Effects of sulforaphane treatment on gingival elasticity and orthodontic relapse after rotational tooth movement in beagle dogs

Abstract

Increased elasticity of the gingiva after tooth movement has emerged as one of the causes of orthodontic relapse. This study aimed to investigate the effects of sulforaphane (SFN) treatment on changes in gene expression for the extracellular matrix (ECM) components of fibroblasts associated with increased gingival elasticity, which are thought to be the cause of relapse, as well as its effect on orthodontic relapse after actual rotational tooth movement in beagle dogs. For in vivo experiments, the lower lateral incisors of five beagle dogs were rotated. SFN for the experimental group (left side) and dimethylsulfoxide (DMSO) for control groups (right side) were injected into the supra-alveolar gingiva and the effect of SFN on relapse tendency was evaluated. Changes in messenger ribonucleic acid (mRNA) expression of ECM components associated with gingival elasticity in beagle fibroblasts were investigated by real-time polymerase chain reaction (PCR). Masson’s trichrome staining was also performed to observe the morphology and arrangement of collagen fibers of the buccal gingival tissue of experimental teeth. For in vitro experiments, we determined whether the effects of SFN treatment on the expression of genes associated with gingival elasticity in beagle dogs were the same as those in human fibroblasts. Changes in the mRNA expression of ECM components associated with gingival elasticity were investigated in hTERT-transfected immortalized human gingival fibroblasts (hTERT-hNOF) treated with SFN. The following results were obtained: 1. In vivo, SFN reduced the amount and percentage of relapse of orthodontic rotation based on beagle dental models. 2. In vivo, SFN also decreased the gene expression of LOX and increased the gene expression of MMP 1 and MMP 12 compared to those in DMSO-treated beagles. 3. Histologically, the collagen fibers extended in parallel and perpendicular directions toward the gingiva and alveolar bone in a more regular and well-ordered arrangement in the DMSO-treated group, whereas the collagen fiber bundles were arranged irregularly and were not well connected in the SFN-treated group. 4. In vitro, SFN changed the gene expression of ECM components associated with gingival elasticity in hTERT-hNOF cells, which was similar to the results of in vivo experiments. The findings of this study indicated that SFN treatment inhibits the orthodontic relapse of rotated teeth by activating the metabolism of increased collagen and elastin following orthodontic rotational movement and by reducing gingival elasticity. SFN treatment based on the biological conversion of the data from beagle results and additional human cellular experiments may be considered as one of the pharmacologic approaches to prevent orthodontic rotational relapse.

치아 이동 후 증가된 치은 탄력성이 교정적 재발의 원인 중 하나로 대두되고 있다. 이 연구의 목적은 Sulforaphane이 교정적 재발의 원인이라고 알려진 치은 탄력성 증가와 연관된 섬유아세포의 세포외기질 구성요소들의 유전자 발현에 어떠한 영향을 미치며, 실제로 비글견의 치아의 회전이동 이후 교정적 재발에 어떠한 영향을 주는지 알아보는 것이다. 동물실험에서는, 5마리의 비글견의 하악 측절치를 회전이동 시킨 후 치조골 연상 치은에 각각 Sulforaphane(실험군)과 dimethylsulfoxide(대조군)을 주입하고 Sulforaphane이 실험치아의 교정적 재발에 어떤 영향을 주는지 평가하였다. 비글견의 치은조직의 섬유아세포에서 치은의 탄력성과 연관된 세포외기질 구성요소들의 mRNA 발현의 변화를 real time PCR을 통해 알아보았다. 실험치아의 협측 치은조직의 교원섬유의 형태와 배열을 관찰하기 위해 Masson’s trichrome staining 시행되었다. 세포실험에서는, 비글견에서 치은 탄력성과 연관된 유전자의 발현 양상에 Sulforaphane이 미치는 영향이 인간의 섬유아세포에도 유사하게 나타나는지 알아보기로 하였다. Sulforaphane을 처리한 hTERT-transfected immortalized human gingival fibroblasts (hTERT-hNOF)에서 치은 탄력성과 연관된 세포외기질 구성요소들의 mRNA 발현의 양상이 어떻게 변화하는지 알아보았다. 본 연구의 결과는 다음과 같다. 1. 동물실험에서, 비글견의 치아모형분석결과 Sulforaphane을 처리한 군에서 회전치아의 교정적 재발이 감소하였다. 2. 동물실험에서, LOX의 유전자 발현은 감소되고 MMP 1과 MMP 12의 유전자 발현은 증가하였다. 3. 조직학적인 모습에서는, DMSO를 처리한 군에서는 좀 더 가늘고 빽빽한 교원섬유 다발이 좀 더 규칙적이고 질서 있게 배열된 형태로 치은과 치조골 쪽으로 수평 및 수직방향으로 뻗어져 가는 모습이 관찰되지만, SFN 처리한 군의 경우 적은 양의 성긴 섬유다발이 불규칙적으로 배열되고 섬유들 간의 연결이 잘 이루어지지 않았다. 4. 세포 실험에서는, hTERT-transfected immortalized human gingival fibroblasts (hTERT-hNOF)에서 치은 탄력성과 연관된 세포외기질 구성요소들의 mRNA 발현의 양상에 Sulforaphane이 미치는 영향이 동물실험에서의 결과와 유사하였다. 본 연구결과에 따르면, Sulforaphane이 교정적인 회전이동 후 증가된 collagen과 elastin의 대사작용을 촉진시켜 치은조직의 탄력성을 감소시킴으로써 회전치아의 교정적 재발을 억제하는 것으로 보인다. 비글견의 실험과 추가적인 인간의 세포 실험 결과로 얻은 자료의 생물학적 변환에 근거하여 볼 때 Sulforaphane은 회전치아의 교정적인 재발을 막기 위한 약물적 접근법의 하나로 고려될 수 있을 것이다.