Effects of vitronectin-derived bioactive peptide on reparative dentinogenesis in rats

Abstract

Dental caries is one of the most common oral diseases and the primary cause of tooth loss. If not appropriately treated, it can progress to the pulp; then treatments such as pulp capping, pulpotomy, or pulpectomy are required according to the degree of pulp exposure. Human vitronectin-derived peptide (VnP-16) plays a dual role of promoting bone formation and inhibiting bone resorption. Therefore, the present study investigated the effects of VnP-16 on reparative dentinogenesis in rat pulp exposure and pulpotomy models. To examine whether VnP-16 regulates cell behavior of human dental pulp cells (hDPCs) and odontoblast-like MDPC-23 cells, attachment, spreading, and migration assays were performed. The effect of VnP-16 on the cell viability of hDPCs was measured using the MTT assay. The ability of VnP-16 to induce differentiation of hDPCs and odontoblast-like cells into odontoblasts was evaluated through alkaline phosphatase assay and Alizarin red S staining for calcium deposition. In addition, the effects of VnP-16 on dentin regeneration in rat pulp exposure and pulpotomy models were studied. After pulp exposure or pulpotomy on the first molars of 8-week-old male Sprague-Dawley rats, the rats were divided into six groups: (1) resin only, (2) mineral trioxide aggregate (MTA) only, (3) collagen sponge+vehicle+resin, (4) collagen sponge+rhBMP-2+resin, (5) collagen sponge+scrambled peptide (SP)+resin, and (6) collagen sponge+VnP-16+resin. Following restorative treatment for each group, the rats were bred for a set period. After specimen collection and demineralization, histological analysis was performed. VnP-16 induced attachment and spreading of hDPCs and MDPC-23 cells and enhanced cell differentiation into odontoblasts. In addition, VnP-16 did not affect the cell viability of hDPCs, indicating that it is not cytotoxic. VnP-16 produced as much dentin as MTA and even showed more significant dentinogenesis than the rhBMP-2 group in the rat pulp exposure model. When the regenerated dentin bridges were observed under a microscope, odontoblast-like cells were confirmed to be distributed along the boundary between the newly formed dentin bridge and pulp. In the rat pulpotomy model, MTA induced both the dentin and dentin bridge; however, VnP-16 was only effective in dentin formation, but not in dentin bridge formation. Overall, these results indicate that VnP-16 could be used as a therapeutic agent in pulp capping for dentin regeneration based on its ability to induce the attachment and spreading of hDPCs and to promote differentiation of hDPCs into odontoblasts.

치아우식증은 가장 흔한 구강질환의 하나로 치아 손실의 주요 원인이며, 치수로 진행될 경우 치수 노출 정도에 따라 치수복조술, 치수절개술 또는 치수절제술을 시행하여 치료한다. 인간 비트로넥틴 유래 VnP-16 펩티드는 골형성을 촉진하고, 골흡수를 억제하는 것으로 보고되었다. 본 연구는 VnP-16 펩티드가 흰쥐 치수노출모델 및 치수절단모델에서 수복상아질 형성에 미치는 효과에 대하여 연구하였다. VnP-16 펩티드가 사람 치수세포와 유사상아질모세포 MDPC-23에서 세포 부착, 퍼짐 및 이동능에 미치는 효과를 측정하였으며, 세포생존력에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 또한 VnP-16 펩티드가 사람 치수세포와 유사상아질모세포로부터 상아질모세포로의 분화에 미치는 효과를 연구하기 위하여 알카리성인산분해효소 활성 및 칼슘 침착에 미치는 효과를 연구하였다. 나아가 VnP-16 펩티드가 흰쥐 치수노출모델 및 치수절단모델에서 상아질재생에 미치는 효과에 대하여 연구하였다. 즉, 8주령된 웅성 Sprague-Dawley rats의 제1대구치 교합면에서 치수 노출 및 치수절단술을 시행한 후 6군 [(1) resin 단독 처리군, (2) vehicle 처리군, (3) MTA 단독 처리군, (4) rhBMP-2 처리군, (5) scrambled peptide 처리군 및 (6) VnP-16 처리군]으로 나누어 손상부위를 수복한 다음 2~6주간 사육시킨 후 악골을 채취하여 탈회시켜 조직학적분석을 시행하였다. VnP-16 펩티드는 사람 치수세포와 MDPC-23세포의 부착과 퍼짐을 촉진시켜 세포 반응을 증가시켰으며, 알카리성인산분해효소 활성과 칼슘 침착을 증가시켜 사람 치수 줄기세포와 유사상아질모세포의 상아질모세포로의 분화를 촉진시켰다. 또한 VnP-16 펩티드는 사람 치수세포의 세포생존력 또는 세포증식에 영향을 미치지 않아 세포적합성이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 나아가 흰쥐 치수노출모델에서 VnP-16 펩티드 처리군은 MTA 단독 처리군과 유사한 상아질 재생효과를 보였을 뿐만 아니라 rhBMP-2 처리군보다 탁월한 상아질 재생효과를 보였다. 또한 MTA 및 VnP-16 처리군에서 생성된 상아질 다리를 고배율로 관찰하였을 때, 생성된 상아질은 관상구조를 보였고, 유사상아질모세포가 생성된 상아질과 치수의 경계를 따라 분포하였다. 치수절단모델에서 MTA는 상아질 생성뿐만 아니라 상아질다리 생성도 유도하였고, VnP-16은 상아질 생성에는 효과가 있었으나 상아질다리 형성에는 효과가 없었다. 본 연구결과를 종합할 때, VnP-16 펩티드는 사람 치수세포의 세포반응을 촉진하고, 치수가 손상된 치아에서 치수복조술을 시행할 때 상아질재생을 현저하게 촉진시켜 상아질 재생 치료에 사용될 수 있음을 시사한다.