Analysis of alteration in bone quality and prediction of fracture risk due to metastatic bone tumor

의공학과/석사[한글]본 논문에서는 전이성 골암으로 인한 뼈의 구조적 특성 및 골화 정도 분포를정량적으로 분석하여 통합적인 골질을 평가하고, 생체 내 미세단층촬영 영상을 이용한 기계적 강성도 예측을 통하여 골절 위험성을 예측하였다.전이성 골암은 그 위해성이 충분히 인지되고 있음에도 불구하고 기술적인 한계와 다른 장기의 암에 비해 좁은 시장성 등을 이유로 충분한 연구가 진행되지못하고 있는 실정이다. 그러나 최근 들어 발병 인구가 증가하고, 연령층도 육아에서부터 성인에 이르기까지 폭넓게 분포되고 있어 사회적으로 심각한 문제로 대두되고 있다. 골암에 관한 체계적인 연구가 진행되기 위해서는 우선 골암 발병 정도를 명확히 진단할 수 있는 근거가 확립되어야 한다. 이를 위해 임상 의학, 제약 분야와 더불어 생체역학을 적용한 과학적 연구 방법론 확립이 적극적으로 요구된다.본 연구를 위해 실험동물의 대퇴골에 국부적으로 암세포를 주입한 전이성 골암 동물모델을 개발하였고, 이를 방사선 영상법, 생화학적 표지자 검사, 그리고 양전자 단층촬영을 통해 검증하였다. 암세포 주입 후 생체 내 미세단층촬영을 수행하여 뼈의 미세구조와 골화 정도 분포 변화를 정량적인 방법으로 장기간 관찰하였다. 그리고 생체 내 미세단층 촬영 정보를 기반으로 계산된 축강성도, 굽힘강성도, 뒤틀림강성도를 통해 골절 위험성을 예측하였다. 본 연구의 결과는 전이성 골암으로 인하여 뼈의 용해성 결손이 발생하여, 통합적인 골질이 약화되고 골절 위험성이 증가할 수 있음을 보여준다.본 연구에서는 전이성 골암으로 인한 뼈의 구조적, 기계적 특성 변화를 확인하기 위한 적합한 실험동물을 개발하였으며, 생체 내 미세 단층촬영을 이용한 통합적인 골질 변화 분석 및 골절 위험성 예측을 수행하였다. 향후 보완된 연구를 통해 전이성 골암의 진단 및 치료 효과, 그리고 골절 위험성을 정량적으로 평가할수 있는 방법론 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. [영문]The aim of this study is to evaluate bone quality induced by metastatic bone tumor by analyzing the characteristic of both bone microarchitecture and degree of bone mineralization quantitatively. In addition, fracture risk increased sencondary to the change had been predicted by calculating mechanical rigidities based on in-vivo micro CT images. While much has been learned about the mechanisms of metastatic spread of cancer to bone, there has been little headway in establishing guidelines for monitoring the alteration in bone quality and estimating fracture risk. Recently, the population in patients with metastatic bone tumor increased and metastatic bone tumor has been weighted heavily on the health care budget. Then, it is necessary to establish diagnostic methodology capable of monitoring a degree of progress of bone metastasis and fracture risk secondary to osteolytic destruction though biomechanical approach as well as clinical methods. The hypothesis is that CT-based assessment of changes in bone structure and degree of bone mineralization as a result of tumor induced osteolysis can be used to monitor the progression or regression of skeletal metastases in patients. In this study, an appropriate animal model of metastatic bone tumor was developed and validated by radiological methods, biochemical marker and positron emission tomography. Using the animal model, it was quantitatively identified that how much bone quality diminished by metastatic bone tumor. Then increased fracture risk was predicted by calculating mechanical rigidities based on in-vivo micro CT data. For this study, eighteen female Sprague Dawley rats (12 weeks old, 250±7g) were randomly allocated in SHAM and TUMOR Group. W256 (Walker carcinosarcoma 256 malignant breast cancer cell) was inoculated in the right femur (intraosseous injection) in TUMOR Group, whereas 0.9% NaCl (saline solution) was injected in SHAM Group. The right hind limbs of all rats were scanned by in-vivo micro-CT to acquire structural parameters and degree of bone mineralization at 0, 4, 8, and 12 weeks after surgery. At the same time, urine was collected by metabolic cages for the biochemical marker test in order to evaluate bone resorption. Then, bone metastasis had been directly identified by positron emission tomography system. Finally, axial, bending and torsional rigidities had been calculated based on in-vivo micro CT images for predict fracture risk. The results of this study showed that metastatic bone tumor might induce significant decrease in bone quality both trabecular and cortical bone and increase of fracture risk. This study may be helpful to monitoring a degree of bone metastasis and predicting fracture risk due to metastatic bone tumor. In addition, this non-invasive diagnostic methodology may be utilized for evaluating other bone metabolic diseases such as osteoporosis.ope