Study on the regeneration of the knee joint : cartilage and ACL

Abstract

국문요지

무릎관절 재생에 관한 연구: 연골 및 전방십자인대

현대 재생의학 분야에서는 회복이 불가능한 조직 손상을 치료하기 위해 세포와 조직의 대체 및 재생 메커니즘을 연구한다. 비가역적 난치성 조직 손상은 과격한 신체활동으로 인해 무릎관절에서 발생할 수 있다. 그 중 연골 및 전방십자인대의 심한 파열은 대표적인 난치성 손상으로 무릎관절에서 흔히 발생하는 발병 사례이다. 이러한 관절 조직 손상이 환자에게 통증 유발하고, 영구적인 관절 변형을 일으켜 뼈와 관절막과 같은 주변조직에 2차적 손상이 발생할 수 있다. 그로 인해, 무릎관절의 조직 재생에 관한 연구가 활발히 진행되고 있고, 특히 관절염을 유발하는 연골파괴와 전방십자인대 파열 분야에 대한 활발한 연구수치는 통계적으로 보고되었다. 하지만 여전히 현대 재생의학에서는 연골 및 전방십자인대 파열 조직의 비가역적 손상을 해결하지 못하였으며, 정확한 재생 메커니즘을 규명하지 못하였다. 이러한 이유로 본 연구자는 손상된 연골과 전방십자인대의 연골화 및 인대화 증진 방법을 규명하고자 한다. 연골 파괴는 퇴행성 관절질환을 대표하는 골관절염에서 주요하게 나타날 뿐만 아니라 류마티스관절염과 같은 만성적인 염증성 관절염에서도 발생한다. 과도한 TNFα의 분비는 염증과 산화 스트레스에 반응하여 세포외기질 이화 인자인 MMPs 및 ADAMTS 그리고 동화 인자인 콜라겐 및 proteoglycan의 발현을 조절하고 최종적으로 관절염을 유도한다. 본 연구자는 RA환자의 활막액에서 TNFα의 발현이 높은 것을 확인하였고, 연골세포 분화 과정에서 TNFα의 억제가 제2형 콜라겐과 aggrecan의 발현을 회복하고 MMP 1, 3, 13의 발현을 감소시키는 것을 확인하였다. 따라서, Chapter 1의 연구를 통해 연골세포 분화 중 TNFα의 억제가 연골파괴를 예방할 수 있음을 규명하였다. 현대 의학에서 전방십자인대가 파열된 경우 이식건을 이용한 전방십자인대 재건이 정설로 알려져 있다. 그러나 이식건을 이용한 재건 시, 정상 전방십자인대의 기능에 한참 못 미치는 재건 결과가 보고되고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 본 연구자는 생물학적 및 생체 역학적 접근을 통해 연구를 수행하였다. Chapter 2의 연구에서 지방 유래줄기세포와 전방십자인대 유래줄기세포의 비교 연구를 통해 건 내 전방십자인대 유래줄기세포의 생착능과 제 1형 콜라겐 생성능이 지방 유래줄기세포에 비해 높은 것을 확인하였다. 그리고 Chapter 3의 연구에서 건 내 주입된 전방십자인대 유래줄기세포에 주어진 기계적(압박) 자극이 세포역학신호변환을 일으켜 더 많은 세포 생착과 제 1형 콜라겐생성을 발생 및 유지시키는 것을 확인하였다. 이 결과들을 통해 전방십자인대 유래줄기세포가 건 내에서 높은 세포 친화도를 가지며, 세포역학신호변환을 일으키는 기계적(압박)자극이 동종 건내 세포 생착 및 콜라겐 생성능을 증진시킬 수 있음을 규명하였다.

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Study on the regeneration of the knee joint: cartilage and ACL

Park, Jinsung Dept. of Translational Medicine, Graduate School of Biomedical Science and Engineering, Hanyang University A knee joint is a connective tissue in the body allowing movement and provides joint stability, shock absorption, and distribution of mechanical stress.(1) It consists of bone, cartilage, ligaments, synovial tissue, and other connective tissues.(2) The knee joint tissue that controls the movement is frequently exposed to injuries, and among them, cartilage and anterior cruciate ligament (ACL) injuries are reported to interact.(3-6) Indeed, numerous studies have been conducted on the regeneration of the destructed cartilage-caused arthritis and ruptured ACL through biological and mechanical aspects.(7-10) A study on regeneration of the destructed cartilage and ruptured ACL was conducted through 3 chapters, and detailed explanation of each chapter is described in the paragraphs following below. Cartilage destruction is a major feature of degenerative joint diseases, especially osteoarthritis (OA), and also occurs in chronic inflammatory joint diseases such as rheumatoid arthritis (RA).(11) Tumor necrosis factor α (TNFα) is an inflammatory cytokine that plays key regulatory roles in response to inflammation and oxidative stress.(12, 13) It also plays important roles in the pathological process of inflammation by regulating catabolic factors such as matrix metalloproteinase (MMPs) and a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs (ADAMTS) or anabolic factors such as SRY-box transcription factor 9 (SOX9), collagens, and proteoglycans, resulting in extracellular matrix destruction in hyaline cartilage, therefore, TNFα was emphasized as a pathological factor in both OA and RA.(14) Thus, in chapter 1, it was revealed that a mechanism by which TNFα may induce metabolic shift in chondrocytes, leading to progressive chondrocyte destruction. Several reports have shown that ruptured human ACL tissues possesses numerous cells that can promote healing and have high expansion and multilineage differentiation.(15-17) Indeed, autologous ACL-derived cells possess great potential for clinical use as a source of autologous stem cell therapy. Accordingly, in chapter 2, experiments were performed to test the hypothesis that reseeded ACL-derived stem cells have a better ability to survive and integrate into tendon ECM and accelerate the ligamentization process compared to mesenchymal stem cells (MSCs), which infiltrate the implanted tendon grafts during the normal proliferative phase of tendon healing.(18) In the subsequently study, in chapter 3, experiments were performed to test the hypothesis that ACL-derived cells reseeded to the tendon graft, given the scaffold-induced compression, would demonstrate superior cell survival and integration and result in higher gene expression levels of YAP and ligament-specific proteins (e.g., type I collagen) compared to non-compressed cell-allograft composites in vitro.