Bone formation of onlay type grafted three different carriers with ErhBMP-2 in rat calvarium

Abstract

심하게 위축된 치조제의 수복에 이용되는 자가골의 블록형 채취는 공여부의 이환과 같은 한계점을 보이며, 이에 자가골을 대체할 블록형 골이식재에 대한 관심이 증가하였다. 뿐만 아니라 최근 조직 공학의 발전에 따라 성장인자에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며 골재생 분야에 있어서도 골형성 단백질의 개발과 임상적 활용에 대한 연구가 광범위하게 이루어지고 있다. 이 논문의 목적은 E. coli 발현 시스템에 의해 생산된 제 2형 재조합 골형성 단백질을 코팅한 콜라겐 스폰지, 인간 동결 건조 블록골과 콜라겐 함유 탈단백 우골을 백서 두개골에 온레이법으로 이식하여 신생골 형성에 미치는 효과를 비교 평가하는 것이다. 80마리의 웅성 백서가 실험에 사용되었다. 실험동물은 콜라겐 스폰지 를 이식한 대조군과 2.5㎍ 농도의 E. coli 발현 시스템에 의해 생산된 제 2형 재조합 골형성 단백질을 코팅한 콜라겐 스폰지, 인간 동결 건조 블록골과 콜라겐 함유 탈단백 우골을 적용한 군을 실험군으로 하였으며, 실험동물은 각 군당 10마리씩 배정하였다. 이식재는 직경 8mm, 높이 4mm의 원기둥 형태로 준비하여 웅성 백서의 두개골 표면에 위치시키고 골막에 수평 매트리스 봉합으로 고정하였다. 각 동물은 술 후 2주(n=10)와 8주(n=10)에 희생하였고, 조직학 및 조직계측학적 분석을 시행하였다. 각 시기에 총 증대 면적(mm2), 신생골 면적(mm2), 골밀도(%)를 영상 분석 프로그램을 이용하여 측정하였다. 조직계측학적 수치는 치유기간과 각 실험군 간의 차이를 비교 분석하기 위하여 Mann-Whitney 검정과 Kruskal-Wallis 검정을 이용하였고 사후 검정 방법으로 post hoc Scheffé’s test를 각 치유 기간에 있어 각기 다른 치료 방법의 차이를 분석하기 위해 사용하였다. (p<0.05). 1. 이식재에 E. coli 발현 시스템에 의해 생산된 제 2형 재조합 골형성 단백질을 적용한 실험군 모두 대조군에 비해 신생골 형성이 유의하게 크게 나타났다 (p<0.05). 2. 총 증대 면적은 실험군 모두 대조군에 비해 2주와 8주에서 유의하게 크게 나타났다 (p<0.05). E. coli 발현 시스템에 의해 생산된 제 2형 재조합 골형성 단백질을 적용한 콜라겐 함유 탈단백 우골군은 2주에서 공간 유지가 잘 되었으나 8주에서 2주에 비해 유의하게 총 증대 면적이 감소하였다 (p<0.05). 3. 신생골 면적은 실험군 모두 대조군에 비해 2주와 8주에서 유의하게 크게 나타났다 (p<0.05). 실험군 모두 8주에서 2주에 비해 신생골 면적이 유의하게 크게 증가하였다 (p<0.05). E. coli 발현 시스템에 의해 생산된 제 2형 재조합 골형성 단백질을 적용한 인간 동결 건조 블록골군은 각 시기에서 다른 군에 비해 신생골 면적이 유의하게 크게 나타났다. (p<0.05). 4. 골밀도는 실험군 모두 대조군에 비해 2주와 8주에서 유의하게 크게 나타났다 (p<0.05). 실험군 모두 8주에서 2주에 비해 골밀도가 유의하게 크게 증가하였다 (p<0.05). E. coli 발현 시스템에 의해 생산된 제 2형 재조합 골형성 단백질을 적용한 콜라겐 스폰지군은 각 시기에서 다른 군에 비해 골밀도가 유의하게 크게 나타났다 (p<0.05). 실험군 내에서 인간 동결 건조 블록골군은 각 시기에서 콜라겐 함유 탈단백 우골군에 비해 골밀도가 유의하게 크게 나타났다 (p<0.05). 본 실험 결과 E. coli 발현 시스템에 의해 생산된 제 2형 재조합 골형성 단백질을 2.5㎍의 농도로 콜라겐 스폰지, 인간 동결 건조 블록골, 콜라겐 함유 탈단백 우골에 적용하여 온레이 형태로 이식할 경우 신생골 면적과 골밀도 측면에서 유의하게 향상된 결과를 얻을 수 있는 것으로 사료된다. 뿐만 아니라 인간 동결 건조 블록골과 콜라겐 함유 탈단백 우골은 신생골 형성 능력과 공간 유지 능력을 보여줌으로써 온레이형 자가골 이식을 대체할 골이식재로 평가할 수 있다.;Purpose. In this study, we used 2.5ug E.coli-produced rhBMP-2 (ErhBMP-2) with three different carriers such as collagen sponge (CS), human freeze dried corticocancellous bone block (FDBB) and deproteinized bovine bone with collagen (DBBC) in rat calvarium with onlay graft. The purpose of the present study is to evaluate effect of ErhBMP-2 with three different carriers on efficacy in new bone formation when used as onlay type grafts in rat calvarium. Materials and methods. Eighty male Sprague-Dawley rats were used. Disk-shaped CS, FDBB and DBBC (8mm in diameter and 4mm in height) with 2.5ug of ErhBMP-2 were loaded on the rat calvarium. For control experiments, the CS was loaded with buffer alone. The rats were sacrificed at 2 and 8 weeks after surgery for histologic and histomorphometric analysis. At each period, total augmented area (mm2), new bone area (mm2) and bone density (%) were measured. Mann-Whitney and Kruskal-Wallis were used to analyze the effect of healing period and experimental conditions (p<0.05). Results. Implantation of rhBMP-2 produced in E. coli resulted in significantly more bone formation than the untreated controls (p<0.05). Total augmented area, new bone area and bone density of test groups showed significantly high value at both 2 and 8 weeks compared to control group (p<0.05). At 8 weeks, test groups showed more significant increase in new bone area and bone density than those at 2 weeks (p<0.05). ErhBMP-2/FDBB group showed significantly hightest in new bone area as compared with other groups (p<0.05). ErhBMP-2/CS group showed significantly hightest in bone density as compared with other groups (p<0.05). ErhBMP-2/FDBB group showed significantly higher bone density than ErhBMP-2/DBBC group (p<0.05). Conclusion. Within the limits of the present study, it was concluded that outcomes of onlay graft are significantly improved, especially in new bone formation and bone desity, when ErhBMP-2 is combined with CS, FDBB or DBBC. The onlay grafts with FDBB and DBBC may be able to eliminate the need for onlay bone autografts.