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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie
73. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie
95. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie
50. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie und Unfallchirurgie

21. - 24.10.2009, Berlin

Mutation von GDF-5 steigert seine Fähigkeit zur ektopen Knochenbildung in einem β-TCP Scaffold

Meeting Abstract

  • P. Kasten - Universitätsklinikum Carl Gustav Carus, Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Dresden, Germany
  • I. Beyen - Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Sektion experimentelle Orthopädie, Heidelberg, Germany
  • D. Bormann - Universität Hamburg, Institut für Werkstoffkunde, Garbsen, Germany
  • F. Ploeger - Biopharm, Biomedizintechnik und Leichtbau, Heidelberg, Germany
  • W. Richter - Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Sektion experimentelle Orthopädie, Heidelberg, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. 73. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 95. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 50. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 21.-24.10.2009. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2009. DocEF12-1160

DOI: 10.3205/09dkou023, URN: urn:nbn:de:0183-09dkou0233

Veröffentlicht: 15. Oktober 2009

© 2009 Kasten et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Für den Wachstumsfaktor GDF-5 werden schwächere osteoinduktive Effekte auf multipotente Vorläuferzellen berichtet als für andere Mitglieder der bone morphogenetic protein (BMP)-Familie wie z. B. BMP-2. Eine Ursache hierfür könnte die bevorzugte Bindung von GDF-5 an einen der beiden Typ I BMP-Rezeptoren (wesentlich stärkere Bindung an BMPR-Ib als an BMPR-Ia) darstellen, während bekannt ist, dass BMP-2 mit beiden Typ I Rezeptoren interagiert. Um diese Hypothese zu prüfen und die osteogene Potenz von GDF-5 zu erhöhen, war es Ziel dieser Studie, die Sequenz von GDF-5 im Bereich der Rezeptorbindungsstellen an die Verhältnisse in BMP-2 anzupassen und das mutierte GDF-5 auf seine osteogenen Eigenschaften in vitro sowie in einem Modell der ektopen Knochenbildung in vivo zu untersuchen.

Methodik: Durch ortsspezifische Mutagenese wurden mittels molekularbiologischer Methoden eine bzw. zwei Aminosäuren in GDF-5 ausgetauscht (jeweils Methionin zu Valin). Drei verschieden mutierte Proteine wurden in E. coli produziert und aufgereinigt. Ihre osteogene Potenz wurde dann mit der von BMP-2 verglichen. In vitro wurde die Alkalische Phosphatase-Aktivität (ALP) von MCHT1/26 und C2C12-Zellen nach Stimulation mit den Faktoren ermittelt. Für die in vivo Testung wurden β-TCP Träger mit 10 µg mutiertem GDF-5, Wildtyp GDF-5, BMP-2 oder Puffer allein gesättigt, getrocknet und subcutan in Mäuse transplantiert. Die Knochenbildung wurde nach 4 und 8 Wochen histologisch und durch µCT Analyse bestimmt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Durch zwei Mutationen im Bereich der Rezeptorbindungsstelle von GDF-5 erhöhte sich in vitro die ALP-Aktivität stimulierter C2C12-Zellen signifikant, die bevorzugt den BMPRIa Rezeptor tragen. In MCHT1/26-Zellen führten zwei Einzelmutationen zu deutlich erhöhten ALP-Werten und durch Kombination beider Mutationen im selben Molekül wurden additive Effekte auf die ALP erzielt. Daher wurde diese Doppelmutante mtGDF-5 weiter in vivo analysiert. Vier Wochen nach subcutaner Implantation hatten mtGDF-5 beladene β-TCP Träger histologisch und im µCT signifikant mehr neuen Knochen gebildet als Wildtyp GDF-5 und als BMP2 (p<0.003). Nach 8 Wochen blieb die Menge neugebildeten Knochens signifikant höher als die von Wildtyp GDF-5.

Durch Einführung von 2 Punktmutationen in GDF-5 konnte eine zusätzliche Bindung des Faktors an den BMPRIa Rezeptor vermittelt werden. Dies hatte eine höhere osteogene Potenz des mtGDF-5 zur Folge, die im Modell der ektopen Knochenbildung der von BMP-2 entsprach.