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서 론
건-골 결합부 손상을 치료할 때 문제점은 조직의 치유 및 재생이 진행되는 초기에 건 또는 인대와 골 조직 사이 파열된 부위의 결합력이 약한 것과 손상 후 치유 과정의 속도가 늦는 점 등이며22), 이로 인하여 건-골 결합부 손 상 시 장기간의 관절 고정이 요구되므로 관절 운동 및 체
중 부하 운동의 시작을 지연시켜, 재활 치료의 시기를 늦 춤으로써 일상 생활과 스포츠 활동에 복귀할 수 있는 시 기가 늦어지게 된다. 건-골 결합부 손상의 치유 과정을 촉진시키기 위하여, 현재까지는 해면골을 노출시켜 건- 골 결합부 재생을 촉진시키는 방법22)이 보편적으로 많이 이용되어 왔고, dowel plug26), shock wave25), 유전자13),
섬유소 아교에 혼합된 골 형성 단백이 건-골 결합부 손상의 재생에 미치는 영향
김학준 박정호* 임홍철 김병수 이재선* 강선웅 전오주
The Healing Effect of Bone Morphogenic Protein with Fibrin Glue on an Injury of the Tendon-Bone Junction
P u rp o s e : The author hypothesizes that exogenously injected BMP, which is mixed with fibrin glue, can accelerate the healing of a bone-tendon junction injury and increase its holding strength during the early regeneration period.
M a te ria ls a n d M e th o d s : A direct injury model of the bone-tendon junction was made using the Achilles tendon-calcaneus bone of 54 rabbits: and the transected Achilles tendon was repaired to its original insertion site using the Krackow method. In Group 1, no additional manipulation was performed. In Group 2, only fibrin glue was injected into the junction between the Achilles tendon and the calcaneus in order to exclude the effect of the fibrin glue. In Group 3, BMP-2 incorporated into the fibrin glue was injected into the junction. The results were evaluated by histological analysis and biomechanical tests at 2, 4, and 8 weeks after surgery. The Kruskal-Wallis test was used for a statistical evaluation.
R e s u lts : Histological analysis revealed the early appearance of fibrocartilage at 2 weeks in Group 3: the area of the fibrocartilage expanded with time. The biomechanical tests showed significant differences in the maximum stress between Groups 1 and 3, and between Groups 2 and 3, at 2, 4, and 8 weeks. 74.4% of the normal maximum stress was recovered at 8 weeks in Group 3.
C o n c lu s io n : The combined use of BMP-2 and the fibrin glue can accelerate the healing of an injury of the bone-tendon junction.
K e y W o rd s : Achilles tendon, Bone-tendon junction injury, Bone Morphogenic Protein, Fibrin glue
통신저자：임 홍 철
서울시 구로구 구로동 80
고려대학교 의과대학 구로병원 정형외과 TEL: 02-818-6680 FAX: 02-865-5774 E-mail: [email protected]
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이종 연골 세포29), 성장 인자11), 골수 기질 세포17) 등을 이용하는 방법도 실험적으로 보고된 바 있으나, 건이나 인대가 골에 직접 부착하는 부위에서의 재생 촉진에 대한 연구는 적다.
특히 수상 후 골조직으로부터 유리되는 골 형성 단백 (bone morphogenic protein, BMP)은 발견 초기에는 골 의 생성 및 재형성(remodeling)에만 관련이 있는 것으로 알려 졌으나 최근의 연구 결과에서는 전환 성장인자 베타 (transforming growth factor beta, TGF- )와 같이 연골 형성, 골 형성뿐만 아니라 다른 장기의 형성과 분화 를 조절하는 기능이 발견되었다3,4,9). 이러한 연구결과를 바탕으로 다양한 종류의 골 형성 단백이 발견되었으며, 골 형성 단백을 이용하여 골절 치유의 촉진뿐만 아니라 인대 손상의 치료에 있어서도 실험적인 연구4)가 이루어 지고 있다.
이에 저자들은 가토 아킬레스건을 종골 부착부로부터 완전 파열 시킨 건-골 결합부 손상 모델을 만들고, 건과 종골 사이의 접촉 부위에 골 형성 단백-2 (bone mor- phogenic protein-2, BMP-2)을 섬유소 아교(fibrin glue)에 포함시켜 주입한 후 봉합술을 시행하여, 투여된 골 형성 단백이 건-골 부착부에서 손상이 재생되는 기전 과 치료 결과에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 하였다.
대상 및 방법
1. 실험 대상
실험 동물은 몸무게가 3.5 kg 내외이고 건강한 수컷 가토(New Zealand white rabbit, Jung-Ang Lab Animal, Inc., Seoul, Korea) 54마리를 대상으로 하였 으며, 건-골 결합부를 절제하지 않은 정상군 6마리를 추 가로 희생하여 조직학적 및 생역학적 검사를 시행하였다.
2. 실험 방법
1) 골형성 단백 인자의 적정 용량 결정
가토의 정상 아킬레스 건을 채취하여 건을 약 1 mm 크기로 잘게 자른 후 세포 배양 용기 바닥에 놓고, 여기에 30% 태아 우 혈청(fetal bovine serum, FBS)과 3% 항생 제를 함유한 세포 배양액(Dulbecco s Modified Eagle Medium, DMEM)을 넣어 조직으로부터 세포가 자라 나 올 때까지 37oC, 5% CO2 배양기에서 조직 배양을 하였다.
세포가 조직을 완전히 둘러쌀 정도로 세포의 숫자가 증
가하면 조직을 제거하고 계대 배양을 하여 세포 수를 늘 렸다. 103개의 세포를 96-well plate 세포 배양 용기에 각각 넣고, 무혈청(serum-free) 세포 배양액으로 24시 간 동안 세포를 배양한 다음 배양액을 교체한 후, 8가지 농도(0, 1, 5, 10, 20, 30, 50, 100 ng/ml)로 골형성 단 백-2를 세포 배양액에 첨가하였다. 다시 24시간 동안 세 포 배양 후 세포 계수기(cell count kit, Dojindo Co., Kumamoto, Japan)를 이용하여 각각 10 l의 CCK-8 시약을 96-well plate에 혼합하고 4시간 동안 세포 배양 기에서 배양한 후, microplate reader를 이용하여 450 nm (reference 650 nm)로 각각의 흡광도(optical den- sity)를 측정하였다. 가토 아킬레스 건 세포에 대한 골형 성 단백-2의 영향을 관찰하여, 동물 실험을 시작하기 전 에 100 ng/ml 가장 적절한 용량이어서 이 용량의 골형성 단백-2를 실험에 사용하였다.
2) 건-골 결합부 손상 모델
가토는 수술 전 최소한 1주일간 우리 안에서 사육된 후 실험에 사용하였다. 가토의 우측 다리를 실험에 사용하였 고, 좌측 다리는 정상 대조군으로 이용하였다. 체중을 측 정한 후 250 mg 염화 케타민(ketamine hydrochloride, Ketara , Yuhan Co., Seoul, Korea), 10 mg 말레인산 아세틸프로마이진(acetylpromazine maleate, Sedaject , Yuhan Co., Seoul, Korea) 및 35 mg 염화 크실렌 (xylazine hydrochloride, Rompun , Bayer, Seoul, Korea) 등을 혼합하여 가토에 근육 주사하여 마취를 시 행하였다. 마취 후 가토의 우측 하지를 충분히 삭모한 후 베타딘(betadine)으로 소독하고, 수술 부위를 무균 조작 하여 실험을 시작하였다.
15번 메스를 이용하여 우측 하지 아킬레스 건과 종골 을 덮고 있는 피부를 L 자 모양으로 절개를 한 후, 아킬 레스 건을 피하 조직으로부터 조심스럽게 박리하여 비복 근과 아킬레스 건 및 아킬레스 건이 종골에 결합하는 부 위 등을 노출시켰다. 가토의 족저근(plantaris muscle) 은 사람에 비해 잘 발달되어 있어 수술 후 내고정의 역할 을 할 수 있고, 족저근 밑에 아킬레스 건이 위치하여 수술 시 족저근이 아킬레스 건의 조작을 방해하므로 족저근을 완전히 절제하여 실험상의 오류를 피하도록 하였다.
54마리의 가토 모두 우측 하지 아킬레스 건을 종골 결 합 부위에서 완전히 절제한 후, 아킬레스 건에 Krackow
방법으로 에치본드 2-0번 봉합사를 통과시키고, 타월 겸 자를 이용하여 종골에 두 개의 구멍을 만들고, 여기에 에 치본드 봉합사를 통과시켜 종골 족저부에서 매듭을 하였 다. 아킬레스 건이 종골에 붙는 피질골 부위에는 아무런 조작을 하지 않았고 매듭을 만든 후 아킬레스 건이 종골 에 단단하게 결합되어 있는 것을 확인하였다.
I군은 더 이상의 조작을 하지 않았고, II군은 매듭을 만 든 후 아킬레스 건과 종골 사이에 섬유소 아교(Green- plast , Korea Green Cross Co., Yongin, Korea)만을 주입하였고, III군은 골형성 단백-2 (BMO-2, Sigma- Aldrich Co. St. Louis, MO)를 함유한 섬유소 아교를 종 골과 아킬레스 건 사이에 주입하였다(Fig. 1B). 섬유소 아교는 fibrinogen이 들어 있는 용액에 골형성 단백-2를 100 ng/ml의 농도로 섞은 후 주사기를 이용하여 thro- mbin이 들어 있는 용액과 동시에 0.1 ml의 용량을 주입 하였다.
수술 부위에 대하여 충분히 지혈을 시행하고, 흡수성 봉합사를 이용하여 세심하게 창상 봉합을 하였다. 거즈로 수술 부위를 덮은 후 석고를 이용하여 대퇴부에서 족부까 지 족관절을 족저 굴곡시킨 상태로 단하지 석고 고정을 하고 우리 안에서 자유롭게 사육하였다. 수술 후 감염을 예방하기 위하여 겐타마이신(gentamycin, Kyung Dong Pharm Co., Seoul, Korea)을 수술 후 3일까지 근육 주 사하였다.
3. 조직 표본의 채취
수술 후 2주, 4주, 8주에 각 실험군의 가토 6마리씩을 케타민과 염화 칼륨을 이용하여 희생시켜 표본을 채취하
였다. 표본을 채취하기 전 체중을 측정하고, 전술한 방법 으로 아킬레스 건과 비복근 및 전체 종골을 노출시킨 후 육안적으로 아킬레스 건-종골 부착 부위의 결합 및 신생 조직의 재생 상태, 염증 유무 및 주위 조직과 건의 유착 정도 등을 관찰하였다.
유착되어 있는 연부 조직으로부터 아킬레스 건을 조심 스럽게 박리하여 전체 아킬레스 건과 아킬레스 건이 결합 된 종골의 일부를 적출하였다. 54마리의 가토로 실험을 시작하고 각 시기별로 두 개의 표본은 조직학적 검사에, 네 개의 표본은 생역학적 실험에 할당하였으나, 표본을 채취하였을 때 총 54마리 중 6마리에서 수술 부위에 염증 이 있거나 건의 완전 파열 소견이 있어 아킬레스 건과 종 골 사이에서 조직의 재생이 아주 불량하여 결과 분석에서 제외하였다.
4. 조직학적 검사
조직 검사를 위해서는 채취한 조직을 10% 중성 포르말 린에 3일간 고정하고, 탈회용액(decalcifying agent, Calci-Clear RapidTM, National Diagnostics, Atlan- ta, GA)로 탈석회화 과정을 거친 후 파라핀에 포매하고, 6 m의 두께로 박절하여 조직 표본을 만들었다. 조직 표 본은 Hematoxylin-Eosin 염색, Masson s Trichrome 염색을 하고 광학 현미경으로 관찰하여 건-골 결합 부위 의 신생 조직, 염증 세포 유무, 섬유 조직의 연속성과 방 향성, 섬유연골의 형성 유무 등을 관찰하였다.
5. 생역학적 검사
채취한 표본은 조직의 손상을 막기 위해 50 ml 용기에
Fig. 1. Microscopic photographs of the specimen stained with H&E at 2 weeks after surgery (×100). (A) Not injected group (group I); Granulation tissues are filled in the gap of the tendon-bone junction. (B) FG injected group (group II); Granulation tissue and a small amount of fibrocartilages are filled in the tendon-bone junction. (C) BMP-2+FG injected group (group III); Granulation tissue and thick fibrocartilages (black arrow) are filled in the bone tendon junction.
A B C
넣어 -70oC에서 생역학적 검사 전까지 냉동 보관을 하 였다. 표본의 아킬레스 건과 종골 부위는 특별히 고안된 기구를 이용하여 단단히 고정되도록 하여, 인스트론 인장 시험기(Instron mechanical tester, Instron 4201, Instron , Canton, MA)에 고정시켜 검사 중 건이 인장 시험기에서 미끄러지는 현상과 검사 중 종골의 파손으로 인한 측정상의 오류를 방지하였다. 표본은 검사 전에 실 온에서 생리적 식염수에 담가서 충분히 해동시키고, 인장 시험기를 이용하여 10 mm/min의 속도로 최대 변형률 (%), 인장 강도(MPa), 영의 계수(Young s modulus, MPa) 등을 측정하였다. 또한 생역학적 실험 도중 각각의 군에서 발생하는 파열의 양상에 대하여 관찰하였다. 생역 학적 검사는 5 N (Newton)의 매우 낮은 부하로 전부하 (preload) 후 1분에 10 mm의 속도로 검체에 대해 종 방 향으로 인장력을 조심스럽게 가하여 인장 검사를 시행하 였다. 그리고 정상 아킬레스 건-종골 표본의 생역학적 강도를 알기 위하여, 건-골 결합부를 절제하지 않은 정 상 아킬레스 건-종골 표본을 채취하여 생역학적 검사를 하였다.
6. 통계학적 분석
생역학적 강도는 각 군 및 각 시기별로 최소한 세 개 이상의 표본을 가지고 시행하여 그 평균을 구하였으며, 대조군 및 실험군의 생역학적 검사 결과를 각 시기별로 비교하여 SPSS 10.1 for Windows (SPSS Inc.) 프로그 램을 이용하여 Kruskal-Wallis test로 분석하였고, p 0.05의 결과를 통계적으로 유의한 것으로 판정하였다.
결 과
1. 조직학적 결과
육안 소견상 모든 검체에서 봉합 부위는 피부 조직을 비롯한 주변의 연부 조직과 유착이 되어 있었고, 육안적 으로 각 실험군 간의 의미 있는 차이를 발견할 수 없었다.
수술 후 2주에 채취한 표본의 조직 소견상 H & E 염색 (Hematoxiln-Eosin stain)의 저배율 하에서 아무 것도 주입하지 않은 I군에서는 봉합부위에 섬유조직으로 채워 져 있었고, 섬유소 아교만을 주입한 II군에서는 봉합부위 에 섬유소 조직과 적은 양의 섬유 연골의 형성이 관찰되 었고 골형성 단백을 함유한 섬유소 아교를 주입한 III군 에서 섬유소 조직과 II군보다 많은 양의 섬유 연골이 관찰 되었고 모두 봉합 부위는 섬유 조직으로 채워져 있었다.
고배율 하에서 I, II, III군 모두에서 다량의 무정형 육아 조직 및 섬유 조직들이 형성된 소견을 보였으며, 섬유 조 직의 주변으로 염증 세포의 침착 및 신생 혈관 증식 등의 소견이 있었다. II군과 III군에서는 I군에서 보이지 않은 섬유 연골 세포의 형성이 관찰되었다. Masson-Tri- chrome 염색에서 I군에서는 신생 섬유 조직의 방향성이 나 연속성 및 일정한 형태의 형성 소견이 전혀 보이지 않 은 반면에, II군에서는 섬유 조직들이 섬유 연골에 직각 방향으로 형성된 소견이 보였으나 뚜렷한 연속성은 관찰 되지 않았고, III군에서는 섬유 조직들이 섬유 연골의 직 각 방향으로 뚜렷한 방향성이 관찰되었다(Fig. 1, 2).
수술 후 4주째 표본의 조직학적 소견은 H & E 염색 저배율하의 I군에서 육아 조직이 수술 후 2주에 비하여 양적으로 다소 감소하였으며 신생 섬유 조직이 미흡하지 만 방향성을 갖추기 시작하였고, 고 배율 하에서는 봉합
Fig. 2. Microscopic photographs of the specimen stained with Masson-Trichrome at 2 weeks after surgery (×100). (A) Non-injected group (group I); The newly formed granulation tissues are not aligned in any direction and not organized. (B) FG injected group (group II); The newly formed granulation tissues are loosely aligned to the fibrocartilages. (C) BMP-2+FG injected group (group III); The newly formed granulation tissues are aligned at right angles to the fibrocartilages.
A B C
부위는 신생 섬유 조직으로 차 있었으며, 염증 세포와 신 생 혈관들의 수가 2주에 비하여 감소하였다. II군에서는 섬유 연골의 두께가 2주째의 조직학적 소견보다 더욱 증 가하였으며 적은 양이지만 신생 섬유 조직과 섬유 연골이
결합하는 소견이 관찰되었다. III군에서는 2주째보다 더 욱 두꺼운 섬유 연골의 형성이 관찰되고 있으며 많은 양 의 신생 섬유 조직이 섬유 연골과 결합하는 소견을 보였 으며 방향성이 잘 형성되었다(Fig. 3, 4).
Fig. 3. Microscopic photographs of the specimen stained with H&E at 4 weeks after surgery (×100). (A) Not injected group (group I); The amount of granulation tissues is reduced and the fibrous tissues loosely directed. (B) FG injected group (group II); There is a larger amounts of fibrocartilages (black arrow) in the tendon-bone junction. (C) BMP-2+FG injected group (group III); The thickness of the fibrocartilages has increased and there is newly formed granulation tissues combined with fibrocatilages.
A B C
Fig. 4. Microscopic photographs of the specimen stained with Masson-Trichrome at 4 weeks after surgery (×100). (A) Non-injected group (group I); Newly formed fibrous tissues (black arrow) have direction but are loosely aligned. (B) FG injected group (group II); The amount of newly formed fibrous tissues is higher and some fibrous tissues joins the fibrocatilages (black arrow). (C) BMP-2+FG injected group (group III); The newly formed fibrous tissue are combine perpendicularly with the fibrous cartilage (black arrow).
A B C
Fig. 5. Microscopic images of the specimen stained with H&E at 8 weeks after surgery (×100). (A) Non-injected group (group I);
Fibrocartilage tissues (black arrow) appear in the junction of the tendon and newly formed fibrous tissues fill the tendon-to bone junction.
(B) FG injected group (group II); Newly formed fibrous tissue combine with the fibrocartilages and are aligned perpendicularly. (C) BMP-2+
FG injected group (group III); Newly formed fibrous tissues are joined tightly to the fibrocartilage. New bone formation from the fibrocartilages can be seen at the junction and fibrocartilages stick to the bone as a result of new bone formation (black arrow).
A B C
수술 후 8주의 조직 소견상 I군에서는 봉합 부위가 신생 섬유 조직에 의하여 채워져 있었고, 섬유 조직은 방향성 및 연속성을 보였으며, 섬유 연골의 출현과 신생 섬유 조 직과 섬유 연골과의 결합이 관찰되었다. II군에서는 섬유 연골의 양이 더욱 증가하였으며 신생 섬유 조직과의 결합 이 더욱 광범위하게 관찰되었으며, III군에서는 견고한 섬유 연골과 신생 섬유 조직이 관찰되었으며 특징적으로 섬유 연골로부터의 골 재형성 소견이 관찰되었다(Fig. 5, 6).
2. 생역학적 결과
채취된 표본을 대상으로 인스트론 인장 시험기를 이 용하여 최대 변형률(%), 인장 강도(MPa), 영의 계수 (Young s modulus, MPa) 등을 측정하였다. 본 실험에 서는 특별히 고안된 기구를 사용하여 표본을 고정하였으며 생역학적 검사 도중 표본의 고정에 대한 실패는 없었다.
생역학적 검사에서 관찰된 건-골 결합부 파열의 양상 은 각 군 간에 다소 다른 양상을 보였다. 정상 건-골 결합 부 표본에서는 아킬레스 건과 종골 사이 연골 접합부에서 파열되는 소견을 보였고, I, II, III군에서는 인장력이 증 가하면 표본의 길이도 점차 늘어나면서 외관상 파열의 소 견은 보이지 않았지만, 신생 조직의 단면을 절단해보면 신생 조직 내부가 갈기갈기 찢어지는 파열 양상을 보였다 정상군의 최대 인장 강도는 25.4 MPa, 최대 변형률은 25%였고, 봉합사군은 최대 인장 강도가 5.2 MPa, 영의 계수는 157.63 MPa이었으며, I군(대조군)에서 최대 인 장 강도는 2, 4, 8주에 각각 2.2 MPa, 3.4 MPa, 4.6 MPa로 점차 증가하는 소견을 보였지만, 봉합술 후 8주에
최대 인장 강도가 정상군의 18.1%로밖에 회복되지 않았 다. II군에서는 2, 4, 8주에 최대 인장 강도는 각각 1.8 MPa, 5.4 MPa, 11.5 MPa로 점차 증가하는 소견을 보였 으며 실험 2주에서부터 4주간에 통계학적으로 의미 있는 증가를 보였고(p=0.049), 실험군 2의 8주 표본의 최대 인장 강도가 정상의 45.3 %로 회복되는 소견을 보였다.
III군에서는 2, 4, 8주에서의 최대 인장 강도는 각각 4.1 MPa, 10.6 MPa, 18.9 MPa로 점차 증가하는 소견을 보 였으며, 2주째와 4주째 사이에는 통계학적으로 의미 있 는 증가를 보였고(p=0.049), 4주에 증가된 최대 인장 강 도가 실험 8주까지 유지되었다(p=0.126). 또한, III군의 8주에서의 최대 인장 강도는 정상군의 74.4%까지 증가 하였다(Fig. 7). 최대 인장 강도의 측정에서 II군은 실험 Fig. 6. Microscopic images of the specimen stained with Masson-Trichrome at 4 weeks after surgery (×100). (A) Non-injected group (group I); Newly formed fibrous tissues shows good alignment and continuation. (B) FG injected group (group II); Newly formed fibrous tissues are combined tightly to the fibrous cartilages. (C) BMP-2+FG injected group (group III); Newly formed fibrous tissues are combined tightly to the fibrous cartilages perpendicularly.
A B C
Fig. 7. Stress-strain graph of the fibrin glue with BMP-2 8 weeks after surgery showing a very similar pattern to the normal stress-strain graph, but not to the graph of the non-injected group.
0
Load (MPa)
Strain (%) 0
40 30
20 10
20
15
10
5
Maximal load Load at break
BMP-2+FG
Normal
Not injected
8주째에 I군과 통계학적으로 의미 있는 차이를 보였으나 (p=0.0495), III군은 실험 2, 4, 8주에 I군과 통계학적으 로 의미 있는 차이를 보였으며(p=0.049), II군과는 실험 2주째 및 4주째에 통계학적으로 의미 있는 차이를 보였 다(p=0.049)(Table 1).
고 찰
건에서 골로 이행하는 부위가 손상 후 재생이 될 때 과 거에는 건이 골화 되는 것으로 생각18)되었으나, 최근 연
구 결과 성숙골(lamellar bone)이 건 속으로 성장19)하는 것으로 알려 졌다. 그래서 건과 골 결합부 손상의 재생은 아주 느리게 일어나기 때문에, 건이나 인대가 골에 부착 하는 부위의 손상의 초기 고정력을 강화시키고, 결합 부의 빠른 재생을 위하여 많은 방법들이 시도되어 왔 다11,13,17,25,26,29)
. 건이 부착하는 부위의 피질골을 제거하 여 해면골을 노출시키는 방법은 이미 임상적으로 널리 사 용되어 왔으나, 해면골을 노출시켜도 결과의 차이가 없다 는 연구 결과도 있다22). 또한 건과 골 결합부 손상 후 비 석회화 섬유 연골-석회화 섬유 연골 이행 부위의 회복이 정상적인 건-골 결합부 조직의 회복에 중요한 요소가 되 는 것과 봉합 후 24주까지도 기능적인 섬유 연골 조직의 회복이 일어나지 않는 점에 착안하여, 건과 골 손상 부위 사이에 이종 연골의 펠렛(pellet)을 넣고 봉합하는 방법 으로 건-골 결합부 손상의 빠른 재생을 도모하는 방법29) 이 최근 들어 보고된 바 있다.
이에 본 연구에서는 손상 후 골 기질에서 유리되는 성 장 인자 중의 하나인 골 형성 단백을 이용하였다. 골 형성 단백은 과거에는 골 형성 인자로서 골의 형성에 관련이 있는 것으로 알려져 있으나3,9,10) 최근의 연구 결과에서는 골 형성에만 관계하는 것이 아니라 다른 장기의 형성 및 분화에 관계하는 역할을 하는 것으로 알려졌으며3), 더욱 이 건 자체의 손상 회복에 인대 실질이 손상되었을 때 골 형성 단백의 한 종류인 연골 추출 형성 단백-2 (car- tilage-derived morphogenetic protein-2, CDMP-2=
BMP-13)를 처리하였을 때 빠르고 튼튼한 손상의 회복 을 보인다는 보고5)가 있다. 또한 골 형성 단백-2는 2형 콜라겐(type II collagen)의 발현을 증가시킨다는 보고6) 가 있으므로 본 연구와 같이 건-골 결합부에서 골 형성 단백의 이용은 골 형성 기전과 인대 손상 치유 기전을 모 두 이용할 수 있는 장점을 가질 수 있다.
건-골 결합부 손상을 연구하기 위하여 여러 가지 실험 모델이 이용되었고, 실험 모델은 건이 비석회화 섬유 연 골과 석회화 섬유 연골의 단계를 거쳐 골에 직접적으로 부착하는 모델과 건이 샤피 섬유(Sharpey s fiber)를 통 하여 골막에 간접적으로 부착하는 모델15)로 구분할 수 있 다. 많이 이용되는 전방 십자인대 재건술 모델은 골 터널 내에서 건과 골 사이에 비석회화 섬유 연골과 석회화 섬 유 연골이 재형성되지 않고, 샤피 섬유를 통하여 건과 골 결합이 이루어지기 때문에, 임상적으로 흔히 관찰되는 건- Table 1. Biomechanical Properties of the Bone-tendon Junction
Treated without or with the Fibrin Glue Only and the Fibrin Glue Mixed with Bone Morphogenetic Protein-2
Maximum
No Week stress (Mpa) Mean±SD
Normal 4 22.7
26.4 27.1
25.4 25.4±1.93
Control* 3 2 2.3
2.5
1.9 2.23±0.31
FG only 4 2 1.42
2.56 1.61
1.86 1.86±0.50
FG+BMP-2 3 2 3.37
6.16
3.01 4.18±1.72
Control* 3 4 3.8
3.5
3.0 3.43±0.31
FG only 3 4 8.96
2.81
4.58 5.45±3.17
FG+BMP-2 3 4 9.8
12.9
9.35 10.68±1.93
Control* 3 8 4.8
5.0
4.1 4.63±0.40
FG only 4 8 15.46
11.23 8.06
11.58 11.58±3.03
FG+BMP-2 4 8 26.51
13.64 16.8
18.98 18.98±5.48
*Control, not injected; FG only, fibrin glue only injected; FG+
BMP-2, fibrin glue combined bone morphogenetic protein-2 injected.
골 결합부 손상과는 다른 치유 형태를 보인다는 단점이
있다1,12,19). 그리고 골 터널을 이용하는 방법은 건이 골
터널을 통과하여 고정할 수 있을 만큼 충분히 길어야 하 기 때문에 임상적으로 적합하지 않을 때가 많다. 건-골 결합부 손상의 가장 많은 형태인 회전근개 손상 모델로서 백서, 가토, 개 및 염소 등의 극상근 혹은 극하근을 이용 하는 방법이 있으나23), 백서와 가토는 건의 크기가 너무 작은 단점이 있고, 개와 염소는 많은 실험 동물을 이용하 기 어려운 문제점이 있다. 최근 들어 슬개골을 부분 절제 하는 모델14,29)이 건-골 결합부 손상의 재생을 연구하기 위하여 이용된 바 있으나, 슬개골의 관절쪽은 초자연골로 형성되어 있고, 건-골 결합부가 관절 내에 위치하고 있 어 임상적으로 흔히 접하게 되는 건-골 결합부 손상과는 다른 형태를 보인다는 문제점이 있다. 이에 본 연구에서 는 임상적으로 흔히 접하는 건-골 결합부 손상의 치유 과정을 관찰하기 위하여 아킬레스 건이 종골에 부착하는 부위를 실험 모델로 이용하였다.
본 실험에서 골 형성 단백을 보관하고 전달하는 매개체 (carrier)로 사용한 섬유소 아교는 사용이 용이하고 안전 성이 확립되어 임상적으로 여러 분야에서 사용되고 있으 며, 성장 인자를 전달하기 위한 매개체(carrier)로서도 많이 이용되고 있다7,8,16,20,27,30)
. 체내에서 만들어지는 섬 유소 혈병(fibrin clot)처럼 외부에서 투여된 섬유소 아교 도 대사된 후에 체내에 아무런 이물질을 남기지 않는다는 장점이 있으나, 연골 및 건 손상이나 건-골 결합부 손 상에 대한 섬유소 아교의 효과에 대해서는 논란이 많 다2,16,21,24)
. 본 연구에서는 건-골 결합부에 사용된 섬유 소 아교가 생역학적 검사상에서 아무것도 주입하지 않은 I군보다 빠른 재생 및 높은 생역학적 소견을 보이므로 건 이나 인대, 연골과 같이 혈관 공급이 빈약한 부위에서는 섬유소 아교 안에 성장 인자를 포함하여 외부에서 투여하 면, 주위 조직에서 세포를 이동시켜 손상 조직의 재생을 촉진시킬 수 있는 효과가 있다고 생각된다. 그렇지만 섬 유소 아교 안에 성장 인자를 포함시켜 손상 조직의 재생 에 사용하였을 때, 성장 인자의 종류와 손상 조직에 따라 서 섬유소 아교가 성장 인자의 방출을 억제한다는 연구 결과27)도 있으므로 각 실험 연구마다 얼마만큼의 성장 인 자가 언제까지 섬유소 아교에서 방출되는지 확인이 필요 할 것으로 사료된다.
본 연구에서 생역학적 검사 결과 최대 인장 강도는 I,
II, III군에서 모두 시간이 경과할수록 점차 증가하였고, 손상 부위에 아무 것도 주입하지 않은 I군과 섬유소 아교 만을 주입한 II군에서는 봉합술 후 8주에도 최대 인장 강 도가 정상의 18%, 45% 정도로 밖에 회복되지 않는 소견 을 보였으나 손상 부위에 골형성 단백-2를 포함한 섬유 소 아교를 주입한 III군에서는 봉합술 후 8주에서 정상의 74%까지 최대 인장 강도가 증가하는 소견을 보였으며, 이 결과는 슬개골을 부분 절제하는 실험 모델에서도 수술 후 24주에도 정상의 15% 수준밖에 회복이 안되었다는 보고28)와 비교하여 볼 때도 단기간 내에 인장 강도의 회 복을 보였으며 골 터널 내에서 골 생성 인자를 이용한 실 험에서 술 후 8주째에 정상의 65%까지 최대 인장 강도를 보였다는 실험 결과1)와 비슷한 양상을 보였다. 골 터널내 에서 건-골 결합부 안으로 골 성장이 증가됨으로 인해 결합력의 증가를 가져 올 수 있다는 보고18)가 있으므로 본 연구에서도 건-골 접합부로의 골 형성이 증가와 섬유 연골의 형성 증가가 원인이 되어 최대 인장 강도의 증가 를 가져 왔을 것으로 생각된다.
결 론
본 연구를 통하여 섬유소 아교와 섬유소 아교에 포함된 골 형성 단백은 건-골 결합부 손상의 재생을 촉진하는 결과를 얻을 수 있었으며, 섬유소 아교 단독의 사용보다 는 섬유소 아교에 골 형성 단백을 함유시킴으로써 재생이 더욱 촉진되는 결과를 얻을 수 있었다. 향후 섬유소 아교 와 골 형성 단백이 건-골 결합부 손상의 임상적인 치료에 이용될 수 있는 가능성을 보여주었다.
참고문헌
= 국문초록 =
목 적: 저자들은 건-골 결합부의 손상에 외부적으로 주입된 골형성 단백이 초기 재생 과정에서 건-골 결합력의 증대를 가져오는지에 대해 알아보고자 하였다.
대상 및 방법: 가토 54마리를 대상으로 하였으며 가토의 아킬레스 건-골 결합부에서 절제를 시행한 후 Kracow 술식을 이용하여 봉합한 세 군에서 I군을 봉합 부위에 아무런 처치를 시행하지 않은 군으로, II군은 섬유소 아교만을 봉합 부위에 주입하였으며, III군은 골형성 단백을 포함한 섬유소 아교를 주입하여 실험 2, 4, 8주에 각군의 조직학적 소견 및 생역학적 강도를 비교하여 골형성 단백-2의 효과를 알아 보았다. 통계학적 검정은 Kruskal-Wallis test를 이용하였다.
결 과: 조직학적 소견상 골형성 단백을 포함한 섬유소 아교를 주입한 III군은 다른 군보다 실험 2주째부터 섬유 연골이 나타났으며 그 두께가 증가하였다. 생역학적 결과에서는 III군은 I군과 II군보다 실험 2주째부터 최대 인장 강도에서 통계학적으로 의미 있는 증가를 보였고, 실험 8주째에서는 III군의 평균 최대 인장 강도가 정상 아킬레스 건-골 결합부의 인장 강도의 74.7%까지 회복되었다.
결 론: 골형성 단백-2를 포함한 섬유소 아교의 주입은 건-골 결합부 손상의 재생을 촉진시킬 수 있을 것이다.
색인 단어: 아킬레스건, 건-골 결합부 손상, 골형성 단백, 섬유소 아교
