Influence of romosozumab on micro-architecture and biomechanics of bone to cortical bone screws in a rabbit model of glucocorticoid-induced osteoporosis

Abstract

Osteoporosis is a global health concern, and studies regarding improving bone mineral density (BMD) are needed. Romosozumab is a clinically approved anabolic drug for the treatment of osteoporosis. This study aimed to assess the osseointegration and biomechanical properties following the insertion of a cortical screw in a rabbit model of glucocorticoid-induced osteoporosis, to determine postoperative bone fusion in osteoporotic patients. The study used 55 New Zealand white rabbits to investigate the osseointegration and biomechanical properties following insertion of two 2.7 mm cortical screws into both iliac bones in a model of induced osteoporosis. Glucocorticoid (Predisol®) injection was performed to induce osteoporosis in rabbits categorized into 4 groups: Romosozumab, Parathyroid Hormone (PTH), a combination of PTH and denosumab, and untreated rabbits. Each group received a specific treatment for osteoporosis for 3 weeks, after which they were euthanized. Histomorphometric and biomechanical analyses were performed. Additionally, for biomechanical analysis, the pull-out strength of the cortical screw inserted into the iliac bone was determined using the load to displacement curve to determine the maximal load (N) when the cortical screw was displaced by 1 mm. Our results revealed distinct variations in histomorphometric parameters across the 4 groups. The group treated with romosozumab showed notable improvements, with bone-to-implant contact and bone fraction area occupancy increasing to 21.2 ± 18.1% and 56.9 ± 9.9%, respectively. The biomechanical properties for pull-out strength showed that anti-osteoporosis medications significantly influenced the resistance of the cortical bone screws during a 1-mm pull-out test compared to the control group. The romosozumab-treated group demonstrated the greatest improvement, with a pull-out strength of 275 ± 55 N. Romosozumab significantly strengthens bone micro-architecture and the biomechanical stability of the bone–implant interface. These findings imply that romosozumab may enhance the efficacy of bone implants in osteoporotic patients.

골다공증은 전 세계적인 건강 문제로 부각되고 있으며, 골밀도를 높이는 효율적인 치료법의 필요성이 강조되고 있다. 골다공증 치료를 위해 비교적 최근 임상적으로 승인된 약물인 로모소주맙에 대한 생체 내 연구를 수행하는 것이 매우 필요하나, 임상적인 연구를 통해서만 로모소주맙이 소주골과 피질골 리모델링 모두에 영향을 미친다고 알려져 있다. 이 연구는 글루코코르티코이드 유발 골다공증의 토끼 모델에 피질 나사 삽입 후 골유착 및 생체역학적 특성을 평가하여 골다공증 환자의 수술 후 뼈 유합에 대한 임상 적용의 우수성에 대해 규명해보고 한다. 이 연구에서는 골다공증이 유발된 토끼 모델에서 양쪽 장골에 2개의 2.7mm 피질 나사를 삽입한 후 골유착 및 생체역학적 특성을 조사하기 위해 55마리의 뉴질랜드 흰 토끼를 사용하였다. 8mg/kg 용량의 글루코코르티코이드(Predisol®) 주사를 매주 3주 동안 투여한 결과 토끼의 골다공증이 유발된 것으로 확인한 후, Romosozumab, 부갑상선 호르몬(PTH), PTH와 Denosumab의 조합, 치료되지 않은 토끼의 네 그룹으로 분류하였다. 각 그룹은 3주 동안 골다공증에 대한 특정 치료를 받은 후 안락사하였다. 뼈와 임플란트 표면을 H&E, Goldner's trichrome 염색을사용하여 조직형태학적 분석으로 검사하였다. 또한, 생체역학적 분석을 위해 장골에 삽입된 피질나사의 인발강도를 하중 대 변위 곡선을 이용하여 피질나사가 1 mm 변위되었을 때의 최대 하중(N)을 측정하였다. 토끼의 뼈임플란트 상호작용에 대한 골다공증 약물의 효과로 대조군 대비 BIC(Bone to Implant Contact) 및 BAFO(Bone Fraction Area Occupancy) 값을 비교하였다. 로모소주맙 치료군은 BIC와 BAFO 값이 각각 21.2% ± 18.1% and 56.9% ± 9.9%로 가장 우수한 소견을 가리켰다. 풀아웃 강도에 대한 생체역학적 특성은 골다공증 약물이 대조군에 비해 모든 그룹에서 피질골 나사의 저항에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그 중에서도 로모소주맙 치료군은 당김 강도가 275 ± 55 N으로 가장 높은 수치를 보였다. 이번 연구를 통해 로모소주맙이 뼈의 미세구조와 뼈와 임플란트 계면의 생체역학적 안정성을 크게 강화한다는 것을 확인했다. 이러한 발견은 로모소주맙이 골다공증 환자의 뼈 임플란트의 효능을 향상시키는 데 중요할 수 있다는 의의를 가질 수 있다.