Experimental Development of Medication-related Osteonecrosis of the Jaw on Rats with Precedent Metabolic Bone Disease

Abstract

Purpose: Previous attempts to establish an animal model for osteonecrosis of the jaw (ONJ) have shown insufficient consideration for an important prerequisite, abnormal bone condition. This often results to the need for medication that induces the development of ONJ lesions. The purpose of this study was to establish an animal model with osteoporosis, the most common precedent metabolic disease for bisphosphonate administration. Materials and Methods: Ninety-six Sprague-Dawley rats were randomly divided into ovariectomy group (Ov=48) and sham-operated group (Sh=48). Six weeks after OV and sham surgery, rats were subdivided into bisphosphonate group (ShB and OvB), which were injected once a week with zoledronic acid (n=36 each) and the control group (n=12 each) with normal saline. After 6 weeks administration, all lower left molars were extracted, and 8 more weekly injections followed. Animals were then sacrificed for further macrsocopic, histological, histomorphometric, radiological and bone biomarker investigations. For statistical analysis, one-way ANOVA with Bonferroni (P<0.05) was utilized. Results: All OV control (OvC) and sham control (ShC) presented signs of normal wound healing. As clinically and histologically determined, OV group (77.8%) showed higher ONJ prevalence compared to sham group (47.2%; P<0.05). MicroCT confirmed a significant increase in newly formed bone volume in extraction socket for ShC group compared to the OvC group. In comparison, ShB-ONJ and OvB-ONJ groups demonstrated decrease in trabecular number and connectivity density. Micro-structural and histomorphometric assessments revealed that rats with ONJ (ONJ group) presented with deteriorated bone architectures with higher necrotic bone fraction and lower number of osteoclasts (P<0.05). Compared to the sham-operated ONJ group, the Ov ONJ group showed significantly lower values of Tb.N, Tb.Sp, Conn.D, N.Oc/T.Ar, and TRACP 5b and CTX/TRACP (P<0.05). Conclusion: The ovariectomized rat in this study successfully mimicked human ONJ lesions with an underlying bone disease and showed different bone characteristics than that of previous ONJ models. Based on the differences, further researches for investigating the pathophysiology of ONJ, including various pharmacological responses for deteriorated bone environment, are required.;목적: 약물 관련 악골 괴사증의 동물 모델을 형성하기 위한 이전의 연구들은 약물복용의 적응증이 되는 선행하는 골질환에 대한 고려가 불충분하였다. 이에 본 연구에서는 비스포스포네이트 복용의 가장 주된 적응증이 되는 대사성 골 질환인 골다공증을 선행하는 악골 괴사증 동물 모델을 형성하고 그 차이점을 연구하고자 하였다. 연구 방법: 96마리의 Sprague-Dawley 쥐가 자궁적출술을 받은 그룹 (Ov=48)과 유사수술을 받은 그룹 (Sh=48)으로 무작위로 분류되었다. 수술 6주 후, 각 그룹의 쥐들은 졸레드로닉산 (각 그룹당 n=36)을 한주에 한번 정주받은 비스포스포네이트 정주 그룹(ShB와 OvB)과 생리 식염수를 정주받은 대조군 (각 그룹당 n=12)로 분류되었다. 정주 6주 후 모든 좌측 구치부 치아를 발치하였으며, 8주 동안 더 정주하고 희생하였고, 각 동물들에서 거시적, 조직학적, 조직계측학적, 방사선학적, 골대사마커 조사가 시행되었다. 통계학적인 검증을 위하여 일원변량분석 및 본페로니 사후검증이 시행되었다. 결과: 모든 Ov 대조군 (OvC) 동물과 Sh 대조군 (ShC) 동물들은 정상적인 치유 과정을 나타내었다. 비스포스포네이트를 정주 받은 그룹에서 OV 그룹은 77.8%의 악골 괴사증 발병율을 보여 유사 수술을 받은 그룹보다 유의하게 높은 발병율을 나타내었다. (47.2%;P<0.05). 미세단층촬영 검사에서 ShC 그룹이 OvC 그룹과 비교하여 발치와의 신생골이 유의하게 증가됨을 나타내었다. 대조적으로, ShB-ONJ 및 OvB-ONJ 그룹은 소주 수 및 연결성 밀도의 감소를 나타내었다. 조직계측학적 검사에서 ONJ 그룹은 괴사 골 비율과 더 낮은 파골세포 수를 나타내었다. (P<0.05). 유사 수술을 받은 ONJ 그룹과 비교하여, 자궁적출술을 받은 ONJ 그룹은 통계학적으로 유의하게 낮은 Tb.N, Tb.Sp, Conn.D, N.Oc/T.Ar, 그리고 TRACP 5b와 CTX/TRACP 수치를 나타내었다 (P<0.05). 결론: 본 연구의 자궁적출술을 받은 쥐는 성공적으로 선행하는 골질환을 가진 인간의 악골 괴사증과 유사한 병변을 형성하였으며, 이는 이전의 다른 악골 괴사증 모델과 다른 골 특성을 나타내었다. 이러한 차이점에 기반하여, 추후에 약물 관련 악골 괴사증의 병태 생리를 규명하기 위한 연구가 필요할 것이라 사료된다.