Development of hypoparathyroidism animal model and effect of small intestinal submucosa on parathyroid autotransplantation

Abstract

Hypoparathyroidism is caused by congenital disorders or acquired disorders such as autoimmune diseases and iatrogenic damages. In particular, iatrogenic damages occur mostly in the process of thyroid or parathyroid surgery. Actually, there are cases where parathyroid tissue is resected in a process of thyroidectomy; in such a case, the resected tissue can be replaced by one autotransplanted on the spot. Although autotransplanation of parathyroid gland shows relative high success rate, it is still not known what the exact mechanism and role of this technique. Therefore, it is hard to guarantee whether or how long graft tissue survives in the body, and it is also difficult to predict the efficacy of this procedure. This study is to investigate whether or how small intestinal submucosa (SIS) would influence the engraftment of autotransplanted parathyroid tissues into animal models. The animals were divided into four groups: normal control (NC, no procedure), parathyroidectomized negative control (PTX, total parathyroidectomy without additional procedure), parathyroidectomized positive control (PT, total parathyroidectomy and autotransplanation of parathyroid tissue) and experimental group (PT+SIS, total parathyroidectomy and autotransplantation of parathyroid tissue with SIS). 5-aminolevulinic acid (5-ALA) was injected into the abdominal cavity of the lab rat. A longitudinal incision was made at the anterior neck, and dissection was performed to expose trachea and thyroid glands. Operative site was examined under a xenon light source (405 nm) to detect parathyroid glands. A pair of parathyroid gland exhibited red fluorescence anterolaterally to the thyroid gland, and was removed in whole (PTX group). After excision of a pair of parathyroid gland, the parathyroid tissues were implanted at the sternocleidomastoid muscle (PT group). The mixture of 0.1 ml SIS gel and minced parathyroid tissue was simultaneously implanted for the PT+SIS group. The three indexes, i.e., parathyroid hormone (PTH), calcium and phosphorous, were measured before (0 day), 3 days, 7 days, 21 days, 56 days and 84 days after surgery. On the tissues, histopathologic and immunohistochemical examinations were conducted. The PTX group was found to be qualified as hypoparathyroidism animal models given the fact that the PTH level fell down below the detectable level 3 days after surgery and maintained the same. On the 21st day after surgery, PTH was not detected in both PT and PT+SIS groups. On the 56th day, PTH levels rose in both groups; 3 out of 8 rats (37.5%) in the PT group, 6 out of 9 rats (66.7%) in the PT+SIS group. The measured PTH level on the 56th day was about 20% of preoperative PTH level in both groups. On the 84th day after surgery, the rise in the PTH level was observed in 6 out of 8 (75%) in the PT group and 7 out of 9 (77.8%) in the PT+SIS group. The PTH level was almost fully recovered its preoperative range at the 84th day in both groups. On biopsies of 84th day, tissue necrosis was not observed in any groups. Infiltration of inflammatory cells around the transplanted tissue was rarely observed in both groups. Neovascularization was well developed around the parathyroid tissue, and numbers of the newly formed vessels were higher in PT+SIS group than that of PT group. Immunofluorescence microscopy showed that PTH and chromogranin A became fluorescent in transplanted parathyroid glands in both PT and PT+SIS group. This study showed that autotransplanted parathyroid tissue could restore its normal function within 56 to 84 days. Furthermore, SIS was found to minimize tissue necrosis or inflammatory response, and to shorten the time for the engraftment of autotransplanted parathyroid tissue. Therefore, SIS is expected to quicken the functional recovery of autotransplanted parathyroid and to ease patients’ financial burdens of taking drugs and having examinations to prevent hypocalcemia until tissue engraftment. ;연구 목적: 부갑상선 기능저하증의 원인으로는 선천적 원인과 자가면역질환, 의인성 손상 등의 후천적 원인으로 나눌 수 있으며, 특히 의인성 손상으로는 갑상선수술 또는 부갑상선수술 시 발생하는 것이 가장 흔한 원인이다. 갑상선절제수술 도중 부갑상선 조직이 함께 절제된 경우에는 수술 현장에서 바로 부갑상선 조직을 자가이식하는 방법이 있으나, 이 방법은 자가이식된 부갑상선 조직의 생존율을 담보할 수 없으며, 따라서 치료의 효과와 정도를 예측하기가 힘들다. 본 연구는 부갑상선기능저하 동물모델을 확립하고, 이를 이용하여 부갑상선 자가이식시, SIS (porcine small intestinal submucosa)가 조직의 생착에 미치는 효과를 알아보고자 하였다. 연구 방법: 약 300-350g의 쥐를 이용하여, 아무런 시술을 시행하지 않은 정상군 (NC군), 부갑상선을 모두 제거한 군 (PTX군), 부갑상선이식군 (PT군), 부갑상선 및 SIS 이식군 (PT+SIS군)으로 나누어 실험하였다. NC군을 제외한 모든 군에서 쥐의 복강에 5-aminolevulinic acid (5-ALA)를 주사하고 경부에 절개를 가하여 쥐의 기관 및 갑상선을 노출시켰다. 그 후 405nm 파장의 빛에 노출시켜 형광색으로 관찰된 부갑상선을 모두 제거하였다 (PTX군). PT군은 제거한 부갑상선을 흉쇄유돌근에 자가이식하였고, PT+SIS군은 부갑상선조직과 함께 SIS를 이식하였다. 술 전, 술 후 3일, 7일, 21일, 56일, 84일에 혈중 PTH, 칼슘, 인 수치를 측정하였으며 술 후 84일 째 조직병리 및 면역조직검사를 시행하였다. 결과: PTX군에서 술 후 3일째부터 PTH가 측정되지 않았으며, 칼슘치도 NC군에 비해 술 후 3일째부터 유의하게 감소하여 적절한 부갑상선기능저하 동물모델을 확립하였다. PT군과 PT+SIS군 모두 술 후 21일째 PTH가 모두 측정되지 않았고 56일째는 PT군에서 8마리 중 3마리 (37.5%,) PT+SIS군은 9마리 중 6마리 (66.8%)에서 PTH가 증가하였다. 술 후 84일째에는 PT군은 8마리 중 6마리 (75%), PT+SIS군은 9마리 중 7마리 (77.8%)에서 PTH가 측정되었다. 술 후 56일째 PTH 농도는 술 전 농도의 20% 정도로 회복되었고, 84일째 PTH 농도는 두 군 모두 술 전 농도로 회복되었다. 조직검사 상에서도 두 군 모두 이식된 조직의 괴사소견은 보이지 않았다. 염증 소견은 거의 없었으며, 두 군 모두 이식된 부갑상선 주위로 신생혈관이 잘 형성되었고, PT+SIS군에서 신생혈관의 개수가 높게 관찰되었다. 면역형광검사에서 PTH, CHGA가 확인되어 자가이식된 부갑상선이 정상적으로 PTH를 분비하고 있음을 확인하였다.. 결론: 5-ALA를 이용하여 적절한 부갑상선기능저하 동물 모델을 확립하였다. 자가이식된 부갑상선이 정상 기능을 회복하기 위해서는 평균 2개월의 기간이 소요되었다. 또한, SIS가 조직의 괴사나 염증반응을 최소화하면서 부갑상선 자가이식에서 조직의 생착에 걸리는 기간을 단축시키는데 효과를 있음을 알 수 있었다. 부갑상선 자가이식시 SIS를 첨가함으로써 정상 부갑상선 기능으로의 회복에 걸리는 시간을 단축시키고, 나아가, 조직이 생착되기까지 저칼슘혈증 예방을 위해 복용하는 약물과 검사로 인한 환자의 경제적 부담, 번거로움을 해소하는데 도움이 될 것으로 사료된다.