G-protein coupled calcium-sensing receptor-mediated modulatory mechanisms of mineral trioxide aggregate

Abstract

Mineral trioxide aggregate (MTA)는 생활성 물질로 뛰어난 물성 및 다양한 임상적 효과로 인해 임상 치의학 분야에서 널리 사용되고 있다. MTA 는 감염에 노출된 치수의 회복과 상아질 형성을 유도하는 치수복조술, 근관 치료 과정에서 발생할 수 있는 천공부위의 밀폐작용으로 치근 주변조직의 회복 및 미성숙 영구치의 감염 시 치수강 내 혈관화를 유도하여 치근형성을 유도할 때 사용된다. 상기의 다양한 임상적 효능은 MTA 의 우수한 물리화학적 특성에 기인한다. MTA 는 우수한 생체적합성, 밀폐성, 향균능력 등을 가지고 있으며 혈액 등 수분오염에도 뛰어난 저항성을 보여 다양한 임상적 효능을 보인다. 또한 MTA 의 적용으로 세포 증식, 면역 단백의 생산 및 분비, 분화 등 다양한 세포 내 활성이 보고되었다. 이런 효과를 통해 MTA 는 경조직 형성능력 및 생체조직의 재생 및 회복에 핵심적인 역할을 담당한다. 그러나 MTA 의 임상적인 효과에 대한 작용기전에 대해서는 MTA 의 생물학적인 활성화일 것이라고 생각하고 있을 뿐 실제적으로 세포 내에서 어떤 신호전달 과정을 거치는지에 대해서는 연구된 바가 부족한 실정이다. 생체친화적 물질인 MTA 의 세포 내 작용기전을 밝히는 연구는 치아 보존 치료의 적용에 있어 필수적이며, 생체 조직의 재생 및 회복과 관련되어 치의학 분야에서 꼭 해결해야 할 중요 연구과제이다. 이러한 점에 주목하여 본 연구를 통해 임상적 재생 치료에 있어 중요한 역할을 한다고 할 수 있는 MTA 의 세포 내 신호전달 작용기전에 대해서 연구하였다. 먼저 MTA 자극으로 인한 치수세포 내 칼슘 신호 변화를 관찰하였다. 세포 외부로부터 칼슘 유입이나 세포 내 칼슘 유리 경로를 차단하여 칼슘 증가의 경로를 보여줌으로써 기존에 밝혀지지 않았던 MTA 의 세포 내 칼슘 신호 경로를 제시하였다. 다음으로 MTA 의 신호전달 매개체로 칼슘감지 수용체 (Calcium-sensing receptor, CaSR) 를 예상하고 이를 규명하기 위해 치수세포에서 칼슘감지 수용체의 발현을 확인하고, MTA 가 칼슘감지 수용체의 다양한 downstream pathway (PLC, Akt, ERK, NFAT) 에 관여함을 처음으로 밝혔다. 또한 MTA 의 수화반응으로 인한 칼슘 증가와 높은 pH 가 칼슘감지 수용체의 활성을 각각 조절하는 효과를 확인했다. 마지막으로 치수세포에서 칼슘감지 수용체의 기능적 발현을 확인하기 위해 MTA 에 의한 치수분화/골분화 관련 단백질의 발현을 검증하고 그에 따른 기전을 확인하였다. 종합해보면, 본 논문을 통해서 기존에 보고 되지 않았던 MTA 의 세포 내 신호전달 기전을 규명하였고, 칼슘감지 수용체를 통한 MTA 의 골분화관련 작용기전을 규명하였으며 치수세포에서 그 동안 보고되지 않았던 칼슘감지 수용체의 기능을 밝힘으로써 칼슘감지 수용체에 의해 유도되는 칼슘 신호에 따른 치수세포의 기능을 연구하는데 방향성을 제시하였다.

Mineral trioxide aggregate (MTA) is a calcium silicate-based bioactive material that has been extensively used in dentistry. MTA has been associated with excellent clinical outcomes in the repair of damaged pulp and periapical tissues and has also been the material of choice for pulp capping and perforation repair. Moreover, MTA has recently started to be applied in regenerative dental therapies that aim to regenerate vasculatures in the pulp space to promote the root formation of immature teeth in a process referred to as pulp revascularization. These clinical effects are partly due to the advanced physical properties of MTA, e.g., good sealing ability, optimal strength and hardness, and compatibility with humidity. MTA is known to induce diverse cellular functions such as proliferation, cytokine production/release, and differentiation

these functions play a pivotal role in biomineralization and tissue repair/regeneration in biological systems. However, limited insight into the intracellular signaling pathways has been provided to explain the biological activities of MTA. Therefore, doing a research on identifying the signal transduction mechanism of MTA in human dental pulp cells (hDPCs) withholds a great significance and it has the potential evidences for developing novel biomaterials for regenerative dental therapy. In this work, I revealed upstream mediator and the origin of the intracellular Ca2+ response upon MTA treatment that are yet undiscovered. I examined the effect of MTA on intracellular Ca2+ ([Ca2+]i) in hDPCs by live cell imaging and elucidate the MTA-induced Ca2+ mobilization from endoplasmic reticulum (ER). Especially, I found the molecular mediator of MTA was G protein-coupled calcium sensing receptor (CaSR). In addition, MTA-induced extracellular changes of Ca2+ and pH synergistically activate CaSR. Finally, My research showed that CaSR translates the signaling input from MTA into diverse downstream pathways and also demonstrated that the MTA-mediated CaSR signaling exert a critical role in osteogenic differentiation of hDPCs. Based on these data, I propose a model based on the CaSR signaling cascade to explain the mechanism of MTA. In conclusion, through this paper, signal transduction mechanism of MTA was identified. I firstly elucidate that the CaSR is a major signaling mediator of MTA-induced biological effects. These findings suggest that potential evidences for developing novel biomaterials for regenerative dental therapy.