Effect of nicotine on orthodontic tooth movement and bone remodeling in rats

본 연구의 목적은 니코틴의 주입 용량과 시간에 비례하여 교정적 치아이동 초기 단계-지연 단계-지연후 단계에 따라 골재생에 미치는 영향을 고해상도 전산화 단층촬영 분석 (micro-computed tomography analyses)과 파골세포 면역염색법 (tartrate-resistant acid phosphatase immunostaining)으로 정량화하여 비교 분석해보는 것이었다. 문헌을 바탕으로, 니코틴은 적절한 교정력이 적용된 치아를 둘러싼 치조골 재생 변화에 유해한 영향을 미치고 바람직하지 못한 교정적 치아이동을 초래할 것이다라고 가설을 설정하였다. 악골 성장을 마친 39마리 수컷 백서 모두 동일한 30 g 교정력을 상악 좌측 제1대구치와 고정원이 강화된 두 절치 사이에 나이타이(Ni-Ti) 초탄성 스프링 교정 장치를 장착하여 전달하고 임의대로 세 그룹: 그룹 A, 대조군 생리식염수 0.5 mL (9마리, 3일, 7일, 14일 3마리씩); 실험군 그룹 B, 니코틴 0.83 mg/kg 와 그룹C, 니코틴 1.67 mg/kg (그룹별15마리, 3일, 7일, 14일 5마리씩)로 분류하여 교정장치 장착 날부터 생리식염수와 니코틴을 매일 복강내 주사하였다. 교정적 치아이동 3일째, 7일째, 14일째에 각 그룹에서 임의로 선택후 희생한 시편들의 교정적 치아이동 양 (상악 제1대구치-제2대구치 사이거리, M1-M2, mm)과 골재생 지수들 (bone volume fraction, bone mineral density, trabecular thickness, trabecular volume) 그리고 파골세포 수 (osteoclast number)를 정량화하여 중앙값, 최대값, 최소값으로 단순 기술 통계를 내었다. 비모수 Kruskal-Wallis 검정으로 교정적 치아이동 시간 3일, 7일, 14일에따른 니코틴 농도별 그룹간의 차이를 통계 분석하였고 스피어만 상관 분석으로 교정적 치아이동 양과 다른 종속 변수들의 연관성을 살펴보았다. 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 선형 교정적 치아이동 양은 교정력 30 g 적용후 교정적 치아이동 시간 3일, 7일, 14일에 니코틴 농도별 그룹간에 통계학적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 그러나, 그룹 C의 14일에서 최대값을 보였고, 그룹 A의 3 일에서 최소값을 보여주었다. 대조군의 교정적 치아이동 양은 교정력 30 g 적용후 교정적 치아이동 시간 3일, 7일, 14일에따라 일정한 간격의 차이를 보이며 점진적으로 증가하였다. 반면에 니코틴 그룹에서는 세 관찰 기간동안 변동하는 교정적 치아이동 양을 보여주었다. 2. 골재생 지수 변화는 교정력 30 g 적용후 교정적 치아이동 시간 3일, 7일, 14일에 니코틴 농도별 그룹간에 통계학적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 그러나, 그룹 C의 14일에서 가장 낮은 골 부피분율 (bone volume fraction), 골 밀도 (bone mineral density), 섬유주 두께 (trabecular thickness) 값을 보여주었다. 스피어만 상관 분석에서 그룹 A의 7일과 그룹 C의 14일에, 교정적 치아이동 양과 골 부피분율, 골 밀도, 섬유주 두께간에 유의한 관계 (상관계수 ＋1, p ＜ 0.01)를 보여주었다. 3. 파골세포 수는 교정력 30 g 적용후 교정적 치아이동 시간 3일, 7일, 14일에 니코틴 농도별 그룹간에 통계학적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 교정적 치아이동 양 최대값을 보인 그룹 C의 14일에서 파골세포 수의 증가 추세를 관찰할 수 있었다. 이에 본 연구는 니코틴은 교정적 치아이동과 골재생에 미치는 영향이 미미하다는 결론을 얻었다. 그러나 향후 연구에서는 샘플 수와 관찰 기간, 최소한의 실험 동물 수에서 희생없이 약물학적 영향을 알 수있는 삼차원적 이미징 기술의 장점을 활용하는 등 본 연구의 제한점을 개선하고, 니코틴 그룹에서 교정적 치아이동 단계에따라 변동하는 교정적 치아이동 양과 골재생 지수들을 명확하게 입증하는 노력이 필요할 것으로 보인다. 연구와 과학적 지식을 근거로 흡연자에게 모든 형태의 교정 치료전에 임상적으로 중요한 지침서와 주의 사항을 설명할 수 있을 것이다. Orthodontic tooth movement is mediated by coupling bone resorption and deposition on the compression and tension sides of the periodontal ligament, respectively. Nicotine was found to have a negative effect on bone remodeling via an increase in cytokines involved in bone resorption and oxidative stress which induce osteoclastogenesis and inhibit osteoblastic differentiation. Nicotine itself has been observed to cause dose-dependent bone loss in furcation areas, even in rats with a healthy periodontium, and showed adverse effects on the dynamic histomorphometric parameters of the trabecular bone in a time-dependent manner. Few studies have assessed the effect of nicotine on bone remodeling in a time- and dose-dependent manner in accordance with the stages of orthodontic tooth movement. Thus, the aim of this study was to quantitatively analyze the effect of nicotine on orthodontic tooth movement and bone remodeling in rats using micro-computed tomography (micro-CT) and tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) immunostaining. We hypothesized that nicotine would deteriorate bone remodeling around teeth with optimal orthodontic forces and result in adverse consequences of orthodontic tooth movement. Thirty-nine adult male Sprague-Dawley rats were randomized into three groups: group A, 0.5 mL normal saline (n=9, 3 per 3, 7, and 14 days); group B, 0.83 mg/kg nicotine (n=15, 5 per 3, 7, and 14 days); and group C, 1.67 mg/kg nicotine (n=15, 5 per 3, 7, and 14 days). Each animal received daily intraperitoneal injections of nicotine/saline from the day of insertion of identical 30-g orthodontic force delivery systems. A 5-mm nickel-titanium closed-coil spring was applied between the left maxillary first molar (M1) and the two splinted incisors. The rate of orthodontic tooth movement and volumetric bone changes were measured using micro-CT. Osteoclasts were counted on the mesial alveolar bone surface of the distobuccal root of M1. Six dependent outcome variables, including the intermolar distance, bone volume fraction, bone mineral density, trabecular thickness, trabecular volume, and osteoclast number, were summarized using simple descriptive statistics. Nonparametric Kruskal-Wallis tests were used to evaluate differences among groups at 3, 7, and 14 days of orthodontic tooth movement. Spearman’s correlation analyses were conducted to investigate the relationship of the dependent outcome variables with the orthodontic tooth movement rate in the three groups at 3, 7, 14 days. The results of this study were as follows : 1. The intermolar distance (M1-M2, mm) showed no statistically significant difference among groups at 3, 7, and 14 days. However, the maximum distance was observed on day 14 in group C, while the least distance was observed on day 3 in group A. According to the descriptive statistics, the orthodontic tooth movement rate in the control group gradually increased at regular intervals over time. Compared with the control group, the nicotine groups showed a fluctuating orthodontic tooth movement rate over the observation period . 2. The bone volume fraction, bone mineral density, trabecular thickness, and trabecular volume showed no statistically significant differences among groups at 3, 7, and 14 days. However, the lowest values for the bone volume fraction, bone mineral density, and trabecular thickness were observed on day 14 in group C. Spearman’s correlation analyses showed a significant relationship (correlation coefficient ＋1, p＜ 0.01) between M1-M2 and the bone volume fraction, bone mineral density, and trabecular thickness on day 7 in group A and day 14 in group C. 3. The number of TRAP-positive osteoclasts showed no statistically significant differences among groups at 3, 7, and 14 days. On day 14 in group C, the number of osteoclasts showed a tendency to increase; this coincided with the maximum intermolar distance observed among the three groups and three time points. The findings of this study suggest that nicotine does not affect orthodontic tooth movement and bone remodeling, although fluctuations according to the stage of orthodontic tooth movement in the nicotine groups should be clearly elucidated in further prospective studies. Currently, it is necessary to accumulate more profound scientific evidence and knowledge regarding the effects of nicotine on orthodontic tooth movement and bone remodeling. Based on available evidence, orthodontists should explain critical guidelines and precautions to current smokers before the initiation of any orthodontic treatment.open박