난치성 골질환 치료에 관한 최신지견 (5)

5. 골이식의 최신개념

뼈는 신체의 주요 장기를 보호하고, 신체를 지탱하며, 끊임없는 대사를 통하여, 무기질의 저장소가 되어주고, 신생 혈액을 공급해 주는 살아 있는 결체조직이다. 골조직은 혈액 공급도 풍부하여 전체 심박 출량의 약 10%가 공급된다.

뼈는 외견상 형태에 따라 대퇴골이나 상완골과 같은 장관골(long tubular bone), 수근골이나 족근골 같은 단골(short bone), 견갑골이나 두개골같은 평편골(flat bone), 척추골과 같은 불규칙골, 슬개골과 같은 종자골(sesamoid bone) 등으로 구분된다. 또한, 조직학적 성숙도에 따라 미숙골(immature bone) 및 성숙골(mature bone)로 나뉜다.

미숙골은 직골(woven bone) 또는 섬유골이라고 불린다. 미숙골에는 콜라겐섬유가 불규칙하게 배열되어 층판형성(lamellation)을 하지 않으며, 성숙골에 비해 세포수가 많고 세포가 큰 반면 무기질의 함량이 적다.

미숙골은 태아 발생 중 성장판에서 관찰되며, 골절 치유 중에도 일시적으로 나타난다. 성숙골은 층판골(lamellar bone)이라고 불리며, 골 기질의 콜라겐 섬유가 평행하게 중첩상 배열을 이루고 있다. 이 성숙골은 피질골과 해면골로 나뉜다.

골이식의 개념에서 피질골과 해면골의 각각 분야에서 담당하는 기능을 모두 충족할 수 있는 이식재의 적용이 필요하다. 본 저자의 경우에는 rhBMP-2와 LFA collagen scaffold를 이용한 골이식재로 사용하고 있으며 해면골과 피질골의 동시 이식을 통하여 3차원 골이식 개념을 도입하고자 기초적인 개념에서 최신 개념에 이르는 내용을 언급하고자 한다.

1) 뼈의 구조(Figure 5-1)

(1) 피질골

골조직의 80%를 차지하며 기본 단위인 하버스계(Harversian system) 또는 골원(osteon)으로 이루어져 있다. 각각의 골원은 결합선(cement line)으로 구분되어 그 사이에 중간 층판이 존재한다.

하버스계는 뼈의 장축과 비교적 평행하게 배열된 긴 원추형의 구조물로 그 중앙에 동맥, 정맥, 신경을 포함한 하버스관(Harversian canal)이 있고, 하버스관 주위로 석회화된 콜라겐섬유성 층판이 동심으로 배열되고 있다. 층판 속에는 소강(lacuna)이라고 불리는 작은 공간이 있는데 이곳에 골세포가 있다.

소강은 소관(canaliculus)이라 불리는 작은관에 의해 서로 연결되어 있다. 각개의 하버스관은 90도로 달리는 볼크만관(Volkmann’s canal)에 의해 서로 연결된다. 피질골은 해면골에 비해 골교체가 늦고 염전력이나 굴곡력에 대한 저항이 강하다.

(2) 해면골

망상골이라고도 하며 골조직의 20%를 차지하나 부피에 비해 표면적이 커서 대사활동은 피질골의 8배에 이른다. 장골에서는 골간단 부위에 많이 분포하여 압박력에 대해 저항성이 크다.

골수강 내에는 작은 기둥 모양의 해면골(bony trabecula)가 있으며, 해면골들 사이에는 지방조직이나 조혈조직이 존재한다. 해면골들은 서로 연결되어 있으며 해면골 자체는 층판을 형성하고 있지만 피질골과는 달리 층판의 배열이 동심성이 아니고 단순하다.

(3) 골막

뼈의 외측면을 덮고 있는 두껍고 치밀한 결합조직층으로서 내층, 중간층, 외층으로 구별된다. 내층은 캠비움층(cambium layer) 또는 골 발생층이라고 하며 조골세포가 엉성하게 배열되어 있고 혈관이 풍부한 층으로 신생골 형성이 활동적인 부위이다. 중간층은 미분화된 골 조상세포가 있는 부위이다.

골막 외층은 불규칙하게 배열된 콜라겐 섬유 및 탄력섬유로 된 두꺼운 섬유결합조직층으로서 섬유층이라고도 부른다. 골막은 골이 형성되는 동안 부가 성장에 관여하며 골절 치유 과정에서 조골세포로 분화하여 골형성에 관여한다.

(4) 골내막

골수강 내벽과 해면골의 해면골 표면을 덮고 있는 얇은 세포성 결합조직층이다. 이 층에 있는 세포의 대다수는 조골전구세포로 골형 성과 골절 치유 과정에 관여한다.

2) 뼈의 구성

(1) 뼈의 세포

골조직을 이루는 세포에는 조골전구세포(osteoprogenitor cell), 조골 세포(osteoblast), 골세포(osteocyte), 파골세포(osteoclast) 및 골표면세포(bone-lining cell)로 구별된다(Figure 5-2).

① 조골전구세포
골막의 내층인 cambium layer, 골내막 등에 분포하고 있으며 유사 분열에 의해 증식되고 조골세포로 분화한다.

② 조골세포
조골세포는 연골세포, 근육세포, 지방세포와 같이 간엽 줄기세포에서 유래한다. 조골전구세포로부터 분화한 조골세포는 입방형의 형태로 더 이상 분열하지 않으며 콜라겐섬유 등의 골기질 단백질을 합성하고, 분비한다. 조골세포는 자신의 주위로 합성 방출한 유골 속에 묻히게 되고 이 유골에 석회화가 일어나 뼈가 형성되면 그 속에 묻혀 골세포가 된다.

③ 골세포
완전히 발육된 뼈의 주세포이며 더 이상의 분열 능력은 갖지 않는다. 골소강 주위의 석회화 기질에는 골세포의 돌기가 들어 있는 여러 개의 골소관(bone canaliculus)이 방사상으로 형성되어 혈액과 골세포 사이의 교통로가 있어 영양 물질과 대사 물질의 교환을 가능하게 한다. 골세포는 이러한 골소관을 통해 조골세포나 조골전구세포와 신호작용을 하여 뼈의 역학감응기(mechanosensor)로서의 역할을 하고 있다.

④ 파골세포
골흡수를 담당하는 다핵성 거대세포로 조골세포와 달리 조혈세포 계열의 단핵세포들이 융합되어 형성된다고 알려져 있다. 골표면을 오목하게 침식시켜 만든 공간인 골흡수공간(Howship lacuna)에 들어있다.
석회화 기질과 접하고 있는 면은 많은 세포질 돌기가 미세 융모를 이루고 있는 주름경계(ruffled border)로 되어 있는데 이곳에서 산성가 수분해효소(acid hydrolase)와 콜라겐분해효소(collagenase) 및 수소 이온을 방출하여 골기질의 무기질 및 유기질 성분을 분해하여 골 흡수가 일어난다.

⑤ 골표면세포
골표면에 위치하는 길고 납작한 세포로 그 기능에 대해 아직 확실 하게 밝혀져 있지 않으나 파골세포의 골흡수에 의해 골소강으로부터 유리된 골세포가 골표면으로 밀려난 휴식기의 골세포로서 적절한 자극이 가해지면 다시 조골세포로 되어 활발한 분비활동을 하는 것으로 추정되고 있다.

2. 골기질

골기질은 대부분의 콜라겐섬유와 미량의 비콜라겐 기질 단백으로 구성된 유기질 성분과 주로 칼슘과 인으로 구성된 무기질 성분으로 이루어진다. 뼈의 건조 중량의 구성비는 유기질 성분이 35%, 무기질 성분은 65%를 차지한다.

1) 콜라겐

골조직이 신체의 다른 조직과 구별되는 생화학적 특징은 무기질 침착이 많으며 조직 내 유기질 중 콜라겐 함량이 높다는 것이다. 골기질 의 90%는 두 개의 α1 사슬과 하나의 α2 사슬로 구성된 제1형 콜라겐으로 이루어진다.

콜라겐섬유의 형성 과정에서 발생되는 전아교질연장펩티드 (procollagen-1-extension-peptide)와 같은 분절들은 골형성표지자로 사용되며, 파골세포의 골흡수 과정에서 생성되는 히드록시프롤린, 피리디놀린, 데옥시피리디놀린은 골흡수표지자로 임상에 이용되고 있다.

콜라겐이 신체의 다른 부위에도 널리 분포하지만 골형성 또는 골 흡수표지자로 이용이 가능한 이유는 체내에 존재하는 콜라겐의 절반이 뼈에 존재하며 다른 조직의 콜라겐보다 대사율이 빠르기 때문이다.

2) 비콜라겐 기질단백(Figure 5-3, Figure 5-4)

골기질 내에 존재하는 비콜라겐 단백은 유기질 성분의 약 10%를 차지한다. 과거에는 단순히 무기질의 응집과 침착 과정에 관여하는 것으로 연구되어 왔으나 최근에 골조직 내에서 세포 동원(recruitment)과 부착에 관여하여 직간접적으로 골교체 과정에 중요 요소로 연구되고 있다.

오스테오폰틴과 bone sialoprotein은 아르지닌-글라이신-아스파트산(RGD, arginine-glycine-aspartic acid) 구조를 갖고 있어 파골세포가 무기질의 표면에 부착하도록 하고 세포간 신호체계의 활성화에 작용한다.

또한 오스테오폰틴은 기계적 자극에 대한 조골세포의 반응을 촉발하고 파골세포의 활성에 관여한다. 따라서 오스테오폰틴 녹아웃 생쥐(knock-out mice)의 실험에서 영상의학적이나 조직학적으로 골 조직은 정상소견을 보이나 해면골의 부피가 증가하였다.

또한 난소절 제술이나, 기계적 자극을 주지 않았거나, 지속적인 부갑상선 호르몬투여로 인한 골흡수에 저항하는 양상을 보였다.

오스테오칼신(osteocalcin)은 콜라겐, 무기질, 성장 인자와의 친화력이 매우 높아 세포분화를 조절하고 혈관 형성을 자극한다.

오스테오넥틴 결핍 생쥐에게서는 골교체의 감소로 골감소증의 현상을 보인다.

오스테오칼신은 비타민K 의존성 단백으로 조골세포에서 생성되며 뼈와 치아의 상아질에 존재한다.

수산화인회석과의 상호작용으로 무기질 침착에 관여하여 무기질화 과정을 제한하는 것으로 알려져 있다. 오스테오칼신 결핍 쥐에게서는 골량이 지속적으로 증가되는 양상을 보였다.

Matrix Gla protein은 골조직뿐 아니라 연골, 혈관에서도 발견되며 오스테오칼신과 같이 비타민K는 의존성 단백이며 무기질화 과정의 조절자로서의 기능을 한다. Matrix Gla protein 결핍 생쥐에게서는 혈관이나 연골에 과도한 무기질 침착이 관찰되었다.

3) 무기질

뼈의 무기질 성분 중에는 칼슘과 인이 특히 많으며, Ca10(PO4)6 OH2와 같은 구조식을 갖는 수산화인회석(hydroxyapatite) 결정을 이루고 있다. 골기질의 부피, 뼈의 미세구조와 함께 뼈의 무기질화 정도는 뼈의 경도와 강직도를 결정하여 골강도에 중요한 요소이다.

또한 뼈는 체내 무기질의 저장소로 그 대사에 관여한다. 내 칼슘의 99%, 인의 90%, 체내 탄산염(carbonate)의 80%, 마그네슘의 60%, 나트륨의 35%가 뼈에 저장되어 있다.

뼈의 무기질화는 두 단계로 구분되며 콜라겐섬유 사이의 틈과 공간(hole, pores) 사이에 무기질이 침착되는 1차 무기질화와 콜라겐섬유 주변으로 무기질이 침착되는 2차 무기질화의 과정을 가진다.

새로운 골기질이 형성되면 처음 5~10일간의 1차 무기질화 기간을 거쳐 이후 속도는 늦지만 지속적으로 골기질에 무기질을 강화하는 2차 무기질화가 진행된다. 1차 무기질화가 끝난 시기의 무기질 침착은 2차 무기질화가 이루어진 시기에 비해 50%에 불과하다.

다음 호에 계속 ▶

목차
1. 약물성 골괴사증의 최신지견
2. 골수염 치료의 최신지견
3. 골수와 관련된 질환에 대한 치료개념의 변화
4. 난치성 골질환과 관련된 진단
5. 골이식의 최신개념
6. 치과임플란트와 골이식술
7. 상악동거상술과 임플란트 식립
8. Immediate postextraction implantation

권경환 교수 (원광대학교 치과대학 구강악안면외과)
-원광대학교 치과대학 졸업
-원광대학교 치과대학 부속병원 구강악안면외과 수련
-전남대학교 치의학대학원 구강악안면 외과학교실 박사학위 취득
-Texas Baylor 치대 구강악안면외과 교환교수(rhBMP-2 연구)
-16대 원광대학교 치과대학 부속치과병원장
-원광대학교 치과대학 구강악안면외과학교실 주임교수
-보건복지부 장애등급판정위원(치과대표)
-한국의료분쟁조정중재원 치과분야 중재위원
-대한악안면성형재건외과학회 보험이사