치과분야에서의 조직공학

치과분야에서의 조직공학은 골조직 재생과 관련된 연구가 활발히 이루어지고 있다. 주로 구강악안면 영역에서 감염, 외상, 낭종, 종양 등 다양한 원인에 의해 골결손부가 발생하며, 골결손부의 심미적 - 기능적 회복, 안정 및 치유를 증식시키기 위해 그리고 최근 치과임플란트 시술이 보편화되면서 골질이 좋지 않은 환자에 대한 임플란트의 성공률(초기고정률)을 높이기 위해 충분한 골조직을 확보하기 위한 골 이식술이 빈번히 사용된다.

 

1) 골이식재(Bone graft)

골 이식의 목적은 골의 생역학적 역할을 유지하기 위해 골의 형태학적 - 생리학적 기능을 복원하는 데 있다. 정형외과나 치과 임상에서 주로 사용되는 골재생요 이식재는 세포를 점착시키지 않고 주위 골조직에서 골전도나 골유도를 통해 신생골을 재생시키는 방법으로 조직공학에서 사용되는 생분해성 세라믹소재와 고분자소재를 기반으로 한 지지체가 사용되고 있으며, 치과영역에서는 이식재라고 부른다. 골 이식 시 사용되는 이식재료들은 죽시 사용이 가능하고, 면역 반응을 일으키지 않으며, 빠른 골생성 및 재혈관화를 촉진하고 골의 지지와 연속성을 유지하는 등의 기본적인 조건을 만족시켜야 한다. 특히 임플란트와 관련해서는 골유착을 증진시키면서 식립체(fixture)의 초기안정성을 제공할 수 있는 신생골 형성이 요구된다. 

골이식재(bone graft)의 기본 골격으로는 주로 흡수성 바이오 세라믹이 적용되는데, 골재생을 위한 기본 조건은 ① 이식재가 골조직의 형성을 위한 충분한 강도가 유지되면서 분해, 흡수되어야 하고, ② 흡수 속도가 골조직의 성장속도와 일치되어야 하며(분해가 빠르면 골형성이 제대로 되지 않고, 너무 느리면 골형성을 방해한다), ③ 분해물질들이 신진대사에 의해 쉽게 제거될 수 있어야 한다.

치과분야에서의 골이식재는 골의 치유기 전에 따라 골형성 재료(osteogenic material), 골전도성 재료(osteoconductive material), 골유도성 재료(osteoinductive material)로 분류할 수 있으며, 공여 종별에 따라서는 자가골(autograft), 동종골(allograft), 이종골(xenograft), 합성골(alloplastic material)로 분류할 수 있다.

 

(1) 골이식재에 대한 골조직 반응(골이식의 치유기 전)

이식한 후 나타나는 치유기 전은 이식골의 종류, 형태에 따라 다양하지만, 신생골이 형성되는 특징적 과정에 따라 세 가지로 나누어 생각할 수 있다. 즉, 이식된 골형성 세포에 의한 능동적인 골형성 과정인 골생성현상 (골화: Osteogenesis)과, 간엽줄기세포(mesenchmal cell)들을 조골세포나 조연골세포로 분화시켜 능동적으로 골을 유도하는 골유도현상(osteoinduction), 그리고 신생골이 숙주골에 바로 인접된 이식골 부위에서 형성되어 이식 골 체 내로 대치되며 진행되는 골전도현상(osteoconduction)이다. 각각의 현상을 이해하면 다양한 골이식재의 치유기 전을 이해하고 재생효과를 예측하는데 도움이 될 것이다.

 

① 골형성 (osteogenesis)

이식재 안에 살아남아 있는 조골세포(osteoblast), 분화되지 않은 골수의 간엽줄기세포, 활성 단백질과 일부 혈관조직이 직접 골형성을 일으킬 수 있는 능력을 가짐으로써 신생골이 스스로 형성되는 과정을 말한다. 이들 세포들이 증식하고 성숙하여 신생골 형성에 중추적인 역할을 담당하며, 형성된 신생골의 양은 살아 있는 이식세포의 수에 비례하며, 해면골과 골수이식을 시행한 경우에 골형성 과정이 활발하게 나타난다. 자가골은 골형성 특징을 가진 유일한 이식재료이다. 골내막성 골아세포들(endosteal osteoblasts)은 이식 후 단순 확산에 의한 영양분 흡수능력만으로 처음 3-5일은 생존할 수 있다.

 

② 골유도 (osteoinduction)

골을 형성할 수 있게 유도하는 성질을 말하며 이식재내의 골형성 단백질(bone morphogenic protein, BMP)과 같은 화학주성을 가진 물질이 주위에 있는 숙주의 미분화 간엽줄기세포들을 끌어들여 조골세포로 분화할 수 있게 하여 신생골을 형성하도록 하는 것이다. 이러한 골 유도와 관련이 있는 골의 국소적 조절인자로는 BMP(bone morphogenetic protein)가 대표적이며 이외에 TGF-β (transforming growth factor-β), IGF (Insulin growth factor), FGF (Fibroblast Growth Factor), PDGF (platelet derived growth factor), Interleukin-1, TNF-α (tumor necrosis factor-α), Interleukin-8 등이 있다.

 

③ 골전도 (osteoconduction)

주변 골조직의 조골세포와 간엽줄기세포가 이식재 내부 이동하여 신생골을 형성시키는 수동적 현상을 말한다. 모든 골이식재는 골전도성을 가지며 이식재는 다공성 구조의 매개체 역할만 하며 주변에 혈액 공급이 풍부한 골조직이나 분화된 간연줄기세포가 있어야만 일어날 수 있다.

 

④ 골촉진 (osteopromotion)

골 형성을 유도하는 특성은 갖지 않으면서 골유도를 향상하는 것으로 골의 치유와 재생에 필요한 생물학적이나 역학적인 환경을 제공하여 골의 형성을 촉진하는 것이다. 예로서 혈소판이 보강된 혈장(platelet-rich plasma)을 들 수 있는데 혈소판에는 TGF-β, PDGF, IGF 등 여러 세포성장인자가 들어있어 간엽줄기세포를 동원하고 분화시키게 된다. 역학적인 인자로서 골이 재생되는 부위에 강한 물리적인 힘이 가하여진다고 하면 치유과정이 중단되지만 적절한 힘은 조직재생에 도움을 줄 수 있다. 간엽줄기세포에 대한 적절한 압박력은 연골모세포로의 분화를 촉진시키고 인장 스트레스는 신생골 형성을 촉진시키게 된다. 세포의 변형은 세포 내 신호를 형성하여 세포의 증식과 골모세포로의 변화를 유도하게 된다.