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좌골신경손상 쥐 모델을 이용한 미세전류 자극의 근위축 억제 효과 확인 및 자극 세기 별 비교
The Effect of Microcurrent Electrical Stimulation on Muscle Atrophy Suppression in a Sciatic Nerve Injured Rat Model; Comparative Study by Current Intensity 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.38 no.4, 2017년, pp.175 - 182  

황동현 (연세대학교 의공학과) ,  김서현 (연세대학교 의공학과) ,  이한아 (연세대학교 의공학과) ,  장승준 (연세대학교 의공학과) ,  김세빈 (연세대학교 의공학과) ,  김택중 (연세대학교 생명과학기술학부) ,  최수임 (와이디생명과학) ,  곽호영 (와이디생명과학) ,  김한성 (연세대학교 의공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Microcurrent electrical stimulation(MES) has been used to accelerate recovery of atrophied skeletal muscle. However, convincing stimulation parameters for suppressing muscle atrophy due to injured sciatic nerve remains unclear. The objective of this study was to investigate the effective intensity o...

주제어

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문제 정의

  • 결론적으로, 본 연구는 불용성 근위축을 해결하기 위한 한 방법으로 어떤 세기의 미세 전류 자극이 효과적인지를 제안하기 위해 수행하였다. Micro-CT에서 획득한 영상을 이용하여 쥐의 우측 하퇴근 부피의 단면 촬영 사진과 3D 분석을 통한 근육 부피를 정량적으로 파악한 결과 100 μA 이상의 미세 전류 자극이 근위축 질환에 있어 긍정적인 결과를 나타내는 것을 알 수 있었고, 특히 400 μA 세기의 미세 전류 자극이 근위축 질환에 있어 더 효과적일 것으로 예측된다.
  • 따라서, 본 연구에서는 근위축 억제 및 개선에 대하여 효과적인 미세 전류 세기를 찾기 위해 좌골 신경절제술을 이용한 소동물 근위축 모델에 22 μA, 100μA, 400 μA의 3가지 세기의 미세 전류 자극을 적용하고 근육 부피의 형태학적 변화를 통해 각각의 억제 및 개선 정도를 비교 및 분석하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 좌골신경절제술을 이용한 소동물 근위축 모델에 미세 전류의 효과를 평가하고, 미세 전류의 효과적인 세기를 찾기 위해 22 μA, 100 μA, 400 μA의 3가지 세기의 미세 전류 자극을 적용함으로써 근육 부피의 변화를 형태학적으로 평가하여 각각의 개선 정도를 살펴보고자 하였다.
  • 또한, 미세전류자극에 따른 호중구의 세포 이동에 대한 기존 연구 결과, 60 μA 에서 가장 활발하게 세포 이동이 나타났으며[34], 미세전류자극 세기(100, 200,300 μA)에 따른 인체 피부세포의 주전성에 대한 기존 연구에서는 세포 이동률 및 세포 이동과 관련된 라멜리포듐의 생성이 200 μA에서 가장 높게 나타났다[35]. 이를 바탕으로 세포 종류에 따라 효율적인 미세전류자극 세기가 다르게 나타날 것이라고 사료되어, 본 연구에서는 근위축이 유발된 근육 조직에의 미세전류 자극의 영향 평가와 동시에 자극 세기에 따른 효과를 비교 및 분석하고자 하였다. 이를 바탕으로 자극 세기 선정은 기존 연구에서 이용되어 왔던 10 μA에서 500 μA 범위 내에서 이루어졌으며, 근육조직에 주로 적용하였던 100 μA[22,36], 최소치와 근사한 22 μA, 최대치와 근사한 400 μA, 총 3가지 자극 세기를 선정하여 그에 따른 근위축 억제 및 개선 효과를 비교분석 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
척수 혹은 신경에의 손상이 유발하는 문제점은? 인간은 다양한 형태의 근위축을 경험한다[1]. 급증하는 교통사고와 산업재해로 인한 척수 혹은 신경에의 손상은 뇌와 신경 말단부 및 근육 간 신경전달을 차단하고 움직임을 제한함으로써 심각한 근위축과 근손실을 유발한다[2]. 또한, 건강에 대한 관심 증가로 인한 국민 생활체육 참여율 증가에 따른 빈번한 근육 부상은 회복을 위해 고정물 혹은 깁스를 적용시킴으로써 해당 근육의 사용에 제한을 주는데, 이는 근육 단백질 합성 저하와 근육 단백질 분해의 증가로 인해 근육의 위축을 촉진한다고 알려져 있다[3].
종래의 일반적인 전기 자극 치료법의 공통점은 무엇인가? 대표적인 방법으로는 상실한 운동기능을 재건할 수 있는 효과가 제안된 기능적 전기 자극(FES, Functional Electrical Stimulation), 일시적인 통증 완화 기능을 지닌 경피 신경 전기자극(TENS, Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation), 그리고 근 경축 완화에 효과적인 고전압 맥동 전류 자극(HVPCS, High Voltage Pulsed Current Stimulation) 등이 포함된다[5-7]. 이러한 종래의 일반적인 전기 자극 치료법은 모두 1 mA 이상의 전류를 사용하는 공통점을 지닌다. 하지만 밀리암페어(mA)의 단위를 사용한 치료를 장기간 지속할 경우 피부에의 전기 화상을 유발시킬 뿐만 아니라 환자의 신체 특성에 따라 과민반응이 나타날 가능성 등의 단점을 지닌다.
전기자극 치료방법에는 무엇이 있나? 이에 따라 근위축을 최소화하고, 회복을 용이하게 하며, 효과적인 재활을 위하여 다양한 전기자극 치료방법들이 제안되어 왔다. 대표적인 방법으로는 상실한 운동기능을 재건할 수 있는 효과가 제안된 기능적 전기 자극(FES, Functional Electrical Stimulation), 일시적인 통증 완화 기능을 지닌 경피 신경 전기자극(TENS, Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation), 그리고 근 경축 완화에 효과적인 고전압 맥동 전류 자극(HVPCS, High Voltage Pulsed Current Stimulation) 등이 포함된다[5-7]. 이러한 종래의 일반적인 전기 자극 치료법은 모두 1 mA 이상의 전류를 사용하는 공통점을 지닌다.
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참고문헌 (36)

  1. W.T. Lim, N.G. Lee, and B.S. Choi, "Disuse Atrophy of Skeletal Muscle : From Bench to Bedside," Korea Journal of Neural Rehabilitation, vol. 6, no. 1, pp. 50-55, 2016. 

  2. Y.J. Jung, "Effects of hemiplegia and pamplegia induced by sciatic nerve injury on both tibiae and lumbar vertebra trabecular bone; Correlation between the magnitude and Rate of Bone loss and baseline bone Quantity(BV/TV)(Masters dissertation)," Graduate School, Yonsei University, Korea, 2013. 

  3. Robert, W. J., and Susan, C. K., "The molecular basis of skeletal muscle atrophy," American Journal of Physiology-Cell Physiology, vol. 287, no. 4, pp. 834-843, 2004. 

  4. G.H. Won, C. Kim, and C.G. Kim, "Effects of Electromyostimulation and Weight Training on Muscle Morphology and Function," The Korea Journal of Education, vol. 40, no. 1, pp. 490-498, 2001. 

  5. G.M. Eom, G. Khang, and J.H. Yi, "Restoration of Motor Function using Electrical Stimulation : Functional Electrical Stimulation (FES)," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, vol. 20, no. 1, pp. 26-35, 2003. 

  6. Y.J. Jung, S.J. Ko, H.M. Yoo, and D.Y. Jung, "Effects of Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation and Microcurrent Electrical Neuromuscular Stimulation on Delayed Onset Muscle Soreness," Korean Research Society of Physical Therapy, vol. 7, no. 2, pp. 76-87, 2000. 

  7. D.J. Lee, D.Y. Lee, and D.Y. Hwang, "Effects of Ultrasound and High-Voltage Pulsed Current on Adjuvant-Induced Arthritis in Rats," Korean Research Society of Physical Therapy, vol. 13, no. 3, pp. 33-40, 2006. 

  8. Mercola, J. M., and Kirsch, D. L., "The basis for microcurrent electrical therapy in conventional medical practice," Journal of Advancement in medicine, vol. 8, no. 2, pp. 107-120, 1995. 

  9. H.U. Moon, "Effects of Microcurrent and High Voltage Pulsed Galvanic Current Stimulation on Fibular Fracture Healing of the Rabbits," The Korea Contents Association, vol. 11, no. 10, pp. 287-292, 2011. 

  10. W.A. Kwon, R.J. Park, Y.K. Park, and T.Y. Hwang, "The Effects of Pulsed Electromagnetic Energy and Microcurrent on wound Healing in Rabbits," The Korean Society of Physical Therapy, vol. 12, no. 3, pp. 319-329, 2000. 

  11. Lambert, M. I., Marcus, P., Burgess, T., and Noakes, T. D., "Electro-membrane microcurrent therapy reduces signs and symptoms of muscle damage," Medicine and Science in Sports and Exercise, vol. 34, no. 4, pp. 602-607, 2002. 

  12. R.J. Park, S.J. Choi, G.A. Cheng, M.S. Cho, J.S. Cho, Y.M. Lee, Y.H. Cho, and S.H. Park, "Effects of Induced Microcurrent Shoes on Fatigue and Pain in Painful Foot to Patients with Plantar Fascitis," The Korean Society of Physical Therapy, vol. 18, no. 1, pp. 1-10, 2006. 

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  14. J.W. Jung, "A Study for Pain Relief Effect of Microcurrent," The journal of Korean academy of physical therapist, vol. 12, no. 2 pp. 195-205, 1991. 

  15. H.J. Oh, J.Y. Kim, and R.J. Park, "The Effects of Microcurrent Stimulation on Recovery of Function and Pain in Chronic Low Back Pain," Korean Society of Physical Medicine, vol. 3, no. 1, pp. 47-56, 2008. 

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  17. Chang-Yong Ko, Dong-Hyun Seo, and Han Sung Kim, "Suggestion of methodology for evaluation of abdominal adipose tissue of C57BL/6 female mice using in-vivo Micro-CT," Tissue Engineering and Regenerative Medicine, vol. 7, no. 4, pp. 410-418, 2010. 

  18. Yoshitaka Ohno, Hiroto Fujiya, Ayumi Goto, Ayane Nakamura, Yuka Nishiura, Takao Sugiura, Yoshinobu Ohira, Toshitada Yoshioka, Katsumasa Goto, "Microcurrent electrical nerve stimulation facilitates regrowth of mouse soleus muscle," Int J Med Sci, vol. 10, no. 10, pp. 1286-1294, 2013. 

  19. Bayat, M., Asgari-Moghadam, Z., Maroufi, M., & Rezaie, F. S., "Experimental wound healing using microamperage electrical stimulation in rabbits," Journal of rehabilitation research and development, vol. 43, no. 2, pp. 219-226, 2006. 

  20. Fujiya, H., Ogura, Y., Ohno, Y., Goto, A., Nakamura, A., Ohashi, K., Uematsu, D., Aoki, H., Musha, H. & Goto, K., "Microcurrent electrical neuromuscular stimulation facilitates regeneration of injured skeletal muscle in mice," Journal of sports science & medicine, vol. 14, no. 2, pp. 297, 2015. 

  21. Yoshida, A., Fujiya, H., Goto, K., Kurosaka, M., Ogura, Y., Yatabe, K., Yoshioka, H., Terauchi, K., Funabashi, T., Akema, T., Niki, H. and Musha, H., "Regeneration of injured tibialis anterior muscle in mice in response to microcurrent electrical neuromuscular stimulation with or without icing," Journal of St. Marianna University, vol. 6, no. 2, pp. 159-169, 2015. 

  22. Zickri, Maha Baligh, "Possible Local Stem Cells Activation by Microcurrent Application in Experimentally Injured Soleus Muscle," International journal of stem cells, vol. 7, no. 2, pp. 79-86, 2014. 

  23. Takao Sugiura, Noritaka Abe, Mai Nagano, Katsumasa Goto, Kunihiro Sakuma, Hisashi Naito, Toshitada Yoshioka and Scott K. Powers, "Changes in PKB/Akt and calcineurin signaling during recovery in atrophied soleus muscle induced by unloading," American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, vol. 288, no. 5, pp. R1273-R1278, 2005 

  24. Sasai, N., Agata, N., Inoue-Miyazu, M., Kawakami, K., Kobayashi, K., Sokabe, M., and Hayakawa, K., "Involvement of PI3K/Akt/TOR pathway in stretch-induced hypertrophy of myotubes," Muscle & nerve, vol. 41, no. 1, pp. 100-106, 2010. 

  25. OUWENS, D. M., WITHERS, D. J., ALESSI, D. R., and SHEPHERD, P. R., "Mammalian target of rapamycin is a direct target for protein kinase B: identification of a convergence point for opposing effects of insulin and amino-acid deficiency on protein translation," Biochemical Journal, vol. 344, no. 2, pp. 427-431,1999. 

  26. Fan, Yongjun, Kathleen G. Dickman, and Wei-Xing Zong, "Akt and c-Myc differentially activate cellular metabolic programs and prime cells to bioenergetic inhibition," Journal of Biological Chemistry, vol. 285, no. 10, pp. 7324-7333, 2010. 

  27. Manning, Brendan D., and Lewis C. Cantley., "AKT/PKB signaling: navigating downstream," Cell, vol. 129, no. 7, pp. 1261-1274, 2007. 

  28. Robey, R. Brooks, and Nissim Hay. "Is Akt the "Warburg kinase"?-Akt-energy metabolism interactions and oncogenesis," Seminars in cancer biology, vol. 19, no. 1, pp. 25-31, 2009. 

  29. Shiojima, Ichiro, and Kenneth Walsh, "Role of Akt signaling in vascular homeostasis and angiogenesis," Circulation research, vol. 90, no. 12, pp. 1243-1250, 2002. 

  30. Baar, Keith, and Karyn Esser, "Phosphorylation of p70S6kcorrelates with increased skeletal muscle mass following resistance exercise," American Journal of Physiology-Cell Physiology, vol. 276, no. 1, pp. C120-C127, 1999. 

  31. Sue C. Bodine, Trevor N. Stitt, Michael Gonzalez, William O. Kline, Gretchen L. Stover, Roy Bauerlein, Elizabeth Zlotchenko, Angus Scrimgeour, John C. Lawrence, David J. Glass and George D. Yancopoulos, "Akt/mTOR pathway is a crucial regulator of skeletal muscle hypertrophy and can prevent muscle atrophy in vivo," Nature cell biology, vol. 3, no. 11, pp. 1014-1019, 2001. 

  32. Zanchi, Nelo Eidy, and Antonio Herbert Lancha, "Mechanical stimuli of skeletal muscle: implications on mTOR/p70s6k and protein synthesis," European journal of applied physiology, vol. 102, no. 3, pp. 253-263, 2008. 

  33. Rossen, J., "Introduction to Microcurrent and Guide to Its Greatest Effectiveness," Pengrove, Carliff, 1989. 

  34. Fukushima, K., Senda, N., Iuri, H., Tamai, Y., and Mauakami, "Studies of galvanotaxis of leukocytes," Medical Journal of Osaka University, vol. 4. no. 2-3, pp. 195-208, 1953. 

  35. Uemura, M., Maeshige, N., Koga, Y., Ishikawa-Aoyama, M., Miyoshi, M., Sugimoto, M., and Usami, M, "Monophasic pulsed $200-{\mu}A$ current promotes galvanotaxis with polarization of actin filament and integrin ${\alpha}2{\beta}1$ in human dermal fibroblasts," Eplasty, vol. 16, 2016. 

  36. Kang, Da-Haeng, Jae-Keun Jeon, and Joon-Hee Lee, "Effects of low-frequency electrical stimulation on cumulative fatigue and muscle tone of the erector spinae," Journal of physical therapy science, vol. 27, no. 1, pp. 105-108, 2015. 

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