Bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) is part of a complex capable of inducing ectopic bone formation in mammals. Studies on TGF-β1 processing and Drosophila dorsal-ventral patterning have focused attention on BMP-1 as important in mediating the biological activity of this bone inducing complex. Herein, the bacterial expression, refolding, purification, and initial characterization of the BMP-1 proteolytic domain (BPD) are described. A semi-quantitative fluorescence-based thin layer chromatography assay was developed to assist in rapidly screening for optimal renaturation conditions. According to a preliminary screen for optimal conditions for the refolding of BPD , a detectable proteolytic activity against a high turnover substrate for astacin, a homologous protease from crayfish was observed. The conditions identified have allowed the expression of sufficient amounts of BPD for the characterization of the protein. Its proteolytic activity exhibits the same cleavage specificity as astacin against seven substrates that were previously synthesized for studying astacin. Furthermore, this activity is inhibited by the metal chelator 1,10-phenanthroline but not by its analogue 1,7-phenanthroline. The collagenase inhibitor Pro-Leu-Gly hydroxamate was found to inhibit both astacin and BPD activity. The results presented in this paper argue that BMP-1 does in fact possess an intrinsic proteolytic activity.
Jin, Eun-Sun;Kim, Ji Yeon;Lee, Bora;Min, JoongKee;Jeon, Sang Ryong;Choi, Kyoung Hyo;Jeong, Je Hoon
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.61
no.5
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pp.559-567
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2018
Objective : The aim of this study was to evaluate the effect for biodegradable screws containing bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) in an osteoporotic rat model. Methods : Twenty-four female Wistar rat (250-300 g, 12 weeks of age) were randomized into four groups. Three groups underwent bilateral ovariectomy (OVX). Biodegradable screws with or without BMP-2 were inserted in the proximal tibia in two implantation groups. The extracted proximal metaphysis of the tibiae were scanned by exo-vivo micro-computed tomography. Evaluated parameters included bone mineral density (BMD), trabecular bone volume (BV/TV), trabecular number, trabecular thickness, and trabecular separation (Tb.Sp). The tibia samples were pathologically evaluated by staining with by Hematoxylin and Eosin, and trichrome. Results : Trabecular formation near screw insertion site was evident only in rats receiving BMP-2 screws. BMD and BV/TV significantly differed between controls and the OVX and OVX with screw groups. However, there were no significant differences between control and OVX with screw BMP groups. Tb.Sp significantly differed between control and OVX and OVX with screw groups (p<0.05), and between the OVX and OVX with screw BMP group (p<0.05), with no statistically significant difference between control and OVX with screw BMP groups. Over the 12 weeks after surgery, bone lamellae in direct contact with the screw developed more extensive and thicker trabecular bone around the implant in the OVX with screw BMP group compared to the OVX with screw group. Conclusion : Biodegradable screws containing BMP-2 improve nearby bone conditions and enhance ostoeintegration between the implant and the osteoporotic bone.
Purpose: This study compares the bone formation ability of tricalcium phosphate (TCP) with and without recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) and assesses TCP as a carrier of rhBMP-2. Methods: Bilateral round defects (diameter: 8.0 mm) were formed in the cranium of eight New Zealand white rabbits. The defects were grafted with TCP only (control group) or with rhBMP-2-coated TCP (experimental group). The animals were sacrificed at 1st week, 2nd week, 4th week, and 8th week postoperatively; two rabbits sacrificed each time. The skulls were harvested and subjected to radiographic and histological examination. Results: Radiologic evaluation showed faster bone remodeling in the experimental group than in the control group. Histologic evaluation (H&E, Masson's trichrome stain) showed rapid bone formation, remodeling and calcification in the 1st and 2nd week in the experimental group. Immunohistochemical evaluation showed higher expression rate of osteoprotegerin, receptor activator of nuclear factor ${\kappa}B$ ligand, and receptor activator of nuclear factor ${\kappa}B$ in the experimental group at the 1st and 2nd week than in the control group. Conclusion: rhBMP-2 coated TCP resulted in rapid bone formation, remodeling, and calcification due to rhBMP-2's osteogenic effect. TCP performed properly as a carrier for rhBMP-2. Thus, the use of an rhBMP-2 coating on TCP had a synergic effect on bone healing and, especially, bone remodeling and maturation.
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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v.43
no.6
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pp.373-387
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2017
Objectives: The purpose of this study was to introduce our three experiments on bone morphogenetic protein (BMP) and its carriers performed using the critical sized segmental defect (CSD) model in rat fibula and to investigate development of animal models and carriers for more effective bone regeneration. Materials and Methods: For the experiments, 14, 16, and 24 rats with CSDs on both fibulae were used in Experiments 1, 2, and 3, respectively. BMP-2 with absorbable collagen sponge (ACS) (Experiments 1 and 2), autoclaved autogenous bone (AAB) and fibrin glue (FG) (Experiment 3), and xenogenic bone (Experiment 2) were used in the experimental groups. Radiographic and histomorphological evaluations were performed during the follow-up period of each experiment. Results: Significant new bone formation was commonly observed in all experimental groups using BMP-2 compared to control and xenograft (porcine bone) groups. Although there was some difference based on BMP carrier, regenerated bone volume was typically reduced by remodeling after initially forming excessive bone. Conclusion: BMP-2 demonstrates excellent ability for bone regeneration because of its osteoinductivity, but efficacy can be significantly different depending on its delivery system. ACS and FG showed relatively good bone regeneration capacity, satisfying the essential conditions of localization and release-control when used as BMP carriers. AAB could not provide release-control as a BMP carrier, but its space-maintenance role was remarkable. Carriers and scaffolds that can provide sufficient support to the BMP/carrier complex are necessary for large bone defects, and AAB is thought to be able to act as an effective scaffold. The CSD model of rat fibula is simple and useful for initial estimate of bone regeneration by agents including BMPs.
Objectives : This study was performed to examine the effect of Yukmigiwhang-tang kamibang, a mixture of oriental herbal extracts, on the transcription of bone fonnation genes, BMP4 (bone morphogenetic protein 4) and TG2 (transglutaminase-2). Methods : Bone-related cells, MG-63 (human male osteosarcoma), HOS-TE85 (human female osteosarcoma), and KG-l (bone marrow) were cultured with portions of Yukmigiwhang-tang kamibang and the transcription activities of bone-related genes, BMP4 (bone morphogenetic protein 4) and TG2 (transglutaminase-2), were determined by Reverse-Transcription Polymerase Chain Reaction (RT-PCR). Results : Transcription of BMP4 gene in HOS-TE85 cell increased up to 40% at 0.3% (v/v) of Yukmigiwhang- tang kamibang extract and that of TG2 gene in MG-63 cells also increased up to 40% at 0.3-0.4% of the same extract. Although it was less significant when compared to those in other cells, the transcription of BMP4 gene in KG-l cells also increased up to 10 to 25%. Conclusions : These results clearly demonstrated that Yukmigiwhang-tang kamibang have an effect on transcription activity of bone-related genes, TG2 and BMP4, suggesting that it may play an important role in bone formation.
Bone morphogenetic protein-4 (BMP-4) is considered to have therapeutic potential for various diseases, including cancers; however, the high expression of biologically active recombinant human BMP-4 (rhBMP-4) needed for its manufacture for therapeutic purposes has yet to be established. In the current study, we established a recombinant Chinese hamster ovary (rCHO) cell line overexpressing rhBMP-4 as well as a production process using 7.5-l bioreactor (5 L working volume). The expression of the mature rhBMP-4 was significantly enhanced by recombinant furin expression. The combination of a chemically defined medium and a nutrient supplement solution for high expression of rhBMP-4 was selected and used for bioreactor cultures. The 11-day fed-batch cultures of the established rhBMP-4-expressing rCHO cells in the 7.5-L bioreactor produced approximately 32 mg/l of rhBMP-4. The mature rhBMP-4 was purified to homogeneity from the culture supernatant using a two-step chromatographic procedure, resulting in a recovery rate of approximately 55% and a protein purity greater than 95%. The N-terminal amino acid sequences and N-linked glycosylation of the purified rhBMP-4 were confirmed by N-terminal sequencing and de-N-glycosylation analysis, respectively. The mature purified rhBMP-4 has been proved to be functionally active, with an effective dose concentration of $EC_{50}$ of 2.93 ng/ml.
Yun, Young Jin;Kim, Han-Jun;Lee, Deok-Won;Um, Sewook;Chun, Heung Jae
Journal of Industrial and Engineering Chemistry
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v.67
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pp.244-254
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2018
Surface modified poly ${\text\tiny{L}}$-lactic acid (PLLA) samples with hydroxyapatite (HA), heparin and bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) mediated by polydopamine (pDA) coating (PLLA/pDA/HA/Hep/BMP-2) were prepared, and their effects on the enhancements of bone formation and osseointegration were evaluated in vitro and in vivo as compared to PLLA, PLLA/pDA/HA, and PLLA/pDA/Hep/BMP-2. The changes in surface chemical compositions, morphologies and wettabilities were observed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), atomic force microscopy (AFM) and water contact angle measurements. Pre-coating of HA particles with pDA provided uniform and homogeneous anchoring of particles to PLLA surface. In addition, the strong ionic interaction between heparin and pDA led PLLA surface readily heparinized for loading of BMP-2. In vitro experiments revealed that the levels of alkaline phosphatase (ALP) activity, calcium deposition, and osteocalcin (OCN) gene expression were higher in MG-63 human osteosarcoma cell lines grown on PLLA/pDA/HA/Hep/BMP-2 than on control PLLA, PLLA/pDA/HA, and PLLA/pDA/Hep/BMP-2. In vivo studies using micro-computed tomography (micro-CT) also showed that PLLA/pDA/HA/Hep/BMP-2 screw exhibited greatest value of bone volume (BV) and bone volume/tissue volume (BV/TV) among samples. Histological evaluations with H&E and Von Kossa staining demonstrated that a combination of HA and BMP-2 contributed to the strong osseointegration.
BMP-2 is a well-known TGF-beta related growth factor, having a significant role in bone and cartilage formation. It has been employed to promote bone formation in some clinical trials, and to differentiate mesenchymal stem cells into osteoblasts. However, it is difficult to obtain this protein in its soluble and active form. hBMP-2 is expressed as an inclusion body in the bacterial system. To continuously supply hBMP-2 for research, we optimized the refolding of recombinant hBMP-2 expressed in E. coli, and established an efficient method by using detergent and alkali. Using a heparin column, the recombinant hBMP-2 was purified with the correct refolding. Although combinatorial refolding remarkably enhanced the solubility of the inclusion body, a higher yield of active dimer form of hBMP-2 was obtained from one-step refolding with detergent. The refolded recombinant hBMP-2 induced alkaline phosphatase activity in mouse myoblasts, at $ED_{50}$ of 300-480ng/ml. Furthermore, the expressions of osteogenic markers were upregulated in hPDLSCs and hDPSCs. Therefore, using the process described in this study, the refolded hBMP-2 might be cost-effectively useful for various differentiation experiments in a laboratory.
Bone morphogenetic proteins (BMPs) have diverse and important roles in the proliferation and differentiation of adult stem cells in our tissues. Especially, BMPs are well known to be the main inducers of bone formation, by facilitating both proliferation and differentiation of bone stem cells. Interestingly, in skin stem cells, BMPs repress their proliferation but are indispensable for the proper differentiation into several lineages of skin cells. Here, we tested whether BMP antagonists have an effect on the prevention of wrinkle formation. For this study we used an in vivo wrinkle-induced mouse model. As a positive control, retinoic acid, one of the top anti-wrinkle effectors, showed a 44% improvement compared to the non-treated control. Surprisingly, bone morphogenetic protein receptor 1a extracellular domain (BMPR1a-ECD) exhibited an anti-wrinkle effect which was 6-fold greater than that of retinoic acid. Our results indicate that BMP antagonists will be good targets for skin or hair diseases.
Dedifferentiated fat cells (DFATs) isolated from mature adipocytes have a multilineage differentiation capacity similar to mesenchymal stem cells and are considered as promising source of cells for tissue engineering. Bone morphogenetic protein 9 (BMP9) and low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS) have been reported to stimulate bone formation both in vitro and in vivo. However, the combined effect of BMP9 and LIPUS on osteoblastic differentiation of DFATs has not been studied. After preparing DFATs from mature adipose tissue from rats, DFATs were treated with different doses of BMP9 and/or LIPUS. The effects on osteoblastic differentiation were assessed by changes in alkaline phosphatase (ALP) activity, mineralization/calcium deposition, and expression of bone related genes; Runx2, osterix, osteopontin. No significant differences for ALP activity, mineralization deposition, as well as expression for bone related genes were observed by LIPUS treatment alone while treatment with BMP9 induced osteoblastic differentiation of DFATs in a dose dependent manner. Further, co-treatment with BMP9 and LIPUS significantly increased osteoblastic differentiation of DFATs compared to those treated with BMP9 alone. In addition, upregulation for BMP9-receptor genes was observed by LIPUS treatment. Indomethacin, an inhibitor of prostaglandin synthesis, significantly inhibited the synergistic effect of BMP9 and LIPUS co-stimulation on osteoblastic differentiation of DFATs. LIPUS promotes BMP9 induced osteoblastic differentiation of DFATs in vitro and prostaglandins may be involved in this mechanism.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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