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뼛속 미세 채널은 스트레스 감지해 뼈세포에게 전달.
뼈세포는 부하에 반응해 필요한 부위 성장 시켜 적응한다.
미세 채널의 구조에 따라 뼈성장 속도 다르다.

뼈의 압력에 대한 인식이 풀렸다
체액으로 채워진 채널은 뼈세포가 스트레스를 감지하도록 돕는다.

섬세한 시스템 :
우리의 뼈는 부하를 받는 영역을 성장시킴으로써 스스로 적응한다.
뼈가 이 부하가 어디에 있는지 어떻게 알아차릴까?
연구 결과에 따르면 액체로 채워진 네트워크가 이에 결정적인 역할을 한다.
이 운하의 압력 분포가 성장이 필요한 뼈세포를 알려준다.
동시에 이 네트워크에서 차이점이 많은 사람들이 트레이닝을 해도 효과가 적은 이유를 설명한다. 

▲ 뼈는 복잡한 구조를 가지고 있으며 그 밀도는 부하에 따라 증가한다. © Joxemai / / CC-by-sa 4.0

근육과 마찬가지로 뼈도 동적 시스템이다.
뼈가 형성되고 및 손실되는 속도는 부하에 유연하게 적응한다. 뼈가 훈련되면 뼈세포는 가장 필요한 곳에 새로운 지지 구조를 구축한다.
"그러나 뼈가 기계적 자극을 감지하고 이에 적응하는 방법은 지금까지 대부분 가설에 기반을두고 있다"고 포츠담에 있는 막스플랑크 콜라이드 인터페이스 연구소(Max Planck Institute for Colloids and Interfaces)의 알렉산더 판 톨(Alexander van Tol)과 그의 동료가 설명했다.
이상하게도 뼈는 기계적 하중 모델만으로 예상되는 것보다 다른 곳에서 종종 자란다.

뼈의 복잡한 채널 시스템

Van Tol과 그의 팀은 이제 이것이 왜 그런지 알 수 있다.
그들은 먼저 쥐가 정강이 뼈가 어떤 기계적 스트레스에 노출되었는지 정확하게 이해할 수 있도록 특수 훈련을 시켰다. 그런 다음 공초점 레이저스캐닝 현미경을 사용해 이러한 뼈의 단면을 조사했다.

▲ 마우스 뼈의 단면은 네트워크 아키텍처와 유체 흐름을 보여준다. © Alexander van Tol / MPI for Colloids and Interfaces

이것은 뼈 시스템에서 잠재적으로 중요한 움직임을 볼 수 있도록 만들었다.
유체로 가득 찬 미세한 채널과 동굴이 광범위하게 분기된 네트워크다.
이 소위 lacuno-canalicular network(LCN)는 전체 뼈를 관통하고 뼈세포(부수와 압력에 반응하는 세포)에 의해 지배를 받는다.
Tol의 동료 리하르크 바인카머(Richard Weinkamer)는 "이러한 기계 센서는 뼈가 역학적으로 필요해서 만들어지는 부위와 사라지는 곳을 알 수 있도록 한다"고 설명했다.

과학자들은 현미경 데이터와 보조 컴퓨터 시뮬레이션의 도움으로 근관 네트워크가 뼈세포와 뼈 성장에 어떻게 영향을 미치는지 확인했다.

유체 흐름이 중요하다.

채널 네트워크의 구조와 그 안의 유체 분포가 뼈세포의 압력 인식에 결정적인 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 골세포(osteocytes)의 감각 센서는 LCN(lacuno-canalicular network)의 압력 변화보다 뼈에 대한 직접적인 역학적 부하에 덜 반응한다.

연구진은 "유체의 변화하는 흐름은 반응을 유발할 만큼 충분히 강한 뼈세포에 인장력을 가한다"고 보고했다. 채널의 흐름은 특성에 따라 더 빠르거나 느릴 수 있으며 압력도 다른 각도로 전달된다.

따라서 뼈가 기계적 스트레스에 어떻게 반응하는지는 미세 채널 네트워크의 구조에 따라 달라진다. "네트워크 아키텍처는 유체의 흐름에 영향을 미치고 결과적으로 뼈세포의 기계적 자극에 영향을 미친다"고 van Tol과 팀은 설명했다. 이것을 고려할 때에만 역학적인 하중에 대한 뼈의 반응을 적절하게 모델링하고 예측할 수 있다.

▲ 50 µm의 영상 깊이에 걸쳐 평균된 경골 단면내 lacunocanalicular network (LCN)의 구조적 이질성. (A) 근관 밀도의 지도 (Ca. Dn, 단위 부피당 근관의 총 길이). (B) 기공 밀도의지도 (즉, 단위 부피당 간극 및 혈관의 부피). 아래에는 x 축 눈금이 선으로 표시된 두 수량에 대한 빈도 분포가 나와 있다. (자료: 관련 논문 Fig.2)

모든 뼈가 똑같이 잘 훈련되지 않는 이유

새로운 발견은 일부 사람들의 뼈가 표적 훈련에 제대로 반응하지 않는 이유를 설명해준다.
연구진은 실험용 마우스에서 이 효과를 관찰할 수 있었다.
“검사된 마우스는 뼈 훈련에 다른 정도의 반응을 보였다”고 van Tol은 말했다. "특히 새로운 뼈를 거의 생성하지 않는 마우스는 채널 구조가 느린 유체가 흐르는 네트워크를 가지고 있다."

이 관계는 아마도 인간에게도 적용될 수 있다.
"뼈 내부의 네트워크 구조가 역할을 한다면 특히 운동을 통해 뼈를 강화할 수 있다"고 van Tol은 말한다. 뼈의 관점에서 마우스와 인간은 매우 유사하다.
(2020 년 국립 과학원 회보, doi : 10.1073 / pnas.2011504117)

출처 : Max Planck Institute for Colloids and Interfaces

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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