점진적 인장력이 치주인대 세포의 osteoprotegerin과 RANKL (Receptor Activator of Nuclear factor κB Ligand) mRNA 발현에 미치는 영향

Abstract

[한글]

치아 이동은 교정력이라는 기계적 자극에 대한 치주인대와 치조골의 상호 생리적 작용에 의해 일어나게 된다. 치아에 교정력이 가해지게 되면 치주인대는 기계적 자극을 생화학적 신호체계로 전환하여 치조골의 흡수와 생성을 조절하여 치아이동이 가능하게 한다. 지금까지 알려진 바에 의하면 골조직의 개조 과정에서 치주인대세포와 골아세포는 collagen 합성과 alkaline phosphatase (ALP)활성화에 의한 골생성 기능과 파골세포 분화와 활성도에 관여하는 osteoprotegerin (OPG)과 receptor activator of nuclear factor KB ligand (RANKL)를 생성하여 골흡수 기능을 조절하는 것으로 밝혀졌다. 교정력에 의해 치아가 이동할 때 기계적 자극에 있어서 압박부위와 인장부위의 물리적 차이가 있게 된다. 치아이동시 치주인대와 치아의 직접적인 접촉에 의해 눌리는 압박 부위에서 골의 흡수가 발생하고 치조골과 치아사이의 거리가 멀어짐으로 생기는 인장 부위에서 골의 생성이 주로 일어나게 된다. 이것은 물리적 자극의 주기와 정도의 차이가 흡수와 생성의 골대사를 조절하여 압박과 인장의 물리적인 자극의 차이에 의해 연속적인 생화학적 반응 체계가 결정되기 때문이다.이러한 기계적 자극의 영향에 대한 세포의 반응기전을 밝히기 위해서 유연한 성장표면을 가진 배양 용기 표면을 일시에 늘리고 인장된 형태를 유지시키는 방법과 이완과 신장을 반복하게 하여 주기적인 인장력을 가하는 방법이 주로 이용되었다. 대부분의 연구에서 인장력의 반응으로 골형성 인자인 ALP의 활성화와 골 흡수인자인 interleukin-1β (IL-1β)와 prostaglandin E2 (PGE2)의 생성이 증가하였다. 이러한 결과들은 기계적 자극에 대한 세포의 반응은 나타낼 수 있지만 치아이동시 치조골의 생성이 주로 일어나는 인장부위의 인장력 효과를 충분히 설명할 수 없었다. 인장부위의 골의 생성은 골형성 인자가 증가하거나 골흡수 인자가 억제되어야 하기 때문이다. 이렇게 생체반응과 일치하지 않기 때문에 치아이동시 치주인대 세포가 받는 유사한 조건을 재현하는 실험방법의 시도가 필요하게 되었다. 이 연구는 치주인대 세포에 지속적이고 점진적 인장력을 가하여 치아 이동시 형성되는 인장부위의 기계적 자극에 대한 생화학적 전달과 치조골 흡수와 생성 조절 기전을 이해하고자 하였다. 그래서 치주인대 세포가 배양된 유연한 성장표면을 가진 배지에 지속적이고 점진적인 인장력을 가하고 골흡수 인자인 PGE2과 골형성 인자인 ALP의 생성량을 1, 3, 6, 12시간 후에 측정하여 정량비교 하였다. 그리고 파골세포 분화기전을 조절하는 OPG, RANKL의 인자들과 collagen을 분해 조절하고 파골세포가 골표면에 부착되도록 osteoid 층을 제거하는데 관여하는 Matrix metalloproteinase (MMP)-1, -8, -9, -13, Tissue inhibitor of matrix metalloproteinase (TIMP)-1의 인자들을 역전사 중합효소 연쇄반응 검사하여 m-RNA 발현을 비교하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 치주인대 세포에 인장력을 가한 경우 1시간 후 대조군보다 PGE2의 농도가 적었고 ( p < 0.05 ) ALP의 농도 변화는 없었다.2. 치주인대 세포에 인장력을 가한 경우 OPG의 mRNA 발현이 증가하였으나, RANKL의 mRNA 발현은 감소하였다.3. 치주인대 세포에 인장력을 가한 경우 12시간 후 TIMP-1과 MMP-1,-8,-9,-13의 mRNA 발현이 대조군과 차이가 없었다. 이 연구에서 사람의 치주인대 세포는 점진적이고 지속적인 인장력에 대한 반응으로 PGE2의 생성과 RANKL의 mRNA 발현은 감소하고 OPG의 mRNA 발현은 증가하였다. 결론적으로 교정력에 의한 초기 치아이동시 인장부위에 가해지는 기계적 자극에 의해 치주인대조직은 골형성을 유도하기 보다는 골흡수를 억제함으로써 치조골 개조에 기여하는 것으로 나타났다.

[영문]

Mechanical force induces protein synthesis alteration through genetic control. The altered proteins in turn induces a chain reaction in order to maintain tissue function and homeostasis. Tooth movement is a result of mutual physiologic responses between the periodontal ligament and alveolar bone stimulated by mechanical strain. Orthodontic force induces the PDL to transform mechanical stimuli into a biochemical messenger system. This leads to tooth movement by alveolar bone apposition and resorption. The PDL cell and osteoblast are known to have an influence on bone formation by controlling collagen synthesis and alkaline phosphatase activation. Moreover, recent studies have shown that the PDL cell and osteoblast release osteoprotgerin (OPG) and receptor activator of nuclear factor KB ligand (RANKL) to control the level of osteoclast differentiation and activation which in turn influences bone resorption. There is a difference in the type of physical force between pressure and tensional area during tooth movement. In the pressure area bone resorption occurs by direct contact of the tooth and PDL whereas in the tensional area widening of the PDL space leads to bone apposition. Bone apposition and resorption is influenced by the frequency and amount of physical force.Two methods have been used to illuminate the the mechanism of cellular response to mechanical stimuli. One method applies tensional force at a single moment on a petripeherm dish with a flexible membrane. The other method creates cyclic tensional force by repeating contractional and tensional force. In most of these studies the result of tensional force application was ALP activation which stimulates bone formation and enhancement of IL-1β and PGE2 which stimulate bone resorption. But in the tensional area bony apposition is dominantly observed rather than bone resorption. Thus, former studies fail to explain the bone apposition phenomena as a result of tensional force since bone apposition can be stimulated by either enhancement of bone formation or suppression of bone resorption. Therefore a new method must be designed. The first thing to consider is to apply different kinds of mechanical force for the tensional and pressure area. In the pressure area cells become pressed because of narrowing of the PDL space whereas in tensional area cells are elongated because of widening of the PDL space. Secondly, the force level should be as high as above the threshold level but should not be as high to be harmful to the cell. The last thing to consider is that the force should be continuously applied so that many cells can be influenced. In this study, progressively increased, continuous tensional force was applied to PDL cells. The objective was to find out which kind of biochemical reactions occur after tensional force application and to illuminate the alveolar bone resorption and apposition mechanism. Continuous and progressively increased tensile force was applied to PDL cells cultured on a petriperm dish with a flexible membrane. The amount of PGE2 and ALP synthesis were measured after 1,3,6 and 12 hours of force application. Secondly, RT-PCR analysis was carried out for OPG and RANKL which control osteoclast differentiation and MMP-1,8,9,13 and TIMP-1 which regulate the resolution of collagen and resorption of osteoid layer. The obtained results were as follows;1. After one hour of tensile force application to PDL cells the amount of PGE2 was smaller compared to control ( p< 0.05 ) and there was no change in the amount of ALP.2. The amount of OPG mRNA expression increased for the PDL cells after 12 hours of tensile force application whereas the amount of OPGL mRNA expression decreased. 3. There was no difference considering the amount of TIMP-1, MMP-1, MMP-8, MMP-9, MMP-13 mRNA expression compared to control after 12 hours of tensile force application to PDL cells.According to the results of this study, we concluded that progressively increased, continuous force application to human PDL cells reduces PGE2 synthesis, increases OPG mRNA expression and reduces RANKL mRNA expression. Therefore the initial response to tensional force in the PDL is characterized by suppression of osteoclastogenesis rather than bone formation mechanism.