The effect of recombinant human bone morphogenetic protein-2, 4 and 7 on bone formation in rat calvarial defects

Abstract

[한글]

현재 20가지 이상의 골형성 유도 단백질 (bone morphogenetic protein, BMP)이 규명 되어 졌고 수많은 연구가 bone tissue engineering을 위해 rhBMP를 사용하여 왔다. 하지만, 이들 여러 가지의 골형성 유도 단백질들의 골 재생능력을 비교한 연구는 많지 않다. 따라서 본 연구의 목적은 백서 두개골 결손부에서 흡수성 콜라겐 스폰지(absorbable collagen sponge, ACS)를 운반체로 사용하여 rhBMP-2, 4, 7의 골형성 유도 효과를 평가하고자 함이다. 또한, 각rhBMP의 2주와 8주간의 시간적 차이도 관찰하였다. 본 연구에서 30마리의 웅성 백서에 지름 8 mm 임계크기 백서 두개골 결손부를 형성하였다. 동물은 각 10마리씩 0.025㎎/㎖ rhBMP-2/ACS, rhBMP-4/ACS, rhBMP-7/ACS를 이식하였다. 술 후 2주, 8주에 실험 동물을 희생하고, 조직학적, 조직계측학적 및 면역염색에 의해 비교 관찰하였다.조직학적 관찰 결과, rhBMP-2/ACS, rhBMP-4/ACS, rhBMP-7/ACS군 모두 술 후 2주와 8주에 뚜렷한 골형성 증가 효과를 보였다. 조직계측학적 관찰 결과, 결손부 폐쇄 (defect closure)와 신생골형성량 (new bone area), 골밀도 (bone density)는 동일시간 선상에서는 각군간에 차이는 보이지 않았지만 (P>0.05) 2주와 8주간에는 유의성 있는 차이를 보였다(P<0.05). 결국, 통계적으로 rhBMP의 종류와 시간 간에 상관 관계는 보이지 않지만 시간은 골형성에 영향을 미치는 변수로 작용한다(P<0.05). 또한, rhBMP의 종류에 관계없이 2주와 8주 모두에서 오스테오폰틴(osteropntin)과 오스테오칼신(osteocalcin)에 면역염색이 발현되었으며 특히 신생골주위와 그 세포에서 더 강하게 관찰되었다.이상의 결과에서 볼 때, 백서 두개골 결손부에서 ACS를 운반체로 사용하여 rhBMP-2, 4, 7을 적용하였을 때 골재생에 유의한 효과를 보였으며, 사용된 rhBMP의 농도와 연구기간 내에서 rhBMP의 종류에 따른 특별한 골재생 효과의 차이는 없다고 사료된다.

[영문]Background: Currently, more than 20 bone morphogenetic proteins (BMPs) have been identified and many trials have been carried out using recombinant human BMPs (rhBMPs) for bone tissue engineering. However, comparative analyses on bone formative activities of rhBMP using a preclinical model have been limited. Therefore, the aim of this study was to evaluate and compare the osteogenic potential of rhBMP-2, 4 and 7 delivered with ACS upon early (2 weeks) and complete (8 weeks) wound healing phases in a critical sized rat calvarial defect model.Materials and Methods: Eight-millimeter critical sized calvarial defects were created in thirty male Sprague-Dawley rats. The animals were divided into 3 groups of 10 animals each. The defects were treated with 0.025 ㎎/㎖ rhBMP-2/ACS, rhBMP-4/ACS, or rhBMP-7/ACS. The rats were sacrificed at either 2 (5rats) or 8 (5rats) weeks after surgery, and the results were evaluated histologically, histomorphometrically and immunohistometrically.Results: The surgical implantation of rhBMP-2/ACS, rhBMP-4/ACS or rhBMP-7/ACS resulted in enhanced local bone formation in the rat calvarial defect model at both 2 and 8 weeks. The amount of defect closure, new bone area, and bone density were similar in the three groups at each time point (P>0.05). In terms of bone density and new bone area, there were statistically significant differences between results obtained at 2 weeks and those obtained at 8 weeks in all groups (P<0.05). Two-way ANOVA revealed that there was no correlation between the time and conditions (P>0.05), but time was found to have a strong influence on defect closure, new bone area, and bone density (P<0.05). Irrespective of rhBMP type, positive immunoreactions of osteopontin (OP) and osteocalcin (OC) were evident at 2 and 8 weeks. Intense OP and OC staining was observed near the newly formed bone as well as in some cells within the new bone.Conclusions: Within the rhBMP types used, rhBMP concentration, and the observation interval, there appears to be no specific differences in bone regenerative potential. All rhBMPs used in this study may be considered effective factors for inducing bone formation.