Corresponding author: Su Jin Jeong Department of Internal Medicine, Bucheon Sejong Hospital, 28 Hohyeon-ro 489beon-gil, Sosa-gu, Bucheon 14754, Korea, E-mail: 서론
신체활동은 당뇨병 및 당뇨병전단계 환자에서 혈당조절과 전반적인 건강관리에 매우 중요한 핵심 요소이다. 신체활동이란 에너지 소모를 증가시키는 모든 움직임을 의미하는 반면, 운동이란 계획되고 구조화된 신체활동을 뜻한다. 운동은 당뇨병환자에서 혈당조절을 개선하고, 심혈관위험 요인을 감소시키며, 체중감량에 도움이 되고[1,2], 2형당뇨병의 발생을 예방하거나 지연시킬 수 있다. 1형당뇨병 환자에서도 운동은 심폐 지구력 향상, 근력 증가, 인슐린감수성 개선 등 상당한 건강상 이점을 제공한다[3]. 운동의 종류는 유산소운동, 저항(근력)운동, 유연성 운동, 균형성 운동으로 나눌 수 있다. 유산소운동은 큰 근육군을 반복적이고 지속적으로 움직이는 운동으로 걷기, 자전거 타기, 조깅, 수영이 있으며 주로 유산소 에너지 사용에 의존한다[4]. 저항운동은 덤벨이나 바벨 같은 자유 중량, 웨이트 머신, 자신의 체중, 또는 탄력밴드를 이용한 근력 강화 운동을 포함한다. 유연성 운동은 관절 가동 범위를 향상시키는 것을 목표로 한다[5]. 태극권이나 요가와 같은 활동은 유연성, 균형감, 저항운동 요소를 동시에 포함하는 복합적인 운동 형태이다[6].
대부분의 선행연구에서 유산소운동은 당뇨병 예방 및 치료에 효과적인 운동 형태로 보고하고 있지만 저항운동이 당뇨병에 미치는 영향에 대한 연구들은 부족한 실정이다. 본 글에서는 저항운동이 당뇨병에 미치는 영향에 대해 혈당 변화를 중심으로 알아보고자 한다.
본론
1. 운동 시 대사 및 호르몬 변화
운동 시 정상혈당은 교감신경계와 여러 내분비계 상호작용에 의해 유지된다. 수축하는 근육은 혈중 포도당의 흡수를 증가시키며, 혈중 포도당 농도는 간에서의 당원분해(glycogenolysis)와 포도당신생성(gluconeogenesis), 유리지방산의 동원을 통하여 유지된다. 운동이 시작되면 근육 내의 ATP (adenosine triphosphate)를 유지하고 PCr (creatine phosphate)을 대체하기 위해 고에너지 인산의 요구량이 증가되는데, 이를 위해 포도당의 산화가 급격히 증가된다. 운동 초기에는 증가된 글루카곤 및 근육 활동을 통해 부신 수질로부터의 증가된 카테콜아민(에피네프린과 노르에피네프린)이 당원분해를 더욱 가속시킨다. 코티솔은 단백질분해를 증가시킴으로써 분리된 아미노산이 간에서 포도당신생성에 사용되도록 해준다. 그러므로 이러한 네 가지 호르몬은 모두 당원분해와 포도당신생성 과정을 촉진시켜 혈당을 증가시키게 된다. 그 밖에도 성장호르몬은 유리지방산의 동원을 증가시키고 세포의 포도당섭취를 감소시켜 보다 적은 양의 포도당이 세포에 의해 사용되도록 만든다. 이러한 변화를 통해, 운동을 하는 경우 근육의 주된 연료가 유리지방산에서 유리지방산, 포도당, 근육 내 당원 등으로 다양해진다[7-9] (Fig. 1).
Fig. 1.
Energy substrates for exercise. The source of energy substrates during exercise varies depending on exercise duration. During skeletal muscle contraction, in the first few seconds of exercise, energy is provided from ATP, which is immediately resynthesized from PC. For exercise of longer duration, ATP resynthesis occurs by catabolizing other fuel sources (lipids and carbohydrates).
Figure based on previously published data [7]. This figure is available as part of a downloadable slideset.
ATP, adenosine triphosphatase; PC, phosphocreatine; NEFA, non-esterified fatty acids.
운동의 강도가 증가함에 따라 포도당은 근육의 주요 에너지원으로서 더 중요한 역할을 하게 된다. 고강도운동의 초기에는 주로 근육 내 당원이 사용된다. 운동시간이 길어지고 당원이 고갈되어 감에 따라 혈중 포도당과 교감신경 자극에 의한 지방세포 분해로 인해 생긴 유리지방산의 흡수와 이용이 증가된다. 근육에 필요한 포도당은 처음에는 간의 당원분해로부터 공급되지만 이후에는 포도당신생성에 의해 생성된다. 운동 시 대사 변화는 여러 인자에 의해 영향을 받으나 가장 큰 영향을 미치는 요인은 운동의 강도와 지속시간이다. 근육에서 포도당 흡수를 촉진하는 기전은 크게 두 가지(인슐린과 근육 수축)이다. 휴식 시와 식후에는 포도당 흡수가 인슐린 작용에 의해 일어나며 주로 근육 내 당원을 보충하는 데 사용된다. 반면 운동 시에는 근육 수축으로 인한 당원분해를 보충하기 위해 포도당 흡수가 증가하며, 이는 인슐린저항성이나 2형당뇨병 상태에서도 비교적 정상적으로 작동한다. 근육에서 인슐린과 근육 수축에 의한 포도당수송은 모두 GLUT4에 의해 주로 일어난다. 인슐린은 여러 복잡한 신호전달 체계를 거쳐 GLUT4의 세포막전위를 유발한다. 한편, 근육 수축에 의한 GLUT4 전위 기전의 일부는 AMPK (5′-AMP-activated protein kinase) 경로에 의해 매개된다[5,10,11].
2. 유산소운동 시 혈당의 변화
당뇨병이 없는 사람이 중등도 강도의 유산소운동을 하는 경우, 말초에서의 포도당 흡수 증가는 간에서의 포도당 생성과 균형을 이루어 혈당은 대개 변화하지 않는다. 반면, 2형당뇨병 환자가 중등도의 유산소운동을 하는 경우 간에서 생성되는 포도당보다 근육에서 사용되는 혈중 포도당이 더 많아 혈당은 일반적으로 감소한다[12,13]. 이때 인슐린 농도 또한 같이 감소하므로 인슐린 제제나 인슐린분비촉진제를 사용하는 경우를 제외하면 장시간의 운동에서도 저혈당이 잘 발생하지 않는다. 유산소운동을 1회 시행했을 때 나타나는 인슐린감수성의 변화는 운동의 지속시간, 강도, 식사 여부에 따라 달라지는데, 한 번의 운동으로 보통 24∼72시간 동안 인슐린감수성과 혈당이 개선될 수 있다. 혈당 감소의 정도는 운동의 지속시간과 강도, 운동 전 혈당조절 상태, 그리고 개인의 신체훈련 수준에 따라 달라진다[10]. 중등도의 운동이 한 번에 이루어지든 여러 차례로 나누어 수행되든, 총 운동시간이 동일하다면 효과는 유사하다[14]. 고강도의 단시간 운동에서는 혈중 카테콜아민이 상승하고 간의 포도당 생성이 증가하여 일시적인 고혈당이 발생할 수 있으며, 이는 1∼2시간 동안 지속될 수 있다[14,15].
3. 저항운동 시 혈당의 변화
1형당뇨병 환자에서 저항운동은 무산소 대사에 더 의존하기 때문에 유산소운동보다 혈당강하가 적게 발생한다. 한 연구에서는 저항운동 동안 혈장포도당이 약 151 mg/dL에서 122 mg/dL로 완만하게 감소하는 반면, 유산소운동에서는 165 mg/dL에서 104 mg/dL로 더 크게 감소하는 것을 보였다. 또한 운동 후 초기 회복기 동안 혈당은 상대적으로 안정적이나, 근육 당원 보충이 시작되는 몇 시간 후에는 경미한 야간 저혈당증이 발생할 수 있다. 이러한 안정성은 카테콜아민, 성장호르몬과 같은 대응조절호르몬(counterregulatory hormone)의 간포도당생성 촉진 효과와 관련이 있다. 2형당뇨병, 공복혈당장애가 있는 사람의 경우에는 저항운동을 한 뒤 24시간 동안 혈당이 감소하였고 전체 운동량과 강도가 증가함에 따라 감소폭이 더 컸다[16].
Ruffell [17]은 성인 12명을 대상으로 오후 시간대의 저항운동, 유산소운동, 운동하지 않은 대조군을 교차 비교한 결과, 저항운동군에서는 혈당이 8.4±2.7 mmol/L에서 6.8±2.3 mmol/L로 감소하여 유산소운동군의 9.2±3.4 mmol/L에서 5.8±2.0 mmol/L로의 감소보다 혈당 하강폭이 더 작게 나타났으며, 회복기 동안에도 혈당이 안정적으로 유지되었다.
Ramalho 등[18] 및 Reddy 등[19]의 연구에서 저항운동 후에는 혈당 감소가 다소 더 오래 지속되는 경향이 있었으나, 저혈당 치료가 필요한 참가자는 저항운동 후 3명, 유산소운동 후 9명으로, 저항운동에서 유의하게 적었다고 보고하였다. 또한 Riddell 등[20]의 최근 연구에서도 인슐린투여 방식과 관계없이 저항운동군이 유산소운동이나 간헐적운동군보다 간질 포도당 감소폭이 가장 작았다고 보고하였다.
2형당뇨병 환자에서는 단일 또는 반복 저항운동이 운동 후 포도당 수치를 감소시키고 포도당내성을 개선한다. 한 소규모 연구에서 여성당뇨병 환자는 급성 저항운동 세션 후 포도당 시간-곡선하면적(area under the curve)이 약 3,355 mmol/L·min에서 2,868 mmol/L·min으로 감소하였고, 최고 혈당은 363 mg/dL 에서 309 mg/dL로 낮아졌으며, 인슐린 농도 변화는 없었다[21].
4. 유산소운동의 이점
유산소운동은 미토콘드리아의 수를 증가시키고, 인슐린감수성을 향상시키며, 산화효소 활성도를 높인다[22]. 유산소운동 훈련 후 관찰되는 전신 인슐린 작용의 향상은 주로 말초 조직의 인슐린 작용 개선과 관련되어 있으며, 간 인슐린 작용과는 직접적으로 관련되지 않는다[23-25].
유산소운동은 골격근의 인슐린반응성을 향상시키며, 이는 포도당대사 및 인슐린신호전달에 관여하는 단백질의 발현 및 활성 증가와 관련이 있다. 중등도 강도의 운동 훈련은 당원 합성효소 활성 및 GLUT4 단백질 발현을 증가시키지만, 인슐린신호전달 자체에는 영향을 미치지 않을 수 있다[26,27]. 또한 지방 산화는 인슐린 작용 개선의 중요한 기전 중 하나이며, 운동을 통해 근육 내 지방 저장과 지방 산화 능력이 향상된다[28,29]. 체중감소가 동반되지 않더라도 유산소 훈련은 간의 지방 함량을 감소시키고, 간 내 지방 분포 및 사용 양상을 변화시킬 수 있다[30].
5. 저항운동의 이점
당뇨병에서는 근육량 및 근력 기능 감소가 진행된다[22]. 1형당뇨병에서 저항운동이 혈당조절에 미치는 영향은 명확하지 않지만, 소규모 임상시험 결과에 따르면 체성분 개선, 근력 증가, 인슐린감수성 증가, 그리고 당화혈색소의 소폭 감소 가능성 등의 긍정적 변화를 보였다[3]. 또한 저항운동은 다른 운동으로 유발되는 저혈당 위험을 최소화하는 데 도움을 줄 수 있다.
하나의 운동 세션에서 저항운동과 유산소운동을 모두 수행할 경우, 저항운동을 먼저 시행하고 유산소운동을 나중에 하는 것이, 유산소운동을 먼저 하는 것보다 저혈당 발생이 더 적은 것으로 보고되었다[31]. 저항운동은 골격근 포도당섭취를 증가시키고, GLUT4 이동 및 근육량 증가를 통해 인슐린감수성을 향상시킨다[32].
대부분의 연구에서 저항운동은 웨이트 머신이나 프리 웨이트를 이용해 수행되었다. 프리 웨이트 운동은 고정 기구 없이 중량을 직접 조절하면서 근육의 협응력과 균형감각을 함께 향상시키는 훈련 형태로, 덤벨, 바벨, 케틀벨 등과 같은 자유 무게를 사용하는 방식이다. 이러한 운동은 자세를 스스로 조절하면서 보조 근육과 코어 근육까지 동시에 강화하는 효과가 있다. 따라서 이러한 결과를 탄력밴드나 맨몸 운동 등 다른 형태의 저항운동에 그대로 일반화할 수는 없다. 예를 들어, 최근 메타분석에서는 2형당뇨병 환자에서 탄력밴드 운동이 근력은 증가시켰지만 당화혈색소에는 유의한 효과가 없었다고 보고되었다[33].
6. 운동 종류에 따른 인슐린과 탄수화물 조정
유산소운동은 운동 중 및 운동 후 최소 12시간까지 저혈당 위험을 증가시킨다. 이는 인슐린분비 자극제 혹은 인슐린용량을 적절하게 감량하지 못하였거나 운동 후 인슐린감수성이 증가하기 때문이다. 만약 혈중 인슐린 농도가 여전히 높게 유지된다면, 글루카곤 등의 대응조절호르몬에 의해 간에서 포도당 방출을 자극하는 효과가 감소하여 근육 수축 시 필요한 포도당이 충분히 공급되지 못하게 된다[34,35]. 반면, 저항운동 중에는 내인성 인슐린분비 감소, 카테콜아민의 증가로 인한 간의 포도당 생산 증가, 말초 조직의 포도당 흡수 억제 및 저항운동 중 무산소 해당과정(glycolysis)이 우세해 젖산(lactate)이 증가하고, 이 젖산이 포도당신생성을 통해 다시 포도당으로 전환되는 등의 다양한 기전에 의해 일시적인 고혈당이 유발될 수도 있다[36]. 이 현상은 대개 최대 60분 정도 지속되며, 이후 근육과 간의 당원을 보충하는 과정에서 포도당이 흡수되어 저혈당이 뒤따를 수 있다[37]. 저항운동은 유산소운동에 비해 운동 중 및 회복기 동안 혈당 감소가 작거나 오히려 약간 상승할 수 있으므로, 인슐린 및 탄수화물 섭취 조정폭이 더 작아야 한다. Riddell 등[33]의 합의 지침에서는 혈당 수치에 따라 저항운동 전후 탄수화물 섭취량(15∼25 g, 약 0.5 g/kg)을 제시하고 있다. 공복 상태는 아니나 기저인슐린이 작용 중인 상태에서 저항운동을 할 경우, 운동 1시간 전부터 장시간형 또는 중간형 인슐린은 10% 감량, 인슐린펌프는 기초율(basal rate) 50% 감량(만약 혈당이 5 mmol/L 미만이면 75% 감량)해야 한다. 그리고 운동 직전에서 1시간 전 탄수화물의 15∼25 g 섭취가 혈당 안정에 도움이 된다[31,37,38].
운동이 30분 이내이고 식후 90분 이내에 시작된다면 식전 인슐린 감량은 필요하지 않지만, 더 긴 운동에는 추가적인 조정이 필요할 수 있다. 또한 운동 부위에 속효성 인슐린을 주사 시 인슐린 흡수가 빨라져 저혈당 위험이 커질 수 있어 운동 부위 속효성 주사를 피하는 것이 권장된다. 운동 중 인슐린 농도가 낮다면 운동 중 탄수화물 섭취가 필요 없을 수도 있지만, 운동 후 근육과 간의 당원 재합성 과정에서 포도당 이용이 증가하여 지연성 저혈당이 발생할 수 있다[39].
7. 운동 후 관리
운동 중 상승한 혈당은 속효성 인슐린을 평소 교정량의 50% 정도의 소량으로 투여함으로써 완화할 수 있다. 이때 투여 시점은 운동 중간 또는 운동 직후가 적절하다[40]. 공복 시 저항운동 후 인슐린 보정은 조기 저혈당 없이 안전하지만, 운동 후 식사 시에는 인슐린용량을 감소시켜야 한다[34,41]. 운동 후 탄수화물과 단백질을 함께 섭취하면 근육 회복과 당원 재합성을 촉진하여 저혈당을 예방할 수 있다. 예를 들어, 저지방 30 g 탄수화물 식사에 12.5∼25 g 단백질 추가 시, 탄수화물만 섭취할 때보다 운동 후 5시간 동안 혈당 안정 효과가 더 크다[40,42].
저혈당 에피소드를 예방하기 위해 미국당뇨병학회 권고사항에 따른 인슐린용량 조정이 필요하다(Table 1).
Table 1.
Suggested initial pre-exercise meal insulin bolus reduction for activity started within 90 minutes after insulin administration
Adapted from the article of Colberg et al. [42] (Diabetes Care 2016;39:2065-79) with original copyright holder's permission.
8. 저항운동의 권고안
저항운동의 최적 프로그램(빈도, 강도, 유형, 운동량 등)은 아직 명확히 확립되어 있지 않다. 그러나 대부분의 연구에서 1회 운동 세션당 3세트, 세트당 약 8회 반복, 중등도에서 고강도 수준(자세를 유지하면서 8회 들어 올릴 수 있는 최대 중량), 주 3회 이상 수행한 경우 당화혈색소 개선 효과가 가장 크게 나타났다[39]. 신체의 주요 근육군을 목표로 약 6∼8가지 운동을 선택하는 것이 권장된다. 올바른 자세를 유지하면서 15∼20회를 수행할 수 있는 무게로 1세트부터 시작한다. 점차 2세트로 늘리고, 반복 횟수를 10∼15회로 줄이는 대신 무게를 약간 증가시킨다. 만약 바른 자세로 정해진 반복 횟수를 수행할 수 없다면, 무게를 줄인다. 이후 3세트에서 자세를 유지하면서 무게를 더 증가시켜 8회 반복 × 3세트를 수행하도록 진행한다. 세트 사이에는 1∼2분의 휴식을 두는 것이 바람직하다. 근력 운동 중에서 가장 근거가 확립된 형태는 웨이트 머신이나 프리 웨이트를 활용한 방식이다. 탄력밴드는 혈당조절 개선 효과에는 상대적으로 제한적일 수 있으나 근력 향상에는 도움이 되며, 다른 형태의 저항운동으로 발전하기 위한 초기 단계로 활용할 수 있다. 저항운동을 처음 시작하는 경우 최소한 초기 몇 회의 운동 동안에는 자격을 갖춘 운동 전문가로부터 기본적인 지도와 정기적인 감독을 받는 것이 권장된다(Table 2) [43,44].
Table 2.
Resistance exercises
Adapted from the article of Diabetes Canada Clinical Practice Guidelines Expert Committee [44] (Can J Diabetes 2018;42 Suppl 1:S54-63) with original copyright holder's permission.
결론
운동은 당뇨병환자의 혈당조절 및 전반적인 건강관리를 위해 모든 환자에게 권장되고 처방되어야 한다. 당뇨병이 있는 환자의 경우 인슐린에 의한 근육에서의 포도당 흡수는 감소되어 있으나, 운동 시 근육 수축은 당뇨병에 영향을 받지 않고 포도당 흡수를 촉진할 수 있으며, 이러한 인슐린감수성을 2∼72시간 동안 급성으로 향상시킬 수 있다. 저항운동 시 당뇨병환자의 혈당 변화는 당뇨병 유형, 인슐린 사용 및 운동 강도에 따라 다르게 변하지만, 전반적으로 유산소운동보다 더 안정적으로 유지되는 경향이 있다. 또한 저항운동은 근육량 증가, 체성분 개선, 근력 향상, 신체기능 향상, 정신건강 증진, 골밀도 증가, 인슐린감수성 개선에 기여하므로, 개별화된 저항운동은 당뇨병환자 관리에서 필수적으로 교육되고 적극적으로 권장되어야 한다.
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