Vergleich der osteogenen Potenz gentechnisch modifizierter BMP

Zusammenfassung

Fragestellung

Das BMP-2 (bone morphogenetic protein-2) besitzt eine Heparinbindungsstelle am N-Terminus des Proteins. Durch die gezielte gentechnische Modifikation dieser N-terminalen Sequenz kann die Affinität des Proteins zu Heparin verändert und somit seine Verweildauer am Implantationsort beeinflusst werden. Die osteogene Potenz der BMP-Varianten T3 und T4 mit erhöhter Heparinbindung sollte in vivo evaluiert und mit rhBMP-2 verglichen werden. Gleichzeitig sollte die Osteoinduktivität der GDF-5-Mutante, B2GDF-5 (GDF-5 chimär), welche die N-terminale Sequenz von BMP-2 besitzt, überprüft werden.

Material und Methoden

Die Proteine wurden auf equinen Kollagenträgern (EXKK-Träger) in 8 mm im Durchmesser große Schädeltrepanationsdefekte („critical size defect“) von Ratten implantiert. Nach 28 Tagen erfolgte eine radiologische und histologische Auswertung des gebildeten Knochens.

Ergebnisse

Die BMP-Varianten T3 und T4 zeigten eine deutlich bessere Knochenbildung im Vergleich zu rhBMP-2, während sowohl GDF-5 als auch B2GDF-5 eine geringere Knochenbildung aufwiesen. Die Mutante B2GDF-5 zeigte eine annähernd gleiche Knochenbildung verglichen mit GDF-5.

Schlussfolgerung

Die verstärkte Heparinbindung erhöht die biologische Aktivität von BMP-2 in vivo durch die längere Verweildauer am Implantationsort und die damit prolongierte Halbwertszeit im Gewebe. Ein Ersatz der N-terminalen Sequenz von GDF-5 durch die von BMP-2 bewirkt keine Veränderung der biologischen Aktivität in vivo, da trotz des verlängerten Verweilens im Gewebe die eigentliche Ursache für die geringere Osteoinduktivität nicht beeinflusst wird.

Abstract

Background

Modification of the heparin binding site by alteration of the amino acid sequence of bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) results in a change in the local retention time. The purpose of this study was to compare the osteogenic activity of T3 and T4, two mutants with increased binding capacity to heparin, and B2GDF-5 a mutant resulting from the fusion of the n-terminal amino acid sequence of BMP-2 and the c-terminal sequence of GDF-5 with wild-type BMP-2 in vivo.

Material and methods

The proteins were coupled to an equine-derived collagen carrier and implanted in standardized critical size calvarial defects in adult rats. After 28 days, bone formation was evaluated radiographically and the new bone was characterized histologically.

Results

Proteins T3 and T4 showed a higher osteogenic activity than BMP-2. Less new bone formation was observed with GDF-5 and B2GDF-5 than with-type BMP-2. No difference in bone formation was observed between GDF-5 and B2GDF-5.

Conclusion

Increased heparin binding capacity enhances osteogenic activity of BMP-2 in vivo. This might be due to a longer retention period in the tissue and thus better bioavailability. Replacement of the N-terminal amino acid sequence of GDF-5 by the corresponding sequence of BMP-2 did not result in an increased osteogenic activity as heparin binding capacity is not the main reason for the bioavailability of GDF-5.