An Experimental Study on the Microcracks in the Pathogenesis of Medication-Related Osteonecrosis of the Jaw (MRONJ) in Rats

Abstract

Purpose: The aim of this study was to investigate the potential role of microcrack accumulation in the pathogenesis of medication-related osteonecrosis of the jaw (MRONJ) conducted in an animal model. The focus was to analyze microcracks in ONJ-affected bone in contrast to samples under bisphosphonate (BP) treatment without signs of ONJ, as well as samples that did not receive BP treatment, yet underwent the same surgical intervention. Materials and methods: A total of 24 ovariectomized Sprague–Dawley rats were randomly divided into two groups. Group I (n=19) received Zometa (0.2mg/kg/week) and group II (n=5) received normal saline solution. Six weeks post-injection for both groups, tooth extraction of the lower left molars was performed as surgical intervention. Thereafter, animals received weekly injections for 8 more weeks. All animals were subjected to euthanasia and were sacrificed 14 weeks after the start of the study. Using the dried bone samples, ONJ lesion was inspected for presence of microcracks at 60-100x magnifications, while measurements were done at 200-600x magnifications. Measurements included bone dimension (mm2), crack number (Cr.N); crack length (Cr.Le), which has been suggested to be an important parameter in fatigue resistance. Crack density (Cr.Dn), the number of cracks within a given bone area, and crack surface density (Cr.S.Dn), the total length of all cracks in the given area, were also calculated. The statistical analysis used in this study was Mann-Whitney U test (p value < 0.05) Results: 1. Bisphosphonate group exhibited higher values of crack number and crack length between the control group and the BP-administered group. 2. Subsequently, crack density and surface density were significantly greater in samples in which osteonecrosis occurred. 3. Microcracks were found in all ONJ samples that were treated with bisphosphonates. 4. 72% of microcracks in the ONJ group conformed to the defined length as considered significant. Conclusion: Within the limitations of the present study, the results brought about evidences strongly supporting the idea that due to suppressed bone remodeling, unrepaired microcracks could compromise the microarchitecture of the jaw. Moreover, given the occurrence of continuous loading and habitual function of the jaw, an increase in microcrack accumulation could serve as a significant step in the initiation of the pathogenesis of MRONJ.;목적: 본 연구의 목적은 미세균열의 축적이 약물관련 악골 괴사증의 발병에 미치는 영향에 대해 연구하기 위함이다. 이를 위해 본 연구에서는 동물 모델을 통하여 비스포스포네이트 정주 후 악골 괴사증이 발생한 골과 발생하지 않은 골에서의 미세균열의 정량적 및 정성적 비교 분석을 시행하였다. 연구 방법: 총 24마리의 자궁 적출술을 받은 Sprague-Dawley 쥐를 무작위로 두 그룹으로 나누었다. 그룹 I은 (n=19) 조메타 (0.2mg/kg/week), 그룹 II는 (n=5) 생리 식염수를 매주 정주하였다. 정주를 시작하고 6주 후, 각 동물에서 좌측 구치부의 발거가 시행되었고, 그 후 8주간 정주가 더 시행되었다. 실험 시작 총 14주 후 동물을 희생하여, 주사전자현미경을 이용하여 60-100x에서 미세균열을 조사하였고, 측정은 200-600x 배율에서 이루어졌다. 미세균열의 정량화를 위하여 골 면적, 균열 수, 균열 길이 및 균열 밀도, 표면 균열 밀도가 측정되었으며, 만-휘트니 U 방법을 통해 통계학적 검증을 시행하였다. 결과: 1. 비스포스포네이트 그룹은 대조군에 비하여 더 많은 미세균열 수와 미세균열 길이를 나타내었다. (P value < 0.05) 2. 미세균열 밀도 및 표면 미세균열 밀도는 비스포스포네이트 그룹 중에서 악골 괴사증이 발병한 그룹에서 유의하게 높았다. (P value < 0.05) 3. 미세균열은 비스포스포네이트를 정주 한 동물에서 모두 관찰되었다. 4. 비스포스포네이트 그룹에서 미세균열의 72% 가 30~80 µm의 유의한 길이를 보였다. 결론: 본 연구의 결과는 약물에 의해 억제된 골 재형성에 때문에 회복되지 않은 미세균열이 궁극적으로 악골의 미세구조를 악화시킬 수 있다는 주장을 강하게 뒷받침한다. 뿐만 아니라 악골은 지속적인 기능적 부하가 가해지기 때문에, 이러한 미세균열 축적의 증가는 약물 관련 악골 괴사증의 발병에 있어 중요한 역할을 하리라 사료된다.