Bone Marrow Aspirate Concentrate Combined with an Appropriate Carrier Effectively Promotes Bone-Tendon Interface Healing in a Rabbit Model of Chronic Rotator Cuff Tear = 적절한 전달 매개체와 결합된 골수농축액은 토끼의 만성 회전근 개 파열 모델에서 골-건 치유를 효과적으로 향상시킬 수 있다

국문 초록 (Abstract)

목적: 회전근 개 봉합술 후 골-건 접합부 치유를 위해 골수 농축액은 널리 활용되고 왔으나, 전달 매개체 없이도 효과적으로 골-건 접합부 치유를 촉진할 수 있는지에 대한 논란이 지속되고 있다. 본 연구는 만성 회전근 개 파열 토끼 모델을 이용하여, 다양한 전달 매개체와 함께 사용한 골수 농축액이 건 재생에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
재료 및 방법: 생체 외 연구에서는 전혈, 골수액 및 골수 농축액의 생장인자 함량을 평가함과 동시에 골수농축액을 각각 폴리데옥시-리보뉴클레오티드와 아텔로콜라겐이라는 두가지 전달 매개체와 결합후 세포의 다계통 분화 능력을 평가하였다. 생체 내 연구에서는 64마리의 토끼를 무작위로 네개 군(각 군 당 16마리)으로 배정하였다. 만성 회전근 개 파열 모델을 구축하기 위하여, 양쪽 어깨의 극상근 건을 완전 파열시킨 후 6주간 방치하였다(실라스틱 드레인으로 감싼 형태로). 이후, 모든 절단된 건은 뼈를 관통하는 방식으로 봉합하였으며, 군 A는 생리식염수 주사를, 군 B는 골수 농축액과 생리식염수 주사를, 군 C는 폴리데옥시-리보뉴클레오티드가 결합된 골수 농축액 주사를, 그리고 군 D는 아텔로콜라겐이 결합된 골수 농축액 주사를 투여하였다. 봉합 후 4주 및 12주에서 유전자 분석(mRNA 발현; aggrecan, bone morphogenetic protein 2, collagen type I alpha 1, collagen type III alpha 1, scleraxis, SRY-box 9)과 조직학적 평가(골-건 접합부의 콜라겐 섬유 연속성, 배열, 밀도 및 성숙도)를 진행하였으며, 생체역학적 평가는 봉합 후 12주에서 최대 파단 하중, 강성 및 파열 양상을 측정하여 수행되었다.
결과: 생체 외 연구에서는, bone morphogenetic protein 2, fibroblast growth factor 2, insulin growth factor 1, platelet-derived growth factor BB, transforming growth factor-beta 1, vascular endothelial growth factor 등 성장 인자 함량이 골수 농축액에서 가장 높게 나타났다 (모든 P < 0.001). 또한, 아텔로콜라겐과 결합된 골수 농축액을 투여한 경우가 골수 농축액 단독 또는 골수 농축액과 폴리데옥시-리보뉴클레오티드를 함께 투여한 경우에 비해 세포의 다양한 계통으로의 분화 능력이 크게 향상된 것으로 나타났다. (모든 P < 0.001). 생체 내 연구에서는, 봉합 후 4주 시점에서 군 D가 모든 그룹 중에서 aggrecan, bone morphogenetic protein 2, 그리고 collagen type Iα1의 발현 수치가 가장 높게 나타났다. (모든 P < 0.001). 또한, 봉합 후 12주 시점에서는 군 D에서 다른 그룹에 비해 콜라겐 섬유의 연속성, 섬유 밀도, 그리고 골-건 접합부의 성숙도가 현저히 우수하였으며 (모든 P < 0.001), 최대 파단 하중 또한 군 D가 유의하게 높게 측정되었다 (P < 0.001). 반면, 강성 및 파열 양상은 각 군간의 차이가 없는 것으로 나타났다 (모든 P > 0.05).
결론: 적절한 전달 매개체 없이 국소 적용한 골수 농축액은 골-건 접합부 치유를 촉진하는 데 효과적이지 못하였다. 반면, 두 가지 전달 매개체와 함께 투여된 골수 농축액은 특히 아텔로콜라겐 환경에서 골-건 접합부 치유를 효과적으로 가속화하는 것으로 확인되었다. 따라서 적절한 전달 매개체는 골수 농축액의 재생 잠재력을 향상 시킴으로써 토끼 만성 회전근개 파열 모델에서 회전근개 봉합술 후 골-건 접합부 치유를 촉진할 수 있다.
색인 단어: 골수농축액; 아텔로콜라겐; 폴리데옥시리보뉴클레오티드; 만성 회전근 개 파열; 골-건 접합부 치유

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose: Bone marrow aspirate concentrate (BMAC) has been widely used for bone-tendon interface (BTI) healing after rotator cuff repair (RCR), but there is still debate about whether it can effectively promote BTI healing without any carrier. Therefore, we aimed this study to evaluate the effects of BMAC with different carriers on tendon regeneration in a rabbit model of chronic rotator cuff tear (RCT).
Materials and Methods: In vitro test, the growth factor levels in whole blood, bone marrow aspirates, and BMAC were evaluated. Additionally, the differentiation potential of BMAC combined with different carriers (polydeoxyribonucleotide [PDRN] and atelocollagen [ATC]) were assessed. In vivo study, 64 rabbits were randomly assigned to four groups (n = 16, respectively). To create the chronic RCT model, we induced complete supraspinatus tendon tears in both shoulders and left them untreated (wrapping with silastic drain) for 6 weeks. Then, transected tendons was repaired in a transosseous manner with saline injection in group A, BMAC and saline injection in group B, BMAC with PDRN injection in group C, and BMAC with ATC injection in group D. Genetic (mRNA expression) and histological (collagen fiber continuity, orientation, density, and maturation of BTI) analyses were conducted at 4 and 12 weeks after repair, while biomechanical (load-to-failure, stiffness, and failure mode) evaluations were performed at 12 weeks after repair.
Results: In vitro test, BMAC presented the highest growth factor level of BMP-2, FGF-2, IGF-1, PDGF-BB, TGF-beta1, and VEGF, compared with both BMA and WB (all P < 0.001). The degree of multi-lineage differentiation was much stronger using BMAC with ATC compared with administration of BMAC alone or BMAC with PDRN (all P < 0.001). In vivo study, group D had the highest levels of aggrecan, bone morphogenetic protein 2, and collagen type Iα1 expression among all groups (all P < 0.001) at 4 weeks after repair. Furthermore, group D showed higher collagen fiber continuity, denser collagen fibers, and more maturated BTI compared with other groups (all P < 0.001) at 12 weeks after repair. Concurrently, group D also demonstrated significantly higher load-to-failure compared with the remaining groups (P < 0.001) at 12 weeks after repair. However, stiffness and the failure mode in the groups were not different (all P > 0.05).
Conclusion: Local application of BMAC without appropriate carriers could not enhance BTI healing. However, BMAC with two different carriers effectively accelerated BTI healing, particularly in the ATC environment. Therefore, an appropriate carrier promotes BTI healing after RCR in a rabbit model of chronic RCT by enhancing the regenerative potential of BMAC.
Keyword: bone marrow aspirate concentrate; atelocollagen; polydeoxyribonucleotide; chronic rotator cuff tear; bone-tendon interface healing

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Materials and Methods 4
• Chapter 3. Results 20
• Chapter 4. Discussion 35
• Chapter 5. Conclusion 41
• References 42
• Abstract in Korean 52
• Tables and Figures
• Table 1. Primers for the Quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction Analysis at 4 and 12 Weeks Post-repair 16
• Table II. Quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction Analysis Results 29
• Table Ⅲ. Histological Analysis for the Level of Bone-Tendon Interface Healing Post-repair 31
• Table Ⅳ. Results of Assessing Biomechanical Properties at 12 Weeks Post-repair 34
• Figure 1. Preparation of the BMAC 6
• Figure 2. Flowchart of the study design is shown 12
• Figure 3. Local injection of BMAC with different carriers aftertransosseous repair of torn SST is shown 14
• Figure 4. Biomechanical properties assessment 18
• Figure 5. The levels of growth factors in WB, BMA, and BMAC were analyzed 20
• Figure 6. BM-MSCs exhibited a spindle-shaped morphology with a swirling growth pattern 22
• Figure 7. The values provided represent the average percentage of all evaluated cells that exhibited positive staining for thecorresponding antibodies 23
• Figure 8. Evaluation of Collagen I and III through immunofluorescence is shown 24
• Figure 9. Chondrogenic and osteogenic differentiation of BM-MSCs in PDRN and ATC environments are shown 26
• Figure 10. Representative photomicrographs of the BTI stained with HE and MT at 4 and 12 weeks post-repair are shown 32