골용해의 발생기전에서 폴리에틸렌 마모편이 골아세포에 미치는 영향

Abstract

[한글]

골용해는 인공관절수술 후 인공관절의 수명을 감소시키는 주된 합병증이다. 골용해의 발생기전은 복잡하며 아직까지 완전하게 알려지지 않았으나, 인공관절의 마모로 발생한 마모편이 비만세포나 대식세포에 의해 탐식되면, 이들 세포에서 분비된 매개인자에 의해 활성화된 파골세포가 골흡수를 유발하는 것으로 알려져 있다. 그러나 마모편이 골아세포에는 어떠한 영향을 미치는지 알려진 바가 적으며, 정상조직에서는 밀접한 상호작용을 가지고 있는 골아세포와 파골세포가 골용해 조직에서는 어떠한 상호작용에 의해 골형성에 비

해 골흡수를 촉진하는지도 잘 모르고 있다. 본 연구에서는 생후 1일된 백서의 두개골에서 분리한 골아세포를 일차배양하면서, 인공관절 재치환술시 채취한 Ultra-high molecular weight polyethylene(UHMWPE) 마모편을 투여하고, 배양 7일, 14일, 21일째 세포 증식율, alkaline phosphatase 활성도, 제1형 교원질 mRNA 발현, osteocalcin mRNA 발현, 골결절 형성, osteoprotegerin(OPG) mRNA 발현, osteoclast differentiation factor(ODF) mRNA 발현 등을 측정하여 골용해의 발생기전에서 골아세포의 역할을 규명하고자 하였다.

배양시기별 세포수는 혈구계로 측정하였고, alkaline phosphatase 활성도는 분광광도계를 이용하여 측정하였다. 제1형 교원질 mRNA 발현은 Northern blot법으로, osteocalcin mRNA, OPG mRNA, ODF mRNA 발현은 역전사-중합효소 연쇄반응(RT-PCR)법으로 분석하였으며,

골결절의 형성정도는 von Kossa 방법을 이용하여 측정하였다.

세포수는 UHMWPE 마모편을 투여한 군과 대조군에서 배양 7일째까지 모두 증가하였으나, 이후로는 UHMWPE 마모편을 투여한 군에서 대조군에 비해 의미있게 감소하였다. alkaline phosphatase 활성도는 양군간에 의미있는 차이를 보이지 않았고, 제1형 교원질 mRNA의 발

현은 배양 14일째에 대조군에 비해 의미있게 증가하였으나 21일째에는 차이가 없었다. osteocalcin mRNA의 발현도 제1형 교원질의 발현과 유사한 소견을 보였으나 통계학적인 차이는 없었다. 골결절은 UHMWPE 마모편 투여군에서 배양 7일째부터 나타나 배양기간에 따라 증가하는 소견을 보였으나, 대조군에서는 관찰되지 않았다. OPG mRNA의 발현은 양군에서 차이가 없었고 마모편 농도에 따른 변화도 없었으나, ODF mRNA의 발현은 고농도(4 ㎎/㎖)의 마모편 투여군에서 증가하였다.

결론적으로 UHMWPE 마모편은 백서의 골아세포의 증식을 억제하여 조기에 세포외 기질성숙과 무기질화 과정을 유도한 것으로 추정되며, 파골세포의 활성을 촉진하는 ODF의 발현을 증가시켰다. 따라서 골용해에서 UHMWPE 마모편은 직접적으로 골아세포의 증식에 영향

을 미칠 뿐만 아니라 간접적으로 파골세포의 활성을 촉진하여, 골 재형성과정에 불균형을 초래하는 것으로 사료된다.

[영문]

Osteolysis has been recognized as a major limitation of long-term survival of implanted prostheses in total joint arthroplasty. The pathophysiology of osteolysis is complex and not yet fully understood. It was believed that osteolysis resulted from bone resorption secondary to osteoclast stimulation by cytokines released from mast cells and macrophages that had phagocytosed submicron wear particles. The effect of wear particles on osteoblasts is not well-known. And the

interrelationship between osteoclast and osteoblast activity is closely regulated in the normal subject and is not fully understood. The relationship is altered in patients with implanted foreign material and submicron wear particle generation

such that bone resorption exceeds production. To determine the role of osteoblast in the pathogenesis of osteolysis, I cultured the osteoblasts primarily isolated from rat neonate calvariums and then evaluated cell proliferation, alkaline phosphatase activity, the expression of Type I procollagen mRNA, he expression of osteocalcin mRNA, bone nodule formation, and the expression of osteoprotegerin (OPG) mRNA and osteoclast differentiation factor (ODF) mRNA according to culture periods by adding ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) particles retrieved from osteolysis tissue of revision surgery. The particles were not added in the control group.

The cell proliferation was analyzed using a hemocytometer and alkaline phosphatase activity was measured by spectrophotometer. The expression of type I procollagen mRNA was analyzed by Northern blot method and the expression of osteocalcin mRNA, OPG, and ODF mRNA was analyzed by RT-PCR methods. The bone nodule was counted by von Kossa technique.

The cell proliferation was increasing in both group on the 7th day. Particle group showed statistically significant decrease in cell proliferation compared to that of the control group. In alkaline phosphatase activity, there was no significant

difference between both groups. The expression of type I procollagen mRNA was increased on the 14th day but it was not different to the control group on the 21th day. The expression of osteocalcin mRNA was similar pattern to type I procollagen

mRNA but there was no significant difference between both group. The bone nodules appeared at the 7th day and they was increased with time. There was no appearance of bone nodule in the control group. The expression of OPG mRNA in particle group

was similar to that of control group. The expression of ODF mRNA was significantly increased in high concentration particle group (4 ㎎/㎖) on the 14th day.

Conclusively, rat osteoblasts exposed to retrieved UHMWPE particles in monolayer culture ceased the proliferation of osteoblast and produced early extracellular matrix maturation and mineralization process in vitro and they increased the expression of ODF promoting osteoclast activities. In osteolytic lesions, UHMWPE particles may have a direct effect on the growth of osteoblasts and a indirect effect on the activation of osteo- clasts inducing an imbalance at bone remodelling.