Effect of decompression on the bone healing of mandibular osteomyelitis in rat

Abstract

연구의 배경 및 목적 턱의 골수염 (Osteomyelitis, OM) 은 대개 만성적인 치성 감염이나 턱뼈를 파괴하는 여러 가지 다른 이유로 인해 발생한다. 포도상구균(Staphylococcus aureus, S. aureus) 과 같은 미생물은 중요한 병원균이다. 악안면 낭포종에 드레인을 이용한 감압술은 신뢰할 수 있는 치료방법으로 낭포종 내벽에 배농을 위한 최소한의 배관을 뚫어 낭포종의 크기의 줄이고, 낭포종의 내압을 줄임으로써 주변으로부터 점진적인 뼈 성장을 가능하게 한다. 이 연구의 목적은 하악 골수염 백서 동물 모델에서 감압술의 효과에 대해서 알아보는 것이다.

연구방법 평균 몸무게 230.13±13.87의 8주 된 수컷 Sprague-Dawley 백서 14마리를 실험에 사용하였다. 하악에 직경 4 mm의 결손부를 만들어 1x107 CFU/ml 농도의 포도상구균 20ul를 결손부에 주입하여 골수염을 유발하였다. 백서는 치료방법에 따라 대조군은 치료하지 않은 그룹을 대조군 1 (control, C1), 소파술을 시행한 그룹을 대조군 2 (control, C2) 로 설정하였고, 실험군은 소파술, 드레인을 이용한 감압술을 시행한 그룹을 실험군 1 (experimental 1, E1), 소파술, 드레인을 이용한 감압술과 드레인을 통해 생리식염수로 세척을 시행한 그룹을 실험군 2 (experimental 2, E2) 로 설정하였다. 치료 후 4주에 백서를 희생하여 마이크로 단층촬영 (micro-CT), 헤마톡실린-에오신 (hematoxylin and eosin, H&E) 과 Massons trichrome 염색을 사용한 조직학적 분석을 시행하였고, 염증 관련 항체 IL-6와 TNF-α, 신생 혈관 관련 항체 VEGF-A와 TGF-β1, 골 형성 관련 항체 OPN와 ALP 항체를 사용해 면역화학적 분석을 시행하였다.

연구결과 백서 하악골 골수염 모델에서 포도상구균에 의해 골수염이 유발된 것을 임상과 실험적 결과로 확인하였다. 마이크로 단층촬영 (micro-CT) 에서 골 치유에 대한 대부분의 매개변수는 대조군 1 (C1) 과 대조군 2 (C2) 그룹에서 현저히 낮았다. 특히 실험군 2 (E2) 에서 대조군 1 (C1) 과 대조군 2 (C2) 에서 볼 수 있는 것 보다 골량 (bone volume) 과 골밀도 (bone mineral density, BMD) 가 크게 향상되었고, bone volume/volume of interest 가 유의미하게 높았다 (p < 0.05). 조직학적 분석에서 실험군 1 (E1) 과 실험군 2 (E2) 에서 결손부위에 발견되는 골세포 (osteocyte) 의 수가 현저히 많은 것으로 두드러진 골 치유를 보였다 (p < 0.05). 면역화학적 염색에서 실험군 2 (E2) 는 대조군 1 (C1) 에 비해 IL-6의 표현이 가장 약했고, TNF-α의 표현은 다른 그룹과 비교하여 실험군 1 (E1) 에서 강하게 착색되었다. VEGF-A의 표현은 실험군 2 (E2) 에 비해 대조군 1 (C1) 에서 가장 높았고, TGF-β1, ALP, OPN 표현은 실험군 1 (E1) 에서 현저하게 높았으며, 대조군 1 (C1) 에서는 다른 그룹과 비교했을 때 TGF-β1, ALP, OPN 표현이 없었다. 결론 마이크로 단층촬영 (micro-CT), 헤마톡실린-에오신 (hematoxylin and eosin, H&E)과 Masson`s trichrome 염색을 사용한 조직학적 분석 및 면역화학적 분석은 골수염 백서 모델에서 드레인을 이용한 감압술이 기존의 수술적 치료에 비해 이상적인 골 치유 결과를 보였음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 임상의는 악안면 골수염 치료를 위해 배농 (drainage) 과 세척 (irrigation) 을 동반한 감압술을 사용하는 것을 권장할 수 있을 것으로 사료된다.

Introduction Osteomyelitis (OM) of the jaw is usually caused by odontogenic infection or by a variety of other reasons which result in jaw bone destruction. Microorganisms such as Staphylococcus aureus (S. aureus) are known to be significant pathogens at the pathogenesis of OM. Decompression using a drain is a reliable technique, which releases the intraluminal pressure causing reduction of cyst and allows gradual bone regeneration from the periphery. The aim of this study was to analyze the effectiveness of decompression in an OM rat mandible model.

Materials and methods A 4 mm diameter defect was made on the mandibles of 14 male Sprague-Dawley rats (8 weeks old with weight of 230.13+/-13.87 g) and 20 μl of 1x107 CFU/ml S. aureus was inoculated. Two weeks later, the animals were randomly divided into non-treatment control (C1), curettage only control (C2), curettage and decompression using drain (E1), and curettage and decompression using drain with normal saline irrigation (E2) groups. After four weeks, the animals were assessed with micro-computed tomography (micro-CT), histology stained with hematoxylin and eosin (H&E) and Masson's trichrome (MT), and immunohistochemistry (IHC) stained with inflammation-related IL-6 and TNF-α, angiogenesis-related VEGF-A and TGF-β1, and osteogenesis-related OPN and ALP antibodies, followed by statistical analysis.

Results S. aureus infected osteomyelitis model was successfully created in a rat mandible. Most parameters showed significantly lower bone healing in the C1 and C2 groups in micro-CT analysis. Especially in the E2 group, bone mineral density with bone volume was significantly enhanced compared to that seen in the C1 or C2 groups, and bone volume/volume of interest parameter was significantly higher (p < 0.05) in the E2 group. In the histological analysis, the E1 and E2 groups showed the most prominent bone healing with a significantly high number of osteocytes found in the defect area (p < 0.05). In IHC staining, the E2 group had the weakest expression of IL-6 compared to that of the C1 group. The TNF-α antibody was stained strongly in the E1 group compared to that of other groups. The expression of VEGF-A was the highest in the C1 group compared to the E2 group. The TGF-β1, ALP, and OPN expressions were markedly high in the E1 group, while the C1 group had no TGF-β1, ALP, and OPN expression compared to that of the other groups.

Conclusion The micro-CT, H&E, and MT stained histological analysis, and IHC analyses showed that decompression drains exhibited superior bone healing results compared with that of conventional surgical treatment alone in an OM rat mandible model. Based on these results, it is recommended that clinicians use decompression with drainage and irrigation to treat jaw OM.