전기자극하에서 배양된 골아세포의 활성에 관한 연구

Abstract

[영문]

[한글]

전기적 에너지가 골조직을 자극하여 가골형성을 촉진한다는 사실과 정상 골조직에 전기

력이 존재한다는 사실이 발견된 이래 미세 전기자극의 골형성 촉진기전에 대한 많은 연구

들이 수행되고 있다. 이러한 연구들은 전기자극하에서 배양할 때의 세포의 이동성 및 생

물학적 세포활성에 관한 생체외 실험에 국한되거나 골절부위에 직접 전기자극을 가하는

동물실험 또는 임상연구들이다.

그러므로 저자는 골아세포를 분리한 다음 시험관 내에서 전기자극을 가하여 배양한 세

포의 생화학적 활성을 관찰하고, 이들 전기자극을 받은 골아세포를 C57 BL/6마우스의 경

골 부위에 주입할때 일어나는 골절 치유과정을 전기자극없이 단순 배양한 골아세포 주입

시와 비교함으로써 전기자극이 골절치유에 미치는 영향을 규명하고자 본 연구를 시행하였

다.

암수구별 없이 생후 10일 이하된 C57 BL/6마우스의 대퇴골 및 경골을 적출하여 무균적

으로 분쇄한 후 골아세포를 분리하여 익차 배양하고, 그 일부를 15uA의 전기자극하에서

배양하여 골아세포의 alkaline phosphatase 활성치, ATP 함량 및 DNA 합성능을 측정하였

으며, 이를 전기자극없이 배양한 경우와 비교하였다. 생체내 실험을 위하여는 체중 30∼4

0g 되는 동종 마우스의 경골을 골절시킨 후 전기자극하에서 배양한 골아세포 또는 전기자

극없이 배양한 골아세포(1x10**6개)를 골절부위에 주입하고 3일, 7일, 14일 및 28일째에

도살하여 골절치유과정을 생리식염수만 주입한 군과 비교하였다.

실험 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 전기자극하에서 배양중인 골아세포는 음극을 향하여 움직였다.

2. 지속적인 전기자극은 배양중인 골아세포수를 감소시켰다.

3. 전기자극하에서 배양된 골아세포의 alkaline phosphatase 활성치는 전기자극없이 배

양된 경우보다 다소 낮았다.

4. 전기자극하에서 배양된 골아세포의 ATP함량 및 DNA합성능은 전기자극 없이 배양된

경우보다 현저히 증가하였다.

5. 골절 부위에 전기자각하에서 배양된 골아세포를 주입하면 곧 원시 간엽조직세포의

모습으로 증식하고 골아세포로 분화하여 유골조직과 골성가골이 조기에 형성되었다.

이상의 결과로 보아 전기자극을 받은 골아세포에서는 ATP및 DNA합성이 촉진됨으로 말미

암아 생체내 주입시 바른 속도로 증식 분화함으로써 조기에 골형성을 유도 하는 것으로

사료된다.

A Study on the Activity of Osteoblasts Cultured under the Electrical Stimulation

Chang Goo Shim

Department of Medical Science The Graduate School, Yonsei Univenisity

(Directed by Associate Professor Chanil Park, M.D., D.M.Sc.)

After discovery of the facts that the electric energy excites the bone and

facilitates callus formation and that piezoelectric potential is present in the

normal bone tissue, there have been many investigations on the mechanism of

accelerated bone formation by low current electrical stimulation. Most of these

investigations have been, however, limited to in vitro studies on the motility and

the biologic activity of cultured osteoblasts, and to in vivo studies dealing with

the influence of electric current given directly to the normal or fractured bone.

In this context the author attempted to clarify the effect of electrically

stimulated osteoblasts, when inoculated into the fracture sites, on the healing

processes.

Femur and tibia of C57BL/6 mice aging less than 10 days were pulverized in an

aseptic condition, and fractionation of osteoblasts and primary culture were

followed. On a culture dish, where a 15uA electric current had been prepared to

flow, cultivated were the osteoblasts taken from the primary culture medium. The

ATP and DNA synthests by the osteoblasts were calibrated to compare with those by

the non-stimulated osteoblasts. The alkaline phosphatase activity measured from the

fractionation soup of osteoblasts was also compared. For the in vivo study,

1×10**6 osteoblasts cultured under the electrical stimulation were inoculated into

tibial fracture sites of syngeneic mice. Microscopical examinations of the tibia

around the fracture site were performed on the 3rd, 7th, 14th and 28th days of

osteoblast inoculation. Sequential histologic changes were compared with those

observed following injection of the non-stimulated osteoblasts and of normal

saline.

The results obtained are as follows:

1. Migration of osteoblasts toward cathode was noticed under the electrical

stimulation.

2. Continuous electrical stimulation decreased the number of osteoblasts on

culture dish.

3. The electrical stimulation slightly lowered the alkaline phosphatase activity

in the culture supernatant of osteoblasts.

4. The amount of ATP and the DNA synthesis rate of osteoblasts were increased

following electrical stimulation.

5. When the electrically sitmulated osteoblasts were inoculated into the fracture

site, rapid proliferation as primitive mesenchymal tissue, transformation into

osteoblasts with earlier formation of osteoid, and earlier finish of bony callus

formation were noticed.

In conclusion, the results indicate that the electrically stimulated osteoblasts

accelerate their ATP and DNA synthesis, and inoculation of these cells into the

fracture site induces earlier bone induction through their prompt proliferation and

differentiation.