Improvement of the osteogenic potential of BMP-2-/EGCG- coated biphasic calcium phosphate bone substitute

Abstract

Objectives: The aim of this study was to evaluate the enhancement of osteogenic potential of biphasic calcium phosphate (BCP) bone substitute coated with Escherichia coli-derived recombinant human bone morphogenetic protein-2 (ErhBMP-2) and epigallocatechin-3-gallate (EGCG). Methods: The differentiation and mineralization of osteoblasts were verified with ErhBMP-2-/EGCG solution. After inspecting the coated BCP surface, the cell viability of human mesenchymal stem cells was evaluated in the coated BCP. In the maxillary sinus of 10 male New Zealand white rabbits, a standardized 6-mm diameter defects was bilaterally generated. After removing the bone window and lifting the sinus membranes, BCP coated with ErhBMP-2-/EGCG was applied to one defect of the test group. Uncoated BCP was applied to other defects to form the control group. After 4 or 8 weeks of surgery, animals were sacrificed, and the grafted material and surrounding tissues were subjected to biopsy and histometric analysis. Results: In the result using osteoblasts, no difference was found between only ErhBMP-2 group and ErhBMP-2-/EGCG group. There was no difference between coated BCP and non-coated BCP with human mesenchymal stem cells. In the in vivo study, the 4 and 8-week test group showed more new bones (%) than the control group (P<0.05). The 8-week test group showed more new bones (%) than the 4-week test group (P<0.05). Conclusion: ErhBMP-2-/EGCG-coated BCP was effective as a bone graft material, showing enhanced osteogenic potential and minimal side effects in a rabbit sinus augmentation model.

연구목적: 이 연구의 목적은 대장균으로부터 유래한 재조합 인간 골형성 단백질-2 (Escherichia coli-derived recombinant human bone morphogenetic protein-2, ErhBMP-2)와 녹차 추출물 (epigallocatechin -3-gallate, EGCG)로 코팅한 이상인산칼슘 (biphasic calcium phosphate, BCP) 골 대체재의 골형성능 향상을 평가하는데 있다. 연구방법: EGCG, ErhBMP-2 그리고, ErhBMP-2-/EGCG 용액내에서 조골세포의 분화와 세포외기질의 광화 정도를 각각 알칼리 인산 분해효소 (alkaline phosphatase, ALP) 활성 검사와 Alizarin red assay를 이용하여 확인하였다. ErhBMP-2-/EGCG로 코팅된 BCP의 표면을 X선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 및 전계방사 주사 전자현미경 (field-emission scanning electron microscopy, FE-SEM)으로 분석하였다. 코팅되지 않은 BCP와 ErhBMP-2-/EGCG 코팅된 BCP에서 인간 중간엽 줄기세포의 세포 생존능을 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetra zolium bromide (MTT)와 fluorescein diacetate (FDA) 염색을 통해 평가하였다. 뉴질랜드 백색 숫토끼 10마리의 양측 상악동에 표준화된 직경 6 mm의 골 결손부를 형성하였다. 골창을 제거하고 상악동막을 거상한 후에, ErhBMP-2-/EGCG로 코팅된 BCP를 실험군으로 한쪽 결손부에 적용하였다. 코팅되지 않은 BCP는 다른 결손부에 적용하여 대조군을 구성하였다. 수술 4주 후 또는 8주 후에 동물들을 희생하였고, 이식재와 주위조직을 생검하여 조직계측학적으로 분석하였다. 결과: ALP 활성 검사와 Alizarin red 검사에서는 대체로 ErhBMP-2와 ErhBMP-2/EGCG 용액에서 대조군과 EGCG용액보다 높은 값을 보였다 (P<0.05). ErhBMP-2-/EGCG로 코팅된 BCP의 표면을 XPS와 FE-SEM로 분석한 결과, 의도된대로 각 반응이 일어난 것을 확인할 수 있었다. MTT와 FDA 염색을 이용한 세포독성실험에서는 코팅되지 않은 BCP군과 ErhBMP-2-/EGCG를 코팅한 BCP군에서 차이가 없었다. 생체내 연구에서는 4주 후, 8주 후 실험군에서 각각의 대조군들에 비해 더 많은 신생골(%)이 관찰되었다 (P<0.05). 8주 후 실험군이 4주 후 실험군에 비해 더 많은 신생골(%)이 관찰되었다 (P<0.05). 결론: ErhBMP-2-/EGCG 코팅된 BCP는 효과적인 골 이식재로, 토끼의 상악동 골 증대술 모형에서 향상된 골형성능을 나타냈다.