Development of intracorporeal differentiation of stem cells to induce one-step mastoid bone reconstruction during otitis media surgeries

Abstract

Mastoidectomy is a general surgical procedure for treatment of chronic otitis media. Recurrent otorrhea and accumulation of keratin debris following open cavity mastoidectomy are still bothersome issues. This study investigated the ability of rat stromal vascular fraction cells (SVF) in combination with polycaprolactone (PCL) scaffolds and osteogenic differentiation enhancing blood products during mastoidectomy (one-step procedure) to regenerate mastoid bone defects. Twenty male SD rats were randomly divided: 1) Control, 2) PCL scaffold, 3) rSVFs + PCL, 4) rSVFs + PCL + platelet rich plasma (PRP), 5) rSVFs + PCL + whole plasma (WP). For mastoid defects, anterior midline neck approach was done and 3 × 3mm holes were made using a drill. At 7 months after trasnplantation, the bone regeneration in the mastoid bone was observed by micro computed tomography (CT) imaging. The group of rSVFs + PCL + WP and PCL only showed remarkable new bone formation in the mastoid bulla with the rSVFs + PCL + WP group presenting lower standard deviation. Histology staining and osteocalcin immunohistochemistry also showed significant new bone formation in the rSVFs + PCL + WP group. These results indicate that stromal vascular fraction cells, PCL scaffolds, and differentiation enhancing blood products are accelerated bone regeneration for mastoid reconstruction. This study demonstrates autologous SVF cells combined with PCL scaffolds and autologous blood products are promising for treatment that can be facilitating to harvest and promoting mastoid bone reconstruction. With this approach, an anatomical and functional reconstruction of mastoid bone defects can be performed right after mastoidectomy as a one-step procedure which can be convenient and efficient in the clinical field

진주종을 비롯한 만성중이염의 치료는 병변의 완전한 제거와 청력의 보존을 위해 여러 종류의 유양돌기삭개술이 고안 및 시행되어왔다. 하지만 공동으로 인한 현훈, 각질의 축적뿐만 아니라 보청기 착용의 어려움 등의 문제가 지적되어 왔다. 본 연구에서는 골 대체제나 골 이식제보다도 뛰어난 생체 접합성과 채취가 용이한 재료를 선택하여 수술실 내 원스텝 수술법을 개발하고자 하였다. 이에 분화능을 가지는 중배엽성 줄기세포를 포함하는 자가 기질혈관분획세포와 폴리카프로락톤을 지지체를 접합하였으며 골분화 촉진 인자로써 자가 혈액 유래 성분을 혼합하여 조직공학 접근의 골 재생 수술법을 시도함과 동시에 그 골 분화 가능성을 확인하고자 하였다. 실험군은 최소화한 랫트 20 마리 개체로 하여금 5 가지 그룹군 1) 대조군, 2) 폴리카프로락톤 지지체, 3) 기질혈관분획세포 + 폴리카프로락톤 지지체, 4) 기질혈관분획세포 + 폴리카프로락톤 지지체 + 혈소판 풍부 혈장, 5) 기질혈관분획세포 + 폴리카프로락톤 지지체 + 혈장으로 구성하였다. 유양골의 손실을 위해 랫트의 전방 목 중심선으로 접근하였다. 유양동 외면에 드릴을 이용해 3 × 3 mm 크기 구멍을 내어 지지체를 넣어 피하조직 및 피부조직을 봉합하였다. 각 군별로 양 쪽 귀를 수술하였으며 수술 7개월 이후 마이크로-컴퓨터단층촬영을 이용해 골 재생 정도를 평가하고자 하였고 더불어 조직학적 분석을 진행하였다. 골 분화 효과 평가를 위해 마이크로-컴퓨터단층촬영 분석 결과, 5) 기질혈관분획세포 + 폴리카프로락톤 지지체 +혈장 그룹군과 2) 폴리카프로락톤 지지체 그룹군이 유의미한 골 분화 및 재생을 보였다. 면역조직화학법을 이용하여 골 분화 마커 오스테오칼신을 염색하였을 때 또한 새로운 골 분화 및 재건 효과가 뛰어났다. 본 연구에서는 유양돌기삭개술에 의한 골 손실 및 병변에 대한 부작용을 수술실 내에서 해결하고자 조직공학적인 접근으로 원스텝 수술법을 개발하고자 하였다. 이에 동물 실험을 통해 자가 기질혈관분획세포와 폴리카프로락톤 및 자가 혈액 유래 성분을 혼합하여 7개월간의 골재생을 유도한 결과, 추가적인 원심분리나 콜라겐효소처리와 같은 불필요한 조작을 최소하면서도 효과적인 골 분화 효과를 보이는 것을 확인할 수 있었다.