Knochenheilung mit Beschleunigung – Gen-aktivierte Gerüste könnten helfen

(12.09.2018)

Dr. Ara Hacobian, Leiter der Arbeitsgruppe Molekularbiologie am LBI für Experimentelle und Klinische Traumatologie, kann mit spannenden Forschungsergebnissen aufwarten. Diese wurden kürzlich im internationalen Journal of Controlled Release veröffentlicht: ein gentechnisch optimiertes BMP-2-Plasmid verbessert die Funktionsfähigkeit eines Gen-aktivierten Gerüsts und bewirkt dadurch eine schnellere Heilung von Knochenverletzungen.

Dieses Gen-aktivierte Gerüst besteht aus Chitosan-Nanopartikeln, die in einer knochenähnlichen Kollagen-Hydroxyapatit-Matrix eingebettet sind und Plasmid-DNA tragen. Sie kodiert für knochenmorphogenetische Proteine (Bone Morphogenetic Proteins, BMPs).

Plasmide – kleine, doppelsträngige, autonom replizierende DNA-Ringe -  sind wichtige Werkzeuge in der Molekularbiologie. Sie werden benutzt, um Gene zu exprimieren und Proteine zu bilden – so zum Beispiel BMPs, potente Mediatoren der Osteogenese (Knochenbildung). Durch gentechnische Veränderung eines Plasmids – etwa durch Optimierung der Gensequenz und das Hinzufügen von bestimmten, nicht-kodierenden Gensequenzen (Introns) – kann die Effizienz eines Plasmids gesteigert werden. Die benötigten Proteine werden dadurch schneller und in erhöhtem Ausmaß gebildet. Das Team um Dr. Hacobian brachte ein gentechnisch verbessertes BMP-2-Plasmid (BMP-2-Advanced-Plasmid) in mesenchymale Stammzellen ein. Dies führte zur verstärkten Bildung von BMP-2 und daher zu einer erhöhten Osteogenese-Rate. Außerdem bewirkte der Einbau des BMP-2-Advanced-Plasmids in ein Kollagen-Hydroxyapatit-Gerüst in den Stammzellen eine signifikant erhöhte Produktion von Calcium.

Nur 4 Wochen nach Implantation in einen lebenden Knochen zeigten Mikro-CT-Aufnahmen eine ebenso signifikant erhöhte Formation von Knochengewebe. Spezialuntersuchungen bewiesen, dass das BMP-2-Advanced-Plasmid die Entwicklung von Knochenvorläuferzellen zu reifen, knochenbildenden Zellen (Osteoblasten) beschleunigte. Dadurch konnte eine schnelle Heilung des Knochendefekts erzielt werden. Die Studie bestätigt, dass durch die Optimierung des Plasmid-Konstrukts die Funktionalität eines Gen-aktivierten Gerüsts verstärkt werden und bei einer Knochenverletzung zu einer beschleunigten Knochenformation führen kann.