제48회 대한정형외과학회 추계학술대회

48회 대한정형외과학회 추계학술대회에서는 고관절, 족부, 관절경, 슬관절, 수부외 관련한 다양한 내용이 발표됐다. 특히 미국, 일본, 영국 연자들의 내용은 참석자들의 높은 호응을 얻었다. 이번호에는 대한정형외과학회에서 제공된 내용을 게재한다.

새 골대체제 유·무기 나노복합체 개발
폴리카프로락톤·실리카 나노복합체 우수

자가골이나 동종골의 단점을 극복하고 임상에서 손쉽게 사용할 수 있는 골 조직 대체물에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 이상적인 골 대체재는 아직 개발되지 않고 있다.

현재 개발되어 있는 골 대체재 중 생체활성 세라믹은 골 형성능은 뛰어나지만 변형력과 흡수성, 가공성이 좋지 못하고, 폴리머는 변형률, 흡수성, 가공성은 우수하지만 골 형성능이 없는 치명적인 단점이 있어 단순 골 충진재 역할 밖에 할 수 없다.

결국 정상 골 조직과 유사한 기계적 강도와 변형률, 탄성률을 가지고 체내에서 적당한 속도로 흡수되면서 골 형성능도 내포하고 있는 이상적인 골 대체 물질을 개발하기 위해서는 세라믹과 고분자의 특성을 동시에 가지는 물질을 고안해야 한다.

서울의대 정형외과 유정준 교수는 골 대체재로 개발된 폴리카프로락톤·실리카 나노복합체의 생체활성과 기계적 물성에 미치는 2차 열처리 효과라는 주제로 설명했다.

유 교수는 “가장 이상적인 골 대체 물질은 정상 골 조직의 여러 특성을 모방하는 물질”이라고 말했다. 사람의 골 조직은 잘 알려진 바와 같이 약 70% 정도의 질량은 무기질인 아파타이트, 나머지 약 30% 정도의 질량은 주로 콜라겐인 유기질로 구성되어 있다.

콜라겐 임상에 제한많아

체내에서 콜라겐 섬유로 형성된 망상 조직 사이사이에 무기질이 침착되어 배열된 형태로 존재하여, 유기질인 콜라겐에 의해서는 탄성력이, 무기질에 의해서는 적당한 정도의 강도가 나타나게 된다.

이러한 콜라겐과 무기질을 복합하여 골 조직을 그대로 모방하려 한 물질들은 이미 여러 가지 개발됐지만, 이 모든 물질들은 콜라겐이라는 천연 고분자를 사용해 체내에서 면역 거부 반응을 야기할 위험성이 높고 체내에서의 용해 속도가 너무 빨라 이를 인위적으로 제어할 수 있는 기술이 있어야 한다.

또한 전량을 동물로부터 추출해야 하기 때문에 제작 과정과 보관이 까다롭고 대량 생산에 적합치 않아 제조 단가가 비싸 임상적으로 활용하기에는 제한이 많았다.

신개념 골대체재 개발

이러한 단순한 생체 모방 기법에 의한 생체활성 유-무기 복합체의 단점을 극복하기 위해, 최근에는 졸-겔 방법(sol-gel method)에 의해 제작된 새로운 개념의 유-무기 나노복합체가 개발되고 있다.

이는 소수성인 합성 고분자에 세라믹 전구체를 동시에 공중합(condensation) 시킴으로써 두 물질을 분자 수준에서 직접 화학 결합시킨 것이다.

즉 세라믹과 고분자 간의 상 분리 현상을 막으면서, 세라믹 상에 의해서는 골 전도성 생체활성이 부여되고 고분자에 의해서는 적당한 정도의 전성이 주어진다.

또한 생분해도 되어 점차적으로 소재 자체는 없어지면서 그 공간으로 새로 생기는 신생골이 채워지도록 하는 개념으로 발전된 것이다.

이러한 물질은 무기질에 의하여 표면에 아파타이트 층이 형성되도록 하는 골 전도성을 가지고 있으면서 유기질인 고분자에 의해서는 정상 해면골과 유사한 정도의 기계적 강도를 보여준다.

생체활성 폴리카프로락톤-실리카 나노복합체(poly(P-capro-lactone)/silica nanocomposite)는 생체활성 유-무기 나노복합체의 개념을 발전시켜 최근에 개발된 신물질이다.

이는 무기질인 실리카기에 의해 아파타이트 층이 형성되는 골 전도성 생체활성을 가지면서 유기질인 폴리카프로락톤의 성상을 조절하고 적당한 정도의 기계적 강도와 생분해성도 확인됨에 따라, 차세대 골 대체재로서의 사용 가능성을 확인시켰다.

유 교수는 생체활성 폴리카프로락톤-실리카 나노복합체에 100도, 150도, 200도의 2차 열처리를 가한 후 생체활성과 기계적 물성에 미치는 효과를 관찰하고, 정상 골 조직에 근접할 수 있는 가장 최적의 제작 조건을 찾았다.

그 결과 2차 열처리 온도가 증가하면서 각 시편들의 질량이 감소했으며, 200도 열처리까지는 고분자 상 보다는 주로 실리카 겔의 질량 감소에 영향을 받았다.

150도로 2차열처리해야 가장 효과적

Functional group의 변화를 관찰한 결과, 2차 열처리 온도가 증가함에 따라 실록세인 결합의 양도 증가했다. 이런 현상은 온도가 증가하면서 dehydration이 진행하여 각 분자가 가까워지면서 unreacted silanol group간에 축합반응이 일어나고 실록세인 결합을 형성하기 때문이었다.

1주일간 유사체액에 담그고 각 시편 표면의 미세구조를 관찰한 결과, 하루가 지나며 흰 점들로 보이는 저결정성 아파타이트가 생성되기 시작했는데 2차 열처리 온도가 증가하자 크기와 숫자가 작았고 200도 처리 시편에서는 하나도 형성되지 않았다.

3일이 경과하자 저결정성 아파타이트는 모두 형성됐지만 처리 온도가 증가하면서 크기들이 작았고 1주일 후 크기가 동일하게 자랐다[그림1].

[그림1] 60도로 1차 열처리한 시편(T60)과 100도(T100), 150도(T150), 200도(T200)로 2차 열처리한 시편의 유사체액 내에서 아파타이트 형성능을 보여주는 전자현미경 소견
 

각 시편 표면의 결정 상을 XRD로 확인한 결과 유사체액에 1주일간 담근 후에는 저결정성 아파타이트가 모두 형성됐다.

유 교수는 “이처럼 초기에는 형성되지 않다가 시간이 경과하면서 아파타이트가  만들어지는 기전으로 실리카 네트워크에 잡혀있던 칼슘이 천천히 녹아나오면서 실라놀 기가 만들어져 이들이 새로운 핵 형성 사이트로 작용하였기 때문”이라고 설명했다.

100도로 2차 열처리를 하자 인장강도에는 변화가 없이 변형률만 감소했고 150도 열처리에서는 인장강도가 17MPa 정도로 급증하여 정상 해면골과 유사한 정도가 됐고, 200도 처리에서는 강도가 줄어들었다.

Young's modulus 역시 열처리 온도 증가에 따라 증가했고 150도 처리시 가장 컸고 정상 해면골과 유사했다[그림2].

[그림2] 2차 열처리 온도에 따른 각 시편의 응력-변형률 곡선(좌)과 Young's modulus 변화(우)
 

결국 2차 열처리 온도가 증가하면서 폴리카프로락톤-실리카 나노복합체의 실록세인 결합이 증가하여 강도와 Young's modulus가 증가했고, 실라놀 기는 감소하여 초기 아파타이트 형성능이 감소했다.

유 교수는 “위 결과들을 고려할 때, 150도로 2차 열처리를 하는 것이 생체활성을 잃지 않으면서 기계적 물성을 가장 좋게 개선할 수 있는 방법”이라고 말했다.

또한 “생체활성 폴리카프로락톤·실리카 나노복합체는 우수한 생물학적 물성과 기계적 성질을 가지므로, 차세대 골 대체재로 사용될 가능성이 크다”고 덧붙였다.

無시멘트 재치환술이 효과적
대부분 제2전위형

전북대학병원 정형외과 박명식(이영근, 양근호, 신성진) 교수팀은 인공고관절 치환술 후 발생된 대퇴골 골절에 대한 분석과 치료에 대한 결과를 토대로 새로운 분류와 치료법을 보고했다.

연구팀은 5년 이상 추적 관찰이 가능하였던 37례(인공관절 1270례)를 대상으로 했다.
환자의 평균연령은 64.3세였으며, 골절의 형태는 인공대퇴물 스템의 원위단에 발생되는 전위골절(89.1%)이었다. 골절은 다른 논문(75%)과 달리 이완율이 32.4%로써 낮았다.

이러한 원인은 일차스템에 사용된 무시멘트 스템이 원인으로 추정되었으며, 분류는 연구팀이 고안한 Park's 분류로 골절부위와 인공관절 안정성에 기초로 분류를 했다.

즉 제 1형은 근위부 골절 a:비전위, b:전위, c:인공관절 불안정, 제 2형은 대퇴골 중간부 골절(대퇴스템 원위단 주위, 피질골 직경 2배의 거리이내)골절로 하였으며 소분류는 a:비전위, b:전위, c:인공관절 불안정, 제 3형 대퇴골 원위단 골절로 소분류는 a:비전위, b:전위, c:인공관절 불안정 골절로 분류했다. 분류 결과 제 IIb의 형이 대부분이었다. 

연구팀은 이번 연구결과 치료는 안정성 골절로 금속판을 사용하는 경우 8홀 이상의 장 금속판에 자가골 이식이 중요했으며, 불안정 골절이거나 안정이 있더라도 그 기능에 장해가 있는 경우는 긴 대퇴스템을 이용한 무시멘트 재치환술이 만족한 결과를 보였다고 말했다.

세포신호전달에 효과적인 integrin b1
arginine 연골세포 콜라젠 합성 증진시켜

관절연골은 외상 혹은 퇴행성 변화 후 매우 제한된 재생능력을 보인다고 알려져 있으며, 이러한 손상에 대한 자연 재생 능력은 관절면에서 조직학적, 생화학적, 생역학적으로 매우 부족한 재생을 보인다.

연골 재생 치료법의 성공을 위한 필수적인 요건은 이식된 세포가 주변의 숙주 조직 혹은 생체 재료와 융합 되어야 한다.

PLGA, PLA, PCL등과 같이 현재 널리 사용되어지고 있는 생분해성 합성 고분자와 연골세포 또는 중간엽 줄기세포를 혼합해 연골을 재생하고자 하는 연구가 다수 진행 중이다.

이때 중요한 문제는 생분해성 합성 고분자와 세포의 부착이 얼마나 잘 이루어지는가 하는 것이며, 세포의 부착을 증가시키기 위해 키토산, 콜라젠, 하이론산 등의 많은 생체 물질과 혼합하거나 고분자 조성 등을 변화시켜 합성하고 있다.

세포 부착 메커니즘

생분해성 합성 고분자에 세포가 부착하기 위해서는 3가지 요소 (화학적, 물리적, 생물학적) 에 의해 영향을 받을 수 있다.

화학적 요소는 합성 고분자의 wettability (친수성)를 나타내며, 물리적 요소는 합성 고분자 표면의 roughness (거칠기)를, 생물학적 요소는 integrin b1등의 세포부착물질에 의해 세포가 부착하는 것을 말한다.

세포의 부착은 세포질에 위치한 세포부착물질(cell adhesion molecule)에 의해 조절되며 integrin은 가장 대표적인 세포부착물질 중의 하나다.

생합성고분자 특성과 상관없어

중간엽 줄기세포와 연골세포를 생합성 고분자 (PLGA, PLA, PCL)와 1시간 이내의 초기 부착률을 측정하고, 세포 부착 메커니즘을 화학적, 물리적, 생물학적 요소로 나누어 살펴보았다.

세포 배양액내 혈청이 포함된 경우에 혈청 내에 존재하는 다양한 세포 단백질로 인한 부착의 영향을 배제하기 위해 혈청이 결여된 무혈청 배지에서 비교했다.

합성된 고분자 각각의 친수성은 의미 있는 차이를 보이지 않았고, 고분자 표면의 거칠기는 PCL이 PLGA나 PLA에 비해 월등히 높았다.

그러나 1시간째 모든 군에서 초기 세포량의 5% 미만이 생합성 고분자에 부착되었으며, 이때 integrin b1 에 대한 항체로 세포부착을 억제하였을 경우에도 세포 부착률에는 큰 영향을 보이지 않았다[그림1].

[그림1] integrin의 유전자발현모식도
 

따라서, 생합성 고분자 (PLGA, PLA, PCL)와 중간엽 줄기세포 및 연골세포와의 초기 부착은 무혈청 상태에서 매우 낮게 일어나며, 합성 고분자 특성과 상관성을 보이지 않았다.

L-Arginine코팅에 의한 부착 메커니즘

생합성 고분자 PLA에 L-arginine 및 heparin등의 코팅은 세포의 부착을 증진시키기 위해 사용되었다.

특히 L-arginine이 코팅된 군에서, 1시간째 세포 부착률이 코팅하지 않은 군의 5%에서 중간엽 줄기세포의 경우에는 30%로, 연골세포는 26%로 의미있게 증가시켰다.

또한 integrin b1 항체로 억제 시켰을 경우 그 부착률이 중간엽 줄기세포에서는 5.6%, 연골세포에서는 7.4%로 의미있게 감소했다.

따라서 L-arginine에 의해 세포 부착이 증가된 것은 생물학적 요소 즉, integrin b1에 의한 것임을 알 수 있으며 생합성 고분자의 화학적, 물리적특성 보다 생물학적 요소에 의한 세포부착의 중요성을 의미한다[그림2].

[그림2] 생합성고분자와 arginine 및 heparin등의 부착증진율
 
결국 연골을 재생하기 위해서는 생합성 고분자와 세포부착이 이루어져야 하며, 그로 인한 풍부한 세포외 기질이 합성되어야 한다.

연세의대 정형외과 이진우 교수는 “고분자와 세포부착을 촉진시키기 위해서는 생물학적 요소를 증진시켜주는 것이 가장 중요하며, 특히 integrin b1을 통한 부착 기전은 세포신호를 전달하는 측면에서 더욱 효과적”이라고 말했다.

또한 “Arginine은 기존에 연골세포의 콜라젠 합성을 증진시키는 것으로 보고되었으며, 이번 연구에서 arginine에 의한 세포 부착의 우수성을 증명할 수 있었다”고 덧붙였다.

DHEA 연골기질 분해억제해

골관절염 발생에 핵심인 사이토카인

골관절염은 관절 연골, 연골하골의 재형성, 골극 형성, 그리고 활액막 염증 등으로 설명할 수 있는 퇴행성 질환이다.

골관절염은 일련의 역학적 및 생화학적 사건의 결과로 관절 연골 기질의 합성과 변성의 균형이 깨져서 발생하는 것으로 생각되고 있다.

현재까지의 골관절염의 치료는 이 질환의 병태 생리에 기반을 두었다기보다는 전반적인 염증과 통증 완화를 목표로 한 것이었다.

골관절염 발생의 주된 기전은 관절 연골 기질의 변성으로 인해 다양한 종류의 단백 분해 효소와 친염증성 사이토카인 (cytokine)에 의한 것으로 보고있다.

골관절염의 발생에 핵심적인 역할을 하는 사이토카인으로 IL-1b와 TNF-a를 들 수 있는데, 이 중 IL-1b는 여러 종류의 금속단백 분해효소 (metalloproteinase, MMP)를 활성화 시키고, 관절 연골 기질의 변성과 분해에 중요한 역할을 하는 것으로 보고되고 있다.

MMPs의 활성은 금속단백 분해효소의 조직 저해제 (tissue inhibitor of metalloproteinase, TIMP)에 의해 조절되는데, 이 MMPs와 TIMPS사이의 불균형이 골관절염의 진행에 매우 중요하다고 보고되고 있다.

연골세포에서 DHEA효과 분석

DHEA(dehydroepiandrosterone)는 19 탄소 스테로이드로 부신 안드로젠 (androgen)의 한 종류로 프로제스테론 (progesterone)으로부터 부신에서 합성되며 DHEA-sulfate의 형태로 혈액에서 순환한다.

DHEA는 연령이 증가함에 따라 혈중 농도가 일정한 비율로 감소되는 특징을 가지고 있으며, 이것으로 인해 노화와 관련되는 것으로 생각되어 각종 노화와 관련된 질병, 동맥경화증, 악성종양, 당뇨, 비만, 염증성 관절염 등에서 광범위하게 연구되고 있다.

그러나 DHEA의 골관절염에 대한 연구는 현재까지 진행된 것이 없고, 이번 연구는 골관절염 환자에서 채취하여 3차원적으로 배양한 연골세포에 대한 DHEA의 효과를 분석한 것이다.

특히 연골세포에 대한 증식, 기질 형성, 연골세포의 type I and II collagen, MMP-1,3, TIMP-1의 발현에 대한 DHEA의 효과를 여러 가지 실험 방법으로 분석했다.

DHEA는 100mM의 농도까지 연골세포의 증식 및 기질 형성에 별다른 영향을 미치지 않았다.
 
이는 비교적 고농도에서도 연골세포에 독성이 없음을 의미하는 것이며, DHEA는 연골세포의 type II collagen 발현과 TIMP-1의 발현은 유도한다.

그러나 연골 기질 분해 효소인 MMP-1과 3의 발현과 type I collagen의 발현은 억제하는 효과를 보였고, 이것은 유전자의 전사 (transcription) 단계에서 효과를 보이는 것으로 나타났다.

이런 결과는 DHEA가 연골 기질의 분해를 억제하는 효과를 가지고 있음이 증명된 것이다.[그림]

[그림] MMP-1,3, TIMP-1과 type I, II collagen에 대한 DHEA의 농도별 효과
  

DHEA의 농도가 증가함에 따라 MMP-1,3의 발현은 감소하며, TIMP-1의 발현은 증가함을 보이고 있다.

 
DHEA의 농도가 증가함에 따라 type I collagen의 발현은 감소하며, type II colllagen의 발현은 증가함을 보이고 있다.