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また、ヘパラン硫酸をcRGDリガンドとBMP2と共固定化したバイオミメティックプラットフォームは、BMP2を介した骨形成分化を促進することを明らかにしました
Heparan sulfate co-immobilized with cRGD ligands and BMP2 on biomimetic platforms promotes BMP2-mediated osteogenic differentiation.
PMID: 32673751 DOI: 10.1016/j.actbio.2020.07.015.
抄録
細胞外マトリックス（ECM）の化学的・物理的特性は、成長因子の生理活性を調節するための基本的なものであることが知られている。グリコサミノグリカンであるヘパラン硫酸（HS）や細胞接着タンパク質（環状RGD（cRGD）リガンドを含む）が骨形成性タンパク質2（BMP2）を介した骨形成分化に果たす役割については、これまで完全には解明されていませんでした。特に、これらのリガンドがECMのように制御された近接した場所に存在する場合に、その効果がどのように増強されるのか、またどのようにして増強されるのかはわかっていませんでした。ここで、我々は、細胞接着と骨形成分化を研究するために、cRGD、HS、BMP2のin vivoでの提示の選択的な側面を模倣し、それらの表面密度と配向をナノスケールで制御するためのストレプトアビジンプラットフォームを開発した。cRGD表面濃度の制御された増加がβインテグリンのリクルートに起因するBMP2シグナル伝達をアップレギュレートするのに対し、βインテグリンとβインテグリンの両方をサイレンシングすると、BMP2が介在するSMAD1/5/9のリン酸化とアルカリホスファターゼの発現にネガティブな影響を与えることが示された。さらに、吸着したBMP2の存在は、非常に低いcRGD濃度で細胞接着を促進した。最後に、cRGDと共固定化したHSは、ストレプトアビジンに直接固定化したBMP2と比較して、低濃度のcRGDでもBMP2のシグナル伝達を持続させ、骨形成分化を促進することを証明した。以上の結果から、HSはBMP2とインテグリン経路の相乗効果を促進・持続させ、HSとcRGDペプチドの共固定化はBMP2が媒介する骨形成分化を最適化することが示された。意義の説明 成長因子BMP2は、大きな骨欠損の治療に使用されている。これまでの研究では、ヘパラン硫酸（HS）などの細胞外マトリックス分子を介したBMP2の提示が、BMP2シグナル伝達をアップレギュレートしうることが示されている。投与量の低減と局所特異性の潜在的な利点は、バイオミメティックアプローチのさらなる研究への関心を刺激した。我々は、ストレプトアビジンモデル表面を設計し、HS、接着モチーフ（環状RGD）、BMP2などの細胞外空間からの定量的な分子を固定化することができるようにした。細胞接着、BMP2の生理活性、骨形成能を研究することで、インテグリン、HS、BMP2の複合効果を明らかにし、細胞とマトリックスの相互作用に関する基本的な疑問に答えることに貢献しています。
The chemical and physical properties of the extracellular matrix (ECM) are known to be fundamental for regulating growth factor bioactivity. The role of heparan sulfate (HS), a glycosaminoglycan, and of cell adhesion proteins (containing the cyclic RGD (cRGD) ligands) on bone morphogenetic protein 2 (BMP2)-mediated osteogenic differentiation has not been fully explored. In particular, it is not known whether and how their effects can be potentiated when they are presented in controlled close proximity, as in the ECM. Here, we developed streptavidin platforms to mimic selective aspects of the in vivo presentation of cRGD, HS and BMP2, with a nanoscale-control of their surface density and orientation to study cell adhesion and osteogenic differentiation. We showed that whereas a controlled increase in cRGD surface concentration upregulated BMP2 signaling due to β integrin recruitment, silencing both β and β integrins negatively affected BMP2-mediated phosphorylation of SMAD1/5/9 and alkaline phosphatase expression. Furthermore, the presence of adsorbed BMP2 promoted cellular adhesion at very low cRGD concentrations. Finally, we proved that HS co-immobilized with cRGD both sustained BMP2 signaling and enhanced osteogenic differentiation compared to BMP2 directly immobilized on streptavidin, even with a low cRGD surface concentration. Altogether, our results show that HS facilitated and sustained the synergy between BMP2 and integrin pathways and that the co-immobilization of HS and cRGD peptides optimised BMP2-mediated osteogenic differentiation. Statement of significance The growth factor BMP2 is used to treat large bone defects. Previous studies have shown that the presentation of BMP2 via extracellular matrix molecules, such as heparan sulfate (HS), can upregulate BMP2 signaling. The potential advantages of dose reduction and local specificity have stimulated interest in further investigations into biomimetic approaches. We designed a streptavidin model surface eligible for immobilizing tunable amounts of molecules from the extracellular space, such as HS, adhesion motifs (cyclic RGD) and BMP2. By studying cellular adhesion, BMP2 bioactivity and its osteogenic potential we reveal the combined effect of integrins, HS and BMP2, which contribute in answering fundamental questions regarding cell-matrix interaction.
Copyright © 2020. Published by Elsevier Ltd.