Improving bone regeneration by modification of BMP signaling
Final Report Abstract
Der Name Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) steht für eine Gruppe von multifunktionalen Wachstumsfaktoren, die ursprünglich aufgrund ihrer Fähigkeit Knochenwachstum zu induzieren, benannt worden sind. Heute weiß man jedoch, dass die BMPs auch außerhalb des Skeletts wichtige Funktionen übernehmen, wie beispielsweise im Gehirn, den Nieren und der Leber. Zwei Wachstumsfaktoren der BMP-Familie (BMP2 und BMP7) sind als Osteotherapeutika von der FDA und EMA zugelassen. In der Literatur finden sich mehre Hinweise auf diverse Nebenwirkungen der BMP-Therapie, die vermutlich in Verbindung mit den verabreichten supraphysiologischen Konzentrationen stehen. Die Entwicklung einer NOGGIN-resistenten BMP2-Variante könnte aufgrund ihrer höheren Aktivität therapeutisch niedrig dosierter eingesetzt werden und somit systemische Nebenwirkungen reduzieren. Ausgehend von einer in silico-Analyse, konnten die für die NOGGIN-Interaktion essentiellen Aminosäuren im BMP2 identifiziert werden. In funktionellen Untersuchungen stellte sich heraus, dass Einzelmutationen nicht, aber die Kombination zweier Punktmutationen in BMP2 zu einer deutlichen NOGGIN-Resistenz führten. Weitere in vitro Untersuchungen einer ausgewählten BMP2-Variante zeigten, dass auch der inhibitorische Effekt anderer BMP- Antagonisten eingeschränkt war, jedoch deutlich geringer als das bei NOGGIN der Fall war. Hingegen konnten keine Veränderungen bezüglich der Rezeptorspezifität und –affinität festgestellt werden. Im Hühnchen zeigte die BMP2-Variante keine embryotoxischen Reaktionen, aber eine deutlich erhöhte biologische Aktivität. Untersuchungen mit dem rekombinanten Protein der BMP2-Variante bestätigte die NOGGIN-Resistenz und zeigte überdies in vitro einen besonders deutlichen chondrogenen Effekt. Überraschenderweise war jedoch in vitro die Induktion der Osteogenese im Vergleich zum wildtypischen BMP2 herabgesetzt. In vivo wurde das regenerative Potential der BMP2-Variante im Rattenfrakturmodell anhand von Mikro-CT-Messung der Defektüberbrückung untersucht. Hier zeigte die BMP2-Variante im Vergleich zum wildtypischen BMP2 eine vergleichbare Bildung von mineralisiertem Gewebe. Um den chondrogenen Aspekt der BMP2-Variante weiter zu analysieren, bieten sich weitere Untersuchungen auf histologischer, biomechanischer und molekularer Ebene an, da dies in den µCT-Analysen nicht abgebildet werden kann.
Publications
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A GDF5 point mutation strikes twice--causing BDA1 and SYNS2. PLoS Genet. 2013;9(10):e1003846
Degenkolbe E, König J, Zimmer J, Walther M, Reißner C, Nickel J, Plöger F, Raspopovic J, Sharpe J, Dathe K, Hecht JT, Mundlos S, Doelken SC, Seemann P
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BMP Signaling in Regenerative Medicine. Medical Advancements in Aging and Regenerative Technologies: Clinical Tools and Applications, 2013 IGI Global
Zimmer J, Degenkolbe E, Wildemann B, Seemann P
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Improved bone defect healing by a superagonistic GDF5 variant derived from a patient with multiple synostoses syndrome. Bone. 2015 Apr;73:111-9
Degenkolbe E, Schwarz C, Ott CE, König J, Schmidt-Bleek K, Ellinghaus A, Schmidt T, Lienau J, Plöger F, Mundlos S, Duda GN, Willie BM, Seemann P
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BMPs in Bone Regeneration: Less is more effective, a paradigm-shift. Cytokine & Growth Factor Reviews, Volume 27, February 2016, Pages 141-148
Schmidt-Bleek K, Willie BM, Schwabe P, Seemann P, Duda GN
