작용기전이 상이한 스테로이드에 의해 초래된 마우스 골변화에 인간 부갑상선호르몬[rhPTH(1-84)] 투여가 미치는 영향

Abstract

[한글]

최근 들어 다양한 질환군에서 장기간의 스테로이드 사용이 늘면서 이들 환자에서 골다공증이 심각한 문제로 대두되고 있다. 스테로이드 유발성 골다공증은 골형성 장애로 인한 골소실이 특징적이며 최근 들어 bisphosphanate 제제, 소량의 인간 부갑상선호르몬 치료 등이 시도되고 있으나 아직까지 뚜렷한 치료 및 예방법이 없는 실정이다. 다양한 종류의 당질코르티코이드(스테로이드)가 알려져 있으나 이제까지 알려진 스테로이드의 역가(potency)는 당질코르티코이드의 유전자적 작용(genomic action)에 근거한 것으로, 최근 당질코르티코이드의 비유전자적 작용(non-genomic action)이 알려지면서 이러한 비유전자적 작용의 임상적 의미에 대한 연구가 필요한 실정이다.

이에 본 연구에서는 작용기전이 상이한 스테로이드를 마우스에 장기간 투여하여 스테로이드의 유전자적, 비유전자적 작용의 차이가 마우스의 골변화에도 차이를 일으키는지 알아보고자 하였다. 또한 골형성을 촉진시키는 인간 부갑상선호르몬의 병용 투여가 작용기

전이 다른 스테로이드로 인한 골변화에 어떤 영향을 미치는지 보고자 하였다.

실험 동물은 최대 골량을 보이는 생후 7-8주의 수컷 마우스를 사용하였고, 스테로이드는유전자적 작용은 같고 비유전자적 작용의 차이가 6배 이상 나는 dexamethasone과 betamethasone(dexa > beta)을 사용하였다. 1군 : 대조군, 2군 : dexamethasone 투여군, 3군 : b

etamethasone 투여군, 4군 : dexamethasone + rhPTH(1-84) 투여군, 5군 : betamethasone + rhPTH(1-84) 투여군으로 나누었고, 마취 상태에서 골밀도를 측정한 뒤 희생하여 형태학적인 골변화를 관찰하였다.

1. 제 2군에서는 평균 체중이 증가하였음에도 다른 군과 비교하여 현저한 골밀도의 감소를 보였고, 3군에서는 뚜렷한 골밀도의 감소가 없었다.

2. 스테로이드 사용으로 인한 골밀도의 감소는 인간 부갑상선호르몬 투여에 의해 회복되는 양상을 보였는데, 4군의 경우에 골밀도의 회복 양상이 현저하였다.

3. 골수기질 간세포(mesenchymal cell)의 표시 인자인 CFU-Fs 집락수와 조기 조골세포(pre-osteoblast) 분화의 표지 인자인 ALP(alkaline phosphatase) 양성 집락수를 비교한 결과, 2군에서는 ALP 양성 집락수의 현저한 감소를 보였으나 CFU-Fs 집락수의 감소는 없었다. 3군에서는 대조군과 유의한 차이가 없었다.

4. 제 4군의 경우 ALP 양성 집락수의 유의한 증가를 나타내었다.

5. 조골세포 분화에 따른 골질의 무기질화(mineralization)의 경우도 2군에서 유의하게 감소하고 4군과 5군에서 증가를 나타내었다.

6. 조직 형태학(histomorphometry) 분석 결과 2군에서 수질골(trabecular bone)의 양과 두께의 현저한 감소를 보였으며, 4군과 5군에서는 수질골의 양과 두께의 유의한 증가를 보였다.

이상의 결과로 수컷 마우스에서, 비유전자적 작용이 강력한 dexamethasone의 장기투여가대조군과 betamethasone 투여군에 비하여 뚜렷한 골밀도의 감소를 가져온 것을 알 수 있다. 이러한 골밀도의 감소는 조골세포 분화의 초기 표지 인자인 ALP 양성 집락수와 miner

alization의 감소로 미루어 골수기질 간세포(mesenchymal cell)에서 조기 조골세포(pre-osteoblast) 로의 분화를 강력하게 억제하는 것으로 보인다. 또한 조골세포로의 분화 과정을 억제함에 있어 in vivo 에서는 비유전자적 작용의 축적(accumulation)이 유전자적 작

용보다 더욱 중요한 역할을 한다고 유추할 수 있겠다.

인간 부갑상선호르몬의 투여가 dexamethasone에 의한 골소실을 효과적으로 억제한 것으로 미루어, 그동안 밝혀진 조골세포와 골세포(osteocyte)의 세포고사(apoptosis)에 대한 억제뿐만 아니라 dexamethasone에 의한 골수기질 간세포에서 조기 조골세포로의 분화 과정 억제를 효과적으로 극복할 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 향후 스테로이드의 사용에 있어 비유전자적 작용이 골에 미치는 영향을 고려한 스테로이드의 선택과 인간 부갑상선호르몬의 적절한 병용 투여가 스테로이드 유발성 골다공증의 예방에 중요한 역할을 할

수 있을 것으로 생각된다.

[영문]

The long-term use of steroids in treating patients with various diseases have been increasing, and the side effects of steroids, especially osteoporosis becomes a serious problem. Defects in bone formation, which cause significant bone loss, is a pathognomonic findings in steroid induced osteoporosis. Trabecular bone is affected more markedly than cortical bone. Many methods, such as replacement of calcium and active form Vit D, fluroride or anabolic steroids, bisphosphanates, low dose PTH

administration, etc, were tried for the treatment. But, there was no clear consensus about treatment and prevention guidelines. Variable steroids have been known for their classical or genomic activity via glucocorticoid-responsive elements on genomic DNA. There is no doubt that the therapeutic effects of glucocorticoids are mostly receptor-mediated. However, in recently, there is

growing evidence that there is also non-genomic activity of glucocorticoids, via cytosolic receptor or via non-specific physicochemical activity. Therefore, It is necessary to verify a clinical significance of non-genomic action of glucocorticoid

on bone.

In this experiment, we tried to find whether there was difference of genomic and non-genomic action in changes of mouse bones. We also tried to find the impact of combining human parathyroid hormone, which facilitates bone formation, on changes

of bone induced by steroids with different mechanisms. We used 7-8 weeks old male mouse, which had maximal bone density at this stage. For the steroid, we have chosen dexamethasone and betamethasone. They have the same genomic action but have

a 6-fold difference for non-genomic action. The bone density was measured under anesthetic condition and then changes of bone was analyzed by QDR 4500A(Hologic, Waltham, MA,USA). They were divided into 5 groups as ; group 1 : control, group 2 : dexamethasone for 32 days, group 3 : betamethasone for 32 days, group 4 :dexamethasone and rhPTH(1-84) for 32 days, group 5 : betametha sone and rhPTH(1-84) for 32 days.

1. In group 2, although the average weight was increased, the bone mineral density was decreased significantly, compared to other groups. The bone density reduction was not significant in group 3.

2. Such reduction of the bone density tended to be improved with human parathyroid hormone applied, particularly in group 4.

3. Comparision of the mesenchymal cell indicator, CFU-Fs colony, and the pre-osteoblast segmentation indicator, ALP (alkaline phosphatase) positive colony, suggested that in group 2, there was a marked reduction in the number of ALP positive colony while no change in CFU-Fs colony.

4. The number of the ALP positive colony increased significantly in group 4.

5. von Kossa stain, which shows mineralization, the late indicator of the differentiation of osteoblast, was decreased in group 2 and increased in group 4 and 5.

6. Histomorphometrical study demonstrated that the volume and thickness of the trabecular bone decreased in group 2 and increased in group 4 and 5.

From the above results, we have shown that a long-term treatment with dexamethasone, which contains a strong non-genomic action, brought up marked reduction in the bone mineral density, compared to betamathasone treatment. Reduction of bone mineral density might be due to inhibition of differentiation from mesenchymal cell into osteoblast lineage, based on both the numbers of ALP

positive colonies for early osteoblast and mineralization.

These findings suggested that the accumulation of the non-genomic action of glucocorticoids has a greater impact on bone than genomic action in vivo. Injecting human parathyroid hormone has successfully inhibited the loss of bone density by

dexamethasone.

In conclusion, for the use of steroid in the future, non-genomic action for defects of bone formation in steroid induced osteoporosis should be considered, and the combined administration of parathyroid hormones might play an important role for prevention of bone loss.