Bone regenerative capacity of the newly synthesized material QG3030: An in vitro and in vivo study = 신규 합성 물질 QG3030의 골 재생 효능에 대한 in vitro 및 in vivo 연구

국문 초록 (Abstract)

1. 목적
현재 사용되는 골 이식재들은 대부분 고유의 골유도 기능이 부족하여, 골재생을 향상시킬 수 있는 새로운 치료 물질의 개발이 요구된다. 본 연구의 목적은 신규 골유도성 lappaconitine 유도체인 QG3030이 백서 골수 유래 중간엽 줄기세포(BMSCs)의 증식 및 골 분화에 미치는 영향을 in vitro 에서 평가하고, 백서 두개골 임계 크기 결손 모델을 이용하여 in vivo 골 재생에 미치는 효과를 규명하는 것이다.
2. 재료 및 방법
In vitro 에서 QG3030이 BMSC 증식 및 골 분화에 미치는 영향을 MTT 분석, 알칼리성 인산분해효소(ALP) 활성도 측정, 그리고 알리자린 레드 S 염색을 통해 평가하였다. In vivo 평가를 위해, 8mm 임계 크기 두개골 결손이 형성된 18마리의 Sprague-Dawley 백서를 세 그룹(그룹당 n=6)으로 무작위 배정하였다: 탈단백 소뼈 이식재(DBBM; Bio-Oss) 단독 이식군(B0, 대조군),
DBBM과 100 mg/mL QG3030을 혼합 이식한 군(B100), 그리고 DBBM과 300 mg/mL QG3030을 혼합 이식한 군(B300). 8주 후 미세 전산화 단층 촬영(micro-CT), 조직학적 및 조직형태계측학적 분석을 통해 골 재생을 평가하였다.
3. 결과
In vitro 연구에서 QG3030은 세포 독성이 없는 농도 범위 내에서 BMSC의 생존능을 긍정적으로 향상시켰고, ALP 활성을 유의하게 촉진했으며, 기질의 석회화를 증진시켰다. In vivo micro-CT 분석 결과, B100군은 대조군인 B0군에 비해 유의하게 더 높은 골밀도와 신생골 부피 분율(신생골 부피/전체 부피)을 보였다 (P =0.043). 또한, 조직형태계측학적 분석에서는 B300군이 B0군에 비해 유의하게 더 넓은 신생골 면적(P =0.046)과 더 높은 신생골 비율(P =0.032)을 나타냈다.
4. 결론
QG3030과 DBBM의 병용은 백서 두개골 임계 크기 결손 모델에서 골 재생을 유의하게 향상시켰으며, QG3030은 in vitro와 in vivo 환경 모두에서 뚜렷한 골 형성 효과를 보였다. 이러한 결과는 QG3030과 DBBM의 조합이 특히 치주 및 임플란트 치의학 분야의 골 재생 전략에 있어 유망한 치료적 접근법이 될 수 있음을 시사하며, 추가적인 연구의 필요성을 뒷받침한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Objective: Current bone grafting materials often lack inherent osteoinductive properties, underscoring the need for novel therapeutic agents that can enhance regeneraton. This study aimed to evaluate the effects of QG3030, a novel osteoinductive derivative of lappaconitine, on the proliferation and osteogenic differentiation of rat bone marrow-derived stem cells (BMSCs) in vitro, and its influence on bone regeneration in vivo using a rat calvarial critical-sized defect model.
Materials and Methods: The effects of QG3030 on BMSC proliferation and osteogenic differentiation were assessed in vitro using the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay, the alkaline phosphatase (ALP) activity assay, and alizarin red S staining. For in vivo evaluation, 18 Sprague–Dawley rats with 8-mm critical-sized calvarial defects were randomly assigned to 3 groups (n=6 per group): deproteinized bovine bone mineral (DBBM; Bio-Oss) alone (B0, control), DBBM combined with 100 mg/mL QG3030 (B100), and DBBM combined with 300 mg/mL QG3030 (B300). Bone regeneration was analyzed after 8 weeks by micro-computed tomography (micro-CT), histology, and histomorphometry.
Results: In vitro, QG3030 improved BMSC viability, significantly increased ALP activity, and promoted matrix mineralization within the tested non-cytotoxic range. On in vivo micro-CT analysis, the B100 group exhibited significantly higher bone mineral density and new bone volume fraction (new bone volume/total volume) than the B0 group (P =0.043 for both). Furthermore, histomorphometry revealed significantly greater new bone area (P =0.046) and percentage of new bone (P =0.032) in the B300 group
compared to the B0 group.
Conclusion: Combining QG3030 with DBBM significantly enhanced bone regeneration in a rat calvarial critical-sized defect model, with QG3030 demonstrating distinct osteogenic effects both in vitro and in vivo. Accordingly, the combination of QG3030 and DBBM represents a promising therapeutic approach for bone regeneration strategies, especially in periodontology and implant dentistry, and warrants further investigation.

목차 (Table of Contents)

• I. INTRODUCTION 1-8
• II. MATERIALS AND METHODS 9-18
• III. RESULTS 19-24
• IV. DISCUSSION 25-32
• V. CONCLUSION 33
• VI. FIGURES 34-45
• [Figure 1] 34
• [Figure 2] 35
• [Figure 3] 36
• [Figure 4] 37
• [Figure 5] 38
• [Figure 6] 39
• [Figure 7] 40
• [Figure 8] 41
• [Figure 9] 42
• [Figure 10] 43
• [Figure 11] 44
• [Figure 12] 45
• REFERENCES 46-52
• Abstract in Korean 53-54