The effect of romosozumab on orthodontic tooth movement in ovariectomized rats

Abstract

Introduction The demand for adult orthodontic treatment has consistently increased in recent years. Challenges in providing orthodontic treatment to the middle-aged population include periodontal issues and/or the impact of systemic diseases. In particular, osteoporosis, a systemic skeletal disorder characterized by decreased bone density and weakened bones, can greatly impact orthodontic treatment. Romosozumab, is a medication used to treat osteoporosis. It binds to sclerostin, thereby inhibiting its action. Romosozumab also exhibits a dual effect of initially promoting bone formation, and later, temporarily suppressing bone resorption. To date, the safety and potential side effects of this medication in patients undergoing orthodontic treatment are unclear. As orthodontic treatment requires new bone formation, research in this area is warranted. This study aimed to evaluate the effect of systemically administered sclerostin antibodies (Scl-Ab) on orthodontic tooth movements in an ovariectomized osteoporotic animal model. Materials and Methods Twenty-four 12-week-old female Sprague-Dawley rats were randomly divided into two groups: 1) OVX (ovariectomy) group, 2) ROMO (ovariectomy + romosozumab) group. Ovariectomy was performed for all 24 rats, followed by an 8-week waiting period. The ROMO group received subcutaneous injections of romosozumab twice a week, starting two weeks after ovariectomy, while the OVX group received an equivalent amount of saline. Eight weeks after the ovariectomy, an orthodontic force of 50g was measured and applied by connecting orthodontic elastic bands between the maxillary first molar and a mini-screw to facilitate tooth movement (orthodontic treatment). Subsequently, the rats were sacrificed on days 5, 7, 10, and 14. Impressions were taken before the experiment and before sacrificing the rats. Plaster models were made from these impressions and scanned to measure the amount of tooth movement. The effects on periodontal tissues were evaluated through micro-computed tomography (micro-CT) analysis, tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) staining, and immunohistochemistry (IHC) analysis. Results The ROMO group showed more tooth movement on the 7th day of orthodontic treatment. Conversely, on the 10th and 14th days, relatively less movement was observed. Analysis of the root furcation area of the maxillary first molars revealed that from the 7th day, bone volume fraction (BV/TV), trabecular number (Tb.N), trabecular thickness (Tb.Th) significantly increased in the ROMO group, while trabecular separation (Tb.Sp) significantly decreased. More TRAP-positive cells were observed in the compression side of the OVX group, the ROMO group exhibited a marked decrease in the positive expression of the nuclear factor-kappa β ligand (RANKL) receptor-activator, osteoprotegerin (OPG), and sclerostin. The OPG/RANKL ratio demonstrated marked expression differences between the two groups. The ROMO group exhibited a higher ratio than the OVX group, and the tension side exhibited a higher ratio than the compression side demonstrating significant differences. Conclusions Romosozumab initially accelerated tooth movements, but later inhibited tooth movement. As new alveolar bone is formed, the micro-CT parameters are also improved. Importantly, in the ROMO group, osteoclasts, bone remodeling markers, and sclerostin decreased, while the OPG/RANKL ratio became higher. 서론 성인 치아 교정 치료의 수요가 최근 몇 년간 지속적으로 높아지고 있다. 특히 중장년층은 치주에 문제가 있거나 전신질환을 가지고 있을 수 있는데, 그중 골다공증은 골밀도가 감소하면서 뼈의 강도가 약해지는 골격 전신질환으로 무시할 수 없는 질병으로 자리 잡고 있어 교정치료 시 주의해야 한다. 골다공증 치료 약물 중 로모소주맙 (romosozumab)은 sclerostin에 결합하여 그 작용을 억제함으로써 초기에는 골형성을 촉진시키고 후기에는 일시적으로 골흡수를 억제시키는 이중 효과를 보이는 최초의 anabolic medication이다. 그러나 새로운 뼈의 형성을 필요로 하는 치아 교정 치료에 대한 약물의 안정성과 부작용 등에 대한 결과를 찾아보기 어려워 이에 대한 연구가 필요해 보인다. 본 연구의 목적은 난소절제술로 유도된 골다공증 동물 모델에 sclerostin antibodyies (Scl-Ab)를 전신 투여가 교정적 치아 이동에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 방법 24 마리의 12 주령 암컷 Sprague-Dawley 백서를 무작위로 두 그룹으로 나누어졌다: 1) OVX (난소절제술) 군, ROMO (난소절제술 + 로모소주맙) 군. 모든 그룹에 난소절제술을 한 뒤 8 주의 기간을 주어 골다공증을 유발하였고, ROMO 군에는 난소절제술 2 주 후부터 romosozumab 을 주 2 회피하주사하고, OVX 군에는 동일한 양의 식염수를 투여하였다. 난소절제술 8 주 후 교정적 치아 이동을 위해 50g 의 힘을 측정하여 제 1 대구치와 미니스크류 사이에 교정용 고무밴드를 연결하였다. 이후 백서를 5, 7, 10 그리고 14 일 차에 희생하였다. 실험 전과 희생 전에 인상채득을 하여 석고 모델을 제작한 뒤 모델 스캔하여 치아 이동량을 계측하였고, microcomputed tomography (micro-CT) 분석, tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) 염색과 immunohistochemistry (IHC) 분석을 통해 치주조직에 미치는 영향을 평가하였다. 결과 7 일차에 ROMO 군에서 더 많은 치아 이동을 관찰하였으나, 10 과 14 일에는 상대적으로 적은 이동이 있었다. 상악 제 1 대구치의 치근분지부를 분석한 결과, ROMO 군에서 7 일차부터 BV/TV, BV/Th 그리고 Tb.N 이 유의하게 증가하였고, Tb.Sp 가 유의하게 감소하였다. TRAP-positive cells 은 OVX 군에서 더 많이 관찰되었으며, ROMO 군에서 receptor activator of nuclear factor-kappa β ligand (RANKL), osteoprotegerin (OPG) 그리고 sclerostin 의 양성 발현 정도가 확연하게 감소하였다. OPG/RANKL ratio 는 ROMO 군이 OVX 군보다 더 높은 것으로 나타났고, 두 그룹 모두 긴장측이 압박측보다 더 높았다. 결론 Romosozumab의 투여가 실험 초기에 일시적으로 치아 이동을 가속화시키다가 실험 후기에 상대적으로 억제되는 양상을 보였다. ROMO 군에서 새로운 치조골이 형성되면서 micro-CT parameter들이 개선되었고, bone remodeling markers와 sclerostin은 감소하였으며, OPG/RANKL ratio은 더 높게 측정되었다.