Anti-Inflammatory Effects of High-Intensity Resistance Exercise : Analysis of Alterations in Cytokine Expression in a DNBS-Induced Colitis Mouse Model = 고강도 저항성 운동의 항염증학적 효과: DNBS 유도 장염 마우스 모델에서의 사이토카인 발현 변화 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Inflammatory bowel disease (IBD) is a chronic, relapsing inflammatory disorder characterized by impaired mucosal integrity and disrupted immune homeostasis, leading to structural damage in the gastrointestinal tract and systemic immune dysfunction. Although the anti-inflammatory effects of low-intensity resistance exercise (LIRE) have been reported in several studies, evidence regarding the immunomodulatory mechanisms of high-intensity resistance exercise (HIRE) remains limited. Therefore, the present study investigated the effects of HIRE on inflammatory responses and molecular, histological, and immunological indices in a DNBS (dinitrobenzene sulfonic acid)-induced acute colitis mouse model.
Twenty-eight male C57BL/6 mice were randomly assigned to four groups: control (CON), DNBS-induced colitis (DNBS), high-intensity resistance exercise (HIRE), and combined high-intensity resistance exercise plus DNBS (HIRE+DNBS). HIRE consisted of a 4-week progressive vertical ladder-climbing protocol with incremental loads (0%, 30%, 50%, and 100% of body weight). Acute colitis was induced via intracolonic administration of DNBS. Disease activity index (DAI), rectal prolapse, colon length, changes in spleen and mesenteric lymph nodes (mLN), histological alterations, mRNA expression of inflammatory cytokines (iNOS, TNF-α, TGF-β, and IL-17), and protein levels of HO-1 and HIF-1α were assessed.
The DNBS group exhibited typical acute colitis responses, including elevated DAI, shortened colon length, mucosal destruction, and hypertrophy of the spleen and mLN. Although no significant differences in body weight changes were observed between the DNBS and HIRE+DNBS groups, the HIRE+DNBS group demonstrated significant improvements in disease activity, including reduced DAI and rectal prolapse, preservation of colon length, and attenuation of histological damage (p < 0.05). At the molecular level, DNBS markedly increased the expression of pro-inflammatory mediators iNOS, TNF-α, and IL-17, whereas HIRE significantly suppressed their expression. In contrast, TGF-β expression, which was dysregulated following DNBS exposure, showed a trend toward normalization in the HIRE+DNBS group, suggesting restoration of immune regulatory balance. Western blot analysis revealed DNBS-induced elevations in HO-1 and HIF-1α protein expression, with HIRE exerting limited modulation of these pathways under the present experimental conditions. In addition, splenic and mLN hypertrophy was attenuated following HIRE, indicating reduced systemic immune overactivation.
Collectively, these findings indicate that high-intensity resistance exercise exerts anti-inflammatory and immunomodulatory effects in DNBS-induced colitis primarily by suppressing pro-inflammatory mediators associated with oxidative stress and Th17-related immune responses, preserving mucosal structural integrity, and stabilizing immune organ activation, rather than through significant alterations in body weight or robust activation of hypoxia-related pathways. Accordingly, HIRE may represent a time-efficient and feasible non-pharmacological intervention with the potential to improve key aspects of inflammatory bowel disease pathophysiology. These results provide foundational evidence supporting the incorporation of high-intensity resistance exercise into future strategies for IBD prevention, disease management, and exercise prescription.

국문 초록 (Abstract)

염증성 장질환(Inflammatory Bowel Disease, IBD)은 만성적인 점막 염증과 면역 항상성 붕괴로 특징지어지며, 장 조직의 구조적 손상과 전신 면역 반응의 이상을 동반하는 난치성 질환이다. 최근 저강도 운동의 항염 효과는 비교적 널리 보고되어 왔으나, 고강도 저항성 운동(high-intensity resistance exercise, HIRE)이 장내 면역 기전, 특히 염증성 사이토카인 및 적응면역 반응에 미치는 영향에 대한 근거는 여전히 부족하다. 이에 본 연구는 DNBS(dinitrobenzene sulfonic acid)로 유도된 급성 장염 마우스 모델을 활용하여, 고강도 저항성 운동이 염증 반응과 분자생물학적·조직학적·면역학적 지표에 미치는 영향을 규명하고자 수행되었다.
수컷 C57BL/6 마우스 28마리는 통제군(CON), 염증성 장질환 유도군(DNBS), 고강도 저항성 운동군(HIRE), 고강도 저항성 운동 병행군(HIRE+DNBS)으로 무작위 배정되었다. 고강도 저항성 운동은 4주간 사다리 등반 기반의 점증적 부하 운동(체중의 0%, 30%, 50%, 100%)으로 구성되었으며, 이후 DNBS를 직장 내 투여하여 급성 염증을 유도하였다. 실험에서는 질병활성지수(Disease Activity Index, DAI), 직장 탈출, 대장 길이, 비장 및 장간막 림프절(mesenteric lymph node, mLN)의 변화, 조직학적 손상 정도, 염증성 사이토카인(iNOS, TNF-α, TGF-β, IL-17) mRNA 발현, 그리고 HO-1 및 HIF-1α 단백질 발현을 분석하였다.
그 결과 DNBS 단독군은 DAI 상승, 대장 길이 단축, 점막 구조 붕괴, 비장 및 mLN 비대 등 전형적인 급성 장염 반응을 보였다. 체중 변화에서는 DNBS군과 HIRE+DNBS군 간 통계적으로 유의한 차이가 관찰되지 않았으나, HIRE+DNBS군에서는 DAI와 직장 탈출 빈도가 유의하게 감소하였고, 대장 길이 보존 및 조직학적 손상이 뚜렷하게 완화되었다(p<0.05). 또한 DNBS 투여로 증가한 iNOS, TNF-α 및 IL-17 발현은 운동 병행 시 유의하게 억제되었으며, TGF-β는 정상 수준에 가깝게 조절되어 염증–회복 사이토카인 균형이 회복되는 양상을 나타냈다. Western blot 분석에서는 운동군에서 HO-1 발현이 증가하는 경향을 보였으나, DNBS로 유도된 HIF-1α 조절 효과는 제한적으로 나타났다. 아울러 비장 및 mLN 비대 역시 고강도 저항성 운동 병행 시 완화되어 전신 면역계의 과활성화가 감소한 것으로 확인되었다.
이상의 결과는 고강도 저항성 운동이 DNBS로 유도된 장염 환경에서 체중 변화와는 독립적으로, 질병활성지수 및 조직학적 손상 지표를 개선하고, iNOS, TNF-α 및 Th17 관련 사이토카인인 IL-17의 발현을 억제함으로써 염증 반응을 조절하며, 점막 구조와 면역기관의 안정성을 유지하는 항염증 및 면역조절 효과를 발휘함을 시사한다. 이에 따라 고강도 저항성 운동은 염증성 장질환의 병태생리에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 시간 효율적이고 실행 가능한 비약물적 중재 전략으로 활용될 가능성이 높으며, 향후 염증성 장질환의 예방과 관리, 그리고 운동처방 전략 수립을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• (Abstract)
• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Significance and Rationale of the Study 1
• 2. Purpose of the Study 7
• 3. Research Hypotheses 8
• 4. Definition of Terms 9
• Ⅱ. Methods 10
• 1. Subjects 10
• 2 Mouse Model Induced by Dinitrobenzene Sulfonic Acid (DNBS) 10
• 3. Experimental Design and Exercise Protocol 11
• 4. Analytical Methods 14
• (1) Body Weight Change 14
• (2) Measurement of Colon, Lymph Node, and Spleen Length and Weight 14
• (3) Macroscopic Image Analysis 14
• (4) Disease Activity Index (DAI) 15
• (5) Hematoxylin and Eosin (H&E) Staining 15
• (6) Quantification of Colonic Inflammation 16
• (7) RNA Isolation 17
• (8) Real-Time PCR 18
• (9) Western Blot Analysis 19
• 5. Statistical Analysis 20
• Ⅲ. Results 21
• 1. Changes in Body Weight 21
• 2. Morphological Changes in the Mouse Anus and Disease Activity Index (DAI) 23
• 3. Comparison of Colon Length 25
• 4. Histopathological Changes and Quantification of Inflammation in the Colon 27
• 5. mRNA Expression of Cytokines (iNOS, TGF-β, TNF-a, IL-17) in Colon Tissue 296. Protein Expression of HO-1 and HIF-1a in Colon Tissue by Western Blot Analysis 33
• 7. Morphology, Weight, and Size Changes of the Spleen and Mesenteric Lymph Node (mLN) in DNBS-Induced Colitis Mice 35
• 8. Morphological and Weight Changes in the Mesenteric Lymph Node (mLN) 37
• Ⅳ. Discussion 40
• Ⅴ. Conclusion and Implications 46
• References 51