신경 교차 문합이 지근 및 속근의 미토콘드리아 함량과 산소 소모량에 미치는 영향

Abstract

[한글]

성숙한 포유동물의 골격근 섬유는 수축속도, 효소의 활성도, myosin adenosine triphosphatase와 같은 효소의 조직화학적 염색방법등에 의해 type Ⅰ섬유(또는 지근 섬유)와 type Ⅱ섬유(또는 속근 섬유)로 대별된다. 골격근의 근섬유 조성은 근육에 분포하는 신경의 trophic influence에 따라 다르다고 하며 지근 및 속근에 분포하는 신경을 교차 문합하면 지근 및 속근의 조직화학적, 생리학적 성상에 전환이 온다고 한다.

지근에는 속근에 비해 미토콘드리아 함량이 많다고 하며, 신경을 교차 문합하면 근육조직 균질액에서 미토콘드리아 효소인 malic dehydrogenase와 isocitrate dehydrogenase활성도가 지근에서는 감소하고 속근에서는 증가된다고 보고된바 있다. 이러한 결과들로

미루어 볼 때 신경교차 문합이 지근 및 속근의 미토콘드리아 함량을 변동시킬 것으로 추측된다.

따라서 본 실험에서는 신경 교차 문합후 지근 및 속근의 미토콘드리아 함량과 산소 소모량의 변동을 측정하고, 지근 및 속근의 미토콘드리아 분획에서 산소 소모량을 산소 분압이 높을 때와 낮을 때에 각각 측정하여 지근 및 속근에 존재하는 미토콘드리아 자체의

단위 무게당 산소 소모량에 어떤 차이가 있는지를 보고자 하였다.

체중 170gm내외의 흰쥐를 암수 구별없이 사용하였다. 흰쥐에 50mg/kg의 pentobabital sodium을 복강내로 주사하여 마취시킨 후 가자미근(지근)에 분포하는 경골 신경과 장족지신근(속근)에 분포하는 비골 신경을 교차 문합 또는 자체 문합을 시행하였다. 수술은 편측 하지에만 시행하고 수술을 시행하지 않은 반대측 하지근을 대조군으로 하였다. 수술후 6, 12, 24주가 경과한 다음 지근 및 속근의 수축시간과 1/2 이완시간을 측정하였으며 근섬유형은 reduced nicotinamide dinucleotide-tetrazolium reductase의 조직화학적 염색

으로 구분하였다. 근육절편과 미토콘드리아 분획에서의 산소 소모량은 incubation용액내산소 분압을 90∼100 mmHg 및 20∼30mmHg로 조절한 다음 각각의 경우에서 측정하였다. 근섬유내 미토콘드리아 함량은 전자 현미경을 이용하여 측정하였다.

실험 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 신경 자체 문합후에는 지근 및 속근의 수축시간 및 1/2 이완시간이 대조군에 비해의의있는 차이를 보이지 않았으나, 신경 교차 문합후 6, 12, 24주에는 지근의 경우 수축및 1/2 이완시간이 대조군보다 의의있게 감소하고 속근의 경우 의의있게 증가하였다. 그러나 이러한 수축 및 1/2 이완시간이 지근과 슥근사이에 완전히 전환되지는 않았다.

2. 근섬유 조성비율에 있어서도 신경 자체 문합군은 대조군에 비해 의의있는 변동을 보이지는 않았으나, 신경 교차 문합군은 6, 12, 24주 모두 지근의 경우 type Ⅰ 및 type Ⅱb섬유가 각기 의의있게 감소 및 증가하였고 속근에서는 각기 의의있게 증가 및 감소하였다.

3. 대조군 지근의 미토콘드리아 함량은 대조군 속근에 비해 의의있게 높았으며, 신경자체 문합 24주후 지근 및 속근의 미토콘드리아 함량은 대조군에 비해 의의있는 변화를보이지는 않았으나, 신경 교차 문합 24주후에는 지근 및 속근의 미토콘드리아 함량이 대조군에 비해 각기 의의있게 감소 및 증가를 하였다.

4. 산소 분압 90∼100mmHg에서 측정한 대조군 지근의 근육절편에서의 산소 소모량은 대조군 속근의 근육절편에 비해 2배정도 의의있게 높았으며, 미토콘드리아 분획에서도 지근

이 속근에 비해 의의있게 높았다. 산소 분압 20∼30mmHg에서 산소 소모량을 측정했을 경우도 이와 동일한 결과를 얻었다.

5. 신경 자체 문합군 근육 절편의 산소 소모량은 지근 및 속근 모두 대조군에 비해 의의있는 차이를 보이지 않았으나, 신경 교차 문합후에는 6, 12, 24주 모두에서 지근 및 속근의 산소 소모량이 대조군에 비해 각기 의의있게 감소 및 증가하였다.

6. 미토콘드리아 분획의 산소 소모량은 대조군에서 보였던 지근과 속근간의 의의있던차이가 신경 교차 문합후에는 6, 12, 24주 모두에서 소실되었다.

이상의 성적으로 미루어 보아 신경 교차 문합후 지근 및 속근의 근육절편에서의 산소소모량의 감소 및 증가는 미토콘드리아 함량의 변동 뿐 아니라 미토콘드리아 성상의 변동도 영향을 주었을 것으로 생각된다.

[영문]

Mammalian skeletal muscles are mainly composed of type Ⅰ (slow twitch fiber) and type Ⅱ fibers(fast twitch fiber). These muscle fiber types have been classified by physiological, biochemical and histochemical methods, It has been known that muscle fiber compositions are determined by the trophic influences of nerves on them. The physiological and histochemical properties of slow and fast muscles could be converted by cross innervtion between nerves to fast muscles and to slow muscles.

It was reported that the mitochondrial contents in slow muscles were higher than in fast muscles. And it was also reported that the activity of mitochondrial enzyme such as malic dehydrogenase and isocitrate dehydrogenase in muscle homogenates was decreased in slow muscles and increased in fast muscles after cross innervation. These results suggest that the mitochondrial contents in slow and fast muscles could be changed after cross innervation.

Therefore, in this study, changes of oxygen consumption rates and mitochondrial contents in slow and fast muscles induced by cross innervation were measured, and also differences in the oxygen consumption rates of mitochondrial fractions obtained from slow and fast muscles were measured at high and low oxygen partial pressure (Po^^2).

Rats of either sex weighing about 170 gm were anesthetized with pentobarbital sodium,50 mg/kg intraperitoneally. The tibial nerve to the soleus muscle (slow muscle) and peroneal nerve to the extensor digitorum longus muscle (fast muscle) were surgically crossed or self innervated. The muscle contraction time (CT) and

half relaxation time (1/2 RT) were measured at 6, 12, and 24 weeks after the operative procedure. Subsequently, the muscles were excised and muscle fiber types were classified with a histochemical method i,e., reduced nicotinamide dinucleotide-tetrazolium reductase stain. Oxygen consumption rates of muscle slices and mitochondrial fractions were determined at 90∼100mmHg and 20∼30 mmHg of Po^^2. Mitochondrial contents of the fiber were counted by electron microscopic observation.

The results obtained are summarized as follows:

1. CT and 1/2 RT of slow muscles were significantly decreased and CT and 1/2 RT of fast muscles were siginificantly increased compared to each control group. But a complete conversion to the other muscle type was not demonstrated. CT and 1/2 RT of

self innervated slow and fast muscles were not significantly changed compared to those of the control group.

2. There were no significant changes in muscle fiber compositions of slow and fast muscles after self-innervation. However, type Ⅰ type Ⅱb fiber in slow muscles were significantly decreased or increased respectively, and in fast muscles were significantly increased or decreased respectively at 6, 12 and 24 weeks after cross innervation compared to the control group.

3. The mitochondrial contents of slow muscles were significantly higher than those of fast muscles. The mitochondrial contents of slow and fast muscles were not significantly changed at 24 weeks after self innervation. But the mitochondrial contents of slow and fast muscles were significantly decreased and increased respectively compared to those of the control group at 24 weeks after cross innervation.

4. Oxygen consumption rates of muscle slices and mitochondrial fractions of control slow muscles were significantly higher than those of control fast muscles measured at 90∼100 mmHg Po^^2. The same results were obtained at 20∼30 mmHg Po^^2.

5. There were no significant changes in oxygen consumption rates of muscle slices in slow and fast muscles after self innervation. But, at 6, 12, and 24 weeks after cross innervation, the oxygen consumption rates of slow and fast muscle slices were

significantly decreased and increased respectively compared to those of the control group.

6. The differences in oxygen consumption rates between slow and fast muscles disappeared at 6, 12, and 24 weeks after crass innervation.

These results suggest that decrement and increment of the oxygen consumption rates of slow and fast muscle slices induced by cross innervation were attributed to the changes of mitochondrial contents and mitochondrial properties in slow and fast muscles.