Tensile force-induced in vivo differentiation of premaxillary suture cells in aged rats

Abstract

[한글]봉합(suture)은 두개안면 영역에만 존재하는 골간 섬유조직으로 성장기에서 주요 성장부위로서 골형성에 중요한 역할을 담당하고 대부분의 안면 봉합은 성장 완료 후에도 개통된 상태로 다소간의 간엽세포를 보유하고 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 봉합 내의 간엽세포는 기계적 자극 등에 의해 성숙한 조골세포로의

분화가 가능할 것으로 예상되나 성인에서 그 배경이 되는 세포반응에 대해서는 알려진 바가 없다. 생체 내에서 봉합 세포의 증식과 분화를 알아보기 위하여 Sprague-Dawley rat 수컷을 연령에 따라 어린 군(10주)30마리와 성년군(52주)30마리로 구분하여 각각 전치에 double helix를 이용한 인장력을 가하였다. 각 군은 실험 기간에 따라 대조군, 1일군, 3일군, 7일군, 14일군,21일군으로 각 군 당 5마리씩 나누어 전치에 50g의 지속적인 힘을 가하였다. 각 시기별로 동물을 희생하고 전구개 부분을 분리하여 H&E와 Masson’s trichrome염색을 실시하고, PCNA(proliferating cell nuclear antigen), FGFR2(fibroblast growth factor receptor2)및 ERK(extracellular signal regulated kinase)항체를 이용한 면역화학염색을 시행하였다. H&E염색 결과 두 군에서 공히 3일째에 봉합의 분리양상이 관찰되었고, 1주 후부터 봉합 내 간엽세포를 따라 뻗어 나오는 듯한 모양의 미성숙 골이 형성되는 것이 관찰되다가 3주째에는 어느 정도 성숙되면서 비교적 완만한 골 외형을 형성하였다. Masson’s trichrome염색에서는 어린 군에서는 1~2주, 성년 군에서는 3주째에 결체조직의 활성도가 두드러지다가 어린 군의 3주째에는 감소됨이 관찰되었다. FGFR2의 발현은 특히 골이 형성되는 전방부와 봉합 간엽세포를 따라 1일째에 증가하였는데, 두 군 모두 3주째 감소 양상이 나타났다. P-Erk의 발현은 3일째에 봉합 내에 강한 침착, 이후 1주째 감소하는 양상이었다. PCNA의 발현 양상은 정상 성장시와 유사하게 두 군 모두 3일째에는 골 표면에 인접해있다가 3주째에 감소 양상을 보였다.

본 연구 결과에 따라, 성년 백서에서 봉합 내 간엽세포에 가해진 인장력이 FGFR2및 Erk signaling과 관련된 골세포의 증식과 초기 분화를 유도할 수 있음을 관찰하였다. 두 군 모두에서 유사한 골세포의 증식과 분화 양상이 관찰되었으며 성년 백서의 전구개봉합 내의 간엽세포가 적절한 기계적 자극에 따라 반응하는 상당한 증식 및 분화 능력을 유지하고 있음을 알 수 있다.

[영문]The suture is a fibrous tissue intervening two adjacent bone segments,existing only in the craniofacial region. Osteogenesis is active in the sutureduring active growth, but the suture patency is maintained even after growthcessation, especially in the facial sutures. The mesenchymal cells in the patentsuture are expected to further differentiate into mature osteoblasts on certaintypes of activation, including the mechanical stress, but the underlying cellularresponse in aged individual is not known. To examine the proliferation anddifferentiation potential of the suture cells in vivo, tensile stress was given tothe male Sprague-Dawley rat incisors using a double helix in a total of 30young (ages 10 weeks) and another 30 aged (ages 52 weeks) group,respectively. Each group was subdivided into control, 1, 3, 7, 14, and 21 days,with 5 animals in each group, depending on the experiment period. A constantcalibrated force of 50g was given to the incisors. Premaxilla area wasretrieved from each animal for further histologic analysis, including H & E,Masson’s trichrome and immunohistochemical staining using p-Erk, PCNA andFGFR2. Gross suture separation and subsequent bone formation on the suturalside bone surface was observed in both groups from H & E staining, characterized as initial bone separation at 3 days, development of woven bonyprojection along the sutural mesenchyme at 1 week, and subsequentmaturation of the bony projection in three weeks of time. Masson’s trichromerevealed active collagen turnover along the thickness of the premaxillary bonearound 1-2 weeks (young) or 3 weeks (aged) depending on ages, followed bysubsequent reduction of the turnover rate at 3 weeks. Increase in FGFR2 wasinitiated at day 1, according to the force application along the osteogenic frontand spread over the sutural mesenchyme, and the expression was sustainedthroughout the experiment period in both groups. P-Erk-positive cells wereintensively localized in the suture area at 3 days and then decreased in 1 week.PCNA-positive cell layer was located at a vicinity of the bone surface at 3days in both groups and were gradually subsided in 3 weeks of time.According to the results, it can be implicated that the tensile stress appliedto the suture mesenchyme in the adult group may induce active boneformation associated with FGFR2 and Erk signaling cascade. Subsequentproliferation and differentiation of the bone cells were comparable in bothgroups. Mesenchymal cells in the premaxillary suture appear to retainremarkable potential for further proliferation and differentiation, implyingsignificant bone formation activity.