点化学法现场定向固定骨形态发生蛋白2到固体表面
1Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), Translationszentrum Würzburg ‘Regenerative Therapien für Krebs- und Muskuloskelettale Erkrankung’,Institutsteil Würzburg, 2Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin,Universitätsklinikum Würzburg, 3Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie,Universität Würzburg, 4Lehrstuhl für molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik, Julius-von-Sachs Institut für Biowissenschaften,Universität Würzburg
Summary
用骨形态发生蛋白 2 (BMP2) 掺杂的生物材料作为治疗非愈合性骨折的新方法。为了克服因无法控制的释放因素而产生的副作用, 我们提出了一个新的策略, 以现场直接固定的因素, 从而创造材料, 改善成骨能力。
Abstract
深入探讨了不同治疗方法对骨缺损不愈合的处理策略。目前使用的治疗存在一些限制, 导致使用生物材料结合成骨生长因子, 如骨形态发生蛋白 (BMPs)。通常使用的吸收或封装方法需要超生理量的 BMP2, 通常导致一种所谓的初始爆裂释放效应, 引发了一些严重的不良副作用。解决这些问题的可能策略是将蛋白质与支架进行共价键。此外, 耦合应以特定于站点的方式进行, 以保证产品的可重现性。因此, 我们创造了一个 BMP2 变种, 其中一个人工氨基酸 (炔丙基赖氨酸) 引入到成熟的部分 BMP2 蛋白由密码子使用扩展 (BMP2-K3Plk)。BMP2-K3Plk 通过铜催化叠氮化物-炔烃 cycloaddition (CuAAC) 耦合到功能化珠。结合 BMP2-K3Plk 的生物活性被证实为体外, BMP2-K3Plk-functionalized 珠的成骨活性在细胞基检测中得到证实。与 C2C12 细胞接触的功能性珠子能够在局部受限的珠子附近诱导碱性磷酸酶 (ALP) 的表达。因此, 通过这种技术, 可以产生功能化的支架, 可以触发细胞分化为成骨的血统。另外, 由于现场定向耦合 BMP2 的控制方向, 降低 BMP2 剂量是足够的。用这种方法, BMPs 总是暴露在细胞表面的适当方向的受体, 这不是情况下, 如果通过非现场定向耦合技术耦合因素。产品的结果是高度可控的, 从而导致材料的均匀性, 提高其适用性, 修复严重大小骨缺损。
Introduction
骨组织工程和骨再生的最终目的是克服常规治疗非愈合骨折的缺点和局限性。自动或异体移植主要用作当前的治疗策略, 尽管它们都有几个缺点。理想的植骨应由诱导成骨和 osteoconduction 诱导成骨, 导致移植 osteointegration 骨。目前, 只有自动移植被认为是 “金标准”, 因为它提供了理想的骨移植的所有特点。不幸的是, 它还提出了一些重要的负面方面, 例如长时间的手术时间和第二个创伤部位, 通常需要更多的并发症 (例如, 慢性疼痛, 血肿形成, 感染, 美容缺陷,等等)。同种异体移植, 另一方面具有所有一般方面的次优特征1。在过去几年中, 替代植骨技术得到了改善, 目的是生产骨诱导、osteoconductive、生物相容性和 bioresorbable 的支架。由于许多生物材料不显示所有这些成骨特征, 不同的生长因子, 主要 BMP2 和 BMP7, 已被纳入, 以改善其成骨潜能的特殊支架2。
作为一个基本的标准, 这种生长因子传递系统应提供一个控制剂量释放一段时间, 以促进必要的事件, 如细胞的招募和依恋, 细胞肉芽和血管生成。然而, BMPs 和其他成骨生长因子通常是固定的非共价键的3。诱捕和吸附技术需要使用超生理量的蛋白质, 由于最初的爆裂释放, 导致严重的缺点在体内,通常影响周围组织通过诱导骨过度增长,骨溶解, 肿胀和炎症4。因此, 可通过共价固定化方法, 在交付部位保留较长时间的生长因子。经过化学修饰的 BMP2 (琥珀酰化5、乙酰6 或生物素化 7)、工程化 heterodimers 8 或BMP2派生寡肽9已设计并用于克服与吸收.然而, 这些构造的生物活性是不可预知的, 因为这种安排有可能抑制固定配体对细胞受体的束缚。如前所示, 所有四受体链参与形成激活配体-受体配合物与固定化 BMP2 互动, 以充分激活所有下游信号瀑布10。
为了克服由于固定化因子的生物活性、稳定性和生物利用度等因素而产生的不均匀产品结果的问题, 我们设计了一种能以站点为导向的共价键结合支架的 BMP 变体。这个变种称为 BMP2-K3Plk, 包括由遗传密码子扩展11引入的人工氨基酸。该变种已成功地链接到脚手架使用共价键耦合战略, 同时保持其生物活性。
Protocol
1. BMP2 变型 BMP2-K3Plk 的生产 利用 PCR 方法对 BMP2-K3Plk 进行现场定向诱变克隆研究12 用正向底漆 (5 ‘ GACCAGGACATATGGCTCAAGCCTAGCACAAACAGC 3 ‘) 和反向底漆 (5 ‘ CCAGGAGGATCCTTAGCGACACCCACAACCCT 3 ‘), 从 p25N-hmBMP2 矢量放大人类成熟 BMP2 (hmBMP2) (参见材料表), 引入琥珀色停止密码子 (标记) 在 BMP2´s 成熟部分的第一赖氨酸的位置。使用 H2O 的33.5 µL 进行 PCR 反应,…
Representative Results
在本文中, 我们描述了一种方法, 以共价键夫妇一个新的 BMP2 变体, BMP2-K3Plk, 商业上可利用的叠氮化物功能琼脂糖珠 (图 1)。通过诱导 C2C12 细胞碱性磷酸酶 (ALP) 基因表达, 验证了 BMP2-K3Plk 变异的生物活性。体外测试显示了由野生类型 BMP2 (BMP2-WT) 和 BMP2-K3Plk (图 2) 引起的类似的 ALP 表达式级别。 <p class="jove_content" fo:keep-toge…
Discussion
通过遗传密码子扩展生成标记的蛋白质变体允许在主要蛋白质序列的任何位置引入各种非天然氨基酸类似物。如果像 BMP2 这样的 BMPs, 常见的标签, 如 6-组氨酸 (他) 的标签只能被引入 n-末期, 因为 protein´s 的 C 末端是埋在三级蛋白质结构, 因此不能从外部进入。在其他位置, 引入标签的大小很可能会导致结构的改变, 从而抹杀 BMP´s 生物活性。此外, 引入突变的 BMP2 序列可以影响复性的功效, 也可以改?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者感谢 m. Rubini 博士 (德国 Konstanz) 提供质粒编码 pyrrolysyl tRNA 和提供 pRSFduet pyrtRNAsynth 编码相应的氨酰 tRNA 合成酶。
Materials
| Material | |||
| 1-Step NBT/BCIP | Thermo Fisher | 34042 | Add solution to cells |
| 3-Azido-7-hydroxycoumarin | BaseClick | BCFA-047-1 | Chemical used for click reaction |
| Agarose low melting point | Biozym | 840101 | Agarose for ALP assay |
| Azide agarose beads | Jena Bioscience | CLK-1038-2 | Beads used for reaction |
| BamHI (Fast Digest enzyme) | Thermo Fisher Scientific | FD0054 | Restriction enzyme |
| BMP receptor IA (BMPR-IAEC) | — | — | Produced in our lab |
| Coomassie Brilliant Blue G-250 Dye | Thermo Fisher Scientific | 20279 | Chemical used for Coomassie Brilliant blue staining of SDS PAGE |
| Copper (II) sulfate anhydrous (CuSO4) | Alfa Aesar | A13986 | Chemical used for click reaction |
| DNA Polymerase and reaction buffer | Kapabiosystems | KK2102 | KAPA HiFi PCR Kit |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) GlutaMAX | Gibco | 61965-026 | Cell culture media |
| ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma Aldrich GmbH | E5134-1kg | Chemical used to stop click reaction |
| Isopropyl ß-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Carl Roth GmbH | 2316.5 | Bacteria induction (1mM final concentration) |
| NdeI (Fast Digest enzyme) | Thermo Fisher Scientific | ER0581 | Restriction enzyme |
| NHS-activated Texas Red | Life technologies | T6134 | Coupled to receptor |
| P- Nitrophenyl Phosphate | Sigma Aldrich GmbH | N4645-1G | Alkaline Phosphatase |
| p25N-hmBMP2 | — | — | Plasmid kindly provided from Walter Sebald to J. Nickel |
| pET11a-pyrtRNA | — | — | Provided by the Chair for Pharmaceutics and Biopharmacy, University Wuerzburg |
| propargyl-L-lysine (Plk) | — | — | Provided by the Chair for Pharmaceutics and Biopharmacy, University Wuerzburg |
| pSRFduet-pyrtRNAsynth | — | — | Provided by the Chair for Pharmaceutics and Biopharmacy, University Wuerzburg |
| Qiagen Gel Extraction Kit | Qiagen | 28704 | Gel Purification |
| Qiagen PCR purification Kit | Qiagen | 28104 | PCR Purification |
| Sodium L-ascorbate | Sigma Aldrich GmbH | A7631-100G | Chemical used for click reaction |
| T4 DNA Ligase | ThermoScientific | EL0011 | Ligation |
| tris(3-hydroxypropyltriazolylmethyl)amine (THPTA) | BaseClick | BCMI-006-100 | Chemical used for click reaction |
| 4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol | Sigma Aldrich GmbH | X100-1L | Triton X 100 |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Amicon concentrating cell 400 ml | Merck KGaA | UFSC40001 | Concentrating unit |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units | Merck KGaA | UFC901024 | Concentrating centrifugal unit |
| ÄKTA avant FPLC | ÄKTA | — | FPLC machine |
| Avanti J-26XP | Beckman Coulter | 393124 | Centrifuge for bacterial culture |
| Bacterial Shaking Incubator | Infors HT | Shaking incubator for bacterial culture | |
| FluorChem Q system | proteinsimple | — | Imaging and analysis system for SDS-PAGE |
| Fluorescent miscroscope | Keyence | BZ-9000 (BIOREVO) | |
| Fractogel® EMD SO3– (M) | Merck KGaA | 116882 | Ion Exchange Chromatography column material |
| Greiner CELLSTAR® 96 well plates | Sigma | M5811-40EA | 96 well plates for cell culture (ALP Assay) |
| Heraeus Multifuge X1R | ThermoScientific | — | Centrifuge |
| M-20 Microplate Swinging Bucket Rotor | ThermoScientific | 75003624 | Rotor for Microcentrifuge for plate during ALP staining |
| Microcentrifuge – 5417R | Eppendorf | — | Centrifuge |
| OriginPro 9.1 G | OriginLab | — | software for stastic analysis of ALP assay data |
| Polysine Slides | ThermoScientific | 10143265 | microscope slides |
| Rotor JA-10 | Beckman Coulter | — | rotor for Avanti J-26XP centrifuge |
| Rotor JLA 8.1 | Beckman Coulter | — | rotor for Avanti J-26XP centrifuge |
| Rotor JA 25.50 | Beckman Coulter | — | rotor for Avanti J-26XP centrifuge |
| Tecan infinite M200 multiplate reader | Tecan Deutschland GmbH | — | Multiplate reader for ALP assay |
| Thermocycler – Labcycler Gradient | SensoQuest GmbH | — | PCR |
| TxRed – microscope filter | Keyence | Filter for fluorescent microscope | |
| Ultrafiltration regenerated cellulose discs 3 kDa | Merck KGaA | PLBC04310 | used with amicon concentrating cell 400ml |
| Ultrafiltration regenerated cellulose discs 10 kDa | Merck KGaA | PLGC04310 | used with amicon concentrating cell 400ml |
Referencias
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Citar este artículo
Siverino, C., Tabisz, B., Lühmann, T., Meinel, L., Müller, T., Walles, H., Nickel, J. Site-Directed Immobilization of Bone Morphogenetic Protein 2 to Solid Surfaces by Click Chemistry. J. Vis. Exp. (133), e56616, doi:10.3791/56616 (2018).