Barbara Tabisz

• Bone fractures typically heal without surgical intervention. However, pathological situations exist which impede the healing process resulting in so-called non-union fractures. Such fractures are nowadays treated with scaffold material being introduced into the defect area. These scaffolds can be doped with osteogenic factors, such as bone morphogenetic protein (BMP)2. BMP2 belongs to the most osteogenic growth factors known to date. Its medical use, efficiency and safety have been approved by FDA for certain applications. Currently, BMP2 isBone fractures typically heal without surgical intervention. However, pathological situations exist which impede the healing process resulting in so-called non-union fractures. Such fractures are nowadays treated with scaffold material being introduced into the defect area. These scaffolds can be doped with osteogenic factors, such as bone morphogenetic protein (BMP)2. BMP2 belongs to the most osteogenic growth factors known to date. Its medical use, efficiency and safety have been approved by FDA for certain applications. Currently, BMP2 is distributed with a stabilizing scaffold, which is simply soaked with the growth factor. Due to fast release kinetics supraphysiological high doses of BMP2 are required which are causally associated with severe side effects observed in certain applications being most harmful in the area of the cervical spine. These side-effects include inflammation, swelling and breathing problems, leading to disastrous consequences or secondary surgical interventions. Since it could be shown that a retardation of BMP2 release from the scaffold resulted in superior bone forming properties in vivo, it seems obvious to further reduce this release to a minimum. This can be achieved by covalent coupling which in the past was already elaborated using mainly classical EDC/NHS chemistry. Using this technique coupling of the protein occurs non-site-directedly leading mainly to an unpredictable product outcome with variable osteogenic activities. In order to improve the reproducibility of scaffold functionalization by BMP2 we created variants one of which contains a unique unnatural amino acid substitution within the mature polypeptide sequence (BMP2-K3Plk) and another, BMP2-A2C, in which an N-terminal alanine has been substituted by cysteine. These modifications enable site-specific and covalent immobilization of BMP2 e.g. onto polymeric beads. Both proteins were expressed in E. coli, renatured and purified by cation-exchange chromatography. Both variants were extensively analyzed in terms of purity and biological activity which was tested by in vitro interaction analyses as well as in cell based assays. Both proteins could be successfully coupled to polymeric beads. The different BMP2 functionalized beads were shown to interact with the ectodomain of the type I receptor BMPR-IA in vitro indicating that the biological activity of both BMP2 variants retained upon coupling. Both functionalized beads induced osteogenic differentiation C2C12 cells but only of those cells which have been in close contact to the particular beads. This strongly indicates that the BMP2 variant are indeed covalently coupled and not just adsorbed. We claim that we have developed a system for a site-specific and covalent immobilization of BMP-2 onto solid scaffolds, potentially eliminating the necessity of high-dose scaffold loading. Since immobilized proteins are protected from removal by extracellular fluids, their activities now rely mainly on the half-life of the used scaffold and the rate of proteolytic degradation. Assuming that due to prolonged times much lower loading capacities might be required we propose that the immobilization strategy employed in this work may be further refined and optimized to replace the currently used BMP2-containing medical products.…
• Knochenbrüche heilen typischerweise ohne die Notwendigkeit chirurgischer Eingriffe. Es gibt jedoch pathologische Situationen, in denen keine Heilung erfolgt was zur Ausbildung sogenannter non-union Frakturen führt. Solche Frakturen werden heutzutage mit Trägermaterialen versorgt, welche in die Defektzonen eingebracht werden. Diese Trägermaterialien können mit osteogen wirkenden Faktoren dotiert sein, z.B. mit bone morphogenetic protein (BMP)2. BMP2 gehört zu den am meisten osteogen wirkenden Faktoren, welche derzeit bekannt sind. Die NutzungKnochenbrüche heilen typischerweise ohne die Notwendigkeit chirurgischer Eingriffe. Es gibt jedoch pathologische Situationen, in denen keine Heilung erfolgt was zur Ausbildung sogenannter non-union Frakturen führt. Solche Frakturen werden heutzutage mit Trägermaterialen versorgt, welche in die Defektzonen eingebracht werden. Diese Trägermaterialien können mit osteogen wirkenden Faktoren dotiert sein, z.B. mit bone morphogenetic protein (BMP)2. BMP2 gehört zu den am meisten osteogen wirkenden Faktoren, welche derzeit bekannt sind. Die Nutzung dieses Faktors als Medikament, wurde aufgrund seiner Effizienz und der Sicherheit in der Anwendung von der FDA für bestimmte Anwendungsgebiete zugelassen. Derzeit wird BMP2 mit einer stabilisierenden Trägerstruktur vertrieben, wobei diese einfach mit dem Wachstumsfaktor getränkt wird. Aufgrund schneller Freisetzungskinetiken werden unphysiologisch hohe Mengen von BMP2 gebraucht, welche in Beziehung zu extremen Nebeneffekten gebracht werden, die bei verschiedenen Anwendungen, speziell im Wirbelsäulenbereich, beobachtet werden konnten. Die Nebeneffekte umfassen Endzündungen, einhergehend mit Schwellungen und Atemprobleme, welche weitere Operationen nach sich ziehen können. Da bereits gezeigt werden konnte, dass eine Verzögerung der BMP2 Freisetzung aus der Trägerstruktur eine Verbesserung der osteogenen Wirkung mit sich bringt erscheint es offensichtlich, diese Freisetzung auf ein Minimum zu reduzieren. Dies kann durch kovalente Anbindung erreicht werden, was bereits in der Vergangenheit durch die Verwendung klassischer EDC/NHS Kopplungschemie versucht wurde. Bei dieser Art der Anbindung wird das Protein ungerichtet gekoppelt, was zu unvorhersagbaren Produktqualitäten mit variablen osteogenen Aktivitäten führt. Um eine Reproduktion solcher Funktionalisierungen mit BMP2 zu ermöglichen wurden zwei BMP-2 Varianten erzeigt, wobei bei einer der Varianten eine Aminosäure im N-terminalen Teil des reifen Proteinteils gegen eine unnatürliche Aminosäure BMP2-Plk), bei der anderen ein Alanin gegen ein Cystein ausgetauscht wurde BMP2-A2C. Durch diesen Austausch wird es möglich, diese Varianten gerichtet an polymere Strukturen anzubinden. Beide Proteine wurden in E. coli exprimiert, renaturiert und mittels Kationenaustausch-Chromatographie aufgereinigt. Die resultierenden Proteinprodukte wurden intensiv bzgl. ihres Reinheitsgrades sowie ihrer biologischen Aktivität überprüft. Letzteres erfolgte sowohl durch In-vitro Interaktions-Analysen als auch durch zellbasierte Untersuchungen. Beide Proteine konnten erfolgreich an polymere Strukturen ("beads") gekoppelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen BMP2 funktionalisierten beads mit isolierten Ektodomänen des BMP Typ I Rezeptors (BMPR-IA) interagieren. Dies belegt, dass die biologische Aktivität auch nach der Kopplung erhalten bleibt. Die funktionalisierten beads induzieren die osteogene Differenzierung von C2C12 Zellen. Die Differenzierung erfolgt aber nur in jenen Zellen die im direkten Kontakt zu den beads stehen. Dies legt nahe, dass beide BMP2 Varianten wirklich kovalent gekoppelt und nicht nur adsorbiert sind. Es kann behauptet werden, dass im Rahmen dieser Arbeit ein System entwickelt wurde, durch das eine gerichtete Immobilisierung von BMP2 an solide Oberflächen möglich ist. Dadurch können möglicherweise die notwendigen BMP2 Mengen reduziert werden, da bereits Subnanogram Mengen der gekoppelten BMP2 Varianten Osteogenese auslösen können. Da gekoppelte Proteine nicht durch interstitielle Flüssigkeiten entfernt werden können unterliegt die Fortdauer ihrer biologischen Aktivität der Halbwertszeit des verwendeten Trägermaterials, was durch die verlängerten Wirkzeiten eine Verringerung der verwendeten Wachstumsfaktormenge ermöglicht. Es wird beabsichtigt diese Kopplungsstrategie weiterzuentwickeln um die derzeit am Markt befindlichen BMP2 beinhaltenden Medizinprodukte ersetzen zu können.…