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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

Liganden-spezifische Signaltransduktion von BMP-2 und BMP-7 in der osteogenen Differenzierung mesenchymaler Stammzellen

Meeting Abstract

  • W. C. Prall - Chirurgische Klinik – Innenstadt, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, München, Germany
  • F. Haasters - Chirurgische Klinik – Innenstadt, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, München, Germany
  • D. Docheva - Chirurgische Klinik – Innenstadt, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, München, Germany
  • W. Mutschler - Chirurgische Klinik – Innenstadt, Chirurgische Klinik und Poliklinik – Innenstadt, München, Germany
  • M. Schieker - Chirurgische Klinik – Innenstadt, Experimentelle Chirurgie und Regenerative Medizin, München, 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. DocEF16-531

DOI: 10.3205/09dkou053, URN: urn:nbn:de:0183-09dkou0534

Published: October 15, 2009

© 2009 Prall et al.
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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.