Alteration of Trabecular Bone Microarchitecure at Tibial Epiphysis due to Knee Joint Instability by Anterior Cruciate Ligament Rupture: Difference between Medial and Lateral Part

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학 술 논 문

전방십자인대 손상으로 인한 슬관절 불안정성에 따른 경골 골단 해면골 미세구조 변화 : 내방과 외방에서의 해면골

미세구조 패턴 변화

이주형

·전경진

·김한성

·임도형

1세종대학교 기계공학과, ²한국생산기술연구원 실버기술연구그룹, ³연세대학교 의공학과

Alteration of Trabecular Bone Microarchitecure at Tibial Epiphysis due to Knee Joint Instability by Anterior Cruciate Ligament

Rupture: Difference between Medial and Lateral Part

Joo Hyung Lee

, Keyoung Jin Chun

, Han Sung Kim

and Dohyung Lim

1

Department of Mechanical Engineering, Sejong University, Seoul Korea

2

Gerontechnology R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Cheonan, Korea

3

Department of Biomedical Engineering, Yonsei University, Wonju, Korea (Received April 13, 2012. Accepted June 12, 2012)

Abstract: Knee joint instability by anterior cruciate ligament(ACL) rupture is allowing the abnormal loading con- dition at the tibial epiphysis locally, resulting in producing locally different bone bruise. The study examined difference between local alteration patterns of trabecular bone microarchitecture at medial and lateral parts of the tibial epi- physis by ACL rupture. Fourteen SD rats were divided into Control(CON; n = 7) and Anterior Cruciate Ligament Transection(ACLT; n = 7) groups. The tibial joints were then scanned by in vivo µ-CT at 0, 4, and 8 weeks post- surgery. The results showed that alteration pattern on trabecular bone microarchitecture at medial part was sig- nificantly higher than that at lateral part of the tibial epiphysis in ACLT group from 0 to 8 weeks(P < 0.05). Tb.Th and Tb.Sp distributions were well corresponded with differences between aforementioned trabecular bone microar- chitectural alteration pattens at medial and lateral parts of the tibial epiphysis in ACLT group from 0 to 8 weeks(P < 0.05). These findings suggest that the alteration patterns of trabecular bone microarchitecture should be locally and periodically considered, particularly with respect to the prediction of bone fracture risk by ACL rupture.

Improved understanding of the alteration patterns at medial and lateral trabecular bone microarchitectures at the tib- ial epiphysis may assist in developing more targeted treatment interventions for knee joint instability secondary to ACL rupture.

Key words: Knee Joint Instability, Anterial Cruciate Ligament Rupture, Tibial Epiphysis, Locally Dif- ferent Microarchitectural Alteration Pattern, Bone Fracture Risk

I. 서 론 스포츠로 인한 사고 중 45%가 슬관절 손상이며 대표적인 병증은 전방 십자인대 손상이다. 미국의 경우 8만 건의 전 방 십자인대 손상이 발생 하고 있으며[1], 전방십자인대 (anterior cruciate ligament, ACL) 손상은 이차성 퇴행성 관 절염(secondary osteoarthritis)인 외상성 관절염(traumatic osteoarthritis) 의 가장 흔한 발병 원인 중 하나로 보고 되 고 있다[2]. 전방십자인대(ACL)는 슬관절의 과도한 회전 Corresponding Author : 임도형

서울특별시 광진구 군자동 98 세종대학교 기계공학과 TEL: +82-2-3408-3672 / FAX: +82-2-3408-4333 E-mail: [email protected]

본 연구는 보건복지부 보건의료연구개발사업의 지원에 의하여 이루

어진 것임(A100023).

79 (torsion) 및 신전(extension)으로부터 슬관절을 보호하는

기능을 담당하고 있는데, 전방 십자 인대(ACL) 손상시 이 러한 기능 상실로 인하여 슬관절 불안정성을 통한 부정합을 야기하고, 연속적으로 슬관절에 비정상적 하중이 인가되어 결과적으로 연골 및 연골 하 골에서 국소적으로 심각한 손 상을 초래하는 것으로 보고되고 있다[2,3]. 또한 위의 증상 이 심화될 경우 골의 강도(bone strength) 약화에 따른 슬 관절내 국소적 하중 골절(local stress fracture) 위험성이 높아지는 것으로 보고되고 있다[4,5]. Kaplan 등(1992)[5], Rosen 등(1991)[6]의 보고에 따르면 전방십자인대(ACL) 기 능손상에 의해서 하중분포의 이동에 따른 외반슬(valgus)을 일으키며, 이에 따라 골단내에서 골절(fracture)의 발생이 주로 내방(medial part)보다 외방(lateral part)에서 일어난 다고 보고 되고 있다. 그러나 아직까지 전방십자인대 손상에 의한 경골 골단내 내방 및 외방에서의 골 변화 특성은 완전 히 규명되지 않은 상태이다. 따라서 골절 위험성(fracture risk) 예측 관점에서 전방십자인대(ACL) 기능상실에 따른 슬관절 불안정시 경골 골단내 내방 및 외방에서의 골 변화 특성 규명에 대한 필요성이 증대되고 있으며, 이를 위한 많 은 연구들이 수행 되어 왔다[7-13]. 그러나 이전 연구들은 2 차원 영상학적 진단에 의한 골밀도(bone mineral density) 평가만을 수행한 점[11-13], 골단 내방과 외방 각각에서의 국소적 골 변화 특성이 아닌 전체를 고려하여 분석한 점[7- 9], 골절 위험성(fracture risk) 예측을 위한 골 강도(bone strength) 변화의 주요 요인인 해면골 미세구조 변화를 고 려하지 못하였다는 한계점이 있었다[10].

따라서 본 연구에서는 생체 내 미세단층 촬영시스템을 이 용하여 슬관절 경골 골단내 내방과 외방의 해면골에서의 미 세구조 분석을 실시하여, 전방십자인대 손상 시 슬관절 불 안정성에 따른 경골 골단 내방과 외방 해면골 사이에서의 국소적 골 미세구조 특성 변화 패턴 차이에 대한 정량적 분 석을 목적으로 하였다. 이러한 연구를 통해 전방십자인대 손 상에 의한 슬관절의 불안정성이 골단 경골 내방 및 외방 해 면골 미세구조에 각각 어떠한 영향을 미치는지에 대한 기준 정립 및 전방십자인대 손상에 의한 슬관절 내의 골절 위험성 에 대한 이해와 치료에 도움이 되고자 하였다.

II. 연구대상 및 방법

1. 실험 동물 및 처치

본 연구의 동물실험은 연세대학교 동물 보호 및 사용에 관한 지침과 법규에 따라 수행되었다(YWC-091113-1). 실 험동물은 6주령 흰색 수컷 쥐(Sprague-Dawley, SD rat;

무게: 약 250 ± 7 g) 14마리를 사용하였다. 실험 전 동물의 환경에 대한 적응을 위해 2주간 연세대학교 동물 실험실에

서(온도: 23 ± 3

C, 습도: 50 ± 10%)에서 사육되었다. 밤과 낮은 12시간 주기로 바뀌도록 설정하였다. 모든 쥐는 임의 적으로 전방십자인대제거군(ACLT 군, 7마리, ACL1, ACL2, ACL3, ACL4, ACL5, ACL6, ACL7) 과 아무런 처치를 가 하지 않은 정상군(CON군, 7마리, CON1, CON2, CON3, CON4, CON5, CON6, CON7) 의 2개 군으로 나누었다. 전 방십자인대(ACL) 손상에 의한 내방과 외방 경골 골단 해면 골의 미세구조 분석을 위해 ACLT군에서 전방십자인대 절 제술(ACLT, Anterior cruciate ligament transection)을 실시하였다. 먼저 오른쪽 무릎관절의 피부와 근육을 세로 방 향으로 약 1.5 cm정도 절개하였으며, 이후 슬관절을 신장 (extention) 하여 슬개 인대를 옆으로 이동시키고 경골과 대 퇴골 사이의 고평부 상단의 중심을 연결하는 전방 십자인대 를 확인 후 신장되어있는 전방십자인대를 수술용 칼을 이용 하여 절단(cutting) 해주었다(그림 1). 마지막으로 전방십자 인대의 절단을 확인 후 이동 시켰던 슬개 인대를 원상태로 옮기고 근육과 피부를 차례로 봉합 하였다[14]. 이때 CON 군에는 아무런 외과적 처치를 가하지 않았다.

2. 생체 내 미세단층촬영

골 미세구조 특성 변화 패턴 분석을 위하여, 생체 내 미세

단층촬영 시스템(in vivo micro computerized tomography

examination system, µCT, Skyscan 1076, Skyscan,

Belgium) 을 사용하여, 모든 실험군(정상군 및 유발군) 슬관

절에 대한 2차원 미세단층 영상을 획득하였다(그림 1). 이때

연속적 시기별 특성 변화 패턴 분석을 위하여 0주(실험 시

작 시점), 4주 그리고 8주째에 모든 실험 동물을 대상으로

생체 내 미세단층촬영을 수행하였다. 선속 경화 효과(beam

hardening effect) 를 교정하기 위하여 촬영 전 플랫 필드

커렉션(flat field correction)과 시스템 내부 필터를 통한 선

속 경화 인자(beam hardening factor) 교정을 수행하였다

[20]. 또한 동물에게 방사선 피폭 피해를 최소화하기 위한

셔터(shutter)를 사용하였다. 정확한 촬영을 위해 실험동물의

움직임 제한 목적에서 염산케타민(Huons, Korea, 1 mL/kg)

과 자일라진(Bayer Korea, Korea, 0.33 mL/kg)을 사용하

여 실험 동물을 마취하였다. 미세단층촬영 과정 중 µCT 내

부에 설치된 카메라를 통한 움직임 및 심박측정을 통해 동물

의 스트레스 상태를 관찰하였으며, 내부 온도변화 감지장치

를 통해 동물의 스트레스 상태에 영향을 미칠 수 있는 환경

변화의 이상 유무를 관찰 하였다. 본 실험의 영상은 35 µm ×

35 µm × 35 µm 해상도로 촬영되었으며, 이때 생체 내 미세

단층촬영을 위한 생체 내 미세단층촬영 측정 변수는 관전압

100 kV, 관전류 100 µA, 필터 Al 1.0 mm, 그리고 회전각

0.7

로 설정하였다.

80

3. 골 미세구조 변수 측정

생체 내 미세단층촬영 시스템에서 획득된 슬관절의 2차원 미세단층 영상을 재건한 후 경골 골단의 부위를 내방 (medial) 과, 외방(lateral)으로 나누어 각 부위에 대한 해면 골을 관심영역(region of interest, ROI)으로 지정하였다.

이를 성장판 위로부터 600 µm 높이로 쌓아 관심부피 영역 (volume of interest, VOI) 으로 지정한 뒤, 미세 구조 변 화를 세부적으로 분석하였다(그림 1). 설정된 관심부피영역 에서 CON군과 ACLT군의 시간에 따른 골 미세구조 변수 가 측정되었으며, 골 미세구조 변수로서 골 체적비(Bone volume/Tissue volume, BV/TV, %), 골 표면적 비(bone surface to bone volume, BS/BV, 1/mm), 골 패턴요소(tra- becular bone pattern factor, Tb.Pf, 1/mm), 골소주 개수 (trabecular bone number, Tb.N, 1/mm), 골소주 두께 (trabecular bone thickness, Tb.Th, mm), 골소주간 거리 (trabecular bone separation, Tb.Sp, mm) 가 측정 분석 되었다. 여기서 BV/TV는 전체적인 골 부피 양의 변화를 확 인 할 수 있는 지표로서 전체부피에서 골 조직 부피의 비율 을 나타내며, BS/BV는 골의 교체(turnover) 정도 또는 상

태를 파악할 수 있는 지표로서 선택한 골의 부피에서 골의 표면적 비를 나타내며, Tb.Pf는 골소주의 연결성을 확인 할 수 있는 지표로서 값이 높을수록 연결성이 낮음을 그리고 값 이 낮을수록 연결성이 높음을 나타내며, Tb.N는 골소주 개 수를 확인 할 수 있는 지표로서 단위길이당 골소주의 개수 를 나타내며, Tb.Th는 골소주의 두께를 확인 할 수 있는 지 표로서 골소주의 두께를 나타내며, Tb.Sp는 골소주 사이 간 격의 평균거리를 확인 할 수 있는 지표로서 간격이 좁을수 록 골의 밀집도가 큰 것을 나타낸다. 추가적으로 외상성 관 절염 유발로 인한 골 미세구조 변수 중 골형성 및 골밀집 정 도에 대한 이해도를 높이기 위하여, Tb.Th및 Tb.Sp 값을 세 분화한 분포도를 분석하였다(그림 1).

4. 조직학적 검증

실험동물모델에서의 전방십자인대제절제술(ACLT)을 통 한 슬관절 골 손상 발현 유무를 검증하기 위해 조직학 검사 를 수행하였다. 조직학 검증에 있어서 모든 실험동물들을 8 주 미세단층 촬영 직후 CO2를 이용하여 희생시킨 후 검사 를 수행하였다. 이때 조직은 실온에서 10% 파라포름 알데하

그림 1. 미세 단층 촬영을 이용한 경골 골단 해면골 내외방에서의 미세구조 측정 과정. 전방십자인대 제거술, 미세단층촬영, 이미지 재건 및 분석을 위한 방향 조정 후 3차원 미세구조 분석을 위한 ROI 및 VOI획득, 골 체적비(BV/TV), 골 표면적 비(BS/BV), 골 패턴요소(Tb.Pf), 골소주 개수(Tb.N), 골소주 두께(Tb.Th), 골소주간 거리(Tb.Sp)

Fig. 1. Assessments of alterations in trabecular bone microarchitecture using microcomputer tomography scanning, monitoring, image reconstruction and image alignment, region of interest(ROI) and volume of interest(VOI) acquisitions, and 3D analyses. BV/TV, Bone volume to tissue volume ratio; BS/BV, bone surface to bone volume ratio; Tb.Pf, trabecular bone pattern factor; Tb.N, trabecular bone number; Tb.Th, trabecular bone thickness; Tb.Sp, trabecular bone separation

81 이드 용액에 8시간 고정한 후 15% EDTA용액에 탈석화(de-

calcification) 한 뒤 조직 내에 남아있는 고정액을 수세 (washing) 를 통해 제거하였다. 이후 파라핀이 조직 내에 침 투 할 수 있게 탈수(dehydration) 과정을 거친 후 침투(im- pregnation) 와 포매(embedding)를 통해 파라핀 블록을 제 작하였다. 이를 4 µm의 박절(cutting)을 거쳐 슬관절에 대 한 H&E(hematoxylin and eosin) 염색을 수행 하였다. 이 를 통해 활액내의 골 손상 발현 유무에 따른 세포단위의 조 직학적 변화(염증세포반응, 활액막 비후, 판누스 형태 등)를 관찰하였다.

5. 통계 처리

각 그룹의 시간에 의한(0주, 4주, 8주) 변화와 각 주에 대 한 그룹간의 유의성을 알아보기 위하여 이원 분산 분석(Two- way ANOVA) 과 함께 사후분석(Tukey post-hoc)을 수행 하 였다. 이때 통계 분석에 사용된 유의 수준은 0.05로 설정하 였으며(P < 0.05), 상용 프로그램인 SPSS 17.0(SPSS INC.

USA) 을 사용하여 분석하였다.

III. 결 과

1. 해면골 미세구조 특성

시간 변화에 따른 CON군과 ACLT군 골단 내방과 외방 해면골 미세구조 변화 및 비교 결과를 그림 2-5에 각각 표 현하였다. 시간 변화에 따른 해면골 미세구조의 변화에 있 어서, 골단 내방의 경우 0주 대비 4주째에 CON군의 BV/TV, BS/BV, Tb.Th 가 유의한 변화를 보이는데 반해(BV/TV : 12.90 ± 5.67%, BS/BV : −3.25 ± 1.68 mm

, Tb.Th : 0.08

± 0.06 mm, P < 0.05), ACLT군에서는 유의한 변화를 보이 지 않았다(P > 0.05). 골단 내방의 경우 0주 대비 4주째에 CON군의 BV/TV, BS/BV, Tb.Th가 유의한 변화를 보이는 데 반해(BV/TV : 12.90 ± 5.67%증가, BS/BV : 3.25 ± 1.68 mm

감소, Tb.Th : 0.08 ± 0.06 mm증가, P < 0.05), ACLT 군에서는 유의한 변화를 보이지 않았다(P > 0.05). 4주 대비

그림 2. 경골 골단 내방(medial part)에서의 0주, 4주, 8주에 대한 해면골 미세구조 변화 비교분석. (A) 골 체적비(BV/TV, %), (B) 골 표 면적 비(BS/BV, 1/mm), (C) 골 패턴요소(Tb.Pf, 1/mm), (D) 골소주 개수(Tb.N, 1/mm), (E) 골소주 두께(Tb.Th, mm), (F) 골소주간 거리(Tb.Sp, mm), 검정바: 정상군, 흰색바: 전방십자인대제거군, *표시는 정상군과 전방십자인대 제거군 사이의 유의한 차이를 의미함 (P < 0.05), **표시는 각 군에서의 주령간 유의한 변화를 의미함(P < 0.05)

Fig. 2. Relative alterations in bone microarchitectural characteristics in medial part of the tibial epiphysis at 0, 4, and 8 weeks. (A) BV/TV [%], (B) BS/BV [1/mm], (C) Tb.Pf [1/mm], (D) Tb.N [1/mm], (E) Tb.Th [mm], (F) Tb.Sp [mm] (black bar, CON group; white bar, ACLT group; *, differences between groups; **, difference between weeks; P < 0.05)

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8 주째에는 CON군과 ACLT군 모두 해면골 미세구조에 유 의한 변화가 없었다(P > 0.05) (그림 2). 골단 외방의 경우 역시 0주 대비 4주째에 CON군의 BV/TV, BS/BV, Tb.Pf, Tb.N, Tb.Th, Tb.Sp 에서 유의한 변화를 보였으나(BV/TV : 15.76 ± 7.94%증가, BS/BV : 3.89 ± 1.20 mm

감소, Tb.Pf : 1.91 ± 1.92 mm

감소, Tb.Th : 0.09 ± 0.09 mm증가, Tb.Sp : 0.03 ± 0.03 mm감소, P < 0.05), ACLT군은 Tb.N, Tb.Sp 에서만 유의한 변화를 보였다(Tb.N : 0.37 ± 0.23 mm

증 가, Tb.Sp : 0.05 ± 0.02 mm감소, P < 0.05). 4주 대비 8주 째에는 CON군과 ACLT군 모두 해면골 미세구조 파라미터 에서 유의한 변화가 없었다(P > 0.05) (그림 3). 각 시기별 그룹간 비교에 있어서, 골단 내방의 경우 4주째에 ACLT군 과 CON군 비교시 BS/BV, Tb.Th에서 유의한 차이를 보였 으나(BS/BV : 3.09 ± 2.86 mm

차이, Tb.Th : 0.08 ± 0.07 mm차이, P < 0.05), 8주째에는 ACLT군과 CON군 비교시 BV/TV, BS/BV, Tb.Th 에서 유의한 차이를 보였다(BV/

TV : 14.71 ± 8.78%차이, BS/BV : 4.00 ± 2.80 mm

차이, Tb.Th : 0.06 ± 0.03 mm차이, P < 0.05) (그림 2). 골단 외 방의 경우 4주째에 ACLT군과 CON군 비교시 BV/TV, BS/

BV 에서 유의한 차이를 보였으나(BV/TV : 11.13 ± 11.37%

차이, BS/BV : 3.26 ± 3.19 mm

차이, P < 0.05), 8주째에 는 두 군사이의 해면골 미세구조 파라미터 모두에서 유의한 차이를 보이지 않았다(P > 0.05) (그림 3).

2. 골 형성 정도 특성: 골소주 두께 분포(Tb.Th Distribution) 특성

시간 변화에 따른 CON 군과 ACLT 군에서의 경골 골단 내 Tb.Th 분포도 변화를 그림 4 에 나타내었다. 시간 변화 에 따른 내방의 Tb.Th 분포도 변화에 있어서, 0주 대비 4 주째에는 0.17 mm 두께 이하의 골소주 양이 CON 군에서 는 유의하게 감소하였으나(7.92 ± 5.12%, P < 0.05), ACLT 군에서는 유의한 변화가 없었다(P > 0.05) (그림 4). 0.17- 0.31 mm 두께의 골소주 양에 있어서도, CON 군에서는 0.17-0.31 mm 두께의 골소주 양이 유의하게 감소하였으나 (24.88 ± 14.93%, P < 0.05), ACLT 군에서는 유의한 변화 가 없었다(P > 0.05). 반면 0.31 mm 두께 이상의 골소주의 양은 CON 군과 ACLT 군 모두에서 유의한 변화가 없었다 (P > 0.05) (그림 4). 4주 대비 8주째에는 CON 군과 ACLT 군의 Tb.Th 분포도 변화에 있어서 유의한 변화를 보이지 않 았다(P > 0.05) (그림 4). 외방의 경우, 0주 대비 4주째에는

Fig. 3. Relative alterations in bone microarchitectural characteristics in lateral part of the tibial epiphysis at 0, 4, and 8 weeks. (A) BV/TV [%], (B) BS/BV [1/mm], (C) Tb.Pf [1/mm], (D) Tb.N [1/mm], (E) Tb.Th [mm], (F) Tb.Sp [mm] (black bar, CON group; white bar, ACLT group; *, differences between groups; **, difference between weeks; P < 0.05)

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그림 4. 0주, 4주, 8주에 대한 경골 (A) 내방(medial part)과 (B) 외방(lateral part)에서의 골소주 두께 분포도, 수평축: 골소주 두께(Tb.Th, mm), 수직축: 골비율(%), 검정바: 정상군, 흰색바: 전방십자인대제거군, *표시는 정상군과 전방십자인대 제거군 사이의 유의한 차이를 의미 함(P < 0.05), **표시는 각 군에서의 주령간 유의한 변화를 의미함(P < 0.05)

Fig. 4. Trabecular bone thickness distributions at the (A) medial part and (B) lateral part of the tibial epiphysis after 0, 4, and 8 weeks(vertical axis, trabecular bone thickness, mm; horizontal axis, bone percentage, %; black bar, CON group; white bar, ACLT group; *, differences between groups; **, difference from 0 to 4 or 4 to 8 weeks)

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그림 5. 0주, 4주, 8주에 대한 경골 (A) 내방(medial part)과 (B) 외방(lateral part)에서의 골소주간 거리 분포도, 수평축: 골소주 간 거리 (Tb.Sp, mm), 수직축: 골비율(%), 검정바: 정상군, 흰색바: 전방십자인대제거군, *표시는 정상군과 전방십자인대 제거군 사이의 유의한 차 이를 의미함(P < 0.05), **표시는 각 군에서의 주령간 유의한 변화를 의미함(P < 0.05)

Fig. 5. Trabecular bone separation distributions at the (A) medial part and (B) lateral part of the tibial epiphysis after 0, 4, and 8 weeks(vertical axis, trabecular bone thickness, mm; horizontal axis, bone percentage, %; black bar, CON group;

white bar, ACLT group; *, differences between groups; **, difference from 0 to 4 or 4 to 8 weeks)

85 0.17 mm 두께 이하의 골소주 양이 CON 군에서는 유의하

게 감소하였으나(9.82 ± 4.98%, P < 0.05), ACLT 군에서는 유의한 변화가 없었다(P > 0.05). 0.17-0.31 mm 두께의 골 소주 양에 있어서는, CON 군에서는 0.17-0.31 mm 두께의 골소주 양이 유의하게 감소하였으나(17.80 ± 16.58%, P <

0.05), ACLT 군에서는 유의하게 증가하였다(15.86 ± 12.76%, P < 0.05). 반면 0.31 mm 두께 이상의 골소주의 양은 CON 군에서 유의하게 증가하였으나(25.70 ± 17.62%, P < 0.05), ACLT 군에서는 유의한 변화가 없었다(P > 0.05). 4주 대비 8 주째에는 CON 군과 ACLT 군의 Tb.Th 분포도 변화에 있 어서 유의한 변화를 보이지 않았다(P > 0.05) (그림 4). 각 시기별 그룹간 비교에 있어서, 내방의 경우 0주째에는 두 그 룹간 Tb.Th 분포도의 전 영역에 걸쳐 두 그룹간의 유의한 차이가 없었으나(P > 0.05), 4주째에는 0.17 mm 두께 이하 의 골소주의 양은 유의한 차이가 없었다(P > 0.05). 0.17- 0.31 mm 두께의 골소주 양은 CON 군(44.57 ± 10.72%)이 ACLT 군(69.23 ± 9.20%)에 비해 유의하게 낮음을 확인 할 수 있었다(24.65 ± 18.76%, P < 0.05). 0.31 mm 두께 이상의 골 소주 양은 CON 군(50.05 ± 13.07%)이 ACLT 군(18.65 ± 13.46%)에 비해 유의하게 높음을 확인 할 수 있었다(31.40 ± 25.29%; P < 0.05). 8 주째에 있어서는, 0.17 mm 두께 이하 의 골소주 양은 CON 군(5.42 ± 14.86%)이 ACLT군(14.86 ± 9.19%)에 비해 유의하게 낮음을 확인 할 수 있었다(9.44 ± 8.45%, P < 0.05). 0.17-0.31 mm 두께의 골소주 양은 CON 군(53.05 ± 12.19%)이 ACLT군(67.53 ± 7.77%)에 비해 유

의하게 낮음을 확인 할 수 있었다(14.49 ± 10.18%, P < 0.05).

0.31 mm 두께 이상의 골 소주 양은 CON 군(41.53 ± 13.54%) 이 ACLT 군(17.60 ± 13.60%)에 비해 유의하게 높 음을 확인 할 수 있었다(23.93 ± 12.54%; P < 0.05) (그림 4). 외방의 경우, 0, 4, 8주째에 걸쳐 두 그룹간 Tb.Sp 분 포도에 유의한 차이가 없었다(P > 0.05) (그림 4).

3. 골 밀집 정도 특성: 골소주간 거리 분포(Tb.Sp Distribution) 특성

시간 변화에 따른 CON군과 ACLT군 골단 내방과 외방 해면골에서의 Tb.Sp 분포도의 변화를 비교하여 그림 5에 나타내었다. 시간 변화에 따른 Tb.Sp 분포도의 변화에 있 어 내방의 경우는 0주 대비 4주째에 0.17 mm 이하의 CON 군에서는 골소주간 거리 양이 유의하게 증가한 반면(7.16 ± 5.25%, P < 0.05), ACLT 군의 골소주간 거리의 양은 유의 한 변화가 없었다(P > 0.05). 0.17-0.31 mm의 골소주간 거 리의 양은, CON군에서는 유의한 변화가 없는 반면(P >

0.05), ACLT 군에서는 유의하게 증가하였다(12.64 ± 9.61%, P < 0.05). 0.31 mm 이상의 골소주간 거리의 양은 CON군 에서는 유의하게 감소하는 반면(8.75 ± 5.73%, P < 0.05), ACLT 군에서는 유의하게 감소하였다(15.43 ± 11.37%, P <

0.05). 4 주 대비 8주째에는 CON군과 ACLT군 모두 Tb.Sp 분포도의 변화에 있어서 유의한 변화가 없었다(P > 0.05).

외방의 경우는, 0주 대비 4주째에 0.17 mm 이하의 CON

그림 6. 실험동물 각 개체(왼쪽: 정상군, 오른쪽: 전방십자인대제거군)의 경골 내방(medial part)에서의 미세구조 변화(검정바:0주; 회색바 , 4주; 흰색바, 8주)

Fig. 6. Relative alterations in bone microarchitecture characteristics at medial part of the tibial epiphysis for each animal in the CON(left) and ACLT(right) groups(black bar, 0 weeks; gray bar, 4 weeks; white bar, 8 weeks)

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군에서는 골소주간 거리 양이 유의하게 증가한 반면(11.52 ± 9.72%, P < 0.05), ACLT 군의 골소주간 거리의 양은 유의 한 변화가 없었다(P > 0.05). 0.17-0.31 mm의 골소주간 거리 의 양은, CON군에서는 유의한 변화가 없는 반면(P > 0.05), ACLT 군에서는 유의하게 증가하였다(10.53 ± 10.05%, P <

0.05). 0.31 mm 이상의 골소주간 거리의 양은 CON군에서 는 유의한 변화가 없는 반면(P > 0.05), ACLT군에서는 유 의하게 감소하였다(18.97 ± 7.74%, P < 0.05). 4주 대비 8 주째에는 CON군과 ACLT군 모두 Tb.Sp 분포도의 변화에

있어서 유의한 변화가 없었다(P > 0.05) (그림 5). 각 시기 별 그룹간 비교에 있어 내방 과 외방에서 0주, 4주, 8주째 모두 두 그룹간 Tb.Sp 분포도에 유의한 차이가 없었다(P >

0.05) ( 그림 5).

4. 조직학적 검증결과

CON 군과 ACLT군에서 획득된 조직학 검사 결과를 그림 8 에 나타내었다. CON군의 슬관절 골단부위 형태의 경우 외 형적인 부분에서의 형태 변화나 불규칙성을 나타내고 있지

Fig. 7. Relative alterations in bone microarchitecture characteristics of lateral part for each animal in the CON(left) and ACLT(right) groups(black bar, 0 weeks; gray bar, 4 weeks; white bar, 8 weeks)

그림 8. 전방십자인대제거군에서의 조직학 검사 검증결과 및 확대 이미지(약한 염증반응, 판누스 형태 및 활액막 비후 관찰됨

Fig. 8. Representative histological images of knee joints with both CON and ACLT groups, and its magnification(mild inflammation, pannus formation, and synovial hypertrophy)

87 않았다. 반면에 ACLT군의 경우, 외형적으로 경골 골단(tibial

epiphysis) 부위에서 연골 손상, 골 침식(Bone erosion), 활 액막 비후(hypertrophy)의 증상을 확인 할 수 있었다. 침 식 부위를 고배율로 관찰 하였을 때, 판누스(pannus) 형태 및 약한 염증반응(mild inflammation)을 확인 할 수 있었 다(그림 8).

IV. 고찰 및 결론

전방십자인대 제거술 이후 조직학적 측면에서 해면골을 살펴보면 내외방의 골손상(bone erosion)에 의해 직간접적 인 영향을 받았을 것으로 추정이 된다. 이것을 미세단층촬영 영상 기반의 해면골 미세구조 변화 패턴 결과를 통해 세부 적으로 살펴보면, 4주차 때의 CON군의 경우 내방과 외방 에서 미세구조적 특성 향상 패턴을 보였다(P < 0.05). 반면 ACLT 군의 골단 두 영역 모두 대부분의 미세구조 파라미터 에서 변화를 보이지 않음으로 인해서 CON군에 비해 미세 구조적으로 불안정성을 나타내었다. 결과적으로, 조직학 검 사결과와 마찬가지로 ACLT군의 슬관절내 두 영역 모두 정 상 슬관절과 비교시 전방십자인대 손상에 의해 구조적으로 영향을 받고 있는 것으로 보인다. 8주차는 4주와 마찬가지 로 ACLT군 내방에서 미세 구조적 불안정성을 보였지만, 외 방에서는 미세구조 특성이 안정된 패턴을 보였다(P > 0.05).

8 주차는 4주와 마찬가지로 ACLT군 내방에서 CON군에 비 해 상대적으로 미세 구조적 불안정성을 보였지만, 외방에서 는 상대적으로 안정성을 보였다. 즉, ACLT손상에 따른 골 손실이 진행됨에 따라 골단 해면골 내방에서의 구조적 불안 정성이 외방에 비해 상대적으로 높다는 것을 나타내며, Tb.Th, Tb.Sp 분포도 역시 이러한 미세구조 파라미터 패턴 결과와 일치함을 확인 할 수 있었다. 그러나 이러한 외방의 상대적인 미세구조 특성 결과는 Kaplan 등(1992)[5]과 Rosen 등(1991)[6]이 보고한 골단 외방의 골 손상에 따른 골절(fracture) 발생 패턴과는 일치하지 않음을 보였다.

Day 등(2001) [15]의 연구에 따르면 일정 하중자극(loading stress) 을 연골 골단에 가해주면 연골하부 해면골 미세구조 특성이 향상 될 수 있음을 보고하였다. 따라서, 상대적으로 본 연구에서 나타난 외방에서의 해면골 미세구조의 안정성 결과는 전방십자인대 손상 시 외방으로 집중된 하중자극 (loading stress) 에 의한 일시적 미세구조 특성 변화 패턴 으로 사료된다. 그러나 이에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 서는, 골절(fracture)이 발생 할 때까지의 골 미세구조 및 골 강도(bone strength) 특성 변화 패턴에 대한 추가적인 추적 관찰이 필요 할 것으로 판단된다. 즉, 전방십자인대 손상 시 하중 자극변화에 의한 외방(lateral)에서의 해면골 미세구조 특성이 일시적 안정 패턴인지 혹은 지속적인 미세구조 안정

패턴인지의 검증을 위한 추적관찰 연구가 필요 할 것으로 판 단된다.

앞선 결과패턴을 실험동물 개체간 변화를 통하여 관찰하 였을 때, 일부 개체의 패턴이 항상 일치하지 않음을 보였다 ( 그림 6, 7). 이러한 원인을 살펴보면 앞서 언급한 하중자극 (weight bearing) 이외에도 실험 동물 모델에서의 전방십자 인대 손상에 대한 생리적 적응력 차이(슬관절 불안정성 극복 을 위한 슬관절 지지 근육강화 보상, 관절간 마찰을 줄이기 위한 보행 특성변화 등[16,17], 그 밖의 외부적 실험 환경 요 인(방사능 노출시간, 세균감염, 소음 등)에 따른 오차에 의한 것으로 판단된다[18,19]. 따라서 본 연구 결과에 대한 신뢰 성을 보다 향상 시키기 위해서는 앞서 언급하였듯이 골절 (fracture) 이 일어나기까지의 추적 관찰기간 연장을 통한 미 세구조 변화의 추가적 검증 외에도 실험 동물의 실시간 관 찰 등을 통해 실험 오차 요인들을 제거 할 필요가 있을 것 으로 사료된다. 이에 대한 연구들이 현재 계획되고 있으며 추가적인 연구 결과를 향후 발표 할 예정에 있다. 그러나 전 방십자인대 손상에 따른 경골 골단 내방과 외방 해면골 사 이에서의 미세구조 특성 변화 차이를 분석하였다라는 점과 실험 동물 각 개체간 해면골 미세구조 특성 변화를 연속적 으로 추적 관찰하였다라는 점에 있어서, 기존 선행 연구들 의 한계점을 극복하였다는데 본 연구의 의의가 있을 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 제시한 패턴 결과에 근거하여, 전방십자인대 손상에 따른 골 치료 수행 시 해면골의 미세 구조 특성 변화 패턴이 각 영역별, 진행시기별로 고려 되어 야 할 것으로 사료된다.

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