Preclinical Evaluation of a Shape-Memory Collagen/Silk-Fibroin Scaffold for Skull Base Reconstruction = 두개저 재건을 위한 형상 기억 콜라겐/실크 피브로인 지지체의 전임상 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Skull base defects require effective reconstruction to prevent cerebrospinal fluid (CSF) leakage and meningitis, yet current materials suffer from limitations such as poor adhesion and slow biodegradation. To address this, a joint research team from the Department of Precision Medicine and the Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery at Sungkyunkwan University School of Medicine developed a bilayered, shape-memory Collagen/Silk-Fibroin/α-tricalcium phosphate (CST) composite scaffold mimicking the skull base structure. This study aimed to validate the preclinical in vivo efficacy and safety of this scaffold using a rat calvarial defect model. Rats were randomly assigned to Defect (untreated), Col (collagen-only), or CST groups. Eight weeks post-implantation, effects and safety were evaluated using computed tomography, histology, and hematologic analysis. The CST group demonstrated superior bone regeneration both in volume (CST group 27.4 [25.5–42.6] mm³ vs. Col group 17.1 [14.0–18.4] mm³, p = 0.060) and areas (CST group 2170.0 [2010.4–4388.6] ×10³ µm² vs. Col group 893.5 [744.9–923.6] ×10³ µm², p = 0.060) compared to the Col group. Although statistical significance was marginal due to the limited sample size, effect size analysis (Cohen’s d > 2.0) confirmed the superiority of the CST group. Neovascularization was also notably higher in the CST group (CST group 82 [26–99] vessels vs. Col group 44 [27–47] vessels, p = 0.265, Cohen’s d = 1.06), indicating potential efficacy. Dural regeneration was comparable between groups (p = 0.681). Safety assessments confirmed clinical safety, with tissue reactions classified as "slight irritant" per ISO standards and no systemic inflammation in hematologic evaluation. In conclusion, the shape-memory CST composite scaffold developed in this study demonstrated superior efficacy in bone regeneration and neovascularization, along with favorable biocompatibility. Specifically, the activation of mechanotransduction pathways by α-tricalcium phosphate appears to create a favorable microenvironment for osteogenesis. Given its ease of endoscopic delivery through nasal passages and ability to provide customized defect closure, this scaffold would represent an effective and safe alternative to conventional materials for reconstructing skull base defects associated with CSF leakage.

국문 초록 (Abstract)

두개저 종양 수술로 인한 두개저 결손은 뇌척수액 누수와 뇌수막염 같은 심각한 합병증을 유발할 수 있어 즉각적이고 효과적인 재건이 필수적이다. 그러나 기존의 자가 조직이나 합성 재료는 제한된 조직 가용성, 낮은 접착력, 느린 생분해 속도 등의 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 두개저의 해부학적 구조를 모사하고 형상 기억 특성을 갖춘 이중 층의 Collagen/Silk-Fibroin/α-tricalcium phosphate (CST) 복합 지지체를 성균관대 정밀의학교실 김근형 교수팀과 이비인후과학교실 홍상덕 교수팀이 공동으로 개발하였다. 본 연구의 목적은 랫드 두개골 결손 모델을 이용하여 해당 지지체의 생체 내 효과와 안전성을 전임상 단계에서 검증하는 것이다. 랫드 두개골에 6 mm 결손을 형성한 후, Defect군 (결손 제작 후 무처치), Col군 (Collagen 단독 지지체), CST군으로 무작위 배정하여 이식물을 삽입하였다. 이식 8주 후 컴퓨터 단층 촬영과 조직학적 분석을 통해 골 재생 부피 및 면적, 신생혈관 수, 경막 재생 정도를 정량적으로 평가하였으며, 혈액학적 검사와 조직 병리 검사를 통해 전신 및 국소 염증 반응을 분석하였다. 이식 8주 후 분석 결과, CST군은 Col군 대비 우수한 골 재생 성능을 보였다. 골 형성 부피는 CST군 27.4 (25.5–42.6) mm³, Col군 17.1 (14.0–18.4) mm³ (p = 0.051), 골 형성 면적 또한 CST군 (2170.0 [2010.4–4388.6] ×10³ µm²)이 Col군 (893.5 [744.9–923.6] ×10³ µm²) 대비 현저히 높았으며 (p = 0.060), 통계적 유의성은 표본 수의 한계로 인해 확보하지 못했으나 효과 크기(Cohen’s d > 2.0) 분석을 통해 CST군이 생물학적으로 매우 우월한 골 재생 효과를 보임이 확인되었다. 신생혈관 형성 또한 CST군 (82 [26–99] 개)이 Col군(44 [27–47] 개)보다 높은 경향을 보였으며 (p = 0.265, Cohen’s d = 1.06), 큰 효과 크기를 통해 그 잠재적 유효성을 확인할 수 있었다. 경막 재생 면적은 두 군 간에 유의한 차이 없이 대등한 결과를 나타냈다 (p = 0.681). 안전성 평가에서 혈액학적 염증 수치는 군 간 유의한 차이가 없었으며, 조직학적 반응 평가는 ISO 기준 '경미한 자극성'으로 분류되어 임상적 안전성이 확인되었다. 결론적으로, 본 연구에서 개발된 형상 기억 CST 복합 지지체는 골 재생 및 혈관 재형성 측면에서 우수한 효능과 생체 적합성을 입증하였다. 특히 α-tricalcium phosphate에 의한 기계적 신호 전달 활성화가 골 형성에 유리한 환경을 조성하는 것으로 판단된다. 이 지지체는 비강 통로를 통한 내시경적 전달이 쉽고 맞춤형 결손 폐쇄가 가능하므로, 뇌척수액 누수를 동반한 두개저 결손 재건에 있어 기존 재건 물질을 대체할 수 있는 효과적이고 안전한 대안이 될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Materials and Methods 4
• 1. Animals and Ethics Approval 4
• 2. Surgical Procedures 4
• 3. Micro-CT Imaging and Three-Dimensional Analysis 5
• 4. Hematologic Analysis 6
• 5. Tissue Preparation and Staining 7
• 6. Bone Regeneration and Neovascularization Analysis 7
• 7. Dural Regeneration Assessment 8
• 8. Inflammatory Response and Biocompatibility Evaluation 9
• 9. Statistical Analysis 10
• Chapter 3. Results 12
• 1. Micro-CT Analysis 12
• 2. Histologic evaluation of Bone Regeneration 13
• 3. Histologic Evaluation of Dura and Intragraft Collagen Regeneration 13
• 4. Histologic Evaluation of Neovascularization 14
• 5. Hematologic and Histologic Evaluation of Inflammatory Reaction 15
• Chapter 4. Discussion 17
• References 21