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Fragestellung: BMP-2 und BMP-7 sind klinisch zugelassene Wachstumsfaktoren zur Behandlung von spinalen Fusionen sowie Tibia-Pseudarthrosen und -Frakturen. Beide Liganden induzieren die osteogene Differenzierung von Osteoblasten und mesenchymalen Stammzellen (MSC). Allerdings ist wenig untersucht, in wie weit sich osteo-induktive Potenz und Signaltransduktion von BMP-2 und BMP-7 in menschlichen MSC unterscheiden. Die vorliegende in-vitro Studie soll diese Unterschiede anhand einer humanen MSC-Linie analysieren und zudem untersuchen, ob sich der Effekt der osteogenen Differenzierung durch die Kombination von BMP-2 und BMP-7 weiter steigern lässt.

Methodik: Zellen der humanen MSC-Linie SCP-1 wurden mittels RT-PCR und FACS-Analyse auf die Expression von BMPR-IA, BMPR-IB, ActR-I, BMPR-II, ActR-IIA und ActR-IIB untersucht. Anschließend wurden SCP-1 Zellen mit BMP-2 und BMP-7 simuliert und Western Blott Analysen für Phospho-p38, Phospho-ERK1/2 sowie Phospho-Smad1/5/8 durchgeführt. Zudem erfolgten nach der Stimulation RT-PCR Untersuchungen auf die Gen-Expression von runt-related factor-2 (Runx-2) und osteopontin (OPN) sowie die Bestimmung der alkalischen Phosphatase Aktivität. Hier wurde zusätzlich der Effekt der Kombination beider Liganden untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Sowohl in der RT-PCR als auch in der FACS-Analyse inhomogene Expressionslevel der einzelnen BMP-Rezeptoren, wobei die BMPR-I (BMPR-IA, BMPR-IB und ActR-I) höher exprimiert sind als die BMPR-II (BMPR-II, ActR-IIA und ActR-IIB). Nach Stimulation der hMSC mit BMP-2 zeigt sich eine Phosphorylierung besonders von Smad1/5/8 und weniger deutlich von p38 und ERK1/2. Im Gegensatz dazu ist nach der Stimulation mit BMP-7 keine Phosphorylierung der Smad1/5/8 zu erkenne. Hier ist besonders die Phosphorylierung von ERK1/2 aber auch von p38 sichtbar. Die Expressionslevel von OPN und Runx-2 sind nach der Stimulation mit BMP-2 höher als nach der Stimulation mit BMP-7. Die Kombination beider Liganden zeigt die höchsten Expressionswerte. In der Tendenz bestätigt sich dies auch in der Aktivität der alkalischen Phosphatase.

BMP-2 und BMP-7 zeigen eine Liganden-spezifische Signaltransduktion in hMSC. Während BMP-2 vorrangig die Smad-abhängige Signalkaskade aktiviert aber auch eine schwächere Aktivierung der Smad-unabhängigen Kinasen auslöst, aktiviert BMP-7 nahezu ausschließlich die Smad-unabhängige Signalkaskade. Zudem ist die Induktion der osteogenen Differenzierung durch BMP-2 stärker als durch BMP-7. Neben anderen Gründen könnte dem auch die unterschiedliche Expression der einzelnen BMP-Rezeptoren zu Grunde liegen. Der Effekt der osteogenen Differenzierung kann durch die Kombination von BMP-2 und BMP-7 noch gesteigert werden. Dies liegt am ehesten an der simultanen Aktivierung von Smad-abhängiger und Smad-unabhängiger Signalkaskaden. Für die klinische Anwendung könnte dies bedeuten, dass die Kombination beider Präparate die Erfolge in der osteoinduktiven Therapie möglicherweise weiter verbessert.