Abstract
The turnover of collagen is controlled by the balance between collagen synthesis and degradation. The production of collagenase (matrix metalloproteinase-1) and its inhibitor, tissue inhibitor of matrix metallopmteinase-1 (TIMP-1) are one of the substances which regulate this balance. The periodontal ligament fibroblast plays an important role in collagen metabolism during orthodontic treatment and is believed to be an origin of the osteoblast in the alveolar bone. The collagenase secreted by the periodontal ligament fibroblast and the osteoblast initiates the bone resorption by removing the osteoid layer in the alveloar bone. The interleukin-$1{\beta}$ is secreted by the macrophage during orthodontic treatment. The present study was undertaken to assess the effect of mechanical stress and interleukin-$1{\beta}$ on the expression of collagenase and TIMP-1 in the periodontal ligament fibroblasts using reverse transcription polymerase chain reaction and immunohistochemical staining. The periodontal ligament fibroblasts were stitched by placing the $Petriperm dish^{\circledR}$ dish on the top of spheroidal convex watch glass ($5\%$ surface increase) and tented with interleukin-$1{\beta}$ (1.0 ng/ml), or treated with both of them. Treatment with mechanical stress and/or interleukin-$1{\beta}$ resulted in increased collagenase mRNA expression. The mechanical stress treated group (1.61, 1.62, 1.37 fold increase), the interleukin-$1{\beta}$, tented group (1.68, 1.60, 3.78 fold increase), the mechanical stress and interleukin-$1{\beta}$ treated group (1.89, 1.72, 5.48 fold increase) induced increases in collagenase mRNA compared with the control group after 2, 4, 8 hours respectively. But TIMP-1 mRNA expressions at experimental groups were decreased after 2, 4 hours and increased after 8 hours. The mechanical stress treated group (0.16, 0.49 fold decrease and 3.77 fold increase), the interleukin-$1{\beta}$ treated group (0.15,0.44 fold decrease and 4.46 fold increase), the mechanical stress and interleukin-$1{\beta}$ tented group (0.15, 0.69 fold decrease and 4.81 fold increase) induced changes in TIMP-1 mRNA compared with the control group after 2, 4, 8 hours, respectively. Immunohistochemical stain showed that increased collagenase and TIMP-1 staining of the mechanical stress tented group, the interleukin-$1{\beta}$ treated group, and the mechanical stress and interleukin-$1{\beta}$ treated group compared with that of the control group after 8 hours. These findings suggest that mechanical stress and interleukin-$1{\beta}$ regulate expression of collagenase and TIMP-1.
교정력이 치아에 가해지면 치주인대의 재생과 치조골의 개조가 일어난다. 치주인대 섬유아세포는 collagenase와 TIMP-1을 분비하여 치주조직의 교원질의 분해와 합성을 담당한다. 본 연구에서는 치주인대 섬유아세포예 기계적 자극과 interleukin-$1{\beta}$를 가해 collagenase와 TIMP-1의 발현을 RT-PCR과 면역조직화학 염색을 사용하여 알아보았다. 4명의 10대 남자 교정환자에게서 아무런 병소가 없는 제1소구치를 발치후 치주인대 섬유아세포를 배양하여 4-6세대의 세포를 사용하였다. 대조군, $Petriperm dish^{\circledR}$ 바닥의 표면적을 $5\%$ 증가시킨 기계적 자극을 가한 군, interleukin-$1{\beta}$를 1.0 ng/ml를 가한 군과 기계적 자극과 interleukin-$1{\beta}$를 같이 가한 군으로 나누어 4명의 환자에서 얻은 세포군을 각 군별로 2, 4, 8시간 후 RT-PCR을 시행하여 그 산물을 반정량하여 대조군에 대한 각 실험군의 상대적인 증감을 나타내었고, 24시간후 면역조직화학 염색을 시행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 광학 현미경으로 세포의 형태를 관찰한 결과 대조군에서는 전형적인 별모양과 길쭉한 모양을 함께 보였으나 기계적 자극과 interleukin-$1{\beta}$를 각각 혹은 동시에 준 군들에서는 별모양의 세포가 사라지고 모양이 더욱 길어졌다. 2. collagenase는 대조군에 비해 기계적 자극과 interleukin-$1{\beta}$를 각각 혹은 동시에 준 군들에서 증가하였고, 실험 8시간 후에서는 interleukin-$1{\beta}$를 준 군, 기계적 자극과 interleukin-$1{\beta}$를 동시에 준 군에서 뚜렷한 증가를 보였다. 3. TIMP-1은 세포 자극 2, 4시간 후에는 대조군에 비해 기계적 자극과 interleukin-$1{\beta}$를 각각 혹은 동시에 준 군들에서 감소하였지만, 실험 8시간 후에서는 증가를 보였다. 4. 면역조직화학 염색을 통해 collagenase와 TIMP-1이 대조군에 비해 기계적 자극과 interleukin-$1{\beta}$를 각각 혹은 동시에 준 군들에서 더욱 강한 염색상을 나타내었다. 본 실험의 결과 섬유아세포는 외부 자극이 가해지면 collagenase와 TIMP-1의 발현 조절을 통해 치주인대 재생과 치조골의 개조에 영향을 미쳐 항상성을 유지하려고 함을 알 수 있었다.