생체 흡수성 지지체와 연골화 골수 간질 세포 복합체를 이용한 관절 연골의 재생 및 평가

Abstract

[한글]

관절연골의 손상은 외상에 의한 이차적 발생이나 박리성 골 연골염과 같은 특발성 원인에 의하여 발생하나, 관절연골의 자생력 결여로 인하여 현재까지도 연골 재생 치료에 많은 어려움이 있다. 최근 손상된 관절연골의 재생을 위해 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 최근에는 배양 세포 및 지지체를 이용하여 연골 재생을 유도하는 방법들이 고안되고 있다. 이러한 맥락에서 본 연구는 관절연골의 재생을 위해 TGF-β3로 전처리한 골수 간질세포 및 poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) 지지체를 사용하여 손상된 관절 연골을 재생하고자 하였으며, 다양한 방법을 이용하여 재생된 연골의 특성을 평가하고자 하였다.본 연구에서 고안된 방법에 의해 재생된 관절 연골의 생체 적합성 및 연골 재생 정도의 평가를 위해 가토 슬관절에 인위적 연골 결손 부위를 만든 후 TGF-β3로 전처리한 골수 간질세포/PLGA 지지체 복합체를 이식하였다. 연골 재생 여부를 확인하기 위해 이식 후 12주에 슬관절을 분리하였고, 대조군으로 설정한 TGF-β3로 처리하지 않은 골수 간질세포/PLGA 지지체 복합체를 이식하여 관절 연골을 재생한 가토군과 비교하여 외형적, 조직학적 그리고 생역학적 특성을 비교하였다.실험은 가토의 장골에서 골수를 흡인 한 후 골수 간질 세포를 분리하여 충분히 증식 시킨 후 PLGA 지지체에서 3차원 배양을 시행하였으며, 이식 전 3주간 TGF-β3로 전처리하였다. 이식 전 골수 간질세포/지지체 복합체에 대하여 관절 연골의 특징적인 유전자 및 단백질 발현 측정하여 연골화 여부를 확인하였고, 이후 연골화된 골수 간질세포/지지체 복합체를 가토의 슬관절 결손 부위에 이식하였다. 이식 12주에 6마리의 가토 중 5마리에서 관절연골의 재생이 관찰되었으며, 관절연골의 평가를 위해 생존한 가토의 슬관절을 안락사 후 분리하였다. TGF-β3로 전처리한 군에서는 외형적으로 주변 연골과 색, 투명도, 연결성 등에서 정상연골과 유사한 소견을 보였으며, 생역학적 특성에서 측정된 Young 계수는 정상연골의 약 80%의 소견을 보이는 것으로 나타났다. 조직학적 소견에서는 초자 연골 소견을 보였으며, 제 2형 교원질 조직화학염색에서 세포외기질의 발현도가 높았다. 특히, 조직소견을 점수화 하여 정상 연골과 비교 시 통계학적으로 차이가 없는 것으로 나타나 정상연골에 가까운 소견을 보였다. 이러한 소견들은 TGF-β3 비처리군과 비교 시 조직학적, 생역학적으로 향상된 소견을 나타내었다.따라서, 본 연구에서는 TGF-β3로 전처리한 골수 간질세포 및 지지체 복합체를 이용한 연골 재생법으로 초자 연골과 유사한 연골을 재생할 수 있었으며, 이러한 치료방법을 관절 연골 재생의 새로운 가능성을 제시하였다

[영문]

Focal Cartilage defects frequently occur in secondary to trauma or to the idiopathic condition such as osteochondritis dissecans. Cartilage has a limited capacity to heal and the treatment of cartilage defects remains a challenge. Recently the newly developed treatment modality using various cell and scaffold has shown the great progress to regenerate the hyaline cartilage. In this aspect, we designed new cartilage regeneration method using bone marrow stromal cells (bMSCs) and poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) scaffold composites pretreated of TGF-β3 and the properties of regenerated cartilage by this method were investigated comparing with the non TGF-β3 treated bMSCs/PLGA composites in rabbit model.We prepared bMSCs/PLGA scaffold composites and pre-treated this with TGF-β3 for 3 weeks prior to transplantation. Then, composites were transplanted to the osteochondral defect in rabbit knee. After 12 weeks post-transplantation, 5 of the 6 rabbits in which TGF- β3 pretreated bMSCs/PLGA scaffold composites were transplanted have shown cartilaginous regeneration. In gross morphology, regenerated cartilage showed smooth, flush, transparent features. In indentation test, this had ca. 80% of Young’s modulus of normal articular cartilage. Histological examination demonstrated hyaline like cartilage structures with glycosaminoglycan and type II collagen expression. Histological scores were not statistically different to the normal articular cartilage. These results showed improvement of cartilage regeneration comparing with the non pretreated bMSCs/PLGA scaffold composite transplanted group.Thus, we have successfully regenerated improved hyaline-like cartilage and determined the feasibility of treating damaged articular cartilage using bMSCs/PLGA scaffold composite pretreated of TGF-β3. Also, we suggest this treatment modality as another concept of cartilage tissue engineering.