Re: 뼈 재생 기전 ... 2015 nature review

[문형철]

Nat Rev Rheumatol

. Author manuscript; available in PMC: 2015 Jun 13.

Published in final edited form as: Nat Rev Rheumatol. 2014 Sep 30;11(1):45–54. doi: 10.1038/nrrheum.2014.164

Fracture healing: mechanisms and interventions

Thomas A Einhorn 1,2, Louis C Gerstenfeld 1,2

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PMCID: PMC4464690  NIHMSID: NIHMS697556  PMID: 25266456

The publisher's version of this article is available at Nat Rev Rheumatol

Abstract

Fractures are the most common large-organ, traumatic injuries to humans. The repair of bone fractures is a postnatal regenerative process that recapitulates many of the ontological events of embryonic skeletal development. Although fracture repair usually restores the damaged skeletal organ to its pre-injury cellular composition, structure and biomechanical function, about 10% of fractures will not heal normally.

This article reviews the developmental progression of fracture healing at the tissue, cellular and molecular levels. Innate and adaptive immune processes are discussed as a component of the injury response, as are environmental factors, such as the extent of injury to the bone and surrounding tissue, fixation and the contribution of vascular tissues. We also present strategies for fracture treatment that have been tested in animal models and in clinical trials or case series. The biophysical and biological basis of the molecular actions of various therapeutic approaches, including recombinant human bone morphogenetic proteins and parathyroid hormone therapy, are also discussed.

요약

골절은 인간에게 가장 흔한 장기 외상성 부상입니다. 

골절의 회복은 

배아 골격 발달의 많은 존재론적 사건을 요약하는 

출생 후 재생 과정입니다. 

인간의 뼈 발달은 배아 단계에서 태아 단계로 전환되는 임신 후 6~8주(임신 후 주수, PCW) 사이에 시작됩니다. 두개골에서 종아리 전구세포는 막내 골화를 통해 조골세포로 분화하며 출생 후에도 계속 조골세포를 수용합니다1,2. 초기 활액 관절에서는 5-6 PCW3의 사지 새싹에서 지간 응축이 나타나고 7-8 PCW 사이에 관절강을 형성하며, 관절마다 시기가 다르며 그 안에서 섬유 및 인대 구조가 발달합니다4,5 (그림 1b,c). 연골 발판은 활액 관절의 양쪽에 형성되어 8 PCW6,7 에서 연골 골화가 진행되면서 뼈 조직으로 대체될 때까지 신체 평면의 발달을 용이하게 합니다. 이러한 지역적으로 뚜렷한 골화 양상은 인간 골격 전반에 걸쳐 골 형성을 지배합니다. 현재까지 알려진 바에 따르면, 이러한 세포가 형성되고 성숙하는 세포 기반은 단일 세포 해상도에서 인간 발달에 대해 불완전하게 설명되어 있습니다. 이를 해결하기 위해 우리는 단일 핵 쌍 RNA(snRNA)와 트랜스포사제 접근 가능 염색질(snATAC) 염기서열 분석(seq) 및 공간적 방법을 적용하여 배아 두개골과 팔다리에서 5~11 PCW의 뚜렷한 뼈 형성 및 관절 형성 틈새의 성숙을 매개하는 조절 환경을 해독했습니다. 이를 통해 골형성 및 연골 형성 계통에서 이전에 설명되지 않았던 세포 다양성을 발견했습니다. 우리는 고해상도 155-플렉스 현장 시퀀싱(ISS) 데이터 세트의 액적 데이터에서 세포 라벨을 추론하는 도구인 ISS-Patcher를 개발하여 배아 활액 관절 내 공간적으로 정의된 틈새에 대한 통찰력을 얻었습니다. 또한 새로운 공간 전사체학 주석 도구인 OrganAxis8을 적용하여 발달 중인 두개골의 공간적 궤적을 정의했습니다. 두개안면 영역의 새로운 세포 상태를 특성화하고 인간 슈반 세포와 섬유아세포의 발달 과정을 추가로 설명했습니다. SNP2Cell을 포함한 우리의 자원과 새로운 계산 도구 세트는 두개골 유합증9,10,11 과 같은 발달 상태의 메커니즘을 예측하고 골관절염12,13 과 같은 인간 골격의 노화 질환에 대한 영역별 중간엽 클러스터의 유전자 조절 네트워크 (GRN)의 연관성을 가능하게했습니다.

골절 수복은 

일반적으로 손상된 골격 기관을 

손상 이전의 세포 구성, 구조 및 생체 역학적 기능으로 회복시키지만, 

골절의 약 10%는 정상적으로 치유되지 않습니다. 

이 문서에서는 

조직, 세포 및 분자 수준에서 

골절 치유의 발달적 진행 과정을 검토합니다. 

This article reviews the developmental progression of fracture healing at the

tissue, cellular and molecular levels.

Innate and adaptive immune processes are discussed as a component of the injury response, as are environmental factors, such as the extent of injury to the bone and surrounding tissue, fixation and the contribution of vascular tissues. 

뼈와 주변 조직의 손상 정도, 

고정 및 혈관 조직의 기여도와 같은 환경적 요인과 함께 

선천적 및 적응적 면역 과정이 

부상 반응의 구성 요소로 논의됩니다. 

또한 동물 모델과 임상시험 또는 사례 연구를 통해 

검증된 골절 치료 전략도 제시합니다. 

The biophysical and biological basis of the molecular actions of various therapeutic approaches, including

recombinant human bone morphogenetic proteins and

parathyroid hormone therapy,

are also discussed.

재조합 인간 골형성 단백질과 부갑상선 호르몬 요법을 포함한 

다양한 치료 접근법의 분자 작용에 대한 

생물물리학적 및 생물학적 근거도 논의합니다.

골형성 단백질(BMP)은 형질 전환 성장 인자 베타(TGFbeta) 슈퍼패밀리에 속하는 다기능 성장 인자입니다. 출생 후 및 성체 동물의 배아 발달과 세포 기능에서 BMP의 역할은 최근 몇 년 동안 광범위하게 연구되어 왔습니다. 신호 전달 연구에 따르면 Smad1, 5, 8은 BMP 수용체의 바로 아래 분자로서 BMP 신호 전달에서 중심적인 역할을 하는 것으로 밝혀졌습니다. 형질 전환 생쥐와 녹아웃 생쥐, 그리고 BMP 및 관련 유전자에 자연적으로 발생하는 돌연변이가 있는 동물과 인간을 대상으로 한 연구에 따르면 BMP 신호는 심장, 신경 및 연골 발달에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. BMP는 또한 출생 후 뼈 형성에도 중요한 역할을 합니다. BMP 활동은 다양한 분자 수준에서 조절됩니다. 전임상 및 임상 연구에 따르면 BMP-2는 골 결손, 불유합 골절, 척추 유합, 골다공증 및 근관 수술과 같은 다양한 치료 중재에 활용될 수 있는 것으로 나타났습니다. 특정 BMP 리간드, BMP 수용체의 아형 또는 특정 신호 분자의 조직 특이적 녹아웃은 특정 조직에서 BMP 리간드, 수용체 또는 신호 분자의 특정 역할을 추가로 결정하기 위해 필요합니다. BMP는 TGFbeta 수퍼패밀리의 구성원입니다. BMP의 활성은 1960년대에 처음 확인되었지만(Urist, M.R. (1965) “자동 유도에 의한 뼈 형성”, Science 150, 893-899), 1980년대 후반 소 BMP-3(오스테오게닌)의 정제 및 서열과 인간 BMP-2 및 4의 복제가 이루어지기 전까지 뼈 유도를 담당하는 단백질은 알려지지 않았습니다(Wozney, J.. M. 외 (1988) “뼈 형성의 새로운 조절자 : 분자 클론 및 활동”, Science 242, 1528-1534; Luyten, F.P. 외 (1989) “뼈 분화를 시작하는 단백질 인 오스테오게닌의 정제 및 부분 아미노산 서열”, J. Biol. Chem. 264, 13377-13380; Wozney, J.M. (1992) “골 형태 형성 단백질 계열 및 골 형성”, Mol. Reprod. Dev. 32, 160-167). 현재까지 약 20개의 BMP 가족 구성원이 확인 및 특성화되었습니다. BMP는 세린/트레오닌 키나아제 수용체를 통해 신호를 전달하며, 유형 I과 II 아형으로 구성됩니다. 세 가지 유형 I 수용체는 BMP 리간드, 유형 IA 및 IB BMP 수용체(BMPR-IA 또는 ALK-3 및 BMPR-IB 또는 ALK-6)와 유형 IA 액티빈 수용체(ActR-IA 또는 ALK-2)에 결합하는 것으로 나타났습니다(Koenig, B.B. et al. (1994) “NIH 3T3 세포에서 BMP-2 및 BMP-4 수용체의 특성화 및 복제”, Mol. Cell. 14, 5961-5974; 10 Dijke, P. 외 (1994) “골 형성 단백질 -1 및 골 형성 단백질 -4에 대한 제 1 형 수용체의 동정”, J. Biol. Chem. 269, 16985-16988; Macias-Silva, M. et al. (1998) “BMP7 유형 I 수용체, ALK2에 의한 Smad1 신호 경로의 특정 활성화”, J. Biol. Chem. 273, 25628-25636). BMP에 대한 세 가지 유형 II 수용체도 확인되었으며 유형 II BMP 수용체 (BMPR-II)와 유형 II 및 IIB 액티빈 수용체 (ActR-II 및 ActR-IIB)입니다 (야마시타, H. 외 (1995) “골 형성 단백질 -1은 액티빈 유형 II 수용체에 결합하여 특정 액티빈 유사 효과를 유도합니다”, J. Cell. 130, 217-226; Rosenzweig, B.L. 외 (1995) “골 형성 단백질에 대한 인간 II 형 수용체의 클로닝 및 특성화”, Proc. Natl Acad. USA 92, 7632-7636; 가와바타, M. 외(1995) “제1형 형질전환 성장인자-베타 수용체와의 상호작용을 통한 새로운 제2형 세린/트레오닌 키나제 수용체의 클로닝”, J. Biol. Chem. 270, 5625-5630). BMPR-IA, IB 및 II는 BMP에 특이적인 반면, ActR-IA, II 및 IIB는 액티바인의 신호 수용체이기도 합니다. 이러한 수용체는 다양한 조직에서 차별적으로 발현됩니다. 유형 I 및 II BMP 수용체는 모두 신호 전달에 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 리간드 결합 후 이들은 두 쌍의 유형 I 및 II 수용체 복합체로 구성된 헤테로테트라메릭 활성화 수용체 복합체를 형성합니다(Moustakas, A. 및 C.H. Heldi (2002) “모노-에서 올리고-Smads까지: TGFbeta 신호 전달의 핵심” Genes Dev. 16, 67-871). 제1형 BMP 수용체 기질에는 수용체에서 핵의 표적 유전자로 BMP 신호를 전달하는 데 중심적인 역할을 하는 단백질 계열인 Smad 단백질이 포함되어 있습니다. Smad1, 5 및 8은 리간드 의존적인 방식으로 BMP 수용체에 의해 인산화됩니다(Hoodless, P.A. 외(1996) “MADR1, BMP2 신호 경로에서 기능하는 MAD 관련 단백질”, Cell 85, 489-500; Chen Y. 외(1997) “Smad8은 수용체 세린 키나제의 신호를 매개합니다”, Proc. Natl Acad. USA 94, 12938-12943; 니시무라 R. 외 (1998) “Smad5와 DPC4는 만능 중간엽 전구세포주 C2C12의 BMP-2 유도 조골세포 분화를 매개하는 핵심 분자이다”, J. Biol. Chem. 273, 1872-1879). 수용체에서 방출된 후 인산화 Smad 단백질은 공유 파트너로 작용하는 관련 단백질 Smad4와 결합합니다. 이 복합체는 핵으로 이동하여 다른 전사인자()와 함께 유전자 전사에 참여합니다. 최근 몇 년 동안 BMP 리간드, 수용체 및 신호 분자의 생체 내 기능에 대한 이해에 상당한 진전이 이루어졌습니다.

Introduction

Fracture healing and bone repair are postnatal processes that mirror many of the ontological events that take place during embryonic development of the skeleton and have been extensively reviewed elsewhere.1–5 The recapitulation of these ontological processes is believed to make fracture healing one of the few postnatal processes that is truly regenerative, restoring the damaged skeletal organ to its pre-injury cellular composition, structure and bio- mechanical function. Interestingly, a comparison of the transcriptome of mouse callus tissues across a 21-day period of fracture healing showed that about one-third of the mouse homologues of the genes expressed by human embryonic stem cells are preferentially induced. Many of the homeotic genes that control appendicular limb development also show increased expression‎ during fracture healing.6 Finally, all the primary morphogenetic pathways that are active during embryonic skeletal development are expressed in fracture calluses,6 and have therefore become the focal point of efforts to develop new therapies. In this Review, we place these biological processes in the context of how trauma and the immune system, as a component of the injury response, are related to the developmental aspects of fracture healing. We then review the relationships between ontogeny and the recovery of skeletal function. Finally, we focus on specific biophysical, local and systemic therapies that have been used to promote fracture healing and on the various biological processes they promote.

소개

골절 치유와 뼈 회복은

골격의 배아 발달 과정에서 일어나는 많은 존재론적 사건을 반영하는 출생 후 과정이며

다른 곳에서 광범위하게 검토되었습니다.1-5

이러한 존재론적 과정을 요약하면

골절 치유는

손상된 골격 기관을 부상 전의 세포 구성, 구조 및 생체 기계적 기능으로 복원하여

진정한 재생을 일으키는 몇 안 되는 출생 후 과정 중 하나인 것으로 여겨지고 있습니다.

The recapitulation of these ontological processes is believed to make fracture healing one of the few postnatal processes that is truly regenerative, restoring the damaged skeletal organ to its pre-injury cellular composition, structure and bio- mechanical function

흥미롭게도

골절 치유 기간 21일 동안

마우스 캘러스 조직의 전사체를 비교한 결과,

인간 배아 줄기세포에서 발현되는 유전자의 약 1/3이 마우스 상동 유전자로

우선적으로 유도되는 것으로 나타났습니다.

부속 사지 발달을 조절하는 많은 상동 유전자도

골절 치유 중에 발현이 증가합니다.6

마지막으로,

배아 골격 발달 중에 활성화되는 모든 주요 형태 형성 경로는

골절 캘러스에서 발현되며,6

따라서 새로운 치료법을 개발하려는 노력의 초점이 되고 있습니다.

이 리뷰에서는

러한 생물학적 과정을 부상 반응의 구성 요소인 외상과

면역 체계가 골절 치유의 발달적 측면과 어떻게 관련되어 있는지에 대한

맥락에서 살펴봅니다.

그런 다음

온토제닉과 골격 기능 회복 사이의 관계를 검토합니다.

인간 유아, 어린이, 청소년, 성인의 뼈는 전체적인 형태와 조직 특성에서 상당한 차이가 있습니다. 이 연구에서는 영국 런던의 스피탈필즈 그리스도 교회에 있는 잘 기록된 공동묘지의 연령이 알려진 18명( 여성 = 8, 남성 = 9, 미상 = 1, 출생~21세)을 사용하여 피질 및 소주골 미세 구조의 성장 관련 변화를 탐구합니다. 정량적 분석을 위해 중간 축 중간 흉곽 갈비뼈의 마이크로 CT 스캔이 사용됩니다. 그런 다음 결과는 동일한 샘플에 대해 이전에 정량화된 기존 조직 형태 측정법과 비교됩니다. 총 면적(Tt.Ar), 피질 면적(Ct.Ar), 피질 두께(Ct.Th), 늑골의 대경(Maj.Dm) 및 소경(Min.Dm)은 나이와 양의 상관관계를 보여줍니다. 기공 밀도(Po.Dn)는 증가하지만, 피질 다공성(Ct.Po)의 연령 관련 변화는 비선형적인 것으로 보입니다. 섬유주 두께(Tb.th)와 섬유주 분리(Tb.Sp)는 나이가 들면서 증가하는 반면, 섬유주 골 패턴 인자(Tb.Pf), 구조 모델 지수(SMI), 연결성 밀도(Conn.D)는 나이가 들면서 감소합니다. 이 연구에 포함된 변수 중 성별에 따른 차이는 확인되지 않았습니다. 일부 샘플은 방사선 불투명도에 상응하는 변화 없이 유전적 변화의 명확한 증거를 보여 과거 집단을 대상으로 한 연구에서 골밀도(BMD) 데이터의 신뢰성을 떨어뜨립니다. 대뇌피질 다공성 데이터는 골밀도(OPD)의 2차원 측정값과 상관관계가 없습니다. 이는 채워지지 않은 흡수 공간이 2차 오스테온의 하버시안 운하보다 피질 다공성에 더 크게 기여한다는 것을 시사합니다. 상호 보완적인 이미징 기법과 다양한 조직학적 변수를 이용한 지속적인 연구를 통해 인간 집단 내 및 집단 간의 연령 및 성별에 따른 온토제닉 패턴에 대한 이해를 높일 수 있을 것입니다.

마지막으로

골절 치유를 촉진하는 데 사용된

특정 생물물리학적, 국소적, 전신적 치료법과

이러한 치료법이 촉진하는 다양한 생물학적 과정에 초점을 맞춥니다.

Phases of fracture healing

Fracture healing and skeletal tissue repair involve an initial anabolic phase characterized by an increase in tissue volume related to the de novo recruitment and differentiation of stem cells that form skeletal and vascular tissues. Immediately adjacent to the fracture line, a cartilaginous callus will form. Peripheral to this central region, at the edges of the new cartilage tissues, the periosteum swells and primary bone formation is initiated.7,8 Concurrent with cartilage tissue development, cells that will form the nascent blood vessels that supply the new bone are recruited and differentiate in the surrounding muscle sheath.9,10 The increases in the vascular bed that surrounds and then grows into the callus are further reflected by the increased blood flow into the area of tissue repair. As chondrocyte differentiation progresses, the cartilage extracellular matrix undergoes mineralization and the anabolic phase of fracture repair terminates with chondrocyte apoptosis.11,12 The histological and cellular progression of these events are shown in Figure 1.

골절 치유 단계

골절 치유 및 골격 조직 복구에는

골격 및 혈관 조직을 형성하는 줄기세포의 신규 모집 및 분화와 관련된

조직 부피의 증가를 특징으로 하는

초기 동화 작용 단계가 포함됩니다.

골절 선 바로 옆에는

연골성 캘러스가 형성됩니다.

섬유연골 캘러스는 뼈가 스스로 치유하려는 과정에서 골절 부위에 형성되는 섬유아세포와 연골아세포의 일시적인 형성입니다. 세포는 결국 소멸하고 휴면 상태가 되어 새로운 뼈가 되는 세포 외 기질에 자리 잡게 됩니다. callus은 보통 골절 후 3주 후에 엑스레이에서 보이는 유합의 첫 징후입니다. 캘러스 형성은 어린이보다 성인에서, 해면골보다 피질골에서 더 느리게 이루어집니다.[1

이 중심 부위의 주변, 새로운 연골 조직의 가장자리에서

골막이 부풀어 오르고

일차적인 뼈 형성이 시작됩니다.7,8

연골 조직 발달과 동시에

새로운 뼈를 공급하는 초기 혈관을 형성할 세포가

주변 근육 피막에서 모집되고 분화됩니다.9,10

캘러스 주변을 둘러싼 혈관 층의 증가는

조직 복구 영역으로의 혈류 증가에 의해 더욱 반영됩니다.

연골 세포 분화가 진행됨에 따라

연골 세포 외 기질은 미네랄화를 겪고

골절 회복의 동화 작용 단계는

연골 세포 사멸로 종료됩니다.11,12

이러한 사건의 조직 학적 및 세포 적 진행은 그림 1 에 나와 있습니다.

Figure 1.

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Histology of early stages of mouse femur fracture repair. a | The inflammatory stage of fracture repair 24 h after injury. Sections were immunoreacted with anti-TNF antibodies to show innate immune responses to the injury of both the periosteum and marrow cell populations (brown) with haematoxylin counterstaining (blue). b | Late inflammatory stage 3 days after injury, cellular streaming of undefined fibrous cells and early angiogenic cells forming small vessels are evident at the fracture site. Stained with haematoxylin and eosin. c | The late endochondral stage, 14 days after injury. The section was stained for tartrate-resistant acid phosphatase to show the recruitment of resorptive osteoclasts (bright red).

마우스 대퇴골 골절 수복 초기 단계의 조직학.

a | 부상 후 24시간 후 골절 수복의 염증 단계. 헤마톡실린 대염색(파란색)으로 골막과 골수 세포 집단(갈색)의 손상에 대한 선천성 면역 반응을 보여주기 위해 항-TNF 항체로 면역 반응시킨 섹션.

b | 손상 3일 후 후기 염증 단계, 정의되지 않은 섬유 세포의 세포 흐름과 작은 혈관을 형성하는 초기 혈관 신생 세포가 골절 부위에 분명합니다. 헤마톡실린과 에오신으로 염색.

c | 손상 후 14일 후의 후기 연골 내막 단계. 이 섹션은 타르타르산염 저항성 산 포스파타제로 염색하여 파골세포의 재흡수(밝은 빨간색)를 보여줍니다.

The anabolic phase is followed by a prolonged phase in which catabolic activities predominate, and is characterized by a reduction in the volume of the callus tissues. During this phase of predominately catabolic activity, such as cartilage resorption, specific anabolic processes continue to take place; secondary bone formation is initiated as the cartilage is resorbed and primary angiogenesis continues as the nascent bone tissues replace the cartilage. Subsequently, when bone remodelling begins, the first mineralized matrix produced during primary bone formation is resorbed by osteoclasts, and then the secondary bone laid down during the period of cartilage resorption is also resorbed. As the bony callus tissue continues to be resorbed, this prolonged period is characterized by coupled cycles of osteoblast and osteoclast activity in which the callus tissues are remodelled to the bone's original cortical structure (termed `coupled remodelling' here). During this period, the marrow space is re-established and the original marrow structure of haematopoietic tissue and bone is regenerated. In the final period of the catabolic phase, extensive vascular remodelling takes place in which the increased vascular bed regresses and the high vascular flow rate returns to its pre-injury level.13,14 Although these processes take place consecutively, they overlap substantially and are a continuum of changing cell populations and signalling processes within the regenerating tissue. A temporal overview of the biological events of fracture healing, and the cell types involved at each stage of fracture healing, are presented in Figure 2.

동화 작용 단계에 이어서

이화 작용이 우세한 장기간의 단계가 이어지며

캘러스 조직의 부피가 감소하는 것이 특징입니다.

연골 흡수와 같은 주로 동화 작용이 우세한 이 단계에서는

특정 동화 작용이 계속 진행되며,

연골이 흡수되면서 이차적인 뼈 형성이 시작되고

초기 뼈 조직이 연골을 대체하면서 일차적인 혈관 생성이 계속됩니다.

그 후 뼈 리모델링이 시작되면

1차 뼈 형성 과정에서 생성된 첫 번째 미네랄화된 매트릭스가

파골세포에 의해 재흡수되고

연골이 흡수되는 기간 동안 놓인 2차 뼈도 재흡수됩니다.

뼈의 캘러스 조직이 계속 재흡수됨에 따라

이 장기간의 기간 동안 조골세포와 파골세포 활동이 결합하여

캘러스 조직이 뼈의 원래 피질 구조로 리모델링(여기서는 '결합 리모델링'이라고 함)되는 특징이 있습니다.

이 기간 동안

골수 공간이 재확립되고

조혈 조직과 뼈의 원래 골수 구조가 재생됩니다.

이화 작용 단계의 마지막 기간에는

증가된 혈관층이 퇴행하고

높은 혈관 유속이 손상 전 수준으로 돌아가는 광범위한 혈관 리모델링이 일어납니다.13,14

이러한 과정은 연속적으로 일어나지만,

상당 부분 겹치며 재생 조직 내에서 세포 집단과 신호 과정이 변화하는 연속체입니다.

골절 치유의 생물학적 사건과

골절 치유의 각 단계에 관여하는 세포 유형에 대한

시간적 개요는 그림 2 에 나와 있습니다.

Figure 2.

Femur fracture repair. The major metabolic phases (blue bars) of fracture healing overlap with biological stages (brown bars). The primary metabolic phases (anabolic and catabolic) of fracture healing are presented in the context of three major biological stages (inflammatory, endochondral bone formation and coupled remodelling) that encompass these phases. The primary cell types that are found at each stage, and the time span of their preval‎ence in each stage, are denoted. The time scale of healing is equivalent to a mouse closed femur fracture fixed with an intramedullary rod.

Abbreviations: BMP, bone morphogenetic protein; BMPR, bone morphogenetic protein receptor; DKK1, Dickkopf-related protein 1; LRP, LDL-receptor-related protein; MSC, mesenchymal stem cell; PMN, polymorphonuclear leukocyte; PTH, parathyroid hormone; PTHrP, parathyroid-hormone-related protein; RANKL, receptor activator of nuclear factor κB ligand.

대퇴골 골절 회복. 

골절 치유의 주요 대사 단계(파란색 막대)는 생물학적 단계(갈색 막대)와 겹칩니다. 골절 치유의 주요 대사 단계(동화 작용 및 이화 작용)는 이러한 단계를 포괄하는 세 가지 주요 생물학적 단계(염증, 내연골 형성 및 결합된 리모델링)의 맥락에서 제시됩니다. 각 단계에서 발견되는 주요 세포 유형과 각 단계의 유병 기간이 표시되어 있습니다. 치유 시간 척도는 골수 내 막대로 고정된 쥐의 폐쇄성 대퇴골 골절과 동일합니다. 

약어: BMP, 골형성 단백질; BMPR, 골형성 단백질 수용체; DKK1, 딕코프 관련 단백질 1; LRP, LDL 수용체 관련 단백질; MSC, 중간엽 줄기세포; PMN, 다형핵 백혈구; PTH, 부갑상선 호르몬; PTHrP, 부갑상선 호르몬 관련 단백질; RANKL, 핵 인자 κB 리간드 수용체 활성화제.

Control of fracture healingInnate and adaptive immune functions

Both innate and adaptive immune processes are essential during the anabolic and catabolic phases of fracture healing. In the initial inflammatory stage after injury, specific cell-mediated immune functions remove necrotic tissues, promote angiogenesis and initiate repair.15–17 Interestingly, fracture leads to suppression of the immune system,18 with a local increase in the number of induced T regulatory (iTREG) cells that suppress active adaptive immune responses within the fracture callus.19 Studies have further shown that mesenchymal stem cells actively maintain a hypoimmunogenic state20,21 through the production of immunosuppressive paracrine factors,22–24 or through the direct actions of these cells on immune-cell populations, including T cells.25,26 Such effects suggest that these cells impart immune tolerance throughout the early stages of endochondral bone formation and provide protection to the developing tissues by suppressing allo-proliferation of T cells during stem-cell recruitment and cartilage formation.19 At different stages of fracture healing, cytokines with inflammatory and immune functions, including IL-1β,19 IL-6,27,28 IL-17F,19,29 IL-2319 and TNF,12,30 are variably expressed and have different effects. During the period of acute inflammation immediately after injury, TNF and IL-6 recruit cells needed for tissue regeneration and their complete absence has been shown to delay skeletogenic mesenchymal stem cell differentiation.12,27–30 On the other hand, if inflammation remains unresolved, such as with a bacterial infection at the injury site, healing can fail.31 In the context of chronic inflammation, such as in streptozotocin-induced diabetes mellitus in mice, the cartilage callus is prematurely removed during fracture healing,32,33 and in mouse models of systemic lupus erythematosus (SLE), osteoclast activity and bone turnover are high.19 In both of these disease models, less primary and secondary bone accumulation occurs during fracture healing than in control mice. Anti-inflammatory biologic agents and antiresorptive agents might therefore have therapeutic value in fracture healing for patients with either SLE or diabetes mellitus.34

골절 치유 조절선천성 및 후천성 면역 기능

선천성 및 후천성 면역 과정은

모두 골절 치유의 동화 작용 및 이화 작용 단계에서 필수적입니다.

부상 후 초기 염증 단계에서

특정 세포 매개 면역 기능은

괴사 조직을 제거하고 혈관 신생을 촉진하며 회복을 시작합니다.15-17

흥미롭게도

골절은 면역 체계의 억제로 이어지며,18

골절 캘러스 내에서 활성 적응 면역 반응을 억제하는

유도 T 조절(iTREG) 세포의 수가 국소적으로 증가합니다.19

연구에 따르면

중간엽 줄기세포는

면역 억제 파라크린 인자의 생산을 통해20,21

저면역 상태를 적극적으로유지하거나22-24 또는

이러한 세포가 T 세포를 포함한 면역 세포 집단에 직접 작용하는 것으로 나타났습니다.25,26

이러한 효과는

이러한 세포가

연골 내 골 형성의 초기 단계에 걸쳐 면역 내성을 부여하고

줄기 세포 모집 및 연골 형성 중에 T 세포의 단독 증식을 억제하여

발달 조직을 보호한다는 것을 시사합니다 .19

골절 치유의 여러 단계에서

IL-1β,19 IL-6,27,28 IL-17F,19,29 IL-2319 및 TNF,12,30를 포함한

염증 및 면역 기능을 가진 사이토카인이 다양하게 발현되고 다른 영향을 미칩니다.

부상 직후 급성 염증 기간 동안

TNF와 IL-6는 조직 재생에 필요한 세포를 모집하며,

이들의 완전한 부재는

골 형성 중간엽 줄기세포 분화를 지연시키는 것으로 나타났습니다.12,27-30

반면,

부상 부위의 박테리아 감염과 같이

염증이 해결되지 않은 경우 치유가 실패할 수 있습니다.31

생쥐의 스트렙토조토신 유발 당뇨병과 같은 만성 염증의 맥락에서 골절 치유 중에 연골 캘러스가 조기에 제거되고,32,33 전신 홍반성 루푸스(SLE) 마우스 모델에서는 파골 세포 활성과 뼈 회전율이 높습니다.19 이 두 질병 모델에서는 골절 치유 중에 대조군 마우스보다 1차 및 2차 골 축적이 덜 발생합니다. 따라서 항염증 생물학적 제제 및 항흡수제는 SLE 또는 당뇨병 환자의 골절 치유에 치료적 가치가 있을 수 있습니다.34

Fracture healing: mechanisms and interventions - PMC

Evidence for direct T-cell involvement in the control of fracture healing comes from studies that showed negative effects after lymphocyte depletion.35–38 Studies of fracture healing in Rag1−/− mice, which lack T cells and B cells, showed that although cartilage maturation and replacement was delayed and overall less mineralized tissue accumulated,29 these mice recovered mechanical function earlier than wild-type mice.39 γδ T cells, which can detect the products of stressed or damaged cells even in the absence of antigen presentation,40 are also involved in fracture repair. In other studies, mice deficient in γδ T cells have shorter times to fracture union and earlier development of mature fracture calluses than γδ-T-cell-sufficient mice.41 Finally, in a model of SLE, in which mice have defective Fas receptors (TNF receptor superfamily member 6), the percentage of iTREG cells was increased in both callus and bone tissues during the period of active cartilage formation, while at the same time the number of activated T cells in these tissues decreased, despite increased numbers of activated T cells in the spleen, indicative of an autoimmune condition.19 These results suggest that activated iTREG cells are chondroprotective and are consistent with studies showing that mesenchymal stem cells induce both the differentiation and immunosuppressive function of iTREG cells.42,43 Pharmacological factors that alter immune function and inflammation might have negative and positive effects on fracture healing and are important to consider in the context of specific comorbidities that affect regeneration.34

골절 치유 조절에 T세포가 직접 관여한다는 증거는 림프구 고갈 후 부정적인 영향을 보인 연구에서 나왔습니다.35-38 T세포와 B세포가 결핍된 Rag1-/- 마우스의 골절 치유에 대한 연구에 따르면, 연골 성숙과 교체가 지연되고 전체적으로 미네랄 조직 축적이적었지만29 야생형 마우스보다 기계적 기능이 더 빨리 회복된 것으로 나타났습니다.39 항원이 없어도 스트레스나 손상된 세포의 생성물을 감지할 수 있는 γδ T세포40도 골절 회복에 관여합니다. 다른 연구에서 γδ T 세포가 결핍된 마우스는 γδ T 세포가 충분한 마우스보다 골절 유합까지의 시간이 더 짧고 성숙한 골절 callus이 더 일찍 발생했습니다.41

마지막으로,

Fas 수용체(TNF 수용체 수퍼패밀리 6)에 결함이 있는 생쥐를 대상으로 한

SLE 모델에서는

연골 형성이 활발한 기간 동안 캘러스와 뼈 조직 모두에서

iTREG 세포의 비율이 증가한 반면, 자

가 면역 상태를 나타내는 비장에서 활성화된 T 세포의 수가 증가했음에도 불구하고

이들 조직에서 활성화된 T 세포의 수는 감소했습니다.19

이러한 결과는

활성화된 iTREG 세포가 연골 보호 기능이 있음을 시사하며

중간엽 줄기세포가 iTREG 세포의 분화와 면역 억제 기능을 모두 유도한다는 연구와 일치합니다.42,43

면역 기능과 염증을 변화시키는 약리학적 요인은

골절 치유에 부정적 및 긍정적 영향을 미칠 수 있으며

재생에 영향을 미치는 특정 동반 질환의 맥락에서 고려해야 할 중요한 사항입니다.34

Stem cell origins

The extent of external soft-tissue and hard-tissue trauma,44,45 and the mechanical strain produced by therapeutic interventions, will each effect the origin of the stem cells that contribute to healing, the extent of cartilage-cell versus bone-cell differentiation and the progression of fracture healing.46–48 Results from transgenic lineage tracking have shown that the fracture callus is formed mostly of cells from the periosteum.49 Other studies showed that periosteal cells specifically respond to bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) to promote both chondrogenesis and osteogenesis, whereas cells in the marrow space will form only bone in response to BMP-2.50 Mechanisms controlling cortical bone repair might, therefore, be different to those that repair and remodel trabecular bone, and those that take place in the medullary space.

The extent and type of trauma that accompanies a fracture will also affect the tissue source from which stem cells that contribute to the callus are derived. Transgenic mouse studies using a reporter gene conditionally activated in muscle stem cells showed that these cells do not contribute substantially to callus formation in a model of closed tibial fracture. By contrast, studies of open tibial fractures, in which the periosteum was surgically stripped from the bone with additional muscle fenestration, showed that almost half the cells in the callus were derived from the surrounding muscle.51 Thus, the extent of injury that can be repaired is limited; too much damage to the muscle and periosteum can overcome the supply of tissue-regenerative stem cells. Also important is to consider the extent to which the vascular tissues in the surrounding muscle sheath are compromised; failure of angiogenesis after fracture or osteotomy can lead to nonunion.44

줄기세포 기원

외부 연조직 및 경조직 외상의 정도44,45 및 치료적 개입으로 인한 기계적 변형은

각각 치유에 기여하는 줄기세포의 기원,

연골 세포 대 골 세포 분화 정도 및 골절 치유 진행에 영향을 미칩니다.46-48

형질전환 계통 추적 결과에 따르면

골절 캘러스는

대부분 골막의 세포로 형성되는 것으로 나타났습니다.49

다른 연구에 따르면

골막 세포는

골형성 단백질 2(BMP-2)에 특이적으로 반응하여

연골 형성과 골 형성을 모두 촉진하는 반면,

골수 공간의 세포는 BMP-2에 반응하여 뼈만 형성합니다.50

따라서

피질 골 수복을 조절하는 메커니즘은

골수 공간에서 일어나는 골질 골 수복 및 리모델링과 다른 메커니즘일 수 있습니다.

골절에 수반되는 외상의 정도와 유형은

캘러스에 기여하는 줄기세포가 유래하는 조직 공급원에도 영향을 미칩니다.

근육 줄기세포에서 조건부로 활성화된 리포터 유전자를 사용한 형질전환 마우스 연구에 따르면 폐쇄성 경골 골절 모델에서는 이러한 세포가 굳은살 형성에 크게 기여하지 않는 것으로 나타났습니다. 반면, 수술로 뼈에서 골막을 제거하고 근육을 추가로 삽입한 개방형 경골 골절 연구에서는 캘러스 세포의 거의 절반이 주변 근육에서 유래한 것으로 나타났습니다.51 따라서 회복할 수 있는 손상 범위는 제한적이며 근육과 골막에 너무 많은 손상이 발생하면 조직 재생 줄기세포의 공급을 극복할 수 없습니다. 또한 골절 또는 절골술 후 혈관 신생의 실패는 불유합으로 이어질 수 있으므로 주변 근육 피막의 혈관 조직이 손상된 정도를 고려하는 것도 중요합니다.44

Fracture healing: mechanisms and interventions - PMC

Stability

The overall stability of the fixation and immobilization of the fracture will also affect the patterns of skeletogenic stem cell differentiation into chondrocytes or osteoblasts, with more-extensive cartilage tissue formation associated with less stability, and increasing stability with more bone tissue.48 Interestingly, when fractures are not stably fixed, angiogenesis is initially increased.52–54 Excessive interfragmentary instability, however, will impede cartilage replacement, diminish angiogenesis and prevent bone from bridging the fracture gap.54 Therefore, an optimal `window' of interfragmentary motion seems to be needed to enable normal calluses to develop and stably bridge a fracture. Together, these mouse studies have considerable bearing on the potential application of treatments, such as BMP therapy, to human fractures. The data indicate that the number of stem cells, the tissue source of these cells and their ability to be recruited are dependent on the extent of injury and the stability of the fracture union.

안정성

골절의 고정 및 고정의 전반적인 안정성은

연골세포 또는 조골세포로의 골형성 줄기세포 분화 패턴에도 영향을 미치며,

연골 조직이 더 많이 형성되면 안정성이 떨어지고

뼈 조직이 많으면 안정성이 높아집니다.48

흥미롭게도

골절이 안정적으로 고정되지 않으면 초기에 혈관 신생이 증가합니다.52-54

그러나 과도한 골절 간 불안정성은

연골 대체를 방해하고

혈관 신생을 감소 시키며

뼈가 골절 간격을 메우는 것을 방지합니다.54

따라서

정상적인 callus가 발달하고 골절을 안정적으로 연결하려면

최적의 '창'이 필요한 것으로 보입니다.

이러한 생쥐 연구는 BMP 치료와 같은 치료법을 인간 골절에 적용하는 데 상당한 영향을 미칩니다.

데이터에 따르면

줄기세포의 수,

줄기세포의 조직 공급원,

줄기세포의 모집 능력은

부상의 정도와 골절 유합의 안정성에 따라 달라집니다.

Mechanisms of ontogeny and postnatal healing

Both fracture healing and endochondral bone formation are directly regulated by BMPs,55,56 fibroblast growth factor 2 (FGF-2),57,58 hedgehog proteins,59,60 parathyroid hormone (PTH), PTH-related protein,61,62 transforming growth factor β (TGF-β),63 protein wingless morphogenetic factors, Wnt proteins and Wnt signalling antagonists.64,65 Several of these morphogenetic processes form interactive feedback loops, including coregulation of BMPs and Wnt signalling proteins;66,67 of PTH or PTH- related protein67 and FGF-2;69 and of PTH-related protein and Wnt proteins.67–70 Furthermore, some of these factors regulate interaction between different cell and tissue types during skeletal healing. Therefore, how therapeutic drugs coordinate the temporal and spatial interactions of different tissues of the skeletal organ (vascular, skeletal and haematopoietic) must be understood before their application in the treatment of delayed healing or nonunion of fractures.

온토제닉 및 출생 후 치유의 메커니즘

골절 치유와 내연골 골 형성은 모두 BMP,55,56 섬유아세포 성장인자 2(FGF-2),57,58 고슴도치 단백질,59,60 부갑상선 호르몬(PTH), PTH 관련 단백질,61,62 형질 전환 성장 인자 β(TGF-β),63 단백질 날개 없는 형태 발생 인자, Wnt 단백질 및 Wnt 신호 길항제에 의해 직접 조절됩니다.64,65 이러한 형태 형성 과정 중 일부는 상호 작용 피드백 루프를 형성하는데, 여기에는 BMP와 Wnt 신호 단백질의 핵심 조절,66,67 PTH 또는 PTH 관련 단백질67 및 FGF-2,69 그리고 PTH 관련 단백질과 Wnt 단백질이 포함됩니다.67-70 또한 이러한 요인 중 일부는 골격 치유 중에 다른 세포 및 조직 유형 간의 상호 작용을 조절합니다. 따라서 치료 약물이 골절의 치유 지연 또는 불유합 치료에 적용되기 전에 골격 기관(혈관, 골격 및 조혈)의 여러 조직의 시간적 및 공간적 상호 작용을 조정하는 방법을 이해해야 합니다.

Therapy

Several strategies have been developed to clinically enhance fracture healing. In general, fracture healing can be enhanced by either biophysical or biological means. With regard to biophysical enhancement, substantial research has been conducted on the use of electromagnetic fields and low-intensity pulsed ultrasonography. In the case of biological enhancement, strategies can be subdivided into local and systemic. Although a multitude of methods, materials and factors have been studied, this Review focuses on those strategies that have undergone rigorous scientific testing in preclinical animal studies as well as clinical trials or case series. A summary of experimentally tested approaches to promote fracture healing is presented in Box 1.

치료
골절 치유를 임상적으로 향상시키기 위한 몇 가지 전략이 개발되었습니다. 일반적으로 골절 치유는 생물물리학적 또는 생물학적 수단을 통해 향상시킬 수 있습니다. 생물물리학적 강화와 관련하여 전자기장과 저강도 펄스 초음파의 사용에 대한 상당한 연구가 수행되었습니다. 생물학적 강화의 경우 전략은 국소 및 전신으로 세분화할 수 있습니다. 다양한 방법, 재료 및 요인이 연구되었지만 이 리뷰에서는 전임상 동물 연구와 임상 시험 또는 사례 시리즈에서 엄격한 과학적 테스트를 거친 전략에 중점을 둡니다. 골절 치유를 촉진하기 위해 실험적으로 검증된 접근법에 대한 요약은 박스 1에 제시되어 있습니다.

Biophysical enhancement

Electromagnetic fields have been investigated as a means of skeletal repair for more than 60 years.71 Primarily applied to the treatment of nonunited fractures,72 they have had up to 80% success rates in clinical studies.73,74 In one study that demonstrated success in the treatment of delayed union, however, the effects of the electromagnetic field on fresh fractures were unclear.75 In a meta-analysis of randomized controlled trials by Mollon et al.,76 2,546 citations were reviewed, 11 articles met the inclusion criteria: criteria were the use of a random allocation of treatments; inclusion of patients presenting with a long-bone lesion; a treatment arm receiving electromagnetism of any wave- form to affect bone-healing; a treatment arm receiving no active intervention; and report of the effect of electromagnetic stimulation on direct bone-healing. Evidence from four trials reporting on delayed or nonunited fractures demonstrated an overall nonsignificant pooled relative risk of 1.76 (95% CI, 0.8–3.8; P = 0.15; I= 60%) in favour of electromagnetic stimulation. The authors concluded that although the pooled analysis did not show a significant effect of electromagnetic stimulation on delayed unions or nonunited long-bone fractures, the methodological limitations and heterogeneity of studies creates uncertainty as to this conclusion.

Low-intensity pulsed ultrasonography has also been studied in clinical settings, including in patients with long- bone fractures of the upper and lower extremities,77,78 in patients having osteotomies, and in smokers with fractures (smoking is a negative risk factor for fracture healing). A meta-analysis of randomized controlled trials identified 13 reports, of which five investigated outcomes relevant to fracture healing.79 These five studies used conservative nonoperative approaches. Two of the studies were of moderate quality, one of which reported improved functional recovery after treatment of clavicle fracture, and the other reported no improvement in functional recovery after treatment of stress fractures; the other three trials were low quality and reported improved functional recovery after nonoperative treatment of long-bone fractures. Quality assessment was based on grades of recommendation according to Wright et al.80 The investigators concluded, and we agree with their assessment, that the effect of low-intensity pulsed ultrasonography on the healing of fractures is moderate to very low in quality and the data are conflicting.79

생체 물리학 향상

전자기장은 60년 이상 골격 수복 수단으로 연구되어 왔습니다.71 주로 불유합 골절 치료에 적용되었으며,72 임상 연구에서 최대 80%의 성공률을 보였습니다.73,74 그러나 지연 유합 치료에 성공했다는 한 연구에서는 전자기장이 신생 골절에 미치는 영향은 불분명했습니다.75 Mollon 등의 무작위 대조 시험 메타 분석에서,76 2,546개의 인용 문헌을 검토한 결과, 11개의 논문이 포함 기준을 충족했습니다: 기준은 무작위 배정 치료법 사용, 긴 뼈 병변이 있는 환자 포함, 뼈 치유에 영향을 주는 모든 파형의 전자기장을 받은 치료군, 적극적인 개입을 받지 않은 치료군, 전자기 자극이 직접적인 뼈 치유에 미치는 영향에 대한 보고 등이었습니다. 지연 골절 또는 비유합 골절에 대해 보고된 4건의 임상시험의 증거에 따르면 전자기 자극에 유리한 전체 풀링 상대 위험은 1.76(95% CI, 0.8-3.8; P = 0.15; I= 60%)으로 유의미하지 않은 것으로 나타났습니다. 저자는 풀링 분석에서 전자기 자극이 지연된 유합 또는 비유합 장골 골절에 유의미한 영향을 미치지 않았지만, 방법론적 한계와 연구의 이질성으로 인해 이러한 결론에 대한 불확실성이 있다고 결론지었습니다.

저강도 펄스 초음파 검사는 상지 및 하지의 장골 골절 환자,77,78 절골술을 받은 환자, 골절이 있는 흡연자(흡연은 골절 치유에 부정적인 위험 요인)를 포함한 임상 환경에서도 연구되었습니다. 무작위 대조 시험에 대한 메타 분석 결과 13건의 보고서가 확인되었으며, 이 중 5건은 골절 치유와 관련된 결과를 조사했습니다.79 이 5건의 연구는 보존적 비수술적 접근법을 사용했습니다. 이 중 2건은 중간 수준의 연구로 쇄골 골절 치료 후 기능 회복이 개선되었다고 보고했고, 다른 1건은 스트레스 골절 치료 후 기능 회복이 개선되지 않았다고 보고했으며, 나머지 3건은 질이 낮았으며 장골 골절의 비수술적 치료 후 기능 회복이 개선되었다고 보고했습니다. 질 평가는 Wright 등에 따른 권고 등급을 기준으로 이루어졌습니다.80 연구자들은 저강도 펄스 초음파 검사가 골절 치유에 미치는 영향은 중간에서 매우 낮으며 데이터는 상충된다는 결론을 내렸고, 저희도 그 평가에 동의합니다.79

Local biological enhancement

Local strategies for the repair and regeneration of bone include the use of osteogenic materials, including autologous bone marrow, peptide signalling molecules (FGF-2 and platelet-derived growth factors [PDGFs]) and morphogenetic factors (BMPs and Wnt proteins). Although many other metabolites and proteins have been investigated, those discussed in this article are, we believe, the most extensively studied and have the great- est potential to be therapeutically targeted to enhance skeletal repair.

국소 생물학적 강화
뼈의 회복과 재생을 위한 국소적 전략에는 자가 골수, 펩타이드 신호 분자(FGF-2 및 혈소판 유래 성장 인자[PDGF]), 형태 형성 인자(BMP 및 Wnt 단백질)를 포함한 골 형성 물질의 사용이 포함됩니다. 다른 많은 대사산물과 단백질이 조사되었지만, 이 글에서 논의된 것들이 가장 광범위하게 연구되었으며 골격 회복을 향상시키기 위한 치료적 표적이 될 가능성이 가장 큰 것으로 생각됩니다.

Bone marrow grafting

The field of biotechnology continues to investigate and develop new molecules for skeletal repair, such as the safe and effective method of percutaneous autologous bone-marrow grafting for the treatment of atrophic tibial diaphysis nonunions. In a prospective case series, Hernigou et al.81 used this method to treat 60 patients with uninfected aseptic nonunions. Patients underwent bone-marrow aspiration from both iliac crests. Samples were concentrated on a cell separator and then injected into the nonunion, resulting in fracture unions in 53 of the 60 patients. In vitro cellular analysis of aliquots taken prior to injection showed positive correlations between the number of colony-forming units detected and the volume of mineralized callus at 4 months. The seven patients with nonunited fractures also had fewer colony-forming units in their grafts than those patients whose fractures united. These results suggest that autologous bone marrow might be an effective material for the enhancement of skeletal repair, and that the quality of the harvesting technique and cell preparation might affect the efficacy of the graft.

골수 이식

생명공학 분야에서는 위축성 경골 골단 불유합 치료를 위한 안전하고 효과적인 경피적 자가 골수 이식 방법과 같은 골격 복구를 위한 새로운 분자를 지속적으로 연구하고 개발하고 있습니다. 전향적 사례 시리즈에서 Hernigou등81은 이 방법을 사용하여 감염되지 않은 무균성 불유합 환자 60명을 치료했습니다. 환자들은 양쪽 장골에서 골수 흡인술을 받았습니다. 샘플을 세포 분리기에 농축한 다음 불유합 부위에 주입한 결과 60명의 환자 중 53명에서 골절 유합이 이루어졌습니다. 주사 전 채취한 시료의 체외 세포 분석 결과, 4개월 후 검출된 콜로니 형성 단위의 수와 미네랄화된 캘러스 부피 사이에 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 또한 골절이 유합되지 않은 7명의 환자들은 골절이 유합된 환자들보다 이식편에서 더 적은 수의 콜로니 형성 단위가 발견되었습니다. 이러한 결과는 자가 골수가 골격 회복을 향상시키는 데 효과적인 재료가 될 수 있으며, 채취 기술과 세포 준비의 품질이 이식재의 효능에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다.

FGF-2

Kawaguchi et al.82 investigated the use of recombinant human FGF-2 to enhance tibial-shaft fracture healing. 70 patients with a transverse or short-oblique fracture of the tibial shaft were randomized to one of three groups and were assessed for 24 weeks. Patients in each group were injected, into their fracture, with a placebo (gelatin hydro- gel), or with a low dose (0.8 mg) or high dose (2.4 mg) of FGF-2 hydrogel. The cumulative percentages of patients with radiographically proven fracture union were higher in the FGF-2-treated groups than in the placebo-treated group, and no differences between the high-dose and low- dose FGF-2 groups were reported. None of the patients underwent a secondary intervention, and no differences in the number or type of adverse events were detected between the three groups.

FGF-2

가와구치등82은 경골 골절 치유를 향상시키기 위해 재조합 인간 FGF-2의 사용을 조사했습니다. 경골 축의 가로 또는 짧은 비스듬한 골절 환자 70명을 세 그룹 중 하나로 무작위 배정하여 24주 동안 평가했습니다. 각 그룹의 환자들은 위약(젤라틴 하이드로겔) 또는 저용량(0.8mg) 또는 고용량(2.4mg)의 FGF-2 하이드로겔을 골절 부위에 주사했습니다. 방사선 사진으로 골절 유합이 입증된 환자의 누적 비율은 위약 치료 그룹보다 FGF-2 치료 그룹에서 더 높았으며, 고용량과 저용량 FGF-2 그룹 간에는 차이가 없는 것으로 보고되었습니다. 이차적 개입을 받은 환자는 없었으며 세 그룹 간에 부작용의 수나 유형에 차이가 발견되지 않았습니다.

PDGF

Another peptide signalling molecule that has been extensively studied for the enhancement of skeletal repair is recombinant human homodimeric PDGF subunit B (PDGF-BB). DiGiovanni et al.83 enrolled 434 (with 397 completing the study) patients in a prospective rand- omized controlled (2:1) noninferiority trial of patients requiring hind foot or ankle arthrodesis. The investigators tested the hypothesis that PDGF-BB, combined with a β-tricalcium phosphate matrix (n = 260; 394 joints), would be safe and effective as an alternative to the current standard of care, an autologous bone graft from the iliac crest (n = 137; 203 joints). CT showed that bones from 159 patients (262 joints) in the PDGF group and 85 (127 joints) in the autograft group were fused at 6 months. The PDGF group had less pain and an improved safety profile. The investigators concluded that, in patients requiring hindfoot or ankle arthrodesis, treatment with PDGF has similar fusion rates, less pain and fewer adverse effects in comparison with autografting.

PDGF

골격 회복을 향상시키기 위해 광범위하게 연구된 또 다른 펩타이드 신호 분자로는 재조합 인간 동형 이합체 PDGF 서브유닛 B(PDGF-BB)가 있습니다. DiGiovanni 등.83은 뒷발 또는 발목 관절염 환자를 대상으로 한 전향적 무작위 대조군(2:1) 비열등성 시험에 434명(397명이 연구를 완료)의 환자를 등록했습니다. 연구자들은 β-트리칼슘 인산염 매트릭스(n = 260; 394개 관절)와 결합된 PDGF-BB가 현재 표준 치료인 장골의 자가 골 이식(n = 137; 203개 관절)의 대안으로 안전하고 효과적일 것이라는 가설을 테스트했습니다. CT 결과, 6개월 후 PDGF 그룹 159명(262개 관절)과 자가 이식 그룹 85명(127개 관절)의 뼈가 융합된 것으로 나타났습니다. PDGF 그룹은 통증이 적고 안전성 프로파일이 개선되었습니다. 연구진은 뒷발 또는 발목 관절염이 필요한 환자에서 PDGF 치료가 자가 이식과 비교하여 유합률이 비슷하고 통증이 적으며 부작용이 적다는 결론을 내렸습니다.

BMPs

BMPs are possibly the most extensively investigated candidates for the enhancement of skeletal repair, particularly recombinant human BMP-2 and BMP-7. Although these therapies were developed for similar purposes, their testing and regulation by the FDA has been different. Friedlaender et al.84 selected recombinant human BMP-7 to treat tibial nonunions in a prospective randomized con- trolled trial of 124 patients. All nonunions were at least 9 months old with no improvement in the 3 months prior to each patient enrolling in the study. 63 patients were treated with a statically locked intramedullary nail plus BMP-7 with type I collagen as a carrier. The 61 individuals in the control group were treated with an autologous bone graft. At 9 months, 81% and 75% of the BMP-7-treated patients and 85% and 85% of the autologous bone-graft- treated patients were `healed' (P = 0.524), as judged by lack of pain at the fracture site and radiographic assessment, respectively. Although the investigators concluded that BMP-7 treatment for tibial nonunion is safe and effective, the data showed no improvement compared with autologous bone grafting; therefore, the FDA did not provide premarket approval for this `device'. Composite recombinant human BMPs with their delivery vehicles, such as a type I collagen carrier, are regulated as a device. Instead, a `humanitarian device exemption' was issued,85 allowing a limited distribution to 4,000 patients per year. As part of this agreement, the institutions where the surgeries are performed must have an institutional review board to monitor use of the device.

A different clinical setting was selected for the study of recombinant human BMP-2; a prospective randomized controlled trial of open tibial-shaft fractures was con- ducted in which patients (n = 450) received initial irrigation and debridement by the surgeon as well as a statically locked intramedullary nail (standard of care) or standard of care plus, at the time of wound closure, either 0.75mg/kg or 1.50 mg/kg BMP-2 embedded in a type I collagen sponge.86 After 12 months, the risk of secondary interventions was reduced by 44% in the group treated with the high dose of BMP-2 compared with standard of care alone (P = 0.005). 58% of the BMP-2 group was `healed', as determined by radiographic evidence and lack of pain at the fracture site, compared with 38% of the group treated by usual care (P = 0.001). Compared with usual care, those patients treated with the high dose of BMP-2 had fewer failures of the nail, fewer infections and faster wound-healing. The FDA granted premarket approval for recombinant human BMP-2,85 and this treatment is now available in several countries for the treatment of fresh, open tibial fractures.

Since the FDA-approval of BMP therapy, several investigations have re-examined their clinical use and reported sobering results. In a double-blind, randomized, controlled phase II–III trial, the efficacy and safety of recombinant human BMP-2 for the treatment of closed tibial diaphysial fractures was studied in comparison with the standard of care alone.87 Co-primary endpoints of the study were the time to fracture union and the time to return to normal function. However, the study was terminated after 6 months when an interim analysis of the results from 180 patients revealed no shortening in the time to fracture union in the active groups of the study compared with standard of care. The median time to pain-free, full-weight bearing was also not substantially different between groups. The investigators concluded that the times to fracture union and full-weight bearing in patients with closed fractures treated with intra- medullary nail fixation were not substantially reduced by BMP-2 treatment. In a related study, the healing of open tibial fractures treated with intramedullary nail fixation was not substantially accelerated by the addition of an absorbable type I collagen sponge containing BMP-2.88

Although the focus of this article is fracture healing, as opposed to spinal arthrodesis, the findings of the Yale Open Data Access (YODA) project89 should be mentioned because they affect the use of BMP-2 in the field of musculoskeletal care. By performing a safety and effectiveness study of recombinant human BMP-2 for spinal fusion, a meta-analysis of individual participant data showed no evidence of clinically meaningful differences between treatment with BMP-2 and an iliac crest bone- graft. BMP-2 had similar complication rates to iliac bone grafting, but had higher rates during off-label procedures. The risk of cancer, for example, was slightly higher with the use of BMP-2 (relative risk 1.98; 95% CI 0.86–4.54). Both recombinant human BMP-2 and BMP-7 are available under various regulatory conditions, but the development of safer and more effective materials is an important goal.

BMP

BMP는 골격 회복을 향상시키기 위해 가장 광범위하게 연구된 후보 물질이며, 특히 재조합 인간 BMP-2와 BMP-7이 가장 많이 연구되고 있습니다. 이러한 치료법은 비슷한 목적으로 개발되었지만 FDA의 테스트 및 규제는 서로 다릅니다. Friedlaender등84은 124명의 환자를 대상으로 한 전향적 무작위 대조군 시험에서 경골 불유합 치료를 위해 재조합 인간 BMP-7을 선택했습니다. 모든 불유합 환자는 임상시험에 등록하기 전 3개월 동안 호전되지 않은 채로 최소 9개월 이상 경과한 상태였습니다. 63명의 환자는 정적으로 고정된 골수강 내 손톱과 제1형 콜라겐을 운반체로 하는 BMP-7로 치료받았습니다. 대조군 61명은 자가 골 이식을 받았습니다. 9개월 후, 골절 부위의 통증이 없고 방사선학적 평가에서 각각 81%와 75%, 자가 골이식 치료 환자의 85%와 85%가 '치유'(P = 0.524)된 것으로 판정되었습니다. 연구자들은 경골 불유합에 대한 BMP-7 치료가 안전하고 효과적이라는 결론을 내렸지만 데이터는 자가 골 이식과 비교하여 개선되지 않았기 때문에 FDA는이 '장치'에 대한 시판 전 승인을 제공하지 않았습니다. 제1형 콜라겐 운반체와 같은 전달체를 포함하는 복합 재조합 인간 BMP는 장치로 규제됩니다. 대신 '인도주의적 장치 면제'가발급되어85 연간 4,000 명의 환자에게 제한적으로 배포 할 수 있습니다. 이 계약의 일환으로 수술을 시행하는 기관에는 기기 사용을 모니터링하는 기관 검토 위원회가 있어야 합니다.

재조합 인간 BMP-2의 연구를 위해 다른 임상 환경이 선택되었습니다. 개방 경골 축 골절에 대한 전향적 무작위 대조 시험에서 환자(n = 450)는 외과의에 의해 초기 세척 및 박리술과 함께 정적으로 고정된 골수 내 못(표준 치료) 또는 표준 치료에 더해 상처 봉합 시점에 1형 콜라겐 스펀지에 내장된 0.75mg/kg 또는 1.50mg/kg BMP-2를 투여받았습니다.86 12개월 후, 표준 치료만 받은 그룹에 비해 고용량 BMP-2로 치료한 그룹에서 2차 개입의 위험이 44% 감소했습니다(P = 0.005). 방사선학적 증거와 골절 부위의 통증이 없는 것으로 판단되는 '치유' 상태는 BMP-2 치료 그룹의 58%로, 일반적인 치료로 치료한 그룹의 38%에 비해 더 높았습니다(P = 0.001). 일반적인 치료와 비교했을 때 고용량의 BMP-2로 치료받은 환자들은 손발톱의 실패가 적고 감염이 적었으며 상처 치유가 더 빨랐습니다. FDA는 재조합 인간 BMP-2에 대한 시판 전 승인을 승인했으며,85 현재 여러 국가에서 개방성 경골 골절의 치료를 위해 이 치료법을 사용할 수 있습니다.

FDA가 BMP 치료법을 승인한 이후 여러 연구에서 임상적 사용을 재검토하여 냉정한 결과를 보고했습니다. 이중맹검, 무작위 배정, 대조군 II-III상 임상시험에서는 폐쇄성 경골 경골 골절 치료를 위한 재조합 인간 BMP-2의 효능과 안전성을 표준 치료 단독과 비교하여 연구했습니다.87 연구의 공동 1차 평가변수는 골절 유합까지의 시간과 정상 기능으로 복귀하는 시간이었습니다. 그러나 180명의 환자 결과를 중간 분석한 결과, 표준 치료와 비교했을 때 적극적인 치료 그룹에서 골절 유합까지의 시간이 단축되지 않아 6개월 후에 연구가 종료되었습니다. 통증 없이 최대 체중을 지탱하는 데 걸리는 시간의 중앙값도 두 그룹 간에 큰 차이가 없었습니다. 연구진은 골수강 내 골절 고정술로 치료받은 폐쇄성 골절 환자의 골절 유합 및 최대 체중 지지까지의 시간이 BMP-2 치료로 인해 크게 단축되지 않았다고 결론지었습니다. 관련 연구에서 골수강 내 못 고정으로 치료한 개방성 경골 골절의 치유는 BMP-2.88을 함유한 흡수성 제1형 콜라겐 스펀지를 추가해도 크게 가속화되지 않았습니다.

이 글의 초점은 척추 관절염이 아닌 골절 치유에 있지만, 근골격계 치료 분야에서 BMP-2의 사용에 영향을 미치기 때문에 예일 오픈 데이터 액세스(YODA) 프로젝트89의 결과도 언급해야 합니다. 척추 유합술을 위한 재조합 인간 BMP-2의 안전성 및 유효성 연구를 수행하여 개별 참여자 데이터를 메타분석한 결과, BMP-2 치료와 장골 골 이식 사이에 임상적으로 의미 있는 차이가 없다는 증거가 발견되지 않았습니다. BMP-2는 장골 이식술과 합병증 발생률이 비슷했지만, 오프 라벨 시술 시에는 더 높은 비율을 보였습니다. 예를 들어 암 발생 위험은 BMP-2를 사용할 때 약간 더 높았습니다(상대 위험도 1.98; 95% CI 0.86-4.54). 재조합 인간 BMP-2와 BMP-7 모두 다양한 규제 조건 하에서 사용할 수 있지만, 더 안전하고 효과적인 재료를 개발하는 것이 중요한 목표입니다.

Systemic biological enhancement

In the future, hopefully, a patient with a bone fracture will be treated with an injection or pill that would enhance, accelerate or otherwise augment skeletal healing as an adjunct to surgical treatment. Several strategies might achieve this goal. Candidate therapies include the use of PTH or humanized monoclonal anti-sclerostin or anti-Dickkopf-related protein 1 antibodies. The cross-talk of these therapies with the BMP pathway, their function in endochondral bone formation and intramembranous bone formation, and their production during coupled remodelling are presented in Figure 3.65 In addition, the common observation that patients with a sustained head or spinal cord injury can have enhanced skeletal healing suggests that a circulating factor, or perhaps a unique neurological mechanism, could be induced to enhance bone repair.

전신 생물학적 강화

미래에는 골절 환자가 수술적 치료의 보조제로 골격 치유를 강화, 촉진 또는 증강하는 주사나 알약으로 치료를 받을 수 있기를 바랍니다. 몇 가지 전략으로 이 목표를 달성할 수 있습니다. 후보 치료법에는 PTH 또는 인간화 단일 클론 항-클레로스틴 또는 항-딕코프 관련 단백질 1 항체의 사용이 포함됩니다. 이러한 치료법과 BMP 경로의 교차 작용, 연골 내 골 형성 및 골막 내 골 형성에서의 기능, 결합된 리모델링 중 생성은 그림 3에 나와 있습니다 .65 또한 지속적인 두부 또는 척수 손상 환자는 골격 치유가 향상될 수 있다는 일반적인 관찰은 순환 인자 또는 아마도 독특한 신경학적 메커니즘이 뼈 회복을 강화하도록 유도할 수 있음을 시사합니다.

Figure 3.

Crosstalk between Wnt, PTH and BMP signalling in cartilage and bone cell lineages. Wnt ligands mediate canonical signalling through β-catenin and BMP signalling can be mediated by SMAD1, SMAD3 and SMAD5. The LRP5 and LRP6 antagonists sclerostin and DKK1 are a central focus of targeted antibody-based therapeutics. The primary stages in the lineage progression of cartilage and bone cells as they differentiate from skeletogenic stem cells are depicted. Major stimulatory and inhibitory effects on the differentiation and proliferation of the two lineages are denoted. Primary effects of the BMP, PTH and Wnt pathway on osteoclast differentiation are indirectly mediated by differing pathway activities that regulate paracrine factor expression‎ in osteocytes, which in turn regulate osteoclast differentiation and function.

연골 및 뼈 세포 계통에서 Wnt, PTH 및 BMP 신호 간의 누화. Wnt 리간드는 β-카테닌을 통해 정식 신호를 매개하고 BMP 신호는 SMAD1, SMAD3 및 SMAD5에 의해 매개될 수 있습니다. LRP5 및 LRP6 길항제인 클레로스틴과 DKK1은 표적 항체 기반 치료제의 중심이 되고 있습니다. 연골 및 뼈 세포가 골형성 줄기세포로부터 분화할 때의 계통 진행의 주요 단계가 묘사되어 있습니다. 두 계통의 분화 및 증식에 대한 주요 자극 및 억제 효과가 표시되어 있습니다. 파골세포 분화에 대한 BMP, PTH 및 Wnt 경로의 주요 효과는 파골세포에서 파라크린 인자 발현을 조절하는 다양한 경로 활동을 통해 간접적으로 매개되며, 이는 다시 파골세포 분화 및 기능을 조절합니다.

Abbreviations: BMP, bone morphogenetic protein; BMPR, bone morphogenetic protein receptor; DKK1, Dickkopf-related protein 1; LRP, LDL receptor-related protein; MSC, mesenchymal stem cell; PTH, parathyroid hormone; PTH1R, parathyroid hormone 1 receptor; PTHrP, parathyroid-hormone-related protein; RANKL, receptor activator of nuclear factor κB ligand; SMAD, mothers against decapentaplegic homologue.

Parathyroid hormone

PTH is a naturally occurring hormone that modulates mineral homeostasis and has been developed as a drug for the treatment of osteoporosis. The enhancement of fracture healing using both the active-site portion of the molecule (amino acids 1–34, also known as teriparatide) and the full-length molecule (amino acids 1–84) have been studied. Alkhiary et al.70 investigated standard closed diaphysial femoral fractures in 270 male Sprague Dawley rats administered a daily (up to 35 days) subcutaneous injection of vehicle or of 5 μg/kg or 30 μg/kg PTH (1–34). By 21 days, calluses from the group treated with 30 μg of PTH (1–34) had significant (P <0.05) increases in torsional strength, stiffness, bone mineral content, bone mineral density and cartilage volume, compared with controls. No changes in osteoclast density were detected, suggesting that treatment with PTH (1–34) enhanced bone formation, but did not induce bone resorption. The investigators concluded that daily systemic administration of PTH (1–34) produces a sustained anabolic effect throughout the bone-modelling phase of fracture healing. These data support a clinical trial in which postmenopausal women with a distal radius fracture requiring closed reduction and immobilization, but not surgery, were randomly assigned to 8 weeks of once-daily injections of placebo, or of 20 μg or 40 μg PTH (1–34) within 10 days of fracture (n = 34 in each group).90 The estimated median time from fracture to first radiographic evidence of complete cortical bridging in three of four cortices was 9.1, 7.4, and 8.8 weeks in the three groups, respectively (overall P = 0.015). Statistically significant differences between the two doses of PTH (1–34) were not found, but the time to healing was shorter in the 20 μg PTH (1–34) group than in the placebo group (P = 0.006). The investigators concluded that fracture repair can be accelerated by 20 μg PTH (1–34), but that these results warrant further study. In a prospective randomized controlled study to eval‎uate the effects of PTH (1–84) on pelvic fracture healing and functional outcome in postmenopausal women, 65 patients had radiographic and CT examination of pelvic fractures.91 21 patients were treated with a once- daily injection of 100 μg of PTH (1–84), beginning 2 days after admission to hospital, and the other 44 patients were injected with saline. All patients were treated with 1,000 mg of calcium and 800 IU of vitamin D. CT was repeated at 4-week increments until radiographic evi- dence of cortical bridging at the fracture site was visible. The results showed a mean time to fracture healing of 7.8 weeks for the PTH (1–84) group compared with 12.6 weeks for the control group (P <0.001). The investigators concluded that, in postmenopausal patients with osteoporosis, the PTH (1–84) fragment accelerates pelvic fracture healing, and improves the functional outcome assessed with a visual analogue scale for pain and a `timed up and go' test.91

부갑상선 호르몬

PTH는 미네랄 항상성을 조절하는 자연 발생 호르몬으로 골다공증 치료제로 개발되었습니다. 분자의 활성 부위 부분(아미노산 1-34, 테리파라타이드라고도 함)과 전장 분자(아미노산 1-84)를 모두 사용하여 골절 치유를 향상시키는 것이 연구되었습니다. Alkhiary 등.70은 270마리의 수컷 Sprague Dawley 쥐를 대상으로 매일(최대 35일) 피하 주사 또는 5μg/kg 또는 30μg/kg PTH(1-34)를 투여한 표준 폐쇄성 대퇴골 골절을 조사했습니다. 21일이 지나자 30μg의 PTH(1-34)를 투여한 그룹의 굳은살은 대조군에 비해 비틀림 강도, 강성, 골 무기질 함량, 골밀도 및 연골 부피가 유의미하게(P <0.05) 증가했습니다. 파골세포 밀도에는 변화가 발견되지 않아, PTH(1-34) 치료가 골 형성을 강화했지만 골 흡수를 유도하지는 않았음을 시사합니다. 연구진은 PTH(1-34)를 매일 전신 투여하면 골절 치유 단계 전반에 걸쳐 지속적인 동화 작용을 일으킨다는 결론을 내렸습니다. 이러한 데이터는 폐경 후 원위 요골 골절로 폐쇄 정복 및 고정이 필요하지만 수술이 필요하지 않은 폐경 여성을 대상으로 골절 후 10일 이내에 위약 또는 20μg 또는 40μg PTH(1-34)를 8주간 1일 1회 주사하도록 무작위로 배정하는 임상시험을 뒷받침합니다(각 그룹에 n = 34명). 90 골절 후 4개 피질 중 3개 피질에서 완전한 피질 연결의 첫 방사선학적 증거가 나타날 때까지의 추정 중앙값은 세 그룹에서 각각 9.1주, 7.4주, 8.8주였습니다(전체 P = 0.015). 두 용량(1-34)의 PTH 간에 통계적으로 유의미한 차이는 발견되지 않았지만, 20μg PTH(1-34) 그룹이 위약 그룹보다 치유까지의 시간이 더 짧았습니다(P = 0.006). 연구진은 골절 회복이 20μg PTH(1-34)로 가속화될 수 있지만 이러한 결과는 추가 연구가 필요하다는 결론을 내렸습니다. 폐경 후 여성의 골반 골절 치유 및 기능적 결과에 대한 PTH(1-84)의 효과를 평가하기 위한 전향적 무작위 대조 연구에서 65명의 환자가 골반 골절로 방사선 및 CT 검사를 받았습니다.91 21명의 환자는 병원 입원 2일 후부터 100 μg의 PTH(1-84)를 1일 1회 주사하고 나머지 44명의 환자는 식염수를 주사했습니다. 모든 환자에게는 칼슘 1,000mg과 비타민 D 800IU를 투여하고 골절 부위의 피질 연결이 방사선 사진으로 나타날 때까지 4주 간격으로 CT를 반복했습니다. 그 결과, 골절 치유까지 걸린 평균 시간은 대조군의 12.6주에 비해 PTH(1-84) 그룹의 경우 7.8주로 나타났습니다(P <0.001). 연구진은 폐경 후 골다공증 환자에서 PTH (1-84) 조각이 골반 골절 치유를 가속화하고 통증에 대한 시각적 아날로그 척도 및 '시간 경과' 테스트를 통해 평가한 기능적 결과를 개선한다는 결론을 내렸습니다.91

The Wnt family

The Wnt family of signalling molecules is only now beginning to be the focus of studies to enhance skeletal healing. Wnt proteins are a family of secreted proteins that regulate diverse developmental processes. Activation of Wnt signalling blocks preadipocyte differentiation and stimulates osteoblastogenesis. Data show that some Wnts, such as protein Wnt10b, shift cells towards the osteoblastic lineage by induction of the transcription factors runt-related transcription factor 2 (RUNX2), homeobox protein DLX5 and transcription factor Sp7 (also known as osterix), and also by suppression of adipogenic transcription factors.92

LDL receptor-related proteins are a family of cell- surface receptors involved in diverse biological processes, including lipid metabolism, retinoid uptake and neu- ronal migration. LDL receptor-related protein 5 (LRP5) is required for signalling of genes in the Wnt family by acting as a co-receptor. Activation of Wnt signalling in osteoblasts normally stimulates bone formation, and antagonism of Wnt signalling by secreted proteins from the Dickkopf family prevents formation of the active complex of LRP5 and thus modulates bone mass. Loss- of-function mutations in LRP5 also impair activation of Wnt signalling and reduce bone mass; LRP5 Gly171Val impairs the ability of Dickkopf-related proteins to antag- onize the Wnt pathway, and unopposed Wnt signalling leads to increased bone mass (Figure 3).93 Sclerostin, the SOST gene product expressed exclusively by osteocytes, inhibits LRP5 and thus inhibits the Wnt signalling pathway.94–96 Indeed, the sclerosing bone dysplasias van Buchem disease (also known as hyperostosis corticalis generalisata familiaris) and sclerosteosis are characterized by thick skulls, square jaws and finger abnormali- ties, and are associated with loss-of-function mutations in SOST.94,95 Several studies have demonstrated that anti-sclerostin antibody treatment enhances metaphysial bone-healing in rats97 and enhances proximal tibial defect healing in ovariectomized rats.97 Increased serum levels of sclerostin during human fracture healing have also been detected.98 Furthermore, a study of postmenopausal women with osteoporosis, although not a definitive clinical trial of fracture treatment, has shown that anti- sclerostin antibody (romosozumab) therapy can increase bone mineral density and bone formation.99 These studies suggest that members of the Wnt signalling pathway, and sclerostin in particular, might be therapeutic targets for the enhancement of skeletal repair.

Wnt 계열

Wnt 신호 분자군은 이제 막 골격 치유를 향상시키기 위한 연구의 초점이 되기 시작했습니다. Wnt 단백질은 다양한 발달 과정을 조절하는 분비 단백질 계열입니다. Wnt 신호의 활성화는 전지방세포 분화를 차단하고 조골세포 형성을 자극합니다. 데이터에 따르면 단백질 Wnt10b와 같은 일부 Wnt는 전사인자 런트 관련 전사인자 2(RUNX2), 호모박스 단백질 DLX5 및 전사인자 Sp7(오스테릭스라고도 함)을 유도하고 지방 형성 전사인자를 억제함으로써 세포를 조골세포 계통으로 이동시킵니다.92

LDL 수용체 관련 단백질은 지질 대사, 레티노이드 흡수 및 신경 세포 이동을 포함한 다양한 생물학적 과정에 관여하는 세포 표면 수용체 계열입니다. LDL 수용체 관련 단백질 5(LRP5)는 공동 수용체로 작용하여 Wnt 계열의 유전자 신호 전달에 필요합니다. 조골세포에서 Wnt 신호의 활성화는 일반적으로 뼈 형성을 자극하며, 딕코프 계열의 분비 단백질에 의한 Wnt 신호의 길항작용은 LRP5의 활성 복합체 형성을 방지하여 골량을 조절합니다. LRP5의 기능 상실 돌연변이도 Wnt 신호의 활성화를 저해하고 골량을 감소시키며, LRP5 Gly171Val은 Dickkopf 관련 단백질이 Wnt 경로를 길항하는 능력을 손상시키고 Wnt 신호가 반대되지 않으면 골량이 증가합니다(그림 3).93 조골세포에서만 발현되는 SOST 유전자 산물인 Sclerostin은 LRP5를 억제하여 Wnt 신호 경로를 억제합니다.94 -96 실제로, 경화성 골 이형성증 반 부켐병(대뇌피질 골다공증이라고도 함) 및 경화증은 두꺼운 두개골, 사각턱 및 손가락 이상이 특징이며, SOST의 기능 상실 돌연변이와 관련이 있습니다.94,95 여러 연구에서 항-스클로로스틴 항체 치료가 쥐의 형이상학적 골 치유를 향상시키고97 난소 절제된 쥐의 근위 경골 결손 치유를 향상시킨다는 사실이 입증되었습니다.97 인간의 골절 치유 중 혈청 수준의 증가도 감지되었습니다.98 또한, 골다공증이 있는 폐경 후 여성을 대상으로 한 연구에서는 골절 치료에 대한 명확한 임상 시험은 아니지만 항 스클로로스틴 항체(로모소주맙) 치료가 골밀도 및 골 형성을 증가시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.99 이러한 연구는 Wnt 신호 경로의 구성원, 특히 스클로로스틴이 골격 회복 강화를 위한 치료 표적이 될 수 있음을 시사합니다.

Recovery of biological and physical function

Skeletal healing is defined functionally by the recovery of weight-bearing by fractured bone, and is dependent on structural and material features of the tissue. Because aspects of tissue structure and material properties of the tissue are variably affected by multiple biological processes, and each of these processes will be affected uniquely by a given therapy, each therapy will facilitate this recovery of function through differing processes. Therapeutics for fracture healing should therefore be developed and administered according to the biological processes they modify, how these actions affect tissue material composition and structure, and the relationships between composition and structure to the recovery of mechanical function. The use of specific therapeutics in a situation in which healing has been compromised should also be considered in the context of how comorbidties can affect different biological processes and impede healing. Importantly, some therapeutics can affect fracture healing by their actions on multiple biological processes. Therefore, when considering the use of a therapeutic one should consider which biological process would be compromised by a given comorbidity and which therapeutic might best modify the compromised state. Additionally, timing the use of a therapeutic to have its maximal effect on a specific biological process is important to improve the progression of healing. Two examples are presented to demonstrate these relationships and Table 1 summarizes how various therapeutics facilitates the recovery of function in comparison with their biological effects.

생물학적 및 신체적 기능 회복

골격 치유는 골절된 뼈의 체중 지지력 회복으로 기능적으로 정의되며, 조직의 구조적 및 물질적 특징에 따라 달라집니다. 조직의 구조와 물질적 특성은 다양한 생물학적 과정에 의해 가변적으로 영향을 받으며, 이러한 각 과정은 주어진 치료법에 따라 고유하게 영향을 받기 때문에 각 치료법은 서로 다른 과정을 통해 이러한 기능 회복을 촉진할 것입니다. 따라서 골절 치유를 위한 치료제는 치료제가 변화시키는 생물학적 과정, 이러한 작용이 조직의 물질 구성과 구조에 미치는 영향, 구성과 구조가 기계적 기능 회복에 미치는 관계에 따라 개발 및 투여되어야 합니다. 치유가 손상된 상황에서 특정 치료제를 사용할 때는 동반 질환이 다양한 생물학적 과정에 영향을 미치고 치유를 방해할 수 있다는 맥락에서도 고려해야 합니다. 중요한 것은 일부 치료제가 여러 생물학적 과정에 작용하여 골절 치유에 영향을 미칠 수 있다는 점입니다. 따라서 치료제의 사용을 고려할 때는 특정 동반 질환으로 인해 어떤 생물학적 과정이 손상되고 어떤 치료제가 손상된 상태를 가장 잘 수정할 수 있는지를 고려해야 합니다. 또한 치료제가 특정 생물학적 과정에 최대 효과를 발휘할 수 있도록 치료제의 사용 시기를 정하는 것도 치료의 진행을 개선하는 데 중요합니다. 이러한 관계를 설명하기 위해 두 가지 예를 제시하고, 표 1에는 다양한 치료제가 생물학적 효과와 비교하여 기능 회복을 촉진하는 방법이 요약되어 있습니다.

Table 1.

Timing and effects of therapies for fracture healing

TherapyOptimal therapeutic windowBiological effectsStructural effectsMechanical effectsAccelerated fracture union?

PTH	Throughout all stages	Chondrocyte and osteoblast proliferation Delayed chondrocyte hypertophy Increased coupled remodelling	Increased callus size, bone mass and mineral content	Increased stiffness and strength	Yes
Anti-sclerostin or anti-DKK1 antibodies	Late endochondral phase Throughout bone remodelling	Osteprogenitor expansion Chondrocyte hypertrophy Delayed cartilage resorption Decreased coupled remodelling	Increased callus size, bone mass and mineral content	Increased stiffness and strength	Yes
BMP-2	Inflammatory period	Stem cell commitment of chondrogenic and osteogenic lineages Chondrocyte hypertophy and coupled remodelling	Increased callus size	Increased stiffness	No

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Abbreviations: BMP-2, bone morphogenetic protein 2; DKK1, Dickkopf-related protein 1; PTH, parathyroid hormone.

In the first example, PTH improved healing in a mouse femoral allograft model by promoting external callus formation and cartilage development, thereby facilitating the bridging of the graft with the surrounding bone.100 Furthermore, PTH can promote intramedullary secondary remodelling of the graft, enabling new bone formation to replace the graft.62 Consistent with these studies are prior findings that daily systemic administration of PTH (1–34) enhanced fracture-healing both by promoting early callus formation through endochondral bone forma- tion as well as by producing a sustained anabolic effect throughout the remodelling period of fracture healing.70 Therefore, with different biological activities, increased cartilage formation and increased coupled remodelling, which separately increase both the cross-sectional area and the amount of mineralized tissue, PTH improves the two separate phases of fracture healing.

In a different study, of tibial metaphysial fracture healing in rabbits, treatment with both PTH and recombinant human BMP-7 increased bone volume at the site of injury, but neither treatment alone improved mechanical function.101 Combination treatment improved mechanical function, the quantity of bone tissue in the defect and integration between new and old bone tissues within the injury site and the surrounding tissues. Interestingly, histological examination showed that recombinant human BMP-7 seemed to be strictly anabolic and only facilitated cortical bone repair, whereas PTH functioned in the context of coupled remodelling within the underlying marrow space.101 Consistent with these results are data showing that BMPs selectively target periosteal stem-cell differentiation.42 Also of interest is that inhibition of BMP signalling, taking place constitutively with the homeostatic maintenance of bone, leads to increased bone mass; this effect is mediated by the loss of BMP regulation of expres- sion of SOST and Dickkopf-related proteins by osteogenic cells within the medullary space.66 Such divergent biologi- cal effects of both PTH and BMPs suggest, therefore, that careful consideration must be given to both the timing and duration of their clinical use and to the therapeutic applications for which they are most efficacious.

첫 번째 예에서 PTH는 마우스 대퇴골 동종 이식 모델에서 외부 캘러스 형성과 연골 발달을 촉진하여 이식편과 주변 뼈의 결합을 촉진함으로써 치유를 개선했습니다.100 또한 PTH는 이식편의 골수 내 2차 리모델링을 촉진하여 이식편을 대체할 수 있는 새로운 뼈 형성을 가능하게 할 수 있습니다.62 이러한 연구와 일치하는 이전 연구 결과(1-34)는 PTH의 매일 전신 투여가 연골 내 골 형성을 통한 초기 캘러스 형성을 촉진하고 골절 치유 리모델링 기간 동안 지속적인 동화 효과를 생성함으로써 골절 치유를 향상시킨다는 것을 보여줍니다.70 따라서 서로 다른 생물학적 활성, 연골 형성 증가 및 결합 리모델링 증가로 단면적과 광물화 조직의 양을 개별적으로 증가시키는 PTH는 두 단계의 개별 골절 치유 단계를 개선합니다.

토끼의 경골 형이상학적 골절 치유에 대한 다른 연구에서, PTH와 재조합 인간 BMP-7을 모두 치료하면 손상 부위의 골량이 증가했지만 두 치료법 모두 단독 치료로는 기계적 기능이 개선되지 않았습니다.101 병용 치료는 기계적 기능, 결손 부위의 골 조직의 양, 손상 부위와 주변 조직 내의 새로운 골 조직과 오래된 골 조직 간의 통합을 개선했습니다. 흥미롭게도 조직학적 검사 결과, 재조합 인간 BMP-7은 엄격하게 동화 작용을 하며 피질 골 회복만 촉진하는 반면, PTH는 기저 골수 공간 내에서 결합된 리모델링의 맥락에서 기능하는 것으로 나타났습니다.101 이러한 결과와 일치하는 데이터는 BMP가 골막 줄기세포 분화를 선택적으로 표적으로 한다는 것을 보여줍니다.42 또한 흥미로운 점은 뼈의 항상성 유지와 함께 지속적으로 일어나는 BMP 신호의 억제가 골량 증가로 이어지며, 이 효과는 골수 공간 내 골 형성 세포에 의한 SOST 및 딕코프 관련 단백질의 발현에 대한 BMP 조절의 상실에 의해 매개된다는 것입니다.66 따라서 PTH와 BMP의 이러한 서로 다른 생물학적 효과는 임상 사용 시기와 기간 및 가장 효과적인 치료 응용 분야를 신중하게 고려해야 함을 시사합니다.

Conclusions

Optimizing conditions for the harvest, selection, expansion and formulation of osteogenic stem cell preparations is needed to advance the field of skeletal healing and to set the stage for developing new local and systemic therapies. We also need to develop better delivery systems for stem cells, growth factors and osteoinductive substances, and to explore systemic applications of osteogenic agents. Identification of appropriate experimental settings and measurable, meaningful clinical endpoints for human clinical trial design are also required. These objectives, if based on a strong foundation of basic science knowledge of skeletal healing, will lead to new methods to improve the care of patients with skeletal injuries.

결론
골격 치료 분야를 발전시키고 새로운 국소 및 전신 치료법을 개발하기 위해서는 골형성 줄기세포 제제의 채취, 선택, 확장 및 제형화 조건을 최적화하는 것이 필요합니다. 또한 줄기세포, 성장인자 및 골 유도 물질을 위한 더 나은 전달 시스템을 개발하고 골 형성 제제의 전신적 적용을 모색해야 합니다. 인간 임상시험 설계를 위한 적절한 실험 환경과 측정 가능하고 의미 있는 임상 평가지표를 식별하는 것도 필요합니다. 이러한 목표는 골격 치유에 대한 기초 과학 지식의 강력한 토대를 바탕으로 골격 손상 환자의 치료를 개선할 수 있는 새로운 방법으로 이어질 것입니다.

Key points.

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Box 1 | Tested methods of enhancing fracture healing.

Biophysical enhancement

Electromagnetic field stimulation72–76

Low-intensity pulsed ultrasound stimulation77–79

Locally applied biological enhancement71

Osteogenic materials

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Osteoconductive materials

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Fibroblast growth factors57,58,60,82

Platelet-derived growth factors83

Osteoinductive and morphogenetic factors

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Systemic biological enhancement

Parathyroid hormone61,62,67,70

Anti-sclerostin antibodies64,96–98

Anti-Dickkopf-related protein 1 antibodies95

Footnotes

Author contributions

T.A.E. and L.C.G. contributed equally to researching data for the article, substantially contributing to discussion of the content, writing the article and to review/editing of the manuscript before submission.

Competing interests The authors declare no competing interests

References

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