Comparison of the osteoinductive properties of rhBMP-2 and two of its variants with increased binding to heparin - A radiographic and histologic study -

In der vorliegenden Studie wurden zwei neuartige BMP-2 Varianten mit verstärkter Bindung an die extrazelluläre Matrix auf ihre Osteoinduktivität hin untersucht und mit dem Wildtyp verglichen. Hierzu wurden die Morphogene an scheibenförmige Träger (Kollagen Typ I) gebunden in die Muskulatur der vorderen Bauchwand von Ratten implantiert. Über einen Beobachtungszeitraum von 35 Tagen wurden in Intervallen von sieben Tagen die Implantate explantiert und sowohl radiologisch als auch histologisch auf die erzielte Knochenneubildung hin untersucht. Die Morphogene wurden in zwei Konzentrationen (10 µg, 5 µg) implantiert. Bei 5 µg pro Implantat weist die Variante T4 mit vier repitiven Heparin-Bindungsstellen am N-Terminus eine signifikant gesteigerte Osteoinduktivität gegenüber dem Wildtyp und der Variante T3 auf. Diese gesteigerte Knocheninduktion zeigt sich in einer schnelleren Knochenbildung, die bereits an Tag 14 ihr Maximum erreicht und nach einer Plateauphase von circa sieben Tagen einen osteoklastären Knochenabbau mündet. Die Variante T3 zeigt im Röntgenverlauf in der Dosierung von 5 µg keinen signifikanten Unterschied zum Wildtyp BMP-2. In hoher Dosierung erweisen sich die Varianten T3 und T4 als die induktiveren Morphogene. Die Variante T3 zeigt einen zu T4 nahezu identischen Verlauf. Der Wildtyp besitzt eine gegenüber den beiden Varianten deutlich reduzierte Osteinduktivität. Der beobachtete Unterschied ist jedoch statistisch nicht signifikant. Bei allen Proteinen wird die maximal erzielbare Knochenfläche bereits an Tag 14 erreicht. In der darauf folgenden Zeit kommt es durch den osteoklastären Umbau zu einer deutlichen Flächenreduktion (um ca. 30%). In den Untersuchungen konnte bewiesen werden, dass die gentechnische Modifikation des Morphogenes BMP-2 zu einer Steigerung der Osteoinduktivität führen kann. Gentechnologisch hergestellte Modifikationen von Wachstumsfaktoren bieten daher interessante Möglichkeiten der gezielten Beeinflussung der Pharmakokinetik der Faktoren. Sie versprechen ein hohes therapeutisches Potenzial in der rekonstruktiven Knochenchirurgie.Two novel BMP-2 variants (T3, T4) with increased binding to the extracellular matrix were investigated in comparison to the osteoinductive properties of the wild type. The growth factors were colyophilzed with collagen type I as a carrier and implanted into muscle pouches of the anterior abdominal wall of rats. Two different concentrations were used in this study (10 µg, 5 µg). Over an observation period of 35 days the samples were explanted in intervals of 7 days. The induced formation of bone was evaluated by contact radiography and histology. In the lower concentration (5 µg) the variant T4 with four repetitive heparin-binding sites on the N-terminal end showed a significantly increased osteoinductivity compared to the wild type and the variant T3. This increased bone induction is reflected in a more rapid bone formation, which is reaches its maximum at day 14 followed by a plateau of approximately seven days. The last phase is characterized by a marked decrease in the amount of bone due to an osteoclastic resorption. No significant difference between the variant T3 and the BMP-2 wild-type can be seen in this low concentration. In the high dose both variants (T3 and T4) showed almost identical osteoinductive properties and proved to be more effective than the wild type. However the observed differences are not statistically significant. The same pattern in the time course of bone formation can be seen for all investigated morphogens: The peak amount of bone is formed around days 14-21. After that the osteoclastic activity reduces the newly formed mineralized tissue by approximately 30% at day 35. The study could prove that the genetic modification of BMP-2 can increase the osteoinductive potential. Genetically engineered modifications of growth factors, therefore, offer interesting opportunities for targeted changes of their pharmacokinetics. They promise a high therapeutic potential in reconstructive bone surgery