동종골 이식이 골결손 치유에 미치는 영향
경북대학교 의과대학 정형외과학교실, 대구 파티마병원 병리과*
박일형・박찬식・손경락*
Effect of Allografts in Fracture Healing
Il Hyung Park, M.D., Chan Sik Park, M.D., Kyung Rak Shon, M.D.*
Department of Orthopedic Surgery, School of Medicine, Kyungpook National University, Fatime Hospital*, Taegu, Korea
Frozen bone allografts have been frequently used as substitute materials for autografts, since they were considered to be nonantigenic. However, experimental and clinical findings demon- strate that bone immunogenicity was at least partially retained.
The objective of this study is to compare the diffrence of linear gap healing of long bone between frozen cancellous chip allograft group and control group in chicken tibia. We made cor- tical defect on the anterior aspect of both tibia with saw. It was about one milimeter in width, three milimeter in depth. Chickens were sacrificed at 1, 2, 3, 4 and 5 weeks and periodically eval- uated by radiographs and histology.
The results were as follows ;
1. Both allograft and control groups showed primary gap healing process mainly with intramedullary callus formation.
2. Apparent callus formation was more predominant in allograft group on plain radiographs than in control group.
3. The gap healing process and internal remodelling on histologic slide were more predominant in control group.
It suggested that, in linear cortical gap healing, frozen cancellous chip allograft seemed to pro- duce more unhealthy intramedullay callus at first, but later, because of the persistent unabsorbed allograft particles, the gap healing and internal remodelling process in allograft group was delayed than in control group.
* Address for Correspondence : Il Hyung Park, M.D.
Department of Orthopedic Surgery, School of Medicine, Kyungpook National University
#50, 2ga, samduk-dong, chung-gu, Taegu, 700-721, Korea
Tel : 82-53-420-5634, Fax : 82-53-422-6605, E-mail : [email protected] 본 논문의 요지는1997년 대한정형외과 제41차 추계학술대회에서 구연되었음. 본 연구는 경북대학교병원 의학연구소 연구논문비의 지원으로 이루어졌음.
서 론
동종골 이식은 많은 뼈를 공급받을 수 있으며, 공여 부 손상이 없는 장점이 있으나, 주로 골전도( o s t e o - c o n d u c t i o n )로 골이 형성되며 골유합이 매우 느리 고, 수혜자의 잠재적 면역에 감작되어 골흡수가 발생 될 수도 있다2 , 3 ). 신선 동종골은 간염, AIDS(후천성 면역 결핍증)등과 같은 질환의 잠재적 전파가 가능할 수도 있으나 냉동 건조된 동종골은 전파의 가능성은 전혀없다2 ).
일반적으로 큰 골결손 부위(large bone defect)에 는 동종골 이식이 골전도를 유도하여 골유합 또는 골 생성에 큰 도움이 되므로 그 사용이 증가 추세에 있 다. 그러나, 골절이나, 인위적 절골술( o s t e o t o m y ) , 골 개창술(bone fenestration)시행 부위 등과 같이 피질골에 선상 골결손(linear cortical gap)이 생겼 을 때 동종 해면골 이식이 골결손 치유에 도움이 될 수 있을 까에 대한 연구는 별로 없었다. 이에 저자들 은 냉동 처리한 동종 조각 해면골(frozen cancel- lous chip allograft)을 골 결손 부위에 이식한 군과 그렇지 아니한 군과의 비교를 통해 신선 동종 해면골 이식이 피질골의 선상 골 결손 치유에 도움이 되는 가 를 밝혀 보고 자 본 연구를 기획하였다.
실험 재료 및 방법
실험 동물은 체중이 1.5~2.0 kg의 성숙한 한국 산 잡종 닭 1 6마리에 대하여 실험하였으나, 결과 분 석에 부적합하다고 판단된 5마리를 제외한 1 1마리의 닭을 대상으로 하였다. 각 실험용 닭을 k e t a m i n e hydrochloride 10 mg/kg로 근육내 주사하여 마 취시킨 후, 본 실험을 위해 나무로 제작한 수술대에 앙와위로 고정시키고 지혈대를 한 후, 무균 조작 하
에 좌・우측 경골 간부의 전 측방을 따라 종으로 피 부 절개를 가하여 경골 간부를 노출시켰다. 좌우측 경골 간부 전 측방을 수술용 톱으로 좌우 균등하게 1 mm 두께로 직경의 1/3 정도까지 골결손을 만들었 다. 미리 무균 조작으로 다른 닭의 대퇴 원위골 및 골반부의 순수 해면골을 조각으로 만들어 플라스틱통 에 담아 - 7 0℃의 극저온 냉동고에 3일 이상 보관한 냉동 동종 해면골로 실험을 시행하였다.
대조 군은 실험 닭 우측 경골 간부로서, 선상 골 결손부에 골이식을 시행하지 않고 결손 된 채로 골 막 및 피부를 봉합한 군으로 정하였고, 동종골 이식 군은 동일한 닭 좌측 경골 간부로서, 선상 골 결손 부에 냉동 동종 해면골을 이식 후 골막 및 피부를 봉합한 군으로 하였다.
수술 후 양하지를 석고 붕대로 가볍게 고정하여 사육장 내에서 자유롭게 방목한 후 1주, 2주, 3주, 4주 및 5주에 각 2마리 이상씩 도살한 후 단순 방 사선 촬영과 병리 조직학적 표본( h e m a t o x y l i n - eosin 염색)제작을 하였다.
실험 결과
1. 방사선학적 소견
1주에서는 단순 방사선 소견 상 차이점을 관찰할 수 없었으나, 2주에는 대조 군에서는 여전히 피질골 의 틈이 보이나, 이식 군에서는 골결손 부위가 이식 된 동종골로 메워지고 있었다(Fig. 1). 3주에서는 여전히 골결손 부위가 뚜렷한 대조 군과는 달리 이식 군에서는 이식골의 방사선 음영이 증가되어 결손 부 위가 유합 된 것 같이 보였으며(Fig. 2), 4주에서는 대조 군에서는 결손 부위의 유합이 완료되었으나 이 식 군에서는 오히려 골 결손 부위가 다시 분명해지면 서 음영이 다소 감소됨을 보였다(Fig. 3). 5주 째에 는 대조 군에서는 재형성이 완료되었고 이식 군은 골
In summary, fresh frozen cancellous chip allograft would be of no help to increase the healing process in linear cortical gap.
Key Words : Gap healing, Frozen cancellous chip allograft
결손 부위가 다시 유합 되는 것으로 보이며 이는 대 조 군 3주 때의 소견과 비슷하였다(Fig. 4).
2. 조직학적 소견
모두 성숙된 닭을 사용하였으나, 병리 조직학적으 로 가골 형성 및 골유합의 기간이 각각 조금씩 차이 가 났다. 그러나, 전체적인 조직학적 변화 양상의 흐름은 동일하였고 좌우의 경골을 비교하였으므로 골유합 시기는 큰 문제가 되지 않았다. 일반적으로 1주에서는 대조 군의 조직 표본에서는 골내가골의 형성이 시작되었으며, 이식 군에서는 이식골은 전부
가 흡수되지 않고 그대로 남아 피질골 결손 부위를 채우고 있었다. 2주에서는 대조 군에서 가골의 재형 성이 다소 진행되었고(Fig. 5) 이식 군에서는 이식 골의 흡수는 조금 진행되었으나 재형성은 없이 죽은 동종 해면골이 결손부를 메우고 있었다(Fig. 6).
3주에는 대조 군에서는 가골이 형성되어 재형성이 진행되거나 거의 완료되었으나(Fig. 7) 이식 군은 동종골의 흡수가 계속 진행되고 남아있는 동종골로 인해 재형성은 거의 일어나지 않았으며 방사선상의 골 결손부의 음영 증가는 재형성 안된 가골 때문으 Fig. 1. Two weeks after partial osteotomy of chicken
tibia. Control side (right) showed distinct corti- cal gap with sclerotic margin. Allografted side (left) revealed that grafted chip allograft filled the osteotomy gap.
Fig. 2. Three weeks after osteotomy. Control side (right) still showed cortical gap. but, less dis- tinctive than two weeks. Cortical gap seemed completely healed on allografted side (left).
Fig. 4. Five weeks after osteotomy. Control side (right) showed complete remodelling of osteotomy site with some internal callus.
Allografted side (left) showed progression of gap healing, but, there still existed osteotomy gap.
Fig. 3. Four weeks after osteotomy. Control side (right) showed continuity of cortical gap site with some callus. Allografted side (left) defi- nitely revealed osteotomy gap with resorbed, and smoothened allograft.
로 생각된다(Fig. 8). 4주에는 대조 군은 재형성이 대부분 완료되고 피질골이 연결되기 시작하나( F i g .
9), 이식 군에서는 동종골이 거의 흡수되고 가골도 흡수되면서 결손부의 피질골은 여전히 연결되지 못 Fig. 5. Defect with mild woven bone remodelling.
Two weeks in the control group (H & E, ×40).
Fig. 6. Defect with mild allograft resorption and scanty woven bone remodelling. Two weeks in the allografted group (H & E, ×40).
Fig. 8. Defect with persistent allograft resorption and scanty woven bone remodelling. Three weeks in the allografted group (H & E, ×40).
Fig. 7. Defect with moderate callus remodelling and union. Three weeks in the control group (H &
E, ×40).
Fig. 9. Continuity of cortical defect, remodelling near- ly completed. Four weeks in the control group (H & E, ×40).
Fig. 10. Progression of gap healing. Still cortical gap remained. Five weeks in the allografted group (H & E, ×40).
하였다. 5주에는 대조 군은 피질골의 연결이 완료되 었으나, 이식 군에서는 동종골이 극히 일부 여전히 남아 있으며 가골이 결손부를 연결하려고 하지만 골 결손부는 여전히 남아있었다(Fig. 10).
고 찰
1 8 6 7년 O l l i e r가 동종골 이식의 가능성에 대해서 처음 제안하였으며, 많은 성공 사례들이 발표 된 이후, 1 9 7 0년대 들어 Massachusetts General Hospital 에서 골 은행을 운영하면서 본격적인 동종골 이식의 장을 열었고, 이후 많은 다른 병원에서도 골 은행을 운 영하면서 오늘날까지 연구가 계속 진행되고 있다2 ). 자 가골 이식을 대치하기 위하여 사체나 다른 환자로부터 얻은 동종골은 면역학적 거부반응으로 인한 골 융해 및 골 흡수, 간염 및 AIDS 등과 같은 감염성 질환의 노출 위험성, 느린 골유합, 골절 및 감염 등과 같은 문 제가 있으며 보관 또한 용이하지 않다1 , 2 , 8 , 1 0 - 1 2 )
. 동종골의 항원성을 줄이기 위해 여러 가지 방법이 이용되었으나, 냉동 또는 냉동-건조 보관 시에 수혜자 에 대한 항원성이 최소화됨이 밝혀진 후 현재로서는 가장 권장되는 방법이 되었다. 동종골의 항원성은 일 정 기간 이상 냉동 또는 냉동-건조해야 없어지는 것이 아니며 극저온 냉동(deep freezing, －7 0℃ 이하) 그 자체가 세포 성분을 죽여서 항원성을 없애므로 즉 시 이식해도 무방하나, 간염, ADIS 등의 질병을 선별 검사하고 감염성 균주의 배양에 최소 2주일 정도의 기간이 필요하므로 대개 2주일에서 3개월 정도 냉동 또는 냉동-건조 보관 후 이식되는 것이 통례이다2 , 9 ). 특히 건조시킨 동종골은 보관 및 운반이 실온에서 가 능하고, 혈액을 통한 전파 가능 질환의 전염 가능성이 전혀 없으므로 사용이 증가되고 있다2 ).
그러나, 골결손 부위에 동종골을 이식하였을 때 치 유 과정 및 그 결과는 환경에 따라 큰 차이가 난다.
일반적으로 피질골이나 해면골의 골 결손 부위가 클 경우 그대로 방치해 두면 잠행성 치환( c r e e p i n g s u b s t i t u t i o n )에 의한 골유합이나 형성 가능성이 전혀 없으므로 자가골 이식을 하거나, 불가능하거나 양이 모자랄 때 동종골로 골전도를 유도하여 골생성 을 기대할 수 있다. 그런데, 골결손이 없는 단순 골
절이나 골 개창술, 절골술 등의 선상 골결손 부위의 골유합을 촉진시키기 위하여 동종 해면골을 이식하 면, 그대로 두는 것보다는 좋지 않겠는가는 의문이 생기는데 여기에 대한 연구는 별로 없었다.
냉동 해면골이 골 결손부와의 일차적 골유합을 얻 기 위해서는 P e r r e n1 3 , 1 4 )은 결손부의 안정성이 중요 하다고 하였으며, 본 실험에서는 경골 간부의 1/3 정 도만 1 mm두께의 골결손을 만듬으로써 내고정 없어 도 안정성을 얻을 수 있었으며 추가적인 외부 석고 붕대 고정 후 자유 방목함으로서 골결손부의 골유합 을 도모하였다. Schenk1 5 )는 골 결손 치유( g a p h e a l i n g )와 하버시안 재형성(haversian remodel- l i n g )의 2종류의 일차적 골 치유 과정을 발표하였으 며, 그들에 의하면 결손의 크기에 따라 골 치유 과정 및 구조, 골 생성 속도 등에 영향을 준다고 하였으며, 150~200 μ m의 작은 결손 또는 그 이하에서는 잠 행성 치환 등의 contact healing에 의해 골 유합이 이루어지며 200 μm~1 mm 의 큰 결손에서는 결손 부가 골내막 가골인 직골(woven bone)로 채워진 후 결손 치유와 하버시안계 재형성의 순으로 골 유합 이 이루어진다고 하였다.
초저온 처리된 동종골은 항원성이 최소화되며 초 기의 골성 구조물의 역학적 성질은 변화되지 않으며 골유합의 조직학적 변화는 자가골 이식과 동일하나 치유 과정이 느리며 완전치 못한 골유합 등의 단점 이 있다고 보고되고 있다3 - 7 ).
본 실험에서도 전 례에서 골수강 내 가골 형성을 거쳐 재형성되는 소견을 보였으며 외부 가골 형성은 없었다. 그러나, 피질골의 선상 골결손에 냉동 처리 한 동종 해면골을 이식한 후에는 이식된 해면골과 이들의 자극에 의해 많은 비정상적 가골 형성이 초 래되어 단순 방사선 사진 상 초기에는 골결손 부위 가 메워지는 듯 하다가, 결국 동종골이 모두 흡수되 면서 다시 골결손 부위가 노출되었다. 여기에 비해 대조 군은 적은 가골이지만 순조롭게 재형성이 진행 되어 더 빨리 골결손 부위가 메워졌다. 결국 피질골 의 선상 골결손에는 동종골 이식이 아무런 도움이 못되었고 오히려 불리하였다.
결 론
피질골의 선상 골결손 치유를 촉진시키기 위하여 냉동 처리한 부스러기형 동종 해면골의 이식이 도움 이 될 수 있는지를 알기 위하여, 닭의 좌우 경골 간 부 전방에 톱으로 1 mm정도의 골 결손부를 만들 었다. 좌 측은 동종골 이식을, 우측은 대조 군으로 하여 관찰한 결과 냉동처리된 동종 해면골 이식은 선상 골결손 치유에 도움이 되지 못하였고, 오히려 재형성을 지연시켰다. 따라서, 골결손이 없는 골절 이나 절골술 부위, 골 개창술 부위에 냉동 처리된 부스러기형 동종 해면골을 이식하는 것은 골 치유 촉진에 도움이 되지 않는다고 판단된다.
REFERENCES
01) 박상원.강오용.정대철.위대곤: 이종골 이식이 가토 장관골 결손부의 치유과정에 미치는 영향 에 관한 실 험적 연구. 대한정형외과학회지, 제 3 2권, 제2호: 449-455, 1997.
02) 박일형:동종골 이식술.골관절 종양학,제1권: 140- 151, 1996.
03) Aaron AD and Weidel JD: Allograft use in ortho- pedic surgery. Orthopedics, 17:41-48, 1994.
04) Bos GD, Goldberg VM, Zika Jm, Heiple KG and Powell AE: Immune responses of rats to frozen bone allografts. J Bone Joint Surg, 65-A:239-246, 1983.
05) Brown KLA and Crusses RL: Bone and cartilage transplantation in orthopedic surgery. A review. J
Bone Joint Surg, 64-A:270-279, 1982.
06) Burchardt H, Glowezewskie FP and Enneking WF:
Freeze-dried allogenic segmental cortical bone grafts in dogs. J Bone Joint Surg, 60-A:1082-1090, 1978.
07) Burchardt H: The biology of bone graft repair.
Clin Orthop. 174:28-41, 1983.
08) Friedlander GE: Current concepts review. Bone banking. J Bone Joint Surg, 64-A:307-311, 1982.
09) Friedlander GE: Immune response to osteochon- dral allofrafts. Current knowledge and future direction. Clin Orthop. 174:58-68, 1983.
10) Goldberg VM and Lance EM: Revascularization and accretion in transplantation. Quantitative stud- ies on the role of the allograft barrier. J Bone Joint Surg, 54-A:807-816, 1972.
11) Goldberg VM and Stevenson S: Natural history of autografts and allografts. Clin Orthop, 2 2 5 : 7 - 1 6 , 1987.
12) Heiple KG, Chase SW and Herndon CH: A com- parative study of the healing process following dif- ferent types of bone transplantation. J Bone Joint Surg, 45A:1593-1612, 1963
13) Perren SM: Physical and biological aspects of frac- ture healing with special reference to internal fixa- tion. Clin Orthop, 138:175-196, 1979.
14) Perren SM: The biomechanics and biology of in- ternal fixation using plates and nails. O r t h p e d i c s , 12:21-34, 1989.
15) Schenk RK: Cytodynamics and histodynamics of primary bone repair. Fracture Healing. New york, Churchill Livingstone: 23-32, 1987.
