Reduction of Adipose Tissue Formation by the Controlled Release of BMP-2 Using a Hydroxyapatite-Coated Collagen Carrier System for Sinus-Augmentation/Extraction-Socket Grafting

Abstract

The effects of hydroxyapatite (HA)-coating onto collagen carriers for application of recombinant human bone morphogenetic protein 2 (rhBMP-2) on cell differentiation in vitro, and on in vivo healing patterns after sinus-augmentation and alveolar socket-grafting were evaluated. In vitro induction of osteogenic/adipogenic differentiation was compared between the culture media with rhBMP-2 solution and with the released rhBMP-2 from the control collagen and from the HA-coated collagen. Demineralized bovine bone and collagen/HA-coated collagen were grafted with/without rhBMP-2 in sinus-augmentation and tooth-extraction-socket models. Adipogenic induction by rhBMP-2 released from HA-coated collagen was significantly reduced compared to collagen. In the sinus-augmentation model, sites that received rhBMP-2 exhibited large amounts of vascular tissue formation at two weeks and increased adipose tissue formation at eight weeks; this could be significantly reduced by using HA-coated collagen as a carrier for rhBMP-2. In extraction-socket grafting, dimensional reduction of alveolar ridge was significantly decreased at sites received rhBMP-2 compared to control sites, but adipose tissue was increased within the regenerated socket area. In conclusion, HA-coated collagen carrier for Escherichia coli-derived rhBMP-2 (ErhBMP-2) may reduce in vitro induction of adipogenic differentiation and in vivo adipose bone marrow tissue formation in bone tissue engineering by ErhBMP-2.

이 연구는 제 2 형 재조합 인간 골형성 단백질 (recombinant human one morphogenetic protein 2; rhBMP-2)의 대표적인 전달체인 흡수성 콜라겐 스폰지에 하이드록시아파타이트를 코팅해서 사용했을 때 골재생을 강화시키는지를 평가하기 위해 설계되었다. 본 연구의 목적은 첫째, 인 비트로에서 하이드록시아파타이트를 코팅한 골라겐 전달체가 세포 분화에 미치는 효과를 평가하는 것이고 둘째, 인 비보에서 상악동증강술과 발치와 이식술 두 가지 모델에 제 2형 재조합 인간 골형성 단백질을 하이드록시아파타이트 코팅 콜라겐 전달체를 이용하여 적용했을 때 치유 양상을 조직학적으로 평가하는 것이다. 인 비트로 실험은 우선 rhBMP-2 용액을 넣은 세포배양배지와 흡수성 콜라겐 스폰지 또는 하이드록시아파타이트 코팅 콜라겐 스폰지로부터 방출된 rhBMP-2를 넣은 세포배양배지를 전배양 한다. 각 세포배양배지에서 인간 치은 섬유모세포 (Human gingival fibroblasts; hGFs)의 골성/지방성 세포분화를 유도한 뒤 배지 사이의 분화능력을 비교하였다. 그 결과 흡수성 콜라겐 스폰지를 사용했을 때 보다 하이드록시아파타이트 코팅 콜라겐 스폰지로부터 방출된 rhBMP-2를 이용했을 때 지방성 세포분화 유도가 유의할 만큼 감소했다. 총 20마리의 토끼를 대상으로 양측 상악동에 다음의 이식 방법 중 한 가지로 상악동증강술을 시행하였다: (1) 탈단백우골 (deproteinized bovine bone mineral; DBBM)을 이식한 군 (DBBM 군), (2) 탈단백우골과 흡수성 콜라겐 스폰지를 이식한 군 (DBBM/C 군), (3) 탈단백우골과 흡수성 콜라겐 스폰지에 rhBMP-2를 이식한 군 (DBBM/C/BMP-2 군), (4) 탈단백우골과 하이드록시아파타이트를 코팅한 콜라겐 스폰지를 이식한 군 (DBBM/HA 군), (5) 하이드록시아파타이트를 코팅한 콜라겐 스폰지에 rhBMP-2를 이식한 군 (DBBM/HA/BMP-2 군). 2주 후와 8주 후 방사선학적으로 최대증강높이와 전체이식부피를 측정하였고, 조직학적 평가 및 조직계측학적 분석을 시행하였다. 총 5마리의 성견을 대상으로 하악 우측 제 2, 3, 4 소구치를 치근절제술 후 발거하였다. 발거 후 총 6개의 발치와에 어떠한 이식도 시행하지 않은 대조군과 앞서 상악동증강술과 동일한 다섯 가지의 실험군을 순환적으로 배정하여 발치와 이식술을 시행하였다. 8주 후 방사선학적으로 반대편의 건전 치아 부위와 비교하여 면적 및 선형분석을 하였고, 조직학적 평가 및 조직계측학적 분석을 시행하였다. 상악동증강술 모델에서 rhBMP-2를 이식한 부위는 2주 후 다량의 혈관조직 형성을 보였고 8주 후 지방조직 형성이 증가했다. 이러한 양상은 흡수성 콜라겐 스폰지를 사용했을 때 보다 하이드록시아파타이트 코팅 콜라겐 스폰지를 사용함으로써 유의미하게 감소하였다. 발치와 이식술 모델에서 rhBMP-2를 이식한 치조제의 체적 변화는 대조군과 비교했을 때 유의하게 감소했지만 조직학적으로 지방조직이 증가한 치유 양상을 보였다. 결론적으로 rhBMP-2의 전달체로 하이드록시아파타이트 코팅 콜라겐 스폰지를 사용하면 in vitro에서 지방성 분화의 감소 효과를 볼 수 있고, 또한 rhBMP-2를 이용한 골재생술 시에 지방조직 형성 감소 효과를 볼 수 있다.