РЕКОМБИНАНТНЫЙ ФАКТОР РОСТА КОСТНОЙ ТКАНИ BMP-2 ЧЕЛОВЕКА, ПОЛУЧАЕМЫЙ СИНТЕЗОМ В КЛЕТКАХ ESCHERICHIA COLI. Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

https://doi.org/10.17116/molgen20203802159

Рекомбинантный фактор роста костной ткани BMP-2 человека, получаемый синтезом в клетках Escherichia coli. Часть 2: от совместного применения с другими факторами в биологических моделях до медицинского применения

© А.В. ГРОМОВ1, М.С. ПОПОНОВА1, А.С. КАРЯГИНА1, 2 3

'Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России, Москва, Россия; 2Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии, Москва, Россия;

3НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Резюме

В обзоре описаны существующие подходы по совместному применению BMP-2 с другими белковыми факторами для повышения остеоиндуктивности разрабатываемых материалов. Современные тенденции заключаются в получении эффективных в отношении остеоиндукции материалов с низкой концентрацией BMP-2, обеспечивающих длительный выход белка. На основе BMP-2, получаемого синтезом в E. coli, разработаны препараты для медицинского применения российского и корейского производства. Первый опыт использования этих препаратов в ортопедии, травматологии, спинальной хирургии и дентальной имплантологии показал обнадеживающие результаты. Проводятся исследования с целью изучения возможности применения рекомбинантного BMP-2 в офтальмологии, онкологии, для лечения остеоартроза. Поиск литературы проводился по базам данных PubMed Central (U.S. National Institutes of Health's National Library of Medicine (NIH/ NLM)), PubMed (NLM National Center for Biotechnology Information (NCBI)) и e-library («Научная электронная библиотека»).

Ключевые слова: BMP-2, Escherichia coli, регенерация костной ткани, остеопластические материалы, обзор. ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ:

Громов А.В. — e-mail: alexander.v.gromov@gmail.com; https://orcid.org/ 0000-0001-8815-6138 Попонова М.С. — e-mail: m.poponova@gmail.com

Карягина А.С. — e-mail: akaryagina@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-2580-3489 Автор, ответственный за переписку: Громов А.В. — е-mail: alexander.v.gromov@gmail.com

КАК ЦИТИРОВАТЬ:

Громов А.В., Попонова М.С., Карягина А.С. Рекомбинантный фактор роста костной ткани BMP-2 человека, получаемый синтезом в клетках Escherichia coli. Часть 2: от совместного применения с другими факторами в биологических моделях до медицинского применения. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2020;38(2):59—66. https://doi.org/10.17116/molgen20203802159

Recombinant human bone growth factor BMP-2 obtained by synthesis in Escherichia coli. Part 2: From co-application with other protein factors in biological models to medical applications

© A.V. GROMOV1, M.S. POPONOVA1, A.S. KARYAGINA1, 2, 3

1Gamaleya National Research Center of Epidemiology and Microbiology, Ministry of Healthcare of the Russian Federation, Moscow, Russia; 2All-Russia Research Institute of Agricultural Biotechnology, Moscow, Russia;

3Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia Abstract

The review is devoted to modern approaches for joint application of BMP-2 with other protein factors to increase osteoinductivity of the developed materials. Current trends are to obtain materials with low BMP-2 concentration that are effective for osteoinduc-tion and provide sustained protein release. On the basis of BMP-2, obtained by synthesis in E. coli, some drugs for medical usage were developed in Russia and Korea. The first experience of usage of such drugs in orthopedics, traumatology, spinal surgery and dental implantology showed encouraging results. Studies are conducted to investigate the possibility of recombinant BMP-2 usage in ophthalmology, oncology and for the treatment of osteoarthritis. For literature search we used data bases PubMed Central (U.S. National Institutes of Health's National Library of Medicine (NIH/NLM)), PubMed (NLM National Center for Biotechnology Information (NCBI)), and e-library («Science Electronic Library»).

Keywords: BMP-2, Escherichia coli, bone tissue regeneration, osteoplastic materials, review. INFORMATION ABOUT AUTHORS:

Gromov A.V. — e-mail: alexander.v.gromov@gmail.com; https://orcid.org/0000-0001-8815-6138 Poponova M.S. — e-mail: m.poponova@gmail.com

Karyagina A.S. — e-mail: akaryagina@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-2580-3489 Corresponding author: Gromov A.V. — e-mail: alexander.v.gromov@gmail.com

TO CITE THIS ARTICLE:

Gromov AV, Poponova MS, Karyagina AS. Recombinant human bone growth factor BMP-2 obtained by synthesis in Escherichia coli. Part 2: From co-application with other protein factors in biological models to medical applications. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya (Molecular Genetics, Microbiology and Virology). 2020;38(2): 59—66. (In Russ.). https://doi.org/10.17116/molgen20203802159

Первая часть обзора, опубликованная ранее (в №1 2020), содержала сведения об основных свойствах BMP-2, механизме его действия, аспектах получения активного фактора в бактериальных продуцентах, а также носителях BMP-2 и экспериментальных моделях тестирования эффективности материалов на основе BMP-2 на лабораторных животных.

Вторая часть обзора посвящена совместному применению BMP-2 c другими факторами в составе одного материала, а также медицинскому применению материалов с добавлением BMP-2 бактериального происхождения.

Совместное применение BMP-2 с другими

факторами

Помимо разработки новых носителей другим перспективным подходом при создании эффективных и безопасных остеопластических материалов с пониженной концентрацией BMP-2 является совместное применение с другими биологически активными факторами. Механизм восстановления костной ткани чрезвычайно сложен и сопряжен с целым рядом параллельных процессов, связанных с привлечением и дифференцировкой мезенхималь-ных стволовых клеток, взаимодействием остеобластов и остеокластов, ангиогенезом, минерализацией и перестройкой первичного регенерата. Учитывая разнообразие факторов роста и цитокинов, участвующих в этих биологических процессах, ожидается, что совместное применение биологически активных факторов может привести к более успешным результатам в регенерации костной ткани.

Среди исследований совместного применения BMP-2 с обширным перечнем факторов, оказывающих влияние на процессы регенерации костной ткани, можно выделить использование эритропоэтина (ErythroPOietin, EPO) [1—3], фактора стромальных клеток 1 (Stromal cell-Derived Factor-1, SDF-1) [4—8], фактора роста эндотелия сосудов (Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF) [9—12], тромбоцитарного фактора роста (Platelet-Derived Growth Factor, PDGF) [12, 13], инсулиноподобного фактора роста 1 (Insulin-like Growth Factor-1, IGF-1) [14] и фактора роста фибробластов 2 (Fibroblast Growth Factor 2, FGF-2) [15, 16].

При анализе литературы было отдано предпочтение исследованиям BMP-2 бактериального происхождения, в ряде случаев — публикациям без указания выбора продуцента BMP-2 (см. таблицу).

Эритропоэтин, один из гормонов почек, отвечающий за образование красных кровяных клеток, широко используется в медицине для коррекции анемий при хронической почечной недостаточности, онкологических заболеваниях, хронических воспалительных заболеваниях кишечника, трансплантации органов и тканей и др. Помимо основной функции доказано влияние эритропоэтина на процессы остеогенеза и ангиогенеза, что способствует регенерации костной ткани [17, 18]. Эритропоэтин прошел успешную клиническую апробацию при лечении переломов костей голени [19]. Примечательно, что эритропоэтин оказывает влияние на различных этапах восстановления костной ткани, таких как острая воспалительная реакция, образование костной мозоли, минерализация, ангиогенез посредством разнообразных типов клеток, включая остеокласты, остеобласты, эндотелиальные и кровяные клетки и их предшественников [20]. В работе С. Ы и соавт. [21] продемонстрирован один из механизмов участия эритропоэтина в процессах образования костной ткани посредством ЕрЬг/ерЬпп сигнального пути, отвечающего за взаимодействие остеобластов и остеокластов, которое играет определяющую роль в процессах ремоделирования, а также на поздних стадиях восстановления целостности костной ткани. Остео-генез, регулируемый по ЕрЬг/ерЬпп-сигнальному пути, протекает по независимому от ВМР-2 механизму [22], следовательно, при совместном применении ВМР-2 и ЕРО можно рассчитывать на повышение остеоиндуктивных свойств композиционных материалов на их основе при снижении эффективной концентрации каждого из компонентов. Положительный эффект совместного воздействия эритропоэтина и ВМР-2, заключающийся в увеличении объема новообразованной кости, а также улучшении ее морфологических параметров, показан на модели краниальных дефектов у мышей [2] (см. табл. 1).

Добавление эритропоэтина приводило к увеличению количества красных кровяных клеток в периферической крови, увеличению популяций гемато-поэтических и мезенхимальных стволовых клеток в костном мозге, а также остеокластогенезу. Совместное применение ВМР-2 с эритропоэтином также дало положительные результаты на модели эктопического остеогенеза у мышей при использовании носителя из поликапролактона [1]. Через 4 и 8 нед после имплантации в группе с совместным применением факторов наблюдалось увеличение объема новообразованной кости, минеральной плотности, образование более плотного красного костного мозга по срав-

Совместное применение BMP-2 с другими биологически активными факторами

Количество BMP-2

Количество фактора 2

Носитель

Особенности введения/выхода факторов

Животная модель

Результат по сравнению с одиночным использованием BMP-2

Ссылка

65 мкг/мл

1 мкг

1; 10 мкг

2,5 мкг

2 мкг

2,5 мкг

0,5; 2,5 и 5 мкг

300 нг

3 мкг

2 мкг

2 мкг

EPO

200 ед./мл

EPO

6000 ед./кг

SDF-1 0,1; 0,5 и 1 мкг

SDF-1 400 нг

SDF-1 1 мкг

SDF-1 10 мкг

SDF-1 300 нг

VEGF 3 мкг

VEGF 12 мкг

VEGF 3 мкг

Поликапролак-тон

EPO

1000 ед./мл

Коллаген/желатин

ДКМ

BMP-2 во внутренней части носителя, EPO во внешней

BMP-2 в составе имлантата, подкожные инъекции EPO в зону дефекта через день в течение 2 нед

BMP-2 иммобилизован, EPO введен инъекционно в зону дефекта

Коллаген

Фиброин/Ги-дроксилапатит

Коллаген

Минерализованный коллагеновый матрикс с гепарином

Хитозан/агаро-за/желатин + гепарин (нано-частицы)

Полилактид-поли (этилен-гликоль)-поли-

лактид Микрочастицы

желатина в пористом поли-(пропилен фумарате)

Коллаген

Одновременный выход

Последовательный выход VEGF и BMP-2

Одновременный выход

Одновременный выход

Эктопический осте-огенез у мышей

Краниальные дефекты критического размера у мышей

Регенерация краниальных дефектов критического размера у мышей

Одновременный выход

Последовательный выход SDF-1 и BMP-2

Ковалентное связывание обоих факторов, одновременный выход

Одновременный выход

Краниальные дефекты критического размера и эктопический остеогенез у мышей

Краниальные дефекты критического размера у крыс

Эктопический осте-огенез у крыс

Краниальные дефекты критического размера у мышей

Привлечение стволовых клеток в зоне имплантации у мышей

Не проводилось

Краниальные дефекты критического размера у крыс

Эктопический осте-огенез у крыс

Через 4 и 8 нед увеличение [1]

объема новообразованной кости, минеральной плотности, образование более плотного красного костного мозга по сравнению с желтым костным мозгом в случае BMP-2

Через 6 нед увеличение объе- [2] ма новообразованной кости, улучшение ее морфологических параметров, увеличение популяций гематопоэтических и мезен-химальных стволовых клеток в костном мозге, остеокластогенез

Эритропоэтин существенно [3]

улучшал количественные и качественные характеристики костной ткани в зоне имплантации при совместном применении с BMP-2 как в дозе 1 мкг, так и 10 мкг Нет достоверного увеличения [4] показателей новообразованной костной ткани

Через 12 нед увеличение объ- [5] ема новообразованной кости, популяции мезенхимальных стволовых клеток в зоне дефекта, площади закрытия дефекта Усиленный эктопический [6]

остеогенез по сравнению с методом физической адсорбции, отсутствие остеогенеза в случае одиночного применения BMP-2 Увеличение объема новообразо- [7] ванной костной ткани при пониженной концентрации BMP-2, при этом результаты оказались

сопоставимы с одиночным применением BMP-2 в высокой

концентрации Оба белка проявили свою спец- [8] ифическую активность in vitro на клеточных линиях и in vivо, сравнительная оценка остеогене-за не проводилась Усиленная дифференцировка [9] мезенхимальных стволовых клеток по ERK1/2 и Wnt сигнальным путям Достоверное увеличение объема [10] костной ткани через 4 нед после операции, к 12-й неделе отличий не наблюдалось; в случае совместного использования наблюдалось увеличение площади

закрытия дефекта Через 3 нед увеличение объема [11] новообразованной кости, васку-лизации

Окончание таблицы см. на след стр.

Совместное применение BMP-2 с другими биологически активными факторами (Окончание)

Количество BMP-2

Количество фактора 2

Носитель

Особенности введения/выхода факторов

Животная модель

Результат по сравнению с одиночным использованием BMP-2

Ссылка

1,12 мкг

20 мкг

50 нг/мл

2 мкг

100 нг/мл

VEGF 0,24 мкг PDGF 0,24 мкг PDGF 6 мкг

IGF-1

50 нг/мл

FGF-2 5 нг

FGF-2 50 нг/мл

Полилак-тид-когликоле-вая кислота

Альгинат/каль-ций-фосфат-ный композит

Хитозановый гель/желатиновые микросферы Коллаген/ги-дроксилапатит

Полилак-тид-коглико-левая кислота/ поликапролак-тон/гидрокси-лапатит

Первичный выход VEGF и PDGF с последующим выходом BMP-2 Последовательный выход PDGF и BMP-2

Последовательный выход BMP-2 и IGF-1

Быстрое высвобождение FGF-2, медленное BMP-2

Дефекты критического размера боль-шеберцовых костей

у овец Не использовалась

Не использовалась

Краниальные дефекты 3,5 мм у старых мышей

Одновременный Дефекты нижней выход челюсти у кроликов

Нет достоверного увеличения [12] показателей новообразованной костной ткани

Усиливался синтез щелочной [13] фосфатазы в мезенхимальных стволовых клетках, нет отличий

с одиночным применением ВМР-2; усиление инфильтрации клеток

Усиливался синтез щелочной [14] фосфатазы в линии стромальных клеток костного мозга мышей W-20—17

Нет отличий в объеме костной [15] ткани, увеличение зоны перекрытия дефекта у старых мышей; у молодых мышей отличий нет

Через 4 и 12 нед увеличение [16] объема новообразованной кости и васкуляризации

нению с желтым костным мозгом в случае BMP-2. Совместное действие BMP-2 прокариотического происхождения в дозах 1 и 10 мкг и рекомбинантного эритропоэтина («Эпостим»), вводимого подкожно в область дефекта в суммарной дозе 6000 МЕ/кг, изучено на модели регенерации краниальных дефектов критического размера у мышей. Эритропоэтин существенно улучшал количественные и качественные характеристики костной ткани в зоне имплантации при совместном применении с BMP-2 как в дозе 1 мкг, так и 10 мкг [3]. Также был выделен эритропоэтин прокариотического происхождения с различными дополнительными доменами для повышения биологической активности и способности связываться с остеопластическим материалом — ДКМ [23]. Согласно результатам исследований in vitro и in vivo активности, наиболее перспективным для дальнейшего исследования в качестве компонента костных материалов является препарат, содержащий гепа-рин-связывающий домен на С-конце.

Другим перспективным фактором для совместного использования с BMP-2 является фактор стро-мальных клеток 1 (SDF-1), представляющий собой хемоаттрактант для гемопоэтических и мезенхимальных стволовых клеток. SDF-1 играет важную роль в эмбриональном развитии, гематопоэзе, а также регенерации различных тканей, включая костную, привлекая стволовые клетки к месту повреждения [8, 24]. По-видимому, очередность выхода каждого фактора из носителя имеет критическое значение при совместном применении BMP-2 с SDF-1. Так, одно-

временный выход факторов из коллагеновых губок не приводил к достоверному увеличению показателей новообразованной костной ткани, как на модели краниальных дефектов критического размера у мышей, так и в случае эктопического остеогенеза, по сравнению с одиночным применением BMP-2 [4].

В то время как последовательное высвобождение SDF-1 и BMP-2 из фиброин-наногидроксилапати-тового композита приводило к синергическому эффекту in vitro и in vivo [5]. Быстрый выход SDF-1 на первом этапе провоцировал привлечение мезенхимальных стволовых клеток костного мозга с их последующей дифференциацией в остеобласты под действием постепенно высвобождаемого BMP-2 на втором этапе.

Помимо последовательности выхода существенное влияние на эффективность совместного применения SDF-1 и BMP-2 также оказывает кинетика выхода. Ковалентное связывание обоих факторов на коллагеновом носителе приводило к усиленному эктопическому остеогенезу у крыс по сравнению с методом физической адсорбции [6]. Примечательно, что BMP-2 был добавлен в низкой дозе (2,5 мкг), при которой не наблюдалось эктопического остеогенеза в случае его одиночного применения. Аналогичные результаты показаны в работе S. Zwingenberger и со-авт. [7]. Добавление SDF-1 (10 мкг) позволило достигнуть увеличения объема новообразованной костной ткани при пониженной дозе BMP-2 (2,5 мкг), при этом результаты оказались сопоставимы с одиночным применением высокой дозы BMP-2 (15 мкг).

Локальное кровоснабжение имеет критическое значение для эффективной регенерации костной ткани. Торможение ангиогенеза оказывает негативное влияние на образование костной ткани, в то время как стимулирование ангиогенеза приводит к повышению скорости ее регенерации [25]. Таким образом, участие фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), являющегося основным стимулятором васкулогенеза и ангиогенеза, потенциально может усилить остеогенез при совместном использовании с факторами роста кости. VEGF оказывает влияние на процессы прямого и непрямого остеогенеза, а также восстановления повреждений костной ткани [26, 27]. Последовательное высвобождение VEGF и BMP-2 из микрокапсул по-лилактид-поли(этиленгликоль)-полилактида приводило к усиленной дифференциации мезенхимальных стволовых клеток по ERK1/2 и Wnt-сигнальным путям в случае совместного применения факторов [9]. Однако результаты совместного применения BMP-2 с VEGF in vivo противоречивы [25].

Так, при использовании BMP-2 бактериального происхождения совместно с VEGF наблюдалось достоверное отличие от одиночного применения BMP-2 только через 4 нед после операции, которое исчезало к 12-й неделе, что свидетельствует о взаимодействии факторов на ранних этапах регенерации [10]. При этом в случае совместного использования наблюдалось увеличение площади закрытия дефекта.

Положительные результаты совместного применения BMP-2 и VEGF также получены в экспериментах на модели эктопического остеогенеза у крыс [11], в которых в группе с совместным применением факторов помимо увеличения объема новообразованной костной ткани наблюдалась повышенная васкуляри-зация. В то же время использование полилак-тид-ко-гликолевой кислоты в качестве носителя при восстановлении дефектов критического размера боль-шеберцовых костей у овец не привело к достоверному отличию результатов при совместном применении BMP-2, VEGF и PDGF от данных по их применению порознь [12].

Другим важным фактором ангиогенеза является фактор роста тромбоцитов. Применение PDGF также оказывает положительный эффект на восстановление дефектов костной ткани [28]. При совместном применении с BMP-2 усиливался синтез щелочной фосфатазы в мезенхимальных стволовых клетках и инфильтрация клеток при последовательном выходе из альгинат/кальций-фосфатного композита [13].

Аналогичные результаты совместного применения BMP-2 in vitro получены с инсулиноподобным фактором роста 1 (IGF-1), являющимся важнейшим эндокринным посредником действия соматотропно-го гормона [14]. IGF-1 — митогенный фактор, влияющий на рост зрелых клеток, а также рост и диффе-ренцировку эмбриональных клеток. Показан положительный эффект IGF-1 на стимуляцию роста

и пролиферацию остеобластов, в результате чего наблюдалось усиление роста тканей перидонта in vitro [29].

Факторы роста фибробластов относятся к семейству факторов, участвующих в ангиогенезе, заживлении ран и эмбриональном развитии, основным из которых является FGF-2. Результаты совместного применения BMP-2 с FGF-2 получены на модели краниальных дефектов с применением коллаген/ги-дроксилапатитного композита [15]. Несмотря на отсутствие отличий в объеме новообразованной костной ткани при совместном использовании факторов по сравнению с одиночным применением BMP-2, в группе BMP-2 + FGF-2 наблюдалось увеличение зоны перекрытия дефекта у старых мышей, при этом у молодых мышей таких отличий не наблюдалось. Другим положительным примером совместного применения BMP-2 с FGF-2 является работа J. Su и со-авт. [16]. При восстановлении дефектов нижней челюсти у кроликов наблюдалось увеличение объема новообразованной кости и васкуляризации при совместном применении обоих факторов.

Чрезвычайно широкий перечень существующих носителей, концентрационных соотношений, различных моделей контролируемого выхода факторов из носителя, а также использованных животных моделей обусловливает противоречивость результатов совместного применения BMP-2 с другими факторами и сложность сравнительного анализа исследований. Поиск оптимального состава, соотношения и кинетики выхода различных биологически активных факторов для эффективного восстановления костной ткани является предметом дальнейших исследований.

Первый опыт практического применения материалов с добавлением фактора BMP-2 бактериального происхождения в ортопедии, травматологии, спинальной хирургии и дентальной имплантологии

На базе Национального центра эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи разработаны два композиционных препарата, содержащие в своем составе фактор BMP-2, полученный биосинтезом в клетках бактерий: «ГАМАЛАНТ-паста-ФОРТЕ Плюс» и «ГАМАЛАНТ-крошка Плюс». Основой композиционного препарата в первом случае являются синтетический нанокристаллический гидроксилапа-тит и высокоочищенный коллаген I типа, во втором — деминерализованный кортикальный или губ-чато-кортикальный костный матрикс крупного рогатого скота. Имеется первый опыт практического применения данных препаратов. Так, в ГКБ имени С.П. Боткина в 2011 г. материалы на основе BMP-2 были использованы у 8 пациентов с различными дефектами костной ткани (n=4) и ложными сустава-

ми (и=4) после травмы. Всем пациентам было выполнено оперативное лечение металлическими пластинами для достижения абсолютной стабильности костных фрагментов. После установки имплантата костный дефект заполнялся либо «ГАМА-ЛАНТ-крошкой Плюс», либо смесью «ГАМА-ЛАНТ-пасты-ФОРТЕ Плюс» и фрагментов аутоко-сти. Во всех случаях через 20—24 нед после операции наблюдалось формирование костной мозоли, при этом функциональный результат у всех пациентов был максимальным [30].

В качестве примера можно привести один из клинических случаев с применением «ГАМАЛАНТ-крош-ки Плюс». У пациентки Б., 53 лет, произошел поперечный перелом правой плечевой кости со смещением и повреждением лучевого нерва. Пациентке был произведен остеосинтез плечевой кости пластиной, оказавшийся несостоятельным. Через 6 нед была выполнена вторая операция: удаление пластины, ревизия лучевого нерва, реостеосинтез плечевой кости штифтом. В течение 4 лет пациентка жаловалась на боли и выраженную слабость в правой руке, невозможность более 10 мин работать рукой. При обращении в 27-е травматологическое отделение ГКБ имени С.П. Боткина был выявлен ложный сустав плечевой кости с остеолизисом костной ткани в дистальном отделе плеча в месте контакта штифта, после чего была произведена операция по удалению штифта, резекции ложного сустава плечевой кости (укорочение до 3 см), реостеосинтез правой плечевой кости пластиной ЬСР с использованием материала «ГАМАЛАНТ-крошка Плюс». Через 6 мес после операции у пациентки отмечена консолидация костных фрагментов с формированием костной мозоли и восстановлением функции руки (пациентка снова смогла вязать) [31].

В Республиканской клинической больнице им. Г.Г. Куватова (Уфа) у 5 пациентов в возрасте от 35 до 65 лет с оскольчатыми переломами позвонков с повреждением переднего и заднего костного опорного комплекса, заболеваниями грудного и поясничного отделов позвоночника дегенеративно-дистрофического и диспластического характера (нестабильные формы остеохондроза, спондилоартроз) проводилось оперативное лечение с использованием остепластического материала «ГАМАЛАНТ-крош-ка Плюс». Использование материала в комбинации с костными ауточипсами при переднем спондилодезе позволяло равномерно и более полно заполнять свободные межфрагментарные промежутки вокруг основного трансплантата. Осложнений не наблюдалось. Через 18—20 нед рентгенологически определялся формирующийся межтеловой костный блок[30, 32].

Композиционный препарат, содержащий в своем составе фактор ВМР-2, полученный биосинтезом в клетках бактерий (ЕгйВМР-2), разработан и доведен до коммерческого использования в Республике

Корея. Он представляет собой Р-трикальций фосфат/ гидроксилапатит (P-TCP/HA) c адсорбированным на нем ErhBMP-2 (Cowellmedi Co, Pusan, Корея) с концентрацией фактора 1,5 мг/мл. Опубликованы результаты сравнительного исследования, включающего 72 пациентов, по заполнению лунок удаленных зубов p-TCP/HA c фактором ErhBMP-2 (опытная группа) и без него (контрольная группа) [33]. В данном исследовании не проводили вычисления показателей, характеризующих эффективность применения материалов, однако общие тенденции были близки к тому, что наблюдалось при лечении с использованием материала «ГАМАЛАНТ-паста-ФОРТЕ Плюс». Для материала на основе p-TCP/HA с добавлением BMP-2 была показана большая терапевтическая эффективность по сравнению с p-TCP/HA без фактора.

Компания CGBIO Inc. (Seongnam, Корея), производящая широкий спектр остеопластических материалов, выпустила на рынок препараты rhB-MP-2 прокариотического происхождения с коммерческим названием NOVO SI S для применения в ортопедии и стоматологии. Препарат rhBMP-2 NO-VOSIS-DENT в сочетании с гидроксилапатитом продемонстрировал лучшие показатели по сравнению с материалом Bio-Oss (Geistlich Pharma AG, Wolhu-sen, Швейцария) при операциях по поднятию альвеолярного гребня, проведенных на 10 пациентах [34].

Другие возможные направления медицинского применения рекомбинантного фактора BMP-2, синтезированного в клетках E. coli, не связанные с индукцией остеогенеза

Как уже указывалось выше, BMP-2 является многофункциональным регулятором развития, контролирующим процессы клеточной пролиферации и диф-ференцировки, апоптоза, ангиогенеза и др. при эмбриональном развитии и в постнатальный период жизни. Это определяет широкие возможности применения BMP-2 помимо описанных выше примеров использования материалов на его основе в ортопедической практике, травматологии и стоматологической имплантологии, основанных на способности фактора индуцировать образование новой костной ткани.

Одной из важнейших областей применения рекомбинантного BMP-2, синтезированного в клетках E. coli, может стать его использование для регенерации хрящевой ткани, в частности, для лечения осте-оартроза. Так, в работе Y. Tokuhara и соавт. [35] показано, что BMP-2 прокариотического происхождения, введенный в составе желатиновой губки, концентрационно-зависимым образом стимулирует регенерацию хрящевой ткани в экспериментах на модели хирургических дефектов поверхности коленного сустава кроликов диаметром 5 мм.

Недавно показана возможность использования фактора BMP-2 в офтальмохирургии. При тяжелых

ожоговых бельмах зрение можно восстановить только оперативным путем — с помощью кератопротези-рования. Ткань бельма характеризуется низкими биомеханическими характеристиками, что усложняет проведение операции и приводит к послеоперационным осложнениям, в частности, к смещению протеза. Для укрепления бельм используют различные ау-тологичные ткани, однако их применение связано с рядом трудностей, в частности, с быстрой биодеградацией (лизисом) тканей в послеоперационном периоде. В работе В.Д. Захарова и соавт. [36] показана возможность существенного повышения прочностных характеристик бельм роговицы через 2—3 нед после имплантации коллагеновой мембраны с белком s-tag-BMP-2, полученным синтезом в клетках E. coli за счет замещения имплантата прочной новообразованной соединительной тканью.

Другим примером возможного применения BMP-2, экспрессируемого в клетках E. coli, не связанного с хирургией, является его использование для лечения рака кишечника. На культуре клеток рака кишечника показано проапоптотическое действие BMP-2 при добавлении к клеткам бактерий E. coli, экспрессирующих фактор [37]. Апоптоз концентра-ционно-зависимо снижается при добавлении ногги-на — ингибитора BMP-2, что доказывает специфичность наблюдаемого эффекта. Идея терапии пациентов с начальными стадиями рака кишечника основана на пероральном приеме препарата, содержащего живые бактерии E. coli, экспрессирующие фактор BMP-2.

Заключение

Таким образом, показана возможность совместного действия BMP-2 с другими белковыми факто-

ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES

1. Patel J, Flanagan CL, Hollister SJ. Bone morphogenetic protein-2 adsorption onto poly-c-caprolactone better preserves bioactivity in vitro and produces more bone in vivo than conjugation under clinically relevant loading scenarios. Tissue Engineering. 2015;21(5):489-498. https://doi.org/10.1089/ten.TEC.2014.0377

2. Sun H, Jung Y, Shiozawa Y, Taichman RS, Krebsbach PH. Erythropoietin modulates the structure of bone morphogenetic protein 2-engineered cranial bone. Tissue Eng. Part A. 2012;18(19-20):2095-2105. https://doi.org/10.1089/ten.tea.2011.0742

3. Громов А.В., Бартов М.С., Орлова П.А., Манских В.Н., Кривозубов М.С., Грунина Т.М. и др. Совместное действие костного морфогене-тического белка-2 и эритропоэтина на регенерацию краниальных дефектов костной ткани у мышей. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2019;3:123-127.

Gromov AV, Bartov MS, Orlova PA, Manskih VN, Krivozubov MS, Grun-ina TM i dr. Combined effect of bone morphogenetic protein-2 and erythropoietin on regeneration of cranial bone defects in mice. Bull Eksp Boil Med. 2019;3:123-127. (In Russ.).

4. Lee CH, Jin MU, Jung HM, Lee JT, Kwon TG. Effect of dual treatment with SDF-1 and BMP-2 on ectopic and orthotopic bone formation. PLoS One. 2015;10(3):e0120051. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0120051

рами, повышающими остеоиндуктивность материалов.

Чрезвычайное разнообразие возможных комбинаций белковых факторов и носителей обуславливает актуальность дальнейшего поиска оптимального состава, соотношения и кинетики выхода различных биологически активных факторов для эффективного восстановления костной ткани. В России и Корее получены препараты на основе BMP-2 прокариоти-ческого происхождения для медицинского применения. Имеются примеры практического использования рекомбинантного BMP-2, синтезированного в клетках E. coli, в сочетании с новыми носителями в ортопедии, травматологии, спинальной хирургии и дентальной имплантологии.

Наряду с использованием синтезированного в E. coli BMP-2 для лечения костных патологий, представляется перспективным расширение областей применения материалов на основе BMP-2 для лечения других заболеваний, например остеоартроза. Коллагеновые имплантаты с рекомбинантным BMP-2 могут быть полезны для укрепления бельм при кератопротезировании. Препараты на основе клеток E. coli, синтезирующих BMP-2, исследуются с точки зрения возможности их применения для лечения рака кишечника.

Благодарности. Авторы выражают благодарность д.б.н. Бокше И.С. за обсуждение обзора.

Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (Грант №16-15-00133).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

5. Shen X, Zhang Y, Gu Y, Xu Y, Liu Y, et al. Sequential and sustained release of SDF-1 and BMP-2 from silk fibroin-nanohydroxyapatite scaffold for the enhancement of bone regeneration. Biomaterials. 2016;106:205-216. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.08.023

6. Sun H, Wang J, Deng F, Liu Y, Zhuang X, Xu J, et al. Co-delivery and controlled release of stromal cell-derived factor-1a chemically conjugated on collagen scaffolds enhances bone morphogenetic protein-2-driven osteogenesis in rats. Mol Med Rep. 2016;14(1):737-745. https://doi.org/10.3892/mmr.2016.5339

7. Zwingenberger S, Langanke R, Vater C, Lee G, Niederlohmann E, Sensenschmidt M, et al. The effect of SDF-1a on low dose BMP-2 mediated bone regeneration by release from heparinized mineralized collagen type I matrix scaffolds in a murine critical size bone defect model. J Biomed Mater Res A. 2016;104(9):2126-2134. https://doi.org/10.1002/jbm.a.35744

8. Wang B, Guo Y, Chen X, Zeng C, Hu Q, Yin W, et al. Nanoparticle-mod-ified chitosan-agarose-gelatin scaffold for sustained release of SDF-1 and BMP-2. Int JNanomedicine. 2018;13:7395-7408. https://doi.org/10.2147/IJN.S180859

9. Ren Q, Cai M, Zhang K, Ren W, Su Z, Yang T, et al. Effects of bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) and vascular endothelial growth factor (VEGF) release from polylactide-poly (ethylene glycol)-polylactide (PELA) microcapsule-based scaffolds on bone. Braz J Med Biol Res. 2017;51(2):e6520. https://doi.org/10.1590/1414-431X20176520

10. Patel ZS, Young S, Tabata Y, Jansen JA, Wong ME, Mikos AG. Dual delivery of an angiogenic and an osteogenic growth factor for bone regeneration in a critical size defect model. Bone. 2008;43(5):931-940. https://doi.org/10.1016/j.bone.2008.06.019

11.

12.

23.

24.

Kakudo N, Kusumoto K, Wang YB, Iguchi Y, Ogawa Y. Immunolocaliza-tion of vascular endothelial growth factor on intramuscular ectopic osteoin-duction by bone morphogenetic protein-2. Life Sci. 2006;79(19):1847-1855. https://doi.org/10.10167j.lfs.2006.06.033

Kirby GTS, White LJ, Steck R, Berner A, Bogoevski K, Qutachi O, et al. Microparticles for sustained growth factor delivery in the regeneration of critically-sized segmental tibial bone defects. Materials (Basel). 2016;9(4):259. https://doi.org/10.3390/ma9040259

13. Bayer EA, Jordan J, Roy A, Gottardi R, Fedorchak MV, Kumta PN, et al. Programmed platelet-derived growth factor-BB and bone morphogenetic protein-2 delivery from a hybrid calcium phosphate/alginate scaffold. Tissue Eng Part A. 2017;23(23-24):1382-1393. https://doi.org/10.1089/ten.TEA.2017.0027

14. Kim S, Kang Y, Krueger CA, Sen M, Holcomb JB, Chen D, et al. Sequential delivery of BMP-2 and IGF-1 using a chitosan gel with gelatin microspheres enhances early osteoblastic differentiation. Acta Biomater. 2012;8(5):1768-1777.

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.01.009

15. Charles LF, Woodman JL, Ueno D, Gronowicz G, Hurley MM, Kuhn LT. Effects of low dose FGF-2 and BMP-2 on healing of calvarial defects in old mice. Exp Gerontol. 2015;64:62-69. https://doi.org/10.1016/j.exger.2015.02.006

16. Su J, Xu H, Sun J, Gong X, Zhao H. Dual delivery of BMP-2 and bFGF from a new nano-composite scaffold, loaded with vascular stents for large-size mandibular defect regeneration. Int J Mol Sci. 2013;14(6):12714-12728. https://doi.org/10.3390/ijms140612714

17. Wan L, Zhang F, He Q, Tsang WP, Lu L, Li Q, et al. EPO promotes bone repair through enhanced cartilaginous callus formation and angiogenesis. PLoS One. 2014;9(10):e102010. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0102010

18. Wu C, Giaccia AJ, Rankin EB. Osteoblasts: a novel source of erythropoietin. Curr Osteoporos Rep. 2014;12(4):428-432. https://doi.org/10.1007/s11914-014-0236-x

19. Bakhshi H, Kazemian G, Emami M, Nemati A, Yarandi HK, Safdari F. Local erythropoietin injection in tibiofibular fracture healing. Trauma Mon. 2013;17(4):386-388.

https://doi.org/10.5812/traumamon.7099

20. Hiram-Bab S, Neumann D, Gabet Y. Erythropoietin in bone — controversies and consensus. Cytokine. 2017;89:155-159. https://doi.org/10.1016/j.cyto.2016.01.008

21. Li C, Shi C, Kim J, Chen Y, Ni S, Jiang L, et al. Erythropoietin promotes bone formation through EphrinB2/EphB4 signaling. J Dent Res. 2015;94(3):455-463.

https://doi.org/10.1177/0022034514566431

22. Tierney EG, McSorley K, Hastings CL, Cryan SA, O'Brien T, Murphy MJ, et al. High levels of ephrinB2 over-expression increases the osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and promotes enhanced cell mediated mineralisation in a polyethyleneimine-ephrinB2 gene-activated-matrix. J Control Release. 2013;165(3):173-182. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2012.11.013

Karyagina AS, Grunina TM, Lyaschuk AM, Voronina EV, Marigin RA, Cherepushkin SA, et al. Recombinant human erythropoietin proteins synthesized in Escherichia coli cells: effects of additional domains on the in vitro and in vivo activities. Biochemistry (Mosc). 2019;84(1):20-32. https://doi.org/10.1134/S0006297919010036

Kitaori T, Ito H, Schwarz EM, Tsutsumi R, Yoshitomi H, Oishi S, et al. Stromal cell-derived factor 1/CXCR4 signaling is critical for the recruitment of mesenchymal stem cells to the fracture site during skeletal repair in a mouse model. Arthritis Rheum. 2009;60(3):813-823. https://doi.org/10.1002/art.24330 25. Li B, Wang H, Qiu G, Su X, Wu Z. Synergistic effects of vascular endothe-lial growth factor on bone morphogenetic proteins induced bone formation

in vivo: influencing factors and future research directions. Biomed Res Int.

2016;2869572.

https://doi.org/10.1155/2016/2869572

26. Street J, Bao M, deGuzman L, Bunting S, Peale FVJr, Ferrara N, et al. Vascular endothelial growth factor stimulates bone repair by promoting angiogenesis and bone turnover. Proc Natl Acad Sci USA. 2002;99(15):9656-9661.

27. Pufe T, Wildemann B, Petersen W, Mentlein R, Raschke M, Schmidmaier G. Quantitative measurement of the splice variants 120 and 164 of the angiogenic peptide vascular endothelial growth factor in the time flow of fracture healing: a study in the rat. Cell Tissue Res. 2002;309:387-392.

28. Park JY, Lee MY, Park NS, Sheen YS, Chung PC, Lee SJ. Platelet derived growth factor releasing chitosan sponge for periodontal bone regeneration. Biomaterials. 2000;21(2):153-159.

29. Chen FM, Zhao YM, Wu H, Deng ZH, Wang QT, Jin Y. Enhancement of periodontal tissue regeneration by locally controlled delivery of insulin-like growth factor-I from dextran-co-gelatin microspheres. J Control Release. 2006;114(2):209-222.

30. Донченко С.В., Карягина А.С., Алексеев Д.В., Лунин В.Г. Первый опыт применения остеопластических материалов нового поколения, содержащих рекомбинантные человеческие костные морфогенетические белки (rhBMPs), при дефектах и посттравматической патологии костной ткани. Московский медицинский журнал. 2012;4:16-21. Donchenko SV, Karyagina AS, Alekseev DV, Lunin VG. First experience using new generation osteoplastic materials containing recombinant human bone morphogenetic proteins (rhBMPs) for defects and post-traumatic bone tissue pathology. Moskovskiy meditsinskiy zhurnal. 2012;4:16-21. (In Russ.).

31. Гинцбург А.Л., Шарапова Н.Е., Надеждин С.В., Федорова М.З., Карягина А.С., Лунин В.Г. Новые препараты, стимулирующие регенерацию костной ткани. Современные медицинские технологии. 2011;7:60-62.

Gintsburg AL, Sharapova NE, Nadezhdin SV, Fedorova MZ, Karyagina AS, Lunin VG. New drugs stimulating bone tissue regeneration. Sovremennye meditsinskie tekhnologii. 2011;7:60-62. (In Russ.).

32. Бартов М.С., Карягина А.С., Громов А.В., Мишина Д.М., Трунова Г.В., Сидорова Е.И. и др. Остеопластические препараты нового поколения «Гамалант», содержащие факторы роста и регенерации костной ткани. Кафедра травматологии и ортопедии. 2012;2:21-25.

Bartov MS, Karyagina AS, Gromov AV, Mishina DM, Trunova GV, Sidor-ova EI, et al. New generation osteoplastic drugs «Gamalant» containing growth factors and bone tissue regeneration. Kafedra travmatologii i ortope-dii. 2012;2:21-25. (In Russ.).

33. Huh J-B, Lee H-J, Jang J-W, Kim M-J, Yun P-Y, Kim S-H, et al. Randomized clinical trial on the efficacy of Escherichia coli-derived rhBMP-2 with в-TCP/HA in extraction socket. The Journal of Advanced Prosthodontics. 2011;3(3):161-165.

https://doi.org/10.4047/jap.2011.3.3.161

34. Kim H-S, Park J-C, Yun P-Y, Kim Y-K. Evaluation of bone healing using rhBMP-2 soaked hydroxyapatite in ridge augmentation: a prospective observational study. Maxillofac Plast Reconstr Surg. 2017;39:40. https://doi.org/10.1186/s40902-017-0138-9

35. Tokuhara Y, Wakitani S, Imai Y, Kawaguchi A, Fukunaga K, Kim M, et al. Repair of experimentally induced large osteochondral defects in rabbit knee with various concentrations of Escherichia coli-derived recombinant human bone morphogenetic protein-2. Int Orthop. 2010;34(5):761-767. https://doi.org/10.1007/s00264-009-0818-x

36. Захаров В.Д., Андреев А.Ю., Зайратьянц О.В., Осидак Е.О., Борзенок С.А., Крашенинников С.В. и др. Морфологические изменения роговицы кроликов под влиянием фактора роста костной и хрящевой ткани rhBMP-2 в составе интракорнеального коллагенового имплантата. Клиническая и экспериментальная морфология. 2016;4:36-42. Zakharov VD, Andreev AYu, Zairatyants OV, Osidak EO, Borzenok SA, Krasheninnikov SV, et al. Morphological changes in rabbit cornea caused be the bone and cartilage growth factor rhBMP-2 used as a component intra-corneal implant. Klin Eksp Morfol. 2016;4:36-42. (In Russ.).

37. Yuvaraj S, Al-Lahham SH, Somasundaram R, Figaroa PA, Peppelenbosch MP, Bos NA. E. coli-produced BMP-2 as a chemopreventive strategy for colon cancer: a proof-of-concept study. Gastroenterol Res Pract. 2012;895462. https://doi.org/10.1155/2012/895462

Поступила в редакцию 04.06.19

Received 04.06.19

После доработки 04.09.19

Revised 04.09.19

Принята к публикации 15.09.19

Accepted 15.09.19