The effect of recombinant human bone morphogenetic protein-4 with the different particle sizes of beta tricalcium phosphate on bone regeneration in rat calvarial defects

Abstract

[한글]

여러 가지의 골형성 유도 단백질(bone morphogenetic protein, BMP)이 골형성을 증가시키는 능력에 대한 임상전과 임상 연구가 시험되고 있지만, rhBMP-4에 대한 연구는 충분하지 않다. BMP의 골유도 능력을 지지하기 위하여 BMP 전달체계에 쓰이는 운반체 또한 중요한 역할을 한다. 그러나 운반체의 입자크기에 대한 연구 또한 불충분하다. 운반체의 장기간의 잔류는 골형성을 방해한다. Beta tricalcium phosphate (β-TCP)의 입자 크기가 흡수율과 관계가 있는지는 알려지지 않았다. 이 연구의 목적은 백서 두개골 결손부에서 다른 입자 크기의 β-TCP와 rhBMP-4의 골재생 효과를 평가하는 것이다.

100마리의 웅성 백서에서 8 mm 임계크기의 두개부 결손을 형성하였다. 20마리의 동물을 5개의 군으로 나누고 각 군은, 아무 것도 이식하지 않은 군, 50-150 μm의 β-TCP를 이식한 군, 150-500 μm의 β-TCP를 이식한 군, 2.5 μg의 rhBMP-4와 50-150 μm의 β-TCP를 이식한 군, 2.5 μg의 rhBMP-4와 150-500 μm의 β-TCP를 이식한 군으로 나누어 술후 2 주와 8주에 치유 결과를 조직학적, 조직계측학적으로 비교 관찰하였다.

술 후 2주와 8주에서 작은 입자나 큰 입자의 rhBMP-4/β-TCP군 모두 결손부 폐쇄 (defect closure), 신생골형성량 (new bone area), 조직형성량(augmented area)이 β-TCP 대조군이나 아무 것도 하지 않은 군 보다 유의성 있게 나타났다 (p < 0.01). 술 후 2주와 8주에서 결손부 폐쇄 (defect closure), 신생골형성량 (new bone area), 조직형성량(augmented area)에 있어서 두 rhBMP-4/β-TCP군 사이에서 유의성 있는 차이를 보이지 않았으며 두 β-TCP 대조군 사이에서도 유의성 있는 차이를 보이지 않았다. 골밀도 (bone density)에 있어서 두 rhBMP-4/β-TCP군 사이에서 유의성 있는 차이를 보이지 않았다.

이상의 결과에서 볼 때, 작은 입자나 큰 입자를 운반체로 사용하여 rhBMP-4를 적용하였을 때 작은 입자나 큰 입자의 β-TCP 대조군이나 아무 것도 하지 않은 군에 비하여 백서 두개골 결손부에서 골재생에 유의한 효과를 보임을 알 수 있다. β-TCP의 입자의 크고 작음은 골재생에 영향을 주지 않는 것으로 사료된다.

[영문]Various recombinant human bone morphogenetic proteins (rhBMPs) are being tested in preclinical and clinical studies for their capacity to enhance bone formation, but the research on recombinant human bone morphogenetic protein-4 has been insufficient. Carriers used in BMP delivery systems also play an important role in supporting the osteoinductive activity of BMPs. Also research on the particle sizes of carriers has been insufficient. The prolonged residence of the carrier may inhibit the bone formation. It was not known whether the resorption rate is related to the β-TCP particle size. The purpose of this study was to evaluate the effect of recombinant human bone morphogenetic protein-4 with the different particle sizes of beta tricalcium phosphate on bone regeneration in the rat calvarial defect model.

Eight mm calvarial critical-size osteotomy defects were created in one hundred male Sprague-Dawley rats. Five groups of twenty animals each received a sham-surgery control, particle size 50-150 μm (small-particle) β-tricalcium phosphate (β-TCP) carrier control, particle size 150-500 μm (large-particle) β-tricalcium phosphate (β-TCP) carrier control, rhBMP-4 (2.5 μg) in a particle size 50-150 μm (small-particle) β-tricalcium phosphate (β-TCP) carrier, rhBMP-4 (2.5 μg) in a particle size 150-500 μm (large-particle) β-tricalcium phosphate (β-TCP) carrier and were evaluated by histological and histometric parameters following a two- and eight-week healing interval.

Defect closure, new bone areas, and augmented areas of the two rhBMP-4/β-TCP groups were significantly greater than those of two β-TCP control groups and sham-surgery control group at both 2 and 8 weeks (p < 0.01). There were no significant differences in the defect closure, new bone area, and augmented area between two rhBMP-4/β-TCP groups and between two β-TCP control groups at 2 and 8 weeks. There was no significant difference in bone density between two rhBMP-4

β-TCP groups at 8 weeks.

In conclusion, rhBMP-4 combined with either small- or large-particle β-TCP had a significant effect to induce bone regeneration comparing to small- or large-particle β-TCP control, or a sham-surgery control in rat calvarial defect model. Within the parameters of this study, the particle size of β-TCP, large or small, did not seem to affect bone regeneration, but β-TCP is a good carrier material for delivery, retention, and release of rhBMP-4.