Osteogenic potential of periodontal ligament stem cells and immortalized cementoblasts under mechanical vibration forces

Abstract

After tooth replantation or transplantation, application of occlusal forces is capable to promote periodontal ligament (PDL) healing and prevent ankylosis. However, previous studies regarding the effect of occlusal forces on PDL healing were lack of biological mechanisms due to the insufficient in vitro study and uncertain in vitro model. Therefore, based on the acknowledge that mechanical vibration force can imitate occlusal forces, the mechanical vibration machine with four given frequencies as an in vitro model to assess the osteogenic differentiation potential of periodontal ligament stem cells (PDLSCs) and immortalized cementoblasts (ihCEMs) at different time points have been established. In this work, cell viability assay showed that both PDLSCs and ihCEMs had the adverse effect in the early time but were resistant to mechanical vibration stimulation (MVS) at different frequencies in the long run. Moreover, the osteogenic gene expression indicated that MVS has a transient and frequency-dependent effect on the osteogenic potential of PDLSCs while it has no influence on ihCEMs at each frequency and each time point. Interestingly, 150 rpm MVS could decline osteogenic differentiation in the early time and have no harmful effect in the long run. For further confirmed, the relative in vivo experiment revealed that PDLSCs cell sheet treated with 150 rpm MVS presented ligament-like tissue healing pattern and had decreased new bone formation in rat calvarial bone defect. In conclusion, it is found that MVS at proper frequency (150 rpm) can prove to be a potential strategy for transiently reduced PDLSCs osteogenic potential, which sheds light on the approach that 150 rpm MVS could be utilized for the prevention of ankylosis and promotion of PDL healing after tooth replantation or transplantation in future. 치아 재식혹은 이식 후, 교합력을 가하면 치주 인대(PDL)의 치유를 촉진하고 치주 인대의 유착(ankylosis) 을 예방할 수 있다. 그러나 불확실하고 부족한 생체외(in vitro) 연구로 인해 교합력이 PDL 치유에 미치는 생물학적 매커니즘에 대한 연구는 미비한 수준이다. 따라서 기계적 진동력이 교합력을 모방할 수 있다는 기존의 선행 연구를 바탕으로 생체외 모델에서 기계진동기로 처리한 4개의 주파수와 시간에 따른 치주 인대 줄기세포(PDLSCs)와 불멸성 시멘트아세포(ihCEMs) 의 골분화능을 평가하였 다. PDLSCs와 ihCEMs의 세포 생존능 측정 결과, 두 세포 모두 초기에는 생존능력이 감소하였으나 이후에는 주파수별 기계적 진동 자극(MVS)에 모두 내성이 있음을 나타 냈다. 골 분화 및 형성능력을 분석한 결과 MVS가 PDLSC의 골 형성에 일시적, 주파수 의존적 영향을 미치는 반면, 각 주파수 및 시점에서 ihCEMs에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타냈다. 흥미롭게도, 150 rpm MVS는 초기에 골분화를 낮출 수 있고 장 기적으로는 해로운 영향을 끼치지 않는다는 것을 보여주었다. 추가적으로 확인한 생 체내 (in vivo) 실험의 결과 150 rpm MVS로 처리된 PDLSCs세포 시트가 랫트 두개골결 함 모델에서 골 형성을 감소시키며 인대와 유사한 형태의 조직으로 회복시켰다.결론 적으로 적절한 주파수(150rpm)의 MVS는 PDLSCs의 골 분화를 일시적으로 낮추는 잠재 적 전략 이 될 것이며 향후 치아 재식이나 이식한 후 발생하는 ankylosis 예방 밎 치 주인대의 치유촉진에 새로운 길을 열어줄 것이다.