide; FADH

= flavin adenine dinucleotide.

다. 이러한 과정은 일련의 인슐린 신호전달(insulin signaling)에 의해 이루어진다. 즉, 인슐린은 IR (insulin receptor)을 인산화 (phosphorylation)시키고 이는 다시 IRS-1 (insulin receptor substrate-1)을 인산화시키며 PI3K (phosphatidylinositol 3-ki- nase)를 활성화시킨다.(6) 이를 통해 Akt와 AS160 (Akt sub- strate 160 kD)가 인산화되어 GLUT4 (glucose transporter protein 4)가 세포막으로 이동되고 결국 골격근 안으로 혈액 중 의 글루코스 섭취를 유도한다(Fig. 1).

또한, 휴식 상태에서 에너지 요구량의 대부분이 골격근의 지 방산 산화(fatty acid oxidation; FAO)에 의존하는데, 이처럼 골 격근은 지방 산화에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 즉, 혈액 중 의 자유지방산은 fatty acid translocase (FAT/CD36)와 fatty acid binding protein (FABP)을 통해 골격근 안으로 들어오면 특정한 효소(예, long-chain acyl-CoA synthethase; ACSL)에 의해 fatty acyl-CoA (FA-CoA)로 변하고, 이는 다시 미토콘드 리아로 이동하여 산화되거나 또는 골격근 세포내 지방(intra- myocellular lipid; IMCL)으로 저장된다.(4) 하지만, 비만은 골 격근 내 미토콘드리아의 기능을 약화시켜 지방 산화보다는 지방 축적 중간물질들을 증가시켜 인슐린 신호전달을 악화시킨다. 골 격근에서 비만에 의한 인슐린 저항성은 많은 복잡한 과정들에 의 해 발생하는데, 아직까지 비만에 의해 야기되는 인슐린 저항성 기전이 명확하게 규명되지 않았다. 기존 선행 연구를 바탕으로

골격근에서 비만에 의한 인슐린 저항성의 잠재적 기전들을 ① 골격근 내 지방, ② 지방형성 중간물질들, ③ 미토콘드리아의 과 부하에 따른 불완전 산화물질, 그리고 ④ 미토콘드리아의 산화 적 스트레스를 중심으로 살펴보고자 한다.

1. 골격근 내 지방

운동 등을 통한 미토콘드리아의 지방산화능력의 증가 없이 비 만이나 장기간동안의 고지방섭취 등에 의해 골격근 안으로 급격 하게 많이 유입된 자유지방산은 골격근 내 지방(IMCL)으로 축적 된다. 일반적으로 비만하지 않은 성인들,(15) 고지방섭취 동물 모델,(16) 그리고 제2형 당뇨병 일반성인들(17)에서 IMCL과 인 슐린 감수성간에 부정적인 상관관계가 있다고 보고되고 있다.

즉 골격근 내 IMCL의 축적은 인슐린 저항성 유발의 주요한 마커

로 확인되었다. 그러나 최근에 이에 대한 반증 자료들이 보고되

고 있다. 즉, Moro 등(18)은 지구성 운동선수가 높은 인슐린 감

수성과 함께 높은 IMCL 수준을 보인다고 보고하였고, Liu 등

(19)은 골격근에서 DAG (diacylglycerol)로부터 TAG 형성과정

에 필요한 효소인 DGAT를 과발현(overexpression)할 때 TAG

뿐만 아니라 인슐린 감수성도 함께 증가한다고 보고하였다. 또

한, Schenk와 Horowitz(20)는 인간이 운동을 하면 골격근에서

지방(triglyceride; TG) 생성을 위한 효소인 diacylglycerol acy-

ltransferase 1 (DAGT1)이 증가된다고 보고하였다. 이처럼 운동

(20) 및 유전적 조작(19)에 의해 증가된 DAGT1은 IMCL뿐만 아 니라 인슐린 감수성도 함께 증가시킨다고 보고되고 있다. 따라 서 IMCL이 골격근에서 인슐린 저항성을 유발한다고 단정적으 로 주장하기는 무리가 있다.

2. 지방형성 중간물질들

최근의 선행 연구들에 의하면 골격근 내 인슐린 저항성은 IMCL 대신에 지방형성의 중간물질들인 fatty acyl-CoA (FA- CoA), DAG, 그리고 ceramide가 골격근 내 인슐린 저항성을 유 발하는 주요 요인들이라 보고되고 있다. 즉, 비만한 사람과 고지 방섭취 동물에서 골격근 내 FA-CoA가 증가되고 인슐린 저항성 이 초래되었다.(21) FA-CoA는 지방산의 활성화된 형태로 glycerol과 함께 결합하여 DAG을 형성한다. DAG은 FA-CoA과 동일하게 세포질 내에 존재하는 serine/threonine kinases (예, PKC-θ, JNK, IKKβ)을 활성화시키고, 활성화된 serine/thre- onine kinases는 tyrosine IRS-1을 억제(15)하여 결국 인슐린 저항성을 유발한다(Fig. 1). 또한 FFA는 세포질 내에서 직접적으 로 ceramide를 생성하는데, 생성된 ceramide가 Akt를 억제 (22)하여 인슐린 저항성을 유발한다고 한다(Fig. 1). 즉, 인슐린 저항성 동물,(23) 비만한 인슐린 저항성 사람,(24) 그리고 당뇨 병 환자(25)의 골격근에서 높은 수준의 ceramide을 보였는데, 이는 모두 ceramide가 인슐린 저항성을 유발하는 주요한 요인 임을 입증하고 있다.

규칙적인 운동은 지방산의 미토콘드리아 유입을 증가시켜 지 방산화를 활성화시키고 지방형성 중간물질들의 축적을 감소시 켜 결국 세포를 인슐린 저항성으로부터 보호한다. 즉, 운동은 골 격근의 지방산화능력을 증가시키고 DAG와 ceramide의 수준 을 감소시켜 인슐린 감수성을 향상시킨다.(26,27) 이러한 선행 연구들을 통해 우리는 골격근의 지방산 산화가 해로운 지방형성 중간물질들의 축적을 감소시켜 골격근의 인슐린 저항성을 예방 하는데 매우 중요한 요인임을 알 수 있다.

3. 미토콘드리아의 과부하에 따른 불완전 산화물질

정상적인 미토콘드리아에서 자유 지방산(FFA)은 미토콘드리 아로 이동하여 β 산화를 통해 acetyl-CoA를 생성하고 추가적 인 과정인 Krebs 사이클과 전자전달계(electron transport chain)를 통해 CO

와 ATP를 생성한다. 그러나 미토콘드리아의 수용 능력을 넘어 비만이나 고지방섭취 등을 통해 지나치게 많은 자유지방산이 미토콘드리아로 유입되면 이는 미토콘드리아의 과부하(mitochondrial overload)를 유발하고 결국 미토콘드리 아는 지방산 불완전 산화(incomplete fatty acid oxidation)를 통해 이물질(예, acylcarnitine)을 생성하고 이 이물질이 아마도 인슐린 저항성을 유발하는 것이다.(28) 비록 지방 β 산화와 인

슐린 저항성간의 명확한 상관관계를 규명하지는 못했지만, 미토 콘드리아의 산화능력을 능가한 지나친 미토콘드리아의 지방 β 산화는 비만에 의한 인슐린 저항성과 관련성이 있음을 간접적으 로 보이고 있다.(29)

4. 미토콘드리아의 산화적 스트레스

지방 대사와 관련한 많은 주요 대사작용 과정들이 세포 내 미 토콘드리아에서 발생하기 때문에 미토콘드리아의 구조나 기능 에 장애가 생기면 지방 산화가 감소되고 인슐린 저항성이 유발됨 을 예측할 수 있다. 그리고 미토콘드리아의 양을 나타내는 많은 마커들이 비만에 의해 영향을 받는다. 한 예로, 비만 근육에서 미 토콘드리아의 대사작용 관련 효소들(예, citrate synthase 등)이 감소하였고,(30) 미토콘드리아의 DNA (mtDNA)도 비만 근육 에서 비만하지 않은 근육에 비해 상대적으로 감소하였다.(31) 또 한, 비만에 의해 미토콘드리아의 형태학적 구조도 영향을 받는 다. 한 예로, 비만한 당뇨병 환자의 골격근 내 미토콘드리아의 크 기가 정상인에 비해 유의하게 감소하였고, 이는 인슐린 저항성 에 유의한 영향을 주었다.(32)

일반적으로 대사적 과공급(예, 고지방섭취, 비만)과 에너지 요구의 감소(예, 감소된 신체활동)는 인슐린 저항성과 제2형 당 뇨병의 주요 위험요소들이다. 최근의 연구들에 의하면 지나친 고지방/고칼로리 섭취는 미토콘드리아의 산화적 스트레스(re- active oxygen species; ROS)를 유발하는데, ROS가 골격근의 인슐린 저항성의 주요 원인이라 할 수 있다.(33,34) 지나친 에너 지 공급은 세포내 미토콘드리아에서 β 산화를 통해 많은 NADH 와 FADH

를 발생시키고 이는 미토콘드리아의 막전위(mem- brane potential)를 증가시켜 ROS (예, superoxide, hydrogen peroxide)를 생성한다. 결국 증가된 ROS가 산화환원 상태 (redox state)의 변화를 통해 인슐린 저항성을 유발한다.(35) 한 예로, SS31 (미토콘드리아 항산화제 단백질)은 고지방섭취에 의 한 골격근의 인슐린 저항성을 억제했고, MCAT (motochond- rial-target catalase)도 고지방 섭취에 의한 인슐린 저항성을 감 소시켰다.(33) 또한, 규칙적인 유산소 운동은 고지방섭취에 의 한 인슐린 저항성을 ROS의 감소를 통해 유의하게 억제하였 다.(36)

고도비만과 비만수술(위우회술)

비만은 전 세계적으로 인슐린 저항성, 대사증후군, 당뇨병 등

을 동반하는 심각한 질환이다. 특히 현재까지 고도비만을 해결

하는 가장 효과적인 방법은 비만수술(bariatric surgery)로서 비

만수술은 지속적이고 효과적인 체중 감소뿐만 아니라 거의 완전

하고 즉각적인 당뇨병 치료의 효과도 동반한다. 고도비만에 대

한 비만수술(위우회술을 중심으로)의 체중 감소와 당뇨병 치료 에 대한 구체적인 효과를 살펴보도록 한다.

1. 체중 감소의 효과

비만수술 중 현재 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 방 법 중의 하나는 위우회술(RYGB)로서 위우회술에 의한 체중 감 소는 매우 효과적이다. 한 예로, 고도비만환자 608명을 대상으 로 위우회술을 한 후 14년간의 종단 연구를 실시한 결과 평균 체 중이 44.9 kg 정도 감소(EWL 49.2% 감소, BMI 14.8 감소)했 다.(37) 위우회술을 받고 정상적인 반응을 보이는 대부분의 환자 들은 비만수술 후 2년 정도 경과 후에 최고의 체중 감소를 보이고 그 이후 5년까지 5-7%의 체중이 증가하는 경향이 있다가 그 이 후부터는 다시 점진적으로 감소하는 경향이 있다고 보고되고 있 다.(8)

비만에 의해 야기되는 대사적 장애 중 하나는 지방(lipid)을 산 화하는 골격근의 능력이 저하하는 것이다. 즉, 지방산화능력이 비만 또는 고도비만환자의 전신,(5) 골격근 섬유(30) 및 골격근 세포(38)에서 유의하게 감소됨을 보이고 있다. 비만과 관련한 골 격근의 지방산화능력 감소는 매우 심각한 문제를 야기하는데, 그 이유는 골격근에서 지방산화능력의 감소를 통해 골격근에서 지방 저장의 증가를 유발하여 결국 인슐린 저항성을 증가시키기 때문이다. 그리고 골격근에서 지방산화능력의 감소는 최종적으 로 체중증가와 비만을 유발하는 경향을 보인다. 따라서 비만에 의해 야기되는 골격근의 지방산화능력 감소를 극복하기 위한 효 과적인 중재 규명은 매우 중요하다. Berggren 등(39)은 비만수 술(위우회술)이 고도비만환자의 골격근 지방산화능력을 정상화 시키는지를 규명하기 위해 위우회술 처치(1년 후) 집단과 정상 및 고도비만 통제집단을 비교한 결과 위우회술 집단에서 골격근 의 지방산화능력이 고도비만 통제근육과는 거의 차이가 없었고, 정상근육에 비해 낮았다. 이처럼 위우회술은 고도비만환자의 체 중을 현저하게 감소시켰지만 골격근의 지방산화능력은 향상되 지 않았고 그대로 유지되는 모습을 보였다.

2. 당뇨병 치료의 효과

고도비만환자를 대상으로 한 비만수술의 가장 큰 효과는 체중 감소뿐만 아니라 제2형 당뇨병 질환의 즉각적이고 거의 완전한 치유이다. 한 예로, Pories(8)는 비만 또는 당뇨병 환자 608명을 대상으로 위우회술을 한 후 9.4년간 지속하여 당뇨병의 치유 경 향을 조사했는데, 그 결과 제2형 당뇨병 환자 165명 중 121명 (83%)이 완전 치유되었고, 내당능장애(impaired glucose tole- rance) 환자 165명 중 150명(99%)이 완전 치유되었다.

많은 연구들에 의하면 위우회술에 의한 체중 감소의 효과가 인슐린 저항성을 억제한다고 보고하고 있다. 하지만, 단순히 체

중 감소만으로 위우회술 후의 당뇨병 치유를 설명할 수 없다는 연구결과들이 보고되고 있다.(9) Bikman 등(40)은 위우회술 후 체중을 약 50 kg 정도 감소시키고 3개월 이상 체중을 안정적으 로 지속시킨 여성 집단을 조사했다. 위우회술 이후에도 BMI가 약 30 kg/m

을 보여 위우회술 수술집단을 정상체중 통제집단 (BMI＜25 kg/m

), 동일체중 통제집단(BMI=25-35 kg/m

), 그 리고 고도비만 통제집단(BMI＞35 kg/m

)과 비교 분석한 결과, 위우회술 수술집단의 인슐린 감수성이 고도비만 통제집단에 비 해 월등히 증가하여 정상체중 통제집단과 비슷한 수준의 인슐린 감수성을 보였다. 또한, 흥미로운 사실은 비만수술집단의 인슐 린 감수성이 동일체중의 통제집단에 비해서도 유의하게 높았다 는 것이다. 즉, 위우회술에 의한 체중 감소만으로는 인슐린 감수 성 향상을 전적으로 설명할 수 없고 다른 요인들(감소된 당뇨병 유발물질; anti-incretin, 또는 증가된 당뇨병억제물질; incretin) 이 관여하는 것으로 추측되고 있다.(9)

제2형 당뇨병 치료에 대한 위우회술의 장기간 효과뿐만 아니 라 단기간 효과도 매우 흥미로운 결과가 보고되었다. Reed 등 (10)은 당뇨병 환자를 대상으로 위우회술 수술 전, 수술 후 1주, 그리고 수술 후 3개월에 공복 시 글루코스와 인슐린 수치를 조사 했다. 예상대로 수술 전 공복 시 글루코스와 인슐린 값이 정상체 중 집단에 비해 매우 유의하게 높았지만, 수술 후 1주일 만에 각 혈중 글루코스와 인슐린 수준이 정상체중 집단과 비슷하게 급격 하게 감소하여 수술 후 3개월까지 지속되는 경향을 보였다. 이처 럼, 위우회술에 의한 비만수술은 1주일 이내에 즉각적으로 과인 슐린혈증(hyperinsulinemia)을 해소하는 효과를 보였다. 하지 만, 위우회술이 어떤 기전을 통해 공복 시 글루코스와 인슐린 수 준을 즉각적으로 감소시켰는지는 앞으로 규명되어야 할 과제이 다.

고도비만과 운동

일반적으로 지구성 운동은 골격근의 지방산화능력을 증가시 키고 인슐린 작용을 향상시킨다. Hickey 등(41)은 고도비만 남 성을 대상으로 7일간의 자전거 운동(60분/하루, 65% VO

peak) 이 인슐린 작용에 미치는 영향을 분석한 결과, 공복 시 인슐린 농 도와 OGTT를 통한 인슐린 작용이 유의하게 감소함을 발견했 다. 또한, Menshikova 등(42)과 Toledo 등(43)도 비만 환자를 대상으로 음식섭취 감소를 통한 체중감소와 운동의 효과를 분석 한 결과, 미토콘드리아의 양과 전자전달계의 활동이 유의하게 향상되었음을 보고하였다.

최근에는 고도비만 환자를 대상으로 좀 더 효과적인 처치를

위해 위우회술뿐만 아니라 운동의 효과를 분석한 연구들이 보고

되고 있다. Berggren 등(39)은 10일간의 자전거 운동(60분/하

Fig. 2. Fat and carbohydrate meta- bolism in skeletal muscle with se- vere obesity and the effects of inter- ventions.

루, 70% VO

peak)이 고도비만 집단(BMI≥40 kg/m

)과 위우 회술 수술집단에서 골격근의 지방산화능력에 미치는 영향을 분 석하였다. 이 자료에 의하면 골격근의 지방산화능력이 고도비만 에 의해 유의하게 감소하였고, 감소된 골격근의 지방산화능력은 위우회술에 의해 회복되지 못하고 고도비만 집단과 비슷하게 그 대로 유지되었다. 하지만, 10일간의 유산소 지구성운동을 통하 여 고도비만 집단과 위우회술 수술집단의 골격근 지방산화능력 이 정상체중 집단과 거의 비슷한 수준에서 모두 향상되었다. 즉, 고도비만에 의해 감소된 골격근의 지방산화능력은 위우회술에 의한 체중 감소에 의해 회복되지 못했지만, 지구성 운동에 의해 모든 집단에서 유의하게 정상체중 집단과 동일한 수준으로 향상 되었다.

이와 같이 고도비만(BMI≥40 kg/m

)은 인슐린 저항성을 유 발하고 골격근에서의 지방산화능력을 저하시킨다. 이러한 고도 비만에 대한 두 가지 대표적인 처치방법인 비만수술에 의한 체중 감소와 운동은 서로 다른 효과를 보인다(Fig. 2). 위우회술을 통한 체중 감소는 인슐린 감수성을 향상시키지만, 골격근에서 비만에 의한 지방산화 감소를 회복시키지는 못한다. 반면에 규칙적인 유 산소 운동은 고도비만환자의 인슐린 작용뿐만 아니라 골격근의 지방산화능력을 동시에 향상시킨다. 따라서 고도비만환자를 대 상으로 한 비만수술은 반드시 규칙적인 운동을 중재로서 동반해 야 한다. 하지만 비만수술과 관련한 운동을 구체적으로 어느 시점 (수술 전 또는 후)에, 어떤 방법(유산소 운동 또는 저항 운동)으로, 그리고 어느 정도(운동강도, 운동량 등) 해야 하는지에 대한 구체 적인 운동 프로그램은 앞으로 해결해야 할 과제이다.

고도비만 및 당뇨병 예방을 위한 운동지침

고도비만 해소와 당뇨병 예방 및 처치를 위한 운동지침은 운 동 유형을 크게 유산소 운동과 저항 운동으로 구분하여 살펴 볼 수 있다. 규칙적인 유산소 운동은 근육 내 글루코스와 지방을 에 너지원으로 산화시키는 세포 내 미토콘드리아의 기능을 향상시 켜 혈중 글루코스를 더욱더 근육 내로 운반하는데 동원되는 인슐 린의 작용을 촉진시킨다. 즉, 근육에서의 인슐린 감수성을 증가 시키고 적은 양의 인슐린으로도 많은 양의 글루코스를 에너지원 으로 사용할 수 있도록 해 혈당조절에 큰 도움을 준다. 또한 유산 소 운동은 인체 내 지방을 에너지원으로 연소시킴으로써 체중 감 소에 매우 효과적이다. 그리고 저항(근력) 운동은 우리 몸에 있는 골격근의 양을 증가시킴으로써 근육에서의 에너지 생성, 운반 및 저장 능력을 향상시키고 기초대사량을 증가시켜 당뇨병 예방 및 처치에 매우 효과적이다. 이처럼 유산소 운동과 저항 운동을 병행하면 근육 내 인슐린 작용과 혈중 글루코스 조절 및 지방 산 화가 향상되어 고도비만 및 당뇨병 예방을 위해 매우 효과적이라 할 수 있다.

하지만 고도비만 및 당뇨병 예방과 처치를 위한 운동요법은

적절하게 수행되어야 한다. 우리가 아플 때 먹는 약을 권장량보

다 적게 먹으면 효과가 없거나 또는 지나치게 많이 먹으면 우리

몸에 악영향을 주듯이 운동도 너무 약하게 하면 효과가 없고 너

무 지나치게 하면 우리 몸에 해로움을 줄 수 있다. 따라서 고도비

만 및 당뇨병 환자를 위한 맞춤운동의 가이드라인으로서 FITT

원리를 소개한다. FITT는 Frequency (횟수), Intensity (강도),

Table 2. Exercise guidelines with FITT for morbidly obese and diabetic patients

Types FITT Contents

Aerobic exercise training

Frequency ∙At least 3 days/week with no more than two consecutive days between bouts of activity

∙Recommended 5 times/week with moderate activity

Intensity ∙At least moderate intensity, corresponding approximately to 40-60% of VO

max (maximal aerobic capacity)

∙Brisk walking with light sweating

Time ∙Minimum of 150 min/week at moderate activity or greater

∙150 min of moderate activity (30 min, 5 day/week) or 60 min of vigorous activity (20 min on 3 days)

∙Regular time during day

∙Exercise at least 30-60 min after meals to reduce blood glucose compared with before meals Mode ∙Any form of aerobic exercise (including brisk walking) that uses large muscle groups and causes

sustained increase in heart rate Resistance exercise

training

Frequency ∙At least twice/week on nonconsecutive days

∙More ideally 3 times/week

Intensity ∙Moderate (50% of 1-repetition maximum, or 1-RM) or vigorous (75-80% of 1-RM) for optimal gains in strength and insulin action

Time ∙Minimally include 5-10 exercises involving the major muscle groups in the upper body, lower body, and core

∙10-15 repetitions to near fatigue per set early in training

∙2-4 sets

Mode ∙Resistance machines and free weights (e.g., dumbbells and barbells)

Time (시간), Type (형태)를 나타내는 것으로, 유산소 운동(공기 중의 산소를 이용하는 심폐지구력 운동)과 저항 운동(근육 강화 를 위한 근력/근지구력 운동)에 따른 일반적인 지침은 Table 2와 같다.

결론

현재 국내외적으로 비만(특히 고도비만)은 단순히 신체적 문 제뿐만 아니라 각종 심혈관 질환, 당뇨병, 암 등의 만성질환을 동 반하는 중대 질환이다. 비만은 각종 질환과 관련된 인슐린 저항 성을 유발하는데, 특히 골격근에서 비만에 의한 인슐린 저항성 을 유발하는 원인들은 골격근 내 지방, 지방형성 중간물질들 (FA-CoA, DAG, ceramide 등), 미토콘드리아의 과부하에 따른 불완전 산화물질, 그리고 미토콘드리아의 산화적 스트레스를 포 함한다.

현재까지 고도비만환자를 위한 가장 효과적인 치료방법은 수 술적 치료이다. 비만수술은 고도비만환자에게 현저하고 지속적 인 체중 감소의 효과를 제공한다. 또한 당뇨병 질환이 있는 고도 비만환자들에게도 수술 후 즉각적이고 거의 완전한 당뇨병 치료 의 효과를 동반한다. 아직까지 우리나라에서는 고도비만환자에 대한 수술적 치료가 미국 등의 서구에 비해 일반화 및 활성화되 어 있지 않지만, 그 누구도 수술적 치료의 효과를 부인할 수 없다.

따라서 우리나라도 하루빨리 고도비만환자를 대상으로 한 비만 수술을 위한 기초자료를 범국민적으로 확보하여 한국인의 특성

에 맞는 비만수술의 가이드라인 설정 및 시행이 하루빨리 일반화 되어야 할 것이다. 또한, 비만수술이 체중 감소와 인슐린 작용에 는 매우 효과적이지만, 골격근에서의 지방산화능력에는 큰 영향 을 주지 않으므로 이에 대한 대안으로서 비만수술과 운동을 함께 병행하는 프로그램 개발이 매우 중요하다 하겠다.

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