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Statistical data from in vivo experiments (calvarial defect/orthotopic model). (DOCX 15 kb)

Raw data from qRT-PCR experiments (Fig. 6c, d). (DOCX 20 kb)

Background Bone morphogenetic protein (BMP)-2 and growth and differentiation factor (GDF)-5 are two related transforming growth factor (TGF)-β family members with important functions in embryonic development and tissue homeostasis. BMP-2 is best known for its osteoinductive properties whereas GDF-5—as evident from its alternative name, cartilage derived morphogenetic protein 1—plays an important role in the formation of cartilage. In spite of these differences both factors signal by binding to the same subset of BMP receptors, raising the question how these different functionalities are generated. The largest difference in receptor binding is observed in the interaction with the type I receptor BMPR-IA. GDF-5, in contrast to BMP-2, shows preferential binding to the isoform BMPR-IB, which is abrogated by a single amino acid (A57R) substitution. The resulting variant, GDF-5 R57A, represents a “BMP-2 mimic” with respect to BMP receptor binding. In this study we thus wanted to analyze whether the two growth factors can induce distinct signals via an identically composed receptor. Results Unexpectedly and dependent on the cellular context, GDF-5 R57A showed clear differences in its activity compared to BMP-2. In ATDC-5 cells, both ligands induced alkaline phosphatase (ALP) expression with similar potency. But in C2C12 cells, the BMP-2 mimic GDF-5 R57A (and also wild-type GDF-5) clearly antagonized BMP-2-mediated ALP expression, despite signaling in both cell lines occurring solely via BMPR-IA. The BMP-2- antagonizing properties of GDF-5 and GDF-5 R57A could also be observed in vivo when implanting BMP-2 and either one of the two GDF-5 ligands simultaneously at heterotopic sites. Conclusions Although comparison of the crystal structures of the GDF-5 R57A:BMPR-IAEC- and BMP-2:BMPR-IAEC complex revealed small ligand-specific differences, these cannot account for the different signaling characteristics because the complexes seem identical in both differently reacting cell lines. We thus predict an additional component, most likely a not yet identified GDF-5-specific co-receptor, which alters the output of the signaling complexes. Hence the presence or absence of this component then switches GDF-5′s signaling capabilities to act either similar to BMP-2 or as a BMP-2 antagonist. These findings might shed new light on the role of GDF-5, e.g., in cartilage maintenance and/or limb development in that it might act as an inhibitor of signaling events initiated by other BMPs. Electronic supplementary material The online version of this article (doi:10.1186/s12915-015-0183-8) contains supplementary material, which is available to authorized users.

Statistical data from in vivo experiments (hind limb/heterotopic model). (DOCX 16 kb)

Bone Morphogenetic Proteins sind in eine Vielzahl von physiologischen Wachstums-und Entwicklungsvorgängen involviert und an verschiedenen unphysiologischen bzw. pathologischen Prozessen insbesondere im Bereich des Skelettsystems beteiligt. Ein gezielter Eingriff in die BMP-Signalkaskade könnte denkbare therapeutische Ansätze liefern. In der vorliegenden experimentellen Arbeit wurde die Wirksamkeit eines neuartigen Antagonisten am BMP-Rezeptor, der BMP-2-Doppelmutante A34D/D53A, in vivo evaluiert. Hierzu diente ein heterotopes Implantationsmodell (Skelettmuskulatur) sowie ein orthotopes Defektmodell (Kalottentrepanationsdefekt) bei Ratten. Für die eingesetzten Proteine wurde equines EXKK als Träger- und Freisetzungssystem verwendet. Im heterotopen Implantatlager diente zugesetztes BMP-2 in einer gut evaluierten Dosis als zu unterdrückender osteogener Stimulus. Im orthotopen Defektmodell (Defekt nicht kritischer Größe) sollte der Einfluss auf die physiologischerweise ablaufende knöcherne Defektregeneration ohne weiteren Zusatz von Morphogenen untersucht werden. Bezüglich der heterotopen Implantation konnte eine signifikante, dosisabhängige Hemmung der BMP-2-induzierten Osteoneogenese festgestellt werden. Bei dem orthotopen Implantationsmodell war keine Beeinflussung der physiologischen knöchernen Defektregeneration zu verzeichnen. Die Inhibierung eines einzelnen definierten osteogenen Reizes durch BMP-Rezeptorantagonismus konnte somit gut in vivo belegt werden. Im Rahmen der komplexeren physiologischen orthotopen Knochenregeneration mit vermutlich einer Vielzahl beteiligter Wachstumsfaktoren scheint hingegen die Hemmung eines möglichen Teilaspektes der Osteogenese keine ausschlaggebende Rolle zu spielen., The aim of the study was the in vivo evaluation of e new BMP-2 (Bone Morphogenetic Protein 2) double mutant with antagonistic activity. The influence on heterotopic as well as orthotopic bone formation was investigated. Heterotopic bone formation was inhibited in a dose dependend manner, orthotopic bone formation was not reduced in the present experimental setting.

Niederenergetischer gepulster Ultraschall wird seit mehreren Jahren erfolgreich zur Therapie von verzögert heilenden Frakturen und Pseudarthrosen eingesetzt. Die Wirksamkeit wurde anhand verschiedener klinischer Studien demonstriert, die genauen Wirkmechanismen sind weniger gut verstanden. Ziel dieser Untersuchung war es, den Einfluss von Ultraschall auf verschiedene mesenchymale Zellen anhand von Zellkulturen zu untersuchen. Die Parameter Zellproliferation bzw. Zellvitalität, Zellmorphologie, Aktivität der Alkalischen Phosphatase und Genexpressionsmuster wurden betrachtet. Bei den verwendeten Zellen handelte es sich um primäre Zellen aus humanem spongiösen Knochen („humane Beckenkammzellen“) sowie um die murine Osteoblasten-Linie MC3T3-E1 und um die murine Fibroblasten-Linie L929. Die Ultraschallbehandlung dauerte 20 Minuten täglich und wurde an bis zu sechs aufeinanderfolgenden Tagen durchgeführt. Keine der drei untersuchten Zellarten zeigte eine Änderung des Proliferationsverhaltens bzw. der Zellvitalität. Für Veränderungen der Zellmorphologie sowie der Mineralisierung gab es keinen Anhalt. Bei den humanen Beckenkammzellen wurde eine Steigerung der spezifischen Alkalische-Phosphatase-Aktivität beobachtet, nach sechsmaliger Ultraschallbehandlung betrug sie 143% der Aktivität der Kontrollkulturen. Die MC3T3-E1-Osteoblasten wiesen keine Veränderung ihrer Alkalische-Phosphatase-Aktivität auf, die L929-Fibroblasten exprimierten zu keinem Zeitpunkt, auch nicht unter Ultraschall, dieses Enzym. Weiterhin wurde das Genexpressionsmuster der humanen Beckenkammzellen mittels mRNA-Isolierung und RT-PCR untersucht. Als Markergene dienten Alkalische Phosphatase, Typ-I-Kollagen, Osteokalzin, BMP-2, BMP-4, BMP-7, COX-2 und HSP 47. Abgesehen von BMP-7 wurden alle der genannten Gene sowohl in der Ultraschall- als auch in der Kontrollgruppe exprimiert. Eine qualitative Änderung des Expressionsmusters unter Ultraschall kann somit ausgeschlossen werden. Die semiquantitative Analyse ergab eine erhöhte Expressionsrate von BMP-2 und BMP-4, während die anderen Marker praktisch unverändert blieben., Low-intensity pulsed ultrasound is used for treatment of prolonged fracture healing, non-unions and osteoradionecrosis as well. Its effectiveness has been demonstrated in animal experiments and various clinical studies. The aim of this investigation was to evaluate the influence of ultrasound (30 mW/cm2, 1,5 MHz) on primary human osteoblastic cells in culture. Cells were exposed to ultrasound for twenty minutes on six subseqent days. Cell proliferation and cell viability, cell morphology, alkaline phosphatase activity and gene expression patterns (RT-PCR) were analyzed each day. No changes in cell proliferation and –viability and no morphologic changes were found. The activity of alkaline phosphatase was increased significantly to 143% of the activity of the unsonicated control cultures after six treatments. Analysis of gene expression showed an increase for BMP-2 and BMP-4. There was no evidence for upregulation of the stress protein HSP47. We conclude that low-intensity pulsed ultrasound has no harmful effect on primary human osteoblastic cells in vitro. The data support the clinical findings of accelerated fracture healing under the influence of low intensity ultrasound.