치과 임플란트 식립 후 성공적인 골유착(osseointegration) 을 얻기 위해서는 주변에 적절한 골량이 존재하여야 한다. 수 직적 혹은 수평적 치조골량이 부족한 경우 임플란트의 표면 이 완전히 골에 덮이지 않게 되며, 치은의 퇴축, 비심미적인 외 형과 구강 위생 유지의 어려움 및 임플란트 주위염과 같은 감 염의 위험성이 증가한다[1].
이상적인 골이식재는 면역반응이 없고 골형성을 유도할 수
있는 인자들이 많이 포함되어 빠른 골형성 및 재혈관화가 가 능해야 하며, 신생골 침투가 이루어질 수 있도록 적절한 공간 을 유지할 수 있어야 한다. 그 외에도 임상적으로 쉽게 이용 가 능하여야 하고 경제적인 장점이 있어야 한다. 자가골 이식재 는 골 결손부의 재건에 있어 가장 이상적인 재료로 알려져 있 다. 이는 골형성, 골전도, 골유도 능력을 모두 가지고 있기 때 문에 빠른 골치유를 가능하게 하며, 면역거부 반응을 유발하 지 않기 때문이다. 하지만 자가골은 충분한 양을 채득하기 어 려우며, 공여부의 합병증 가능성이 높고 이식 후 흡수가 많이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 동 종골, 이종골, 그리고 합성골 이식재와 같은 다른 골 대체물들 이 개발되었으며, 임상에서 다양하게 사용되고 있다. 그러나 동종골, 이종골 이식재는 감염전파의 위험성 및 비싼 가격 등 이 문제가 될 수 있고, 합성골은 가격이 저렴하며 감염 전파의
Recombinant human bone morphogenetic protein-2와 2가지 scaffold를 이용한 골이식술: 증례연구
김영균*
분당서울대학교병원 치과 구강악안면외과
Bone graft using two types of scaffolds and recombinant human bone morphogenetic protein-2: Case series study
Young-Kyun Kim*
Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Section of Dentistry, Seoul National University Bundang Hospital, Seongnam, Korea
ABSTRACT
The purpose of this study was to evaluate clinical outcome when hydroxyapatite (HA) or demineralized dentin matrix (DDM) and recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) were used together. Bone graft was performed in eight patients using rhBMP-2 and HA or DDM scaffolds. Scaffolds were soaked with 0.5 mg/0.5 mL of rhBMP-2 solution for 10 minutes. Short-term clinical outcome was evaluated using periodic follow-up and radiographic examination. Favorable bony healing was obtained in all cases without any severe complications. Successful prosthetic treatment was completed without any osseointegration failure. In this case series study, rhBMP-2 combined with HA or DDM scaffolds can be used for bone graft procedures such as guided bone regeneration.
Key Words: Demineralized dentin matrix, Hydroxyapatite, Recombinant human bone morphogenetic protein-2, Scaffold
Received Jul 29, 2014; Revised version received Sep 15, 2014 Accepted Sep 15, 2014
Corresponding author: Young-Kyun Kim
Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Section of Denti- stry, Seoul National University Bundang Hospital, 82 Gumi-ro 173beon-gil, Bundang-gu, Seongnam 463-707, Korea
Tel: 82-31-787-7541, Fax: 82-31-787-4068
E-mail: [email protected]
Scaffolds and rhBMP-2
위험성이 전혀 없지만 골형성, 골유도 능력이 결여되어 생활 력 있는 골조직 형성 시 한계가 있다[2].
골형성단백질(bone morphogenetic protein, BMP)을 임상 에 적용하기 위한 연구는 1995년 이후에 시작하여 2000년 대 본격적으로 연구되기 시작하였다. 치과 분야에서 BMP 관 련 연구들은 주로 임플란트 주위 치조골 형성을 위한 골유 도재생술(guided bone regeneration, GBR), 상악동골이식술 에서 scaffold와 결합된 형태로 BMP가 적용된 경우였다[3].
골전도성만 보유한 골이식재에 골유도성을 부여하기 위해 서 사용되는 여러 가지 BMP들 중 BMP-2, 4, 7, 14 등의 골형 성 유도 효과가 우수하다고 확인되었다. 특히 BMP-2는 체 내에서 성장 및 분화인자로 작용하며, 간엽 줄기세포-골전 구세포(osteoprogenitor)–조골아세포(preosteoblast)-골아세 포(osteoblast)-골화골아세포(osteocytic osteoblast)-골세포 (osteocyte)에 이르는 골형성 전체 단계에서 광범위하게 작용 하여 신생골의 생성을 촉진하는 것으로 알려져 있다[4]. 또한 BMP-2는 상악동 거상술, 치조골 보존술, 골증대술, 치주결손 부 이식술 등을 포함하는 다양한 연구를 통해 골재생에 관한 잠재성이 보고되었다[5-8].
저자 등은 국내에서 개발된 recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2)를 demineralized dentin matrix (DDM) powder와 hydroxyapatite (HA)를 scaffold로 하 여 GBR과 상악동골이식술에 적용하여 양호한 임상결과를 얻 었으며 단기간의 임상결과를 증례보고와 함께 보고하고자 한 다.
증례보고
사용 재료
NOVOSIS®-Dent (Bio α, Seongnam, Korea)에 포함된 rhBMP-2 0.5 mg을 DDM powder (AutoBT; Korea Tooth Bank, Seoul, Korea)와 HA (Bio α)에 10분간 적신 후 사용하였다.
BMP 적용 방법
시술 전 제품 내 포장되어 있는 주사기와 주사침을 이용하 여 주사용수를 뽑아낸다. 뽑아낸 주사용수를 rhBMP-2가 담겨 진 바이알에 주입하고 바이알을 부드럽게 원을 그리며 흔들 어 혼합한다. DDM powder 혹은 HA에 rhBMP-2 용액을 골고 루 뿌린 후 10분간 방치한 후 시술에 사용한다(Fig. 1).
증례
2013년 4월부터 12월까지 총 8명의 환자들에서 NOVOSIS® rhBMP-2를 이용한 골이식술이 시행되었다. 남자가 2명, 여자
가 6명이었고 연령은 15세부터 47세까지로 평균 37.2세였다.
골이식술은 6명의 환자들에서 GBR이 시행되었고 1명은 GBR 과 상악동골이식, 다른 1명은 상악동골이식이 시행되었다.
총 12개의 임프란트가 식립되었는데 9개는 골이식과 동시에 식립되었고 나머지 3개는 골이식 후 4.5-5.5개월의 치유기간 을 부여한 후 이차적으로 식립되었다. 모두 2회법으로 식립되 었으며 식립 직후 오스텔멘토로 측정한 초기안정도(implant stability quotent, ISQ)는 평균 74.75 ISQ (55-89 ISQ)였다. 식 립 후 이차수술까지의 치유기간은 평균 3.3개월(1.5-7.0개월) 이었고 이차 안정도는 평균 79 ISQ (61-89 ISQ)였다(Table 1).
BMP의 운반을 위한 scaffold는 6명의 환자들에서 HA, 2명의 환자들에서는 DDM powder가 사용되었다(Figs. 2, 3). 다른 골 이식재가 추가로 사용된 경우는 4명이었으며 자가골, 동종골, 합성골 및 자가치아골이식재가 다양하게 사용되었다. 차단막 은 7명의 환자들에서 모두 흡수성 콜라겐막이 사용되었고 상 악동골이식이 단독으로 시행된 1명의 환자에서는 사용되지 않았다. 술 후 합병증은 1명의 환자에서 창상이 약간 벌어지면 서 덮개나사가 노출되었으나 치유 지대주로 교체한 후 특별 한 문제점 없이 치유되었다. 3명의 환자들에서는 술후 심한 통 증과 종창을 호소하였으며 항생제와 소염진통제를 처방하여 잘 조절되었다. 모든 증례들에서 초기 골유착 실패 없이 성공 적인 보철치료가 완료되었다(Table 2).
고 찰
BMP는 골과 연골의 형성을 유도하는 능력을 가진 단백질 로 알려져 있으며 치아 및 경조직으로부터 추출하여 골유도 능에 관한 실험적 연구가 많이 이루어졌다. 그러나 채취량이 매우 적기 때문에 임상에 적용하는 데 한계가 있었다[9-12].
한편 유전공학적 기술의 발달과 함께 Escherichia coli 혹은 포 유동물 세포(mammalian cell)들로부터 유전자재조합을 통한 rhBMP-2의 대량 생산이 가능해졌다[13,14]. Yasko 등[15]은 rhBMP-2가 mesenchymal stem cells로부터 골아세포의 증식 을 촉진시키면서 골기질의 생합성을 활성화시키는 역할을 수 행한다고 언급하였다.
현재 임상적으로 사용되는 BMP는 BMP-2와 BMP-7이다. 여 러 회사에서 다양한 제품이 나오고 있는데 BMP-2나 BMP-7을 활용한 미국 Medtronic사의 Infuse나 Stryker사의 OP-1이라는 제품이 있다. 해당 제품들은 동물 진핵세포로부터 제조되기 때문에 수율(원자재에 화학적 과정을 가해 원하는 물질을 얻 을 때, 실제로 얻어진 양과 이론적으로 기대했던 양을 백분율 로 나타낸 비율)이 낮고 생산성이 떨어져 가격이 매우 고가이 다. 고농도로 사용할 경우엔 악성종양 등을 유발할 위험성이
있으며 치과 분야의 소규모 결손부에 적용하기 위해서는 적 절한 운반체가 있어야 가능하다. 따라서 치과분야에 적용하 기에는 아직 무리가 있으며 특히 국내 상용화는 현 시점에서
는 불가능하다고 판단된다. 이번 연구에서 사용한 rhBMP-2는 NOVOSIS®-Dent (Bio α)로서 회사측에서는 다른 제품에 비해 높은 순도와 낮은 엔도톡신을 가지고 있다고 소개하고 있다.
Table 1. Case Summary 1
Case No. Age (yr) Gender Area Graft Implant System Diameter
(mm)
Length
(mm) PS (ISQ) SS (ISQ) 1
2
3 4
5 6 7 8
64
48
63 63
54 70 72 63
Female
Female
Male Female
Female Male Female Female
34 36 46 47 26 35 36 47 15 16 43 45
GBR
GBR
SG GBR
GBR GBR GBR, SG GBR
S
S
S S
D S S D
TS III SA
TS III SA
Zimmer Zimmer
Superline TS III SA 3I 3I
4 4.5 5 5 4.7 4.1 4.7 6 4.5 5 4 4
10 10 10 8.5 10 10 8 7 12 12 10 10
77 84 89 86 63 70 65 76 75 80 77 55
76 77 89 84 80 75 82 85 77 78 84 61 PS: primary stability, ISQ: implant stability quotient, SS: secondary stability, GBR: guided bone regeneration, SG: sinus bone graft, S: simultane- ous, D: delayed.
Fig. 1. NOVOSIS
®-Dent (Bio α, Seo-
ngnam, Korea) contains recombinant
human bone morphogenetic protein-2
and hydroxyapatite.
Scaffolds and rhBMP-2
BMP는 수용성이기 때문에 단독으로 사용될 경우 신속히 용해되면서 골유도 기능을 거의 발휘할 수 없다. 따라서 BMP 를 잘 운반할 수 있는 적절한 scaffold가 반드시 필요하다. 이 상적인 scaffold는 BMP 방출량을 조절하면서 이식 후 조직 내 에서 BMP의 파괴 혹은 비활성화에 대해 보호하는 역할을 수 행할 수 있어야 한다[16]. BMP의 운반을 위한 scaffold로서 collagen, calcium phosphates, and polyesters와 같은 재료들이 사용되었다[17-19]. 그러나 기존에 사용된 scaffolds은 체적의 유지, BMP seeding, 신속한 흡수와 같은 많은 문제점들이 있 어 임상 적용 시 좋은 효과를 보이지 못하였다. 많은 학자들
에 의해 DDM이 rhBMP-2의 운반체 역할을 잘 수행할 수 있다 는 연구결과들이 발표되었으며 DDM 자체가 골유도 및 골전 도 기전에 의한 골형성이 잘 이루어질 수 있는 장점이 제기되 었다[20-27]. Jung 등[28]에 의해 HA를 scaffold로 사용한 임상 연구가 시행되었으며 GBR에 이종골(bovine HA, Bio-Oss®)과 rhBMP-2를 함께 적용한 경우 rhBMP-2를 적용하지 않은 군에 비해 신생골 형성에 유의한 차이가 있다고 보고되었다.
본 연구에서 rhBMP-2의 scaffold로서 DDM과 HA를 사용하 였으며 임상적으로 양호한 효과가 관찰되었다. 본 연구에 사 용된 NOVOSIS® HA는 신생골과 rhBMP-2가 잘 침투할 수 있
Fig. 2. A case of guided bone regeneration using demineralized dentin matrix (DDM) combined with recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2). (A) Initial panoramic radiograph of 63-year-old female patient. Left mandibular 1st and 3rd molar were extracted and fab- ricated into autogenous tooth bone graft material (DDM). (B) DDM (AutoBT) powder and NOVOSIS
®rhBMP-2. (C) Mucoperiosteal flap was elevated at left mandibular posterior area. Implants were placed at #35, 37 area and primary stability was good (#35: 70, #37: 65 implant stability quotient [ISQ]). Peri-implant bony defects are observed. (D) DDM powder (0.57 mL) was soaked with 0.5 mg NOVOSIS
®BMP for 10 minutes.
This material was grafted and collagen membrane was covered. (E) Periapical radiograph 10 days after implant placement. (F) Second surgery
was performed 2.5 months after implant placement. Excellent bone healing was observed. Secondary stability was excellent (#35: 75 ISQ, #37: 82
ISQ). (G) Periapical radiograph after second surgery. (H) Periapical radiograph 3 months after final prosthetic loading.
는 기공구조(83%의 porosity, 300 μm의 pore size)를 가지고 있 다. 즉 HA를 scaffold로 사용함으로써 골이식재 자체의 골전 도 기능과 함께 rhBMP-2로 인한 골유도 능력이 부여되어 골 결손부위에 신생골을 형성하는 데 유용하게 작용할 것으로 생각된다. 합성골은 연조직의 압력(compression)으로부터 형 태를 유지하는 우수한 체적 안정성과 천천히 흡수되는 재료 의 특성 때문에 뛰어난 rhBMP-2의 scaffold로 선택되고 있다.
rhBMP-2는 파골세포의 분화를 직접적으로 촉진시키며 결과 적으로 골흡수를 유도하고 이것은 간접적으로 골아세포의 형 성을 증가시킨다. 특히 rhBMP-2와 biphasic calcium phosphate 를 이식한 실험에서 초기에 많은 양의 모세혈관과 골아세포 를 포함하는 lacunae가 이식공간에서 관찰되고 점차 신생골
형성이 증가한다고 보고되었다[29,30]. 또한 Boden 등[31]은 합성골을 rhBMP-2의 scaffold로 사용할 경우 rhBMP-2의 농 도에 비례하여 신생골의 양과 질이 증가되며 골이 이식재 내 부를 관통하며 형성된다고 보고한 바 있다. 한편 DDM은 1.2- 2.5 μm의 직경의 상아세관(dentinal tubules)을 가지고 있으므 로 골유도 물질의 함유에 유리한 초미세 다공성 구조라는 점 에 착안하여 scaffold로 사용하였다. 탈회 처리된 상아질의 경 우 BMP 같은 골성장인자들은 기질 내에 계속 결합되어 있는 반면, 무기질과 세포성분은 제거되면서 상아세관이 노출되어 표면적이 증가하는 것으로 알려져 있다[32,33].
rhBMP-2와 rhBMP-7이 실용화되어 임상에서 사용되고 있 지만 적절한 용량과 골치유 효과 및 합병증에 관한 체계적인
Fig. 3. A case of guided bone regeneration using hydroxyapatite (HA) combined with recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rh-
BMP-2). (A) Initial panoramic radiograph of 70-year-old male patient. Right maxillary 2nd premolar was extracted 5 weeks ago. (B) Implant was
placed at right maxillary 2nd premolar area. Buccal dehiscence defect was developed. (C) NOVOSIS
®HA was soaked with 0.5 mg NOVOSIS
®BMP for 10 minutes. This material was grafted and collagen membrane was covered. (D) Periapical radiograph 10 days after implant placement. (E)
Second surgery was performed 2.5 months after implant placement. Favorable bony healing was observed. (F) Periapical radiograph after second
surgery. (G) Periapical radiograph 4 months after final prosthetic loading.
Scaffolds and rhBMP-2
임상연구는 매우 드물다. 수술 방법과 종류, 결손부의 크기, 운 반체의 종류에 따라 사용되는 BMP의 용량은 매우 다양할 수 있다. 용량이 과도하게 사용될 경우엔 이소성 골형성, 혈종, 통증을 동반한 장액종 등과 같은 합병증이 발생할 수 있으며 악성종양을 유발할 잠재적인 위험성이 있다[34]. Cochran 등 [35]은 rhBMP-2를 흡수성 콜라겐스폰지를 scaffold로 하여 환 자에게 적용한 임상연구결과를 발표하였다. 조직검사 시편 에서 정상적인 골형성이 관찰되었고 식립된 임플란트는 특 이한 합병증 없이 안정적으로 유지되었다. 이 연구 결과 발치 창 결손부와 국소적인 치조능증대술을 시행할 때 rhBMP-2 0.43 mg/mL는 안전하게 사용될 수 있다고 언급되었다. Cicciù 등[36]은 bisphosphonates-related osteonecrosis of the jaw 치 료 시 collagen을 scaffold로 하여 rhBMP-2를 사용하였으며 다 른 골이식재를 추가로 사용하지 않고 rhBMP-2 단독으로 매 우 우수한 골치유 효과를 얻었다고 발표하였다. 이 연구에 서 사용된 rhBMP-2의 총 용량은 4-8 mg이었다. Boyne 등[37]
은 rhBMP-2를 상악동골이식에 적용한 최초의 무작위 임상 연구를 시행하였다. 흡수성 collagen sponge를 scaffold로 하여 rhBMP-2는 0.75 mg/mL와 1.5 mg/mL의 2가지 농도로 사용하 였으며 상악동골이식 후 임프란트를 식립하기에 적절한 골형 성이 유도되었고 임상적으로 안전하게 사용될 수 있다고 하 였다. Boyne 등[5]의 이전 연구에서 상악동골이식에 사용된 rhBMP-2의 총 용량은 1.77-3.40 mg/mL였으며 발생한 합병 증은 안면부종, 구강점막발적, 통증, 비염 등이 있었으나 일반 적인 골이식술 이후에 발생하는 합병증과 큰 차이가 없었고 rhBMP-2는 상악동골이식에 유용하게 사용될 수 있다고 언급 되었다.
본 연구에서는 rhBMP-2 0.5 mg/0.5 mL로 NOVOSIS® HA (6 명)와 AutoBT powder (2명)를 10분간 적신 후 이식하였다. 골
이식술은 GBR과 상악동골이식술이 시행되었으며 창상 치유 는 모두 양호하게 이루어졌다. 다른 골이식재가 추가로 사용 된 경우는 4명이었으며 자가골, 동종골, 합성골 및 자가치아 골이식재가 다양하게 사용되었다. 술 후 합병증은 1명의 환자 에서 창상이 약간 벌어지면서 덮개나사가 노출되었으나 치유 지대주로 교체한 후 특별한 문제점 없이 치유되었다. 3명의 환 자들에서는 술 후 심한 통증과 종창을 호소하였으며 항생제 와 소염진통제를 처방하여 잘 조절되었다. 모든 증례들에서 초기 골유착 실패 없이 성공적인 보철치료가 완료되었다. 본 논문은 rhBMP-2가 적용된 8증례에 대한 임상논문으로서 HA 와 DDM powder를 scaffold로 사용하였으며 심각한 합병증 없 이 양호한 골치유가 이루어지는 것이 관찰되었다. 국내에서 rhBMP-2가 상용화된 후 임상논문은 아직 많이 발표되지 않았 기 때문에 본 증례분석 논문은 나름대로 가치가 있고 안전하 게 골이식술에 이용할 수 있는 근거를 제시하였다는 점에 의 미가 있다. 향후 rhBMP-2와 적절한 scaffold를 혼합 적용하는 술식에 관한 무작위 전향적 임상연구가 필요하며 조직시편을 채취하여 조직형태계측학적 분석을 통해 인체에 적용하였을 때 rhBMP-2의 우수한 골치유 능력을 검증할 수 있는 부가적 인 연구가 필요하다고 생각된다.
Acknowledgments
This study was supported by graft no 02-2013-008 from the CG Bio Research Fund (06-2013-091).
