Assessment of Effect of Pulmonary Rehabilitation on Skeletal Muscle Metabolism by $^{31}P$ Magnetic Resonance Spectroscopy

호흡재활치료 전후 $^{31}P$ 자기공명분석법을 이용한 골격근대사의 변화에 관한 연구

Pulmonary rehabilitation has been known to improve dyspnea and exercise tolerance in patients with chronic lung disease, although it does not improve pulmonary function. The mechanism of this improvement is not clearly explained till now; however some authors suggested that the improvement in the skeletal muscle metabolism after the rehabilitation could be a possible mechanism. The metabolc changes in skeletal muscle in patients with COPD are characterized by impaired oxidative phosphorylation which causes early activation of anaerobic glycolysis and excess lactate production with exercise. In order to evaluate the change in the skeletal muscle metabolism as a possible cause of the improvement in the exercise tolerance after the rehabilitation, noninvasive $^{31}P$ magnetic resonance spectroscopy(MRS) of the forearm flexor muscle was performed before and after the exercise training in nine patients with chronic lung disease who have undertaken intensive pulmonary rehabilitation for 6 weeks. 31p MRS was studied during the sustained isometric contraction of the dominant forearm flexor muscles up to the exhaustion state and the recovery period. Maximal voluntary contraction(MVC) force of the muscle was measured before the isometric exercise, and then 30% of MVC force was constantly loaded to each patient during the isometric exercise. After the exercise training, exercise endurance of upper and lower extremities and 6 minute walking distance were significantly increased(p<0.05). There were no differences of baseline intracellular pH (pHi) and inorganic phosphate/phosphocreatine(Pi/PCr). After rehabilitation pHi at the exercise and the exhaustion state showed a significant increase($6.91{\pm}0.1$ to $6.99{\pm}0.1$ and $6.76{\pm}0.2$ to $6.84{\pm}0.2$ respectively, p<0.05). Pi/PCr at the exercise and the recovery rate of pHi and Pi/PCr did not show significant differences. These results suggest that the delayed intracellular acidosis of skeletal muscle may contribute to the improvement of exercise endurance after pulmonary rehabilitation.

연구배경 : 만성폐쇄성폐질환 환자의 치료에 널리 적용되고 호흡재활치료는 폐기능을 호전시키지는 못하지만 호흡곤란 등의 증상과 운동능력을 호전시키는 것으로 알려져 있다. 그러나 이런 운동능력 개선의 기전은 여러 각도에서 해석되고 있다. 저자들은 $^{31}P$ MRS를 이용하여 만성 폐질환 환자들을 호흡재활치료 전후 전박근의 대사 변화를 관찰함으로써, 호흡재활치료 후 운동능력호전에 골격근 대사개선을 기여할 가능성을 조사하였다. 방 법 : 총 9명의 만성 폐질환을 갖고 있는 남자 환지들을 대상으로 하였고 이들의 평균 연령은 $58{\pm}11$세였으며, 이들의 기저 질환은 만성폐쇄성폐질환 8예 및 폐유육종증 1예였다. 호흡재활치료는 근육강화운동, 답차운동(treadmill walking), 자전거 운동(stationary bicycle riding) 및 상지 운동력측정계(arm ergometer)를 이용한 상지운동으로 구성했으며, 호흡재활치료 전후로 폐기능 검사, 운동부하 검사, 상하지의 지구력 측정 및 6분 보행거리 검사를 실시하였다. $^{31}P$ MRS검사를 치료 전후 전박근을 대상으로 안정시, 운동시 및 20분간의 회복시에 시행하여 세포내 산소성 인산화 능력을 반영하는 Pi/PCr의 비와 pHi(intracellular pH)를 구하여 비교하였다. 결 과 : 호흡재활치료 후 환자의 폐기능과 가스 교환의 호전은 없었으나, 운동지구력 및 보행능력은 현저한 호전을 보였으며 최대산소섭취량은 증가하는 경향을 보였고, 동 운동량에서의 분당환기량은 감소하는 경향을 나타내었다. $^{31}P$ MRS를 이용하여 재활치료 전후의 골격근 대사를 비교해 본 결과, 치료 후 운동시 및 극심한 피로상태에서의 pHi는 유의하게 높았고 산소성 인산화 과정을 반영하는 지표인 Pi/PCr는 감소하는 경향을 보였으나 안정시 및 회복기의 골격근 대사과정은 변화가 없었다. 결 론 : 이상으로 만성 폐질환 환자에서 6주간의 호흡재활치료는 운동지구력 및 보행 호전시켰으며 이러한 운동능력 호전에는 골격근 대사의 개선으로 초래된 골격근 세포내의 산성화 지연으로 인한 환기량의 감소가 기여할 사료되었다.