골 이식 대체물로 사용된 자가 골수 혼합 수산화인회석-삼인산화 칼슘 복합체의 효과
경상대학교 의과대학 정형외과학교실
조세현∙김동희∙정순택∙차민석
목 적: 골 결손 부위에 수산화인회석-삼인산화 칼슘(HA-TCP) 복합체를 골수와 혼합하여 이식 후 그 효과를 임 상적 및 방사선학적으로 분석하여 보고하고자 한다.
대상 및 방법: 2004년 9월부터 2006년 1월까지 골 결손 부위에 골 이식 대체물을 이용하여 수술적 치료를 시행 한 12예(남자 10예, 여자 2예)를 대상으로 하였으며, 대상 질환은 급성 골절 3예, 불유합 5예, 개방형 쐐기 경골 근위부 절골술 3예 및 완치된 결핵성 동공 1예였다. 평균 연령은 35.5세(범위, 3~53세)였고, 평균 추시 기간은 17.1개월(범위, 5~28개월)이었다. HA-TCP 복합체를 장골에서 흡입한 골수와 함께 이식하였다. 임상적 및 방사 선학적 결과 판정은 추시 방사선 소견 상 복합체의 흡수와 신생골의 형성으로 하였다.
결 과: 방사선학적 결과로서 12예 중 11예에서 HA-TCP 복합체의 흡수와 신생골의 형성을 통한 골 재형성이 진 행되었다. 평균 7.8개월에 임상적 골 유합을, 평균 12.6개월에 방사선학적 골 유합을 얻었다. 불유합 1예에서 술 후 28개월에 추가적인 금속판 내고정술 및 자가골 이식을 시행하였다.
결 론: 광범위한 골 결손 부위의 치료 시 이식된 HA-TCP-BM 복합체는 자가골이나 동종골보다 방사선학적으로 조기 골 유합을 유도하지는 못하지만 임상적 골 유합을 얻기 위한 공간 충진물로써 제한적으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 자가 골수에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
색인 단어: 골 결손, 골 이식, 수산화인회석-삼인산화 칼슘(HA-TCP), 골수
The Effect of Hydroxyapatite-Tricalcium phosphate Compound with Mixed Bone Marrow as a Bone Graft Substitute
Se-Hyun Cho, M.D., Dong-Hee Kim, M.D., Soon-Taek Jeong, M.D., and Min-Seok Cha, M.D.
Department of Orthopaedic Surgery, School of Medicine, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
Purpose: To evaluate the clinical and radiological changes of Hydroxyapatite-Tricalcium
� Address for Correspondence : Dong-Hee Kim, M.D.
Department of Orthopaedic Surgery, Gyeongsang National University School of Medicine, 90 Chilam-dong, Jinju 660-702, Korea.
Tel : 82-55-750-8870, Fax : 82-55-754-0477, E-mail : [email protected]
서 론
골 결손은 분쇄 골절, 만성 골수염, 종양 제거술 등 여러가지 원인에 의하여 발생할 수 있는데, 골 이 식술은 금속 내고정물의 사용이 발달하기 이전부터 새로운 골 조직의 형성을 촉진하기 위해 정형외과 분야의 각종 수술에서 사용되어 왔다5).
골 이식의 여러가지 방법 중 골 유도성, 골 전도성 을 모두 가지고 있는 자가골 이식술의 결과가 가장 우수한 것으로 보고되고 있으나 채취량이 한정되어 있으며 술 후 통증 및 신경 손상, 수술 부위의 불안 정성, 원하는 크기와 모양을 충당시키지 못하는 점 및 미용상의 문제가 단점으로 지적되어 왔다. 동종 골 이식술은 상대적으로 구하기 쉽고 양에 제한을 받지 않으나 전염의 가능성과 면역 거부 반응을 일 으킬 수 있는 단점이 있다. 따라서 이를 대체할 수 있는 여러가지 골 대체물에 대한 연구가 활발히 이 루어져 왔다. 이상적인 골 대체물은 골 전도성, 골 유도성, 골 형성력의 세가지 요건을 모두 가지고 있
어야 하지만, 현재는 골 전도성을 가진 수산화인회 석 (Hydroxyapatite, HA), 삼 인 산 화 칼 슘 (Tricalcium-phosphate, TCP), 황산화칼슘 (Calcium sulfate), 골 전도성과 골 유도성을 가진 탈무기화 골 기질(Demineralized bone matrix, DBM) 등이 개발되어 이용되어 왔고 다양한 결과들 이 보고되고 있다3,6,15).
이에 저자들은 광범위하게 발생한 골 결손부에 골 이식 대체물 중 하나인 HA-TCP 복합체를 골수 (bone marrow)와 혼합하여 이식한 후 임상적 및 방사선학적으로 추시 관찰하여 그 효과와 유용성에 대해 보고하고자 한다.
대상 및 방법
1. 연구 대상
2004년 9월부터 2006년 1월까지 본원 정형외과 에서 광범위한 골 결손이 발생하였던 12예의 환자
phosphate (HA-TCP) compound mixed with bone marrow aspirate.
Materials and Methods: We treated bone defect by the bone graft substitute between September 2004 and January 2006 in 12 cases (10 males and 2 females): three acute fractures, five non-unions, three open-wedge high tibial osteotomies and one case of cavitary healed osteomyelitis. We tried to implant HA-TCP compound with mixed bone marrow containing osteoprogenitor cells aspirated from the ilium. Their mean age were 35.5 years (range, 3~53 years) and follow-up periods were 17.1 months (range, 5~28 months). We evaluated the results of radiological resorption and bone union through new bone formation.
Results: 11 cases were observed resorption of the compound and bone remodeling were in total 12 cases. Clinical union was achieved in average 7.8 months, enabling joint motion and weight bearing after rigid fixation. Radiological consolidation signs like trabeculation and restoration of bony density were delayed as late as 12.6 months in average. At postoperative 28 months, plate augmetaion with auto bone graft performed in one nonunion.
Conclusion: HA-TCP-BM compound can be restrictively recommended as a space filler for clinical union, although its radiological consolidation is delayed longer than autograft and allo- graft in bone defect.
Key Words: Bone defect, Bone graft, Hydroxyapatite-Tricalcium phosphate (HA-TCP), Bone
marrow
를 대상으로 분석하였다. 대상 질환은 총 네 군으로 분류하였으며 골절 3예(대퇴골 2예, 경골 1예), 불 유합 5예(상완골 2예, 대퇴골 3예), 개방형 근위 경 골 절골술 3예 및 완치된 골수염 동공 1예였다. 불유 합의 경우 비후성 불유합(대퇴골)이 1예, 위축성 불 유합(상완골 2예, 대퇴골 2예)이 4예였다. 성별 분 포는 남자 10예, 여자 2예였으며, 평균 연령은 35.5 세(범위, 3~53세), 수술 후 평균 추시 기간은 17.1 개월(범위, 5~28개월)이었다.
2. 수술 방법
골절, 불유합, 개방형 쐐기 경골 근위부 절골술 및
완치된 골수염 동공으로 인한 골 결손 부위에 HA- TCP 복합체(Triosite�, Zimmer, Warsaw, IN, USA)를 동측 전 상방 장골극 후방에서 흡입한 골 수(골조상세포를 포함)와 혼합하여 이식하였다. 골 수 생검용 바늘(14G bone marrow aspiration and biopsy needle)을 이용하여 자가 골수를 20~25 cc 가량 채취하였다. 이 때 한 부위에서 많은 양의 골수를 얻으려 하면 골수보다 말초 혈액이 주 성분이 되므로 한 번 피질골을 천자한 곳에서 3 cc 정도의 골수를 얻은 후 생검용 바늘의 깊이와 방향 을 바꾸어서 다시 약 2 cc 정도의 골수를 더 얻어 도 합 5 cc 가량의 골수를 얻은 후에, 2 cm 이상 떨어 진 곳에서 같은 방법으로 피질골을 천자하여 5 cc
Fig. 1. Intra-operative photographs. (A) Triosite�(Zimmer, Warsaw, IN, USA). (B) We aspirated bone marrow con- taining osteoprogenitor cells from the ilium. (C) HA-TCP compound with mixed bone marrow aspirate.
Table 1. Summary of patients data.
Case Sex/Age Diagnosis Site Procedure
01 F/24 non-union humerus ender nail
02 M/53 varus tibia HTO*
03 M/03 Tb OM� radius graft
04 M/24 varus tibia HTO*
05 M/49 non-union fumur Huck-step
06 M/41 non-union femur Huck-step
07 M/47 fracture femur plate
08 M/51 fracture tibia plate
09 F/47 non-union femur Huck-step
10 M/28 non-union humerus plate
11 M/26 varus tibia HTO*
12 M/53 fracture femur plate
* HTO, high tibial osteotomy , �OM, osteomyelitis
정도의 골수를 얻는 방법을 반복하여 채취하였다.
골 결손부의 용적에 따라 골수와 HA-TCP 복합체 를 1:1 혹은 2:1의 비율로 혼합하여 이식하였다. 골 절 시 발생한 골 결손 3예는 모두 금속판 내고정술 과 함께 HA-TCP 복합체와 골수를 이식하였다. 이 식 시 골 결손부 공간 내에 충분히 주입하고 주변 연 부 조직 또는 관절 내로 흘러 나오지 않도록 하였다.
불유합시 발생한 골 결손 5예 중 3예는 Huck step 정을 이용한 골수강내 고정술, 1예는 금속판 내고정 술, 1예는 ender-nail을 이용한 골수강내 고정술 을 시행하고 HA-TCP 복합체와 골수를 이식하였 다. 완치된 결핵성 동공 1예에서는 병변 부위에 소 파술을 시행한 후에 HA-TCP 복합체와 골수를 혼 합하여 이식하였다(Table 1)(Fig. 1).
3. 평가 방법
수술 후 임상적 결과는 관절 운동의 회복, 체중 부 하, 통증 및 압통이 없을 때를 임상적 골 유합으로 평가하였다. 방사선학적 결과는 수술 직후 및 추시 기간 동안 전후면 및 측면 단순 방사선 촬영을 통하 여 관찰하였고, 이식된 HA-TCP-BM 복합체의 골 음영이 감소하는 시기를 골 흡수가 시작되는 것
으로 판정하였고, 주변 골과 동일한 골 밀도 및 골 소주의 연결을 보일 때를 방사선학적 골 유합으로 평가하였다.
결 과
견고한 내고정 후 전 예에서 평균 7.8개월에 임상 적 골 유합을 얻었다. 대상 질환 12예 중 11예에서 HA-TCP-BM 복합체의 흡수와 신생골의 형성을 통한 골 재형성이 발생되어 방사선학적 골 유합이 진행되었다. 평균 5.5개월(범위, 3~8개월)에 HA- TCP-BM 복합체의 흡수가 시작되었고, 신생골이 형성되어 주변골과 완전한 골동화를 보이는 방사선 학적 골 유합은 평균 12.6개월(범위, 5~27개월)에 관찰되었다(Table 2)(Fig. 2, 3). 대퇴골 원위부 분 쇄 골절시 외측 금속판 고정술과 함께 내측 골간단 피질골 부위에 이식된 1예에서는 술 후 15개월에 임 상적 골 유합을 얻었으나, 술 후 28개월 추시 방사선 사진상 불유합 진단하에 원위 대퇴골 내측에 추가적 인 금속판 내고정술 및 자가골 이식술을 시행하여 완전한 골유합을 얻었다(Fig. 4).
추시 기간 동안 모든 예에서 HA-TCP-BM 복 합체 이식으로 인한 감염과 같은 합병증은 없었다.
Table 2. Analysis of the results.
Case Bone Resorption Complete Bone Union
(months) (months)
01 3 05
02 8 18
03 5 09
04 6 27
05 7 09
06 6 07
07 4 12
08 4 24
09 8 15
10 5 07
11 3 05
12 7 non-union
Average 5.5 12.6
Fig. 2. 47-year-old male patient with severe comminuted open fracture of the femur by gun-shot injury. (A) Initial radiograph showed severe comminuted fracture of the femur. (B) Immediate postoperative radiograph radi- ograph showed plate fixation and HA-TCP implatation with bone marrow aspirate. (C) At 12 months, radi- ograph after operation showed complete bone union.
Fig. 3. 41-year-old male was referred to our hospital due to non-union of femur. (A) Initial radiograph showed non- union of femur. (B) We tried to Huck-step IM nailing and implated HA-TCP with bone marrow aspirate aspi- rate. (C) At postoperative 7 months, radiograph showed complete union of femur.
고 찰
골 이식술은 1668년 Job Van Meekren 의해 처 음으로 시도되었으며, 골 결손을 복구하는데 있어서 필수적인 시술로 자리잡았다. 다양한 원인에 의해 발생되는 골 결손을 치료하기 위한 방법으로는 골 이식술이 대표적이며 또한 많이 시행되고 있다. 자 가골 또는 동종골 이식술이 가장 많이 이용되고 있 으나 골 대체물을 이용한 이식술의 빈도도 증가하고 있다.
이상적인 골 대체물은 골 전도, 골 유도, 골 형성 세가지 특성을 가지고 있어야 한다. 골 전도는 골 전 구 세포와 혈관 조직이 형성될 수 있도록 틀(scaf- fold)을 제공하여 골 형성을 돕는 것이며, 골 유도는 이식골 중에 존재하는 여러 성장 인자들에 의해 중 배엽 줄기 세포가 골 형성 능력이 있는 골아세포로 분화하여 새로운 골 형성을 하는 것이다17).
골 전도물인 인산 칼슘(Calcium phosphate)은 여러 형태로 개발되어 있다. HA는 체내 해면골과 화학적 구조가 유사한 골 대체물로 독성이 없으며 생체 적합성이 우수한 물질로 알려져 있으나10), 용해 도가 낮고 체내 흡수가 느리기 때문에 HA 단독으로 는 유용하지 않다. TCP는 1μm-1mm에 이르는 다
양한 크기의 소공을 가진 다공성 복합체로 친수성을 가지며 HA에 비해 골 흡수가 빠르고 우수한 골 전 도력을 가지나 압박력에 취약한 단점이 있다12). HA 나 TCP 등의 인산 칼슘 골 대체물은 기계적으로 취 약하므로 견고하게 고정된 공간에 이식하여 전단력 또는 압박력으로부터 보호하여야 하며 숙주골 근처 에 조밀하게 이식되어야 최대한의 골 형성을 얻을
수 있다2,13). 본 연구에서도 골 형성을 극대화하기 위
해 모든 예에서 견고한 내고정술 후 골 이식 대체물 을 삽입하였다.
Cameron H 등4)은 HA나 TCP가 골막외 또는 골막하에 느슨하게 이식되었을 때 골 재형성이 나타 나지 않았다고 보고하였다. 본 연구에서도 대퇴골 원위부 분쇄 골절시 금속판 고정술과 함께 내측 골 간단 피질골 부위에 이식된 1예에서는 술 후 15개월 에 임상적 골 유합을 얻었으나, 방사선학적 골 유합 및 골 동화는 더 지연된 것으로 보아 골 이식 대체물 이 주변의 연부 조직과 광범위하게 접하는 경우 이 식골 주변의 연부 조직이 이식골 내부로 자라들어와 골 재형성이 미미한 것으로 사료되었다.
본 연구에서 사용된 Triosite�는 HA가 60%, TCP 40%의 비율로 혼합된 biphasic calcium phosphate ceramics으로써 복합체의 HA는 골 Fig. 4. (A) Initial radiograph showed severe comminuted fracture of the femur in 53-year-old male by traffic acci- dents. (B) HA-TCP with bone marrow aspirate implanted paracortical and non-contained cavity with plate fixation. (C) At postoperative 15months, radiograph showed non-union of femur. (D) After plate augmen- tation with auto iliac bone graft, radiograph showed complete union of femur.
전도물로써 작용하며 TCP에서 유리된 Calcium- phosphate는 파골 및 조골 활성을 자극하여 HA나 TCP를 단독으로 사용할 때 보다 골 형성을 향상시 킨다고 보고된 바 있다18). Ransford 등16)은 HA- TCP 복합체를 척추 유합술에 이용한 연구에서 자 가골 이식에 비하여 안전하고 면역 반응을 유도하지 않는 우수한 골 대체물이라고 보고하였고, Cho 등7) 도 자가골 이식술에 비하여 방사선학적 조기 골 유 합은 지연되나 최종 골 유합의 결과는 유사하다고 보고하였다. 그러나 HA-TCP 복합체도 역시 이식 초기에 기계적 강도가 취약하므로 골 동화가 나타나 야 비로소 견고한 골 강도를 획득할 수 있다11). 본 연 구에서도 1예를 제외한 모든 예에서 술 후 5.5개월 에 이식 복합체의 골 흡수가 시작되고, 7.8개월에 임 상적 골 유합을, 12.6개월에 방사선학적 골 유합을 얻을 수 있었으나 대퇴골 원위부 분쇄 골절의 금속 판 고정 시 내측 피질골의 non-contained defect 에 이식한 1예에서 술 후 15개월에 임상적 골 유합 을 얻었으나 방사선학적 골 유합 및 골 대체물의 골 동화가 지연되었다. 따라서 HA-TCP 복합체의 삽 입 시 견고한 내고정이 반드시 동반되어야 할 것으 로 사료된다.
HA-TCP 복합체는 골 유도 및 골 형성력이 없기 때문에 이런 단점을 극복하기 위해 저자들은 자가 골수를 이용하였다. 자가 골수 이식은 골 유도 및 골 형성력이 있는 세포를 얻을 수 있다는 장점 이외에 도 채취로 인한 합병증을 최소화 할 수 있다. 그러나 골수는 그 자체로는 골 유도 능력이 제한적일 뿐 아 니라 골수 내 골 형성 세포의 수 또한 적은 양이 존 재하여 (1/50,000 - 1/2,000,000) 단독으로는 골 결손를 치료하기는 어렵다14). 여러 저자들은 흡인한 골수를 골 대체물과 함께 사용하여 골 유합을 촉진 시켰다고 보고하였으며8,9,14), 본 저자들도 HA- TCP 복합체에 골조상 세포가 포함된 골수(Bone marrow aspirate)를 장골에서 흡입하여 복합체와 혼합하여 사용하였다. 본 연구에서는 연구 대상의 다양성으로 인해 골수를 혼합한 HA-TCP 복합체 와 골수를 혼합하지 않은 HA-TCP 복합체를 비교 하지는 못했다. 장골로부터의 골 이식술의 합병증은 0.7%에서 25%까지 보고되고 있으며, 공여부의 만
성 통증은 9%에서 29%까지 발생된다고 한다1). 또 한 공여부의 문제점이 발생되지 않더라도 수술 시간 의 연장, 출혈량의 증가, 소아나 이미 장골에서 자가 골 이식술을 시행한 경력이 있는 환자, 반복된 수술 로 이미 자가골 이식을 시행한 환자, 미용상의 문제 는 골이식에 있어 중요한 문제로 본 HA-TCP 복합 체가 좋은 적응증이 될 수 있다. 이러한 경우 HA- TCP 복합체는 장골 이식술로 인한 재원기간을 감 소시킬 뿐 아니라, 이식으로 인한 합병증을 최소화 하고, 수술 시간 및 이식술 동안의 실혈을 감소시킬 수 있다.
본 연구의 결과 골 대체물로 사용된 HA-TCP- BM 복합체는 골 유합면에서만 볼 때 우수한 방법이 라고 평가할 수 없어 HA-TCP-BM 복합체의 임상 적 적용 범위를 넓히기 위해서는 효과적인 골 형성 물질을 첨가하여 사용할 수 있는 새로운 개발이 필 요할 것이다. HA-TCP-BM 복합체를 단독으로 사 용하는 것은 골 유합면에서 큰 장점이 없을 것으로 판단되지만, 임상적 골 유합을 생각한다면 자가골 또는 동종골 이식 시 발생할 수 있는 합병증이 없는 HA-TCP-BM 복합체는 견고한 고정과 동반될 경 우 골 결손 치료 시 사용될 수 골 대체물이며 골수와 혼합 사용시 더욱 유용한 방법으로 사료된다. 그리 고 HA-TCP-BM 복합체의 생체 흡수성 부분에 있 어서 추가적인 연구가 뒤따라야 할 것이며, 골 형성 과 골 유도 기능을 합성할 수 있는 기술이 더욱 발전 되어야 할 것이다. 이로써 HA-TCP-BM 복합체의 골 결손부에 대한 적응이 보다 확고해질 것이다.
자가골을 채취할 수 없거나 자가골 양이 부족하여 보충해야 하는 경우 선택적으로 HA-TCP 복합체 의 사용을 고려할 수 있으며, 향후 HA-TCP-BM 복합체의 유합율을 증가시키기 위해서는 더 많은 연 구가 필요할 것으로 사료된다.
결 론
여러가지 원인으로 발생한 골 결손 부위에 이식된 HA-TCP-BM 복합체는 자가골이나 동종골에 비 하여 방사선학적 조기 골 유합을 유도하지는 못하지 만 견고한 내고정술이 동반될 경우 합병증 없이 임
상적 골 유합을 얻기 위한 공간 충진물로써 제한적 으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 그러나 추후 방사선학적 골 유합 기간을 단축시키기 위해 자가 골수에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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