Dental and Medical Problems

Dent Med Probl
Index Copernicus (ICV 2020) – 128.41
MEiN – 70 pts
CiteScore (2021) – 2.0
JCI – 0.5
Average rejection rate (2021) – 81.35%
ISSN 1644-387X (print)
ISSN 2300-9020 (online)
Periodicity – quarterly

Download PDF

Dental and Medical Problems

2012, vol. 49, nr 3, July-September, p. 337–344

Publication type: original article

Language: English

Clinical Aspects of Gene Expression for Bone Morphogenetic Proteins 2, 4, 6 in Bone Augmentation

Kliniczne aspekty ekspresji genów dla białek morfogenetycznych kości 2, 4, 6 w augmentacji tkanki kostnej

Andrzej Wojtowicz1,A,B,D,E, Artur Kamiński2,A,D,E, Ewa Olender2,A,B,D,E,F, Remigiusz Czerkies3,B, Tomasz Kamiński1,B,E

1 Department of Oral Surgery, Warsaw Medical University, Poland

2 Department of Transplantology and Central Tissue Bank, Warsaw Medical University, Poland

3 AW Clinic, private practice, Warszawa, Poland

Abstract

Background. Human jaw bone augmentation is a procedure applied as a part of dental implant therapy. Bone substitutes are very well known and described. The cascade of bone substitute remodeling process leads to bone substitute resorption and new bone formation, called creeping substitution. The most important aspect for this cascade promotion is the activation of stem cells by local or applied growth factors. BMPs are a group of growth factors present in bone allograft (proteins synthesized by the donor) as well as in the newly formed bone (BMPs synthesized by the recipient’s cells).
Objectives. The purpose of this study was to evaluate the clinical restoration of jaw bone defects using guided bone regeneration, and analyzed three isoforms, BMP-2, BMP-4 and BMP-6 in newly formed bone tissue, used real time PCR method on the mRNA synthesis stage, i.e. synthesized in response to the graft application.
Material and Methods. 12 patients aged 20–56 years underwent therapy by implanting: 1) allogenic cortico-cancellous bone granules with xenogeneic bovine mineral into bone defects (6 patients); 2) allogenic cortico-cancellous bone granules with synthetic beta-tricalcium phosphate (BTCP) into bone defects (6 patients).
Results. Synthesis of BMP2 and 4 was observed after application of both: natural bovine mineral and synthetic BTCP, but expression of BMP6 was not found. Synthesis of BMP2 was comparable in control tissue and newly formed tissue in the site of bovine mineral application. After BTCP application, the synthesis of BMP2 was significantly lower. Synthesis of BMP-4 was two times higher in the control tissue.
Conclusion. Natural bovine mineral seems to be more effective than synthetic BTCP in bone inducing through the synthesis of BMP2, the main osteogenic growth factor in the human jaw bone augmentation methodology. BMP isoform tests revealed a significant concentration of BMP-2 mRNAs, a lower expression of BMP-4 and trace amounts or no presence of BMP6 mRNA in all newly formed bone samples.

Streszczenie

Wprowadzenie. Augmentacja kości szczęk jest zabiegiem wspomagającym leczenie implantoprotetyczne. Znanych jest wiele materiałów kościopodobnych i substytutów kości. Kaskada procesu przebudowy, stopniowego zastępowania tych materiałów prowadzi do ich resorpcji i powstania nowej tkanki kostnej. Istotne jest aktywowanie tej kaskady przez pobudzenie miejscowych komórek macierzystych przez miejscowe lub egzogenne czynniki wzrostowe. Białka morfogenetyczne kości są obecne w tkance kostnej przeszczepów allogenicznych (syntetyzowane w organizmie dawcy), a także w nowotworzonej tkance kostnej (syntetyzowane przez komórki biorcy).
Cel pracy. Kliniczna ocena regeneracji uszkodzeń tkanki kostnej szczęk po zastosowaniu metodologii sterowanej regeneracji kości i analiza trzech izoform białek morfogenetycznych kości: BMP-2, BMP-4, BMP-6 w nowo powstającej tkance kostnej, z wykorzystaniem metodologii real time-PCR i oceny syntezy mRNA w odpowiedzi na zastosowanie implantu.
Materiał i metody. Badania prowadzono u 12 pacjentów (20–56 lat), którym wszczepiono: 1) kostną macierz allogeniczną wraz z minerałem wołowym (6 pacjentów), 2) kostną macierz allogeniczną wraz z syntetycznym beta-trójfosforanem wapniowym (6 pacjentów). Kość allogeniczna miała postać granulatu (1–2 mm średnicy)
Wyniki. W badaniach 15 eksplantów tkanki kostnej pobranej trepanem o średnicy 3 mm i długości 10 mm z miejsc implantacji poddano analizie rt-PCR. Zaobserwowano syntezę BMP-2 i BMP-4 w przypadku zastosowania obu materiałów: naturalnego minerału wołowego i syntetycznego BTCP. Nie stwierdzono syntezy BMP-6. Instensywność syntezy BMP-2 była porównywalna w kości kontrolnej ektopowej i po zastosowaniu minerału wołowego. Po zastosowaniu BTCP synteza BMP-2 była znacząco słabsza. Synteza BMP-4 była dwa razy większa w kości kontrolnej.
Wnioski. Naturalny minerał ksenogenny jest bardziej skuteczny niż syntetyczny BTCP w procesie kościotworzenia w sterowanej reakcji tkanki kostnej przez ekspresję BMP-2, który okazał się najbardziej skuteczną izoformą BMPs. Mniejszą ekspresję wykazała izoforma BMP-4, nie stwierdzono natomiast obecności BMP-6 lub ekspresja była na poziomie dokładności metody. BMP-6 nie jest czynnikiem niezbędnym w procesie resorpcji, osteogenezy i przebudowy tkanki kostnej, ale być może interferuje z procesem degradacji tkankowej.

Key words

bone allograft, human bone augmentation, bovine mineral, BTCP, BMPs

Słowa kluczowe

przeszczep kostny, augmentacja kości u ludzi, minerał wołowy, BTCP, BMPs

References (23)

  1. Davies S.D., Ochs M.W.: Bone Morphogenetic Proteins in Craniomaxillofacial Surgery. Oral Maxillofac. Surg. Clin. N. Am. 2010, 22 (1), 17–31.
  2. Dmitriev A.E., Farhang S., Lehman Jr. R.A., Ling G.S.F., Symes A.J.: Bone morphogenetic protein-2 used in spinal fusion with spinal cord injury penetrates intrathecally and elicits a functional signaling cascade. Spine J. 2010, 10 (1), 16–25.
  3. Wojtowicz A., Chaberek S., Urbanowska E., Ostrowski, K.: Comparison of efficiency of platelet rich plasma, hematopoieic stem cells and bone marrow in augmentation of mandibular bone defects. N. Y. State Dent. J. 2007, 73 (2), 41–45.
  4. Jeong B.-C., Kim H.-J., Bae I.-H., Lee K.-N., Lee K.-Y., Oh W.-M., Kim S.-H., Koh J.-T.: COMP-Ang1, a chimeric form of angiopoietin 1, enhances BMP2-induced osteoblast differentiation and bone formation. Bone 2010, 46 (2), 479–486.
  5. Wikesjö U.M.E., Qahash M., Polimeni G., Susin C., Shanaman R.H., Rohrer M.D., Wozney J.M., Hall J.: Alveolar ridge augmentation using implants coated with recombinant human bone morphogenetic protein-2: Histologic observations.. J. Clin. Periodontol. 2008, 35 (11), 1001–1010.
  6. Leknes K.N., Yang J., Qahash M., Polimeni G., Susin C., Wikesjö U.M.E.: Alveolar ridge augmentation using implants coated with recombinant human bone morphogenetic protein-2: Radiographic observations. Clin. Oral Implants Res. 2008, 19 (10), 1027–1033.
  7. Kubota K., Iseki S., Kuroda S., Oida S., Iimura T., Duarte W.R., Ohya K., Kasugai S.: Synergistic effect of fibroblast growth factor-4 in ectopic bone formation induced by bone morphogenetic protein-2. Bone 2002, 31 (4), 465–471.
  8. Emans P.J., Spaapen F., Surtel D.A.M., Reilly K.M., Cremers A., van Rhijn L.W., Bulstra S.K., Kuijer R.: A novel in vivo model to study endochondral bone formation; HIF-1α activation and BMP expression. Bone 2007, 40(2), 409–418.
  9. Lim T.Y., Wang W., Shi Z., Poh C.K., Neoh K.G.: Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells and osteoblast differentiation on titanium with surface-grafted chitosan and immobilized bone morphogenetic protein2. J. Mat. Sci.: Mater. Med. 2009, 20 (1), 1–10.
  10. Kinoshita A.: Pre-clinical and clinical studies on bone morphogenetic proteins for regenerative therapies in dentistry field. Clin. Calcium 2006 16(2), 109–115.
  11. Kim C.-S., Choi S.-H., Choi B.-K., Chai J.-K., Park J.-B., Kim C.-K., Cho K.-S.: The effect of recombinant human bone morphogenetic protein-4 on the osteoblastic differentiation of mouse calvarial cells affected by porphyromonas gingivalis. J. Periodontol. 2002, 73 (10), 1126–1132.
  12. Deifenderfer D.L., Osyczka A.M., Reilly G.C., Leboy P.S.: BMP responsiveness in human mesenchymal stem cells. Connective Tis. Res. 2003, 44 (Suppl. 1), 305–311.
  13. Luppen C.A., Smith E., Spevak L., Boskey A.L., Frenkel B.: Bone Morphogenetic Protein-2 Restores Mineralization in Glucocorticoid-Inhibited MC3T3-E1 Osteoblast Cultures. J. Bone Min. Res. 2003, 18 (7), 1186–1197.
  14. Osyczka A.M., Diefenderfer D.L., Bhargave G., Leboy P.S.: Different Effects of BMP-2 on Marrow Stromal Cells from Human and Rat Bone. Cells Tissues Organs 2004, 176 (1–3), 109–119.
  15. Hong J.H., Lee G.T., Lee J.H., Kwon S.J., Park S.H., Kim S.J., Kim I.Y.: Effect of bone morphogenetic protein-6 on macrophages. Immunology 2009, 128 (1 Part 2), e442–e450.
  16. Gutwald R., Haberstroh J., Stricker A., Rüther E., Otto F., Xavier S.P., Oshima T., Sauerbier S.: Influence of rhBMP-2 on bone formation and osseointegration in different implant systems after sinus-floor elevation. An in vivo study on sheep. J. Cranio-Maxillofac. Sur. 2010, 38 (8), 571–579.
  17. El-Amin S.F., Hogan M.V., Allen A.A., Hinds J., Laurencin C.T.: The Indications and Use of Bone Morphogenetic Proteins in Foot, Ankle, and Tibia Surgery. Foot Ankle Clin. 2010, 15 (4), 543–551.
  18. Chomczynski P., Sacchi N.: Single-step method of RNA isolation by acid guanidinium thiocyanate-phenolchloroform extraction. Anal. Biochem. 1987, 162, 156.
  19. Chomczynski P.K A reagent for the single-step simultaneous isolation of RNA, DNA and proteins from cell and tissue samples. BioTechniques 1993, 15, 532–537.
  20. Kochanowska, I.E., Wlodarski, K., Wojtowicz, A., N iemira, K., O strowski, K.: Osteogenic properties of various HeLa cell lines and the BMP family genes expression. Ann. Transplant. 2002, 7, 4, 58–62
  21. Kochanowska I., Chaberek S., Wojtowicz A., Marczyński B., Włodarski K., Dytko M., Ostrowski K.: Expression of genes for bone morphogenetic proteins BMP-2, BMP-4 and BMP-6 in various parts of the human skeleton. BMC Musculoskeletal Disord. 2007, 8, 12.
  22. Krasny K., Kaminski A., Krasny M., Zadurska M., Piekarczyk P., Fiedor P.: Clinical use of allogeneic bone granulates to reconstruct maxillary and mandibular alveolar processes. Transplant. Proc. 2011, 43(8), 3142–3144
  23. Olender E., Uhrynowska-Tyszkiewicz I., Kaminski A.: Revitalization of biostatic tissue allografts: new perspectives in tissue transplantology. Transplant. Proc. 2011, 43(8), 3137–3141.