由德累斯頓工業(yè)大學(xué)(TU)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團隊利用計算機建模和模擬來設(shè)計新型仿生分子，以增強小鼠的骨骼再生。這些新分子基于糖胺聚糖(GAG)——一種長鏈糖，如透明質(zhì)酸或肝素——可以融入生物材料中并局部應(yīng)用于骨缺損。他們認為，新設(shè)計的分子有可能用于關(guān)閉阻礙骨再生的蛋白質(zhì)，并導(dǎo)致開發(fā)出針對骨折和其他骨相關(guān)疾病的新型、更有效的治療方法。
“由于我們小組和其他研究人員的工作，我們知道了調(diào)節(jié)骨形成和修復(fù)的獨特分子途徑，”德累斯頓工業(yè)大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授LorenzHofbauer博士解釋說。“事實上，我們可以將其范圍縮小到兩種共同作用阻止骨再生的蛋白質(zhì)：硬化蛋白和dickkopf-1。開發(fā)促進骨愈合的藥物的挑戰(zhàn)是同時有效地關(guān)閉這兩種充當制動信號的蛋白質(zhì)。”
Hofbauer是研究人員在Biomaterials上發(fā)表的論文的資深作者和共同通訊作者，該論文題為“基于糖胺聚糖的Dickkopf-1清除劑的合理工程以改善骨再生”。研究小組在報告中得出結(jié)論：“……合理設(shè)計的GAG變體可能代表了一種開發(fā)再生醫(yī)學(xué)新治療方法的創(chuàng)新策略。”
隨著人們年齡的增長，骨骼再生的能力下降，與骨質(zhì)疏松癥相關(guān)的骨骼脆性和骨缺陷加劇了作者所描述的“老年人骨骼健康面臨的新的醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn)”，從而導(dǎo)致社會經(jīng)濟負擔(dān)日益增加?？茖W(xué)家們正在努力開發(fā)可以改善骨再生的新治療方法。“迄今為止，針對增強骨吸收的抗吸收療法已成為標準治療，”作者寫道。“最近，已經(jīng)實施了刺激骨形成的骨合成代謝方法。”
研究小組指出，經(jīng)典的WNT信號通路是一條復(fù)雜的調(diào)節(jié)通路，由配體、受體和抑制劑組成，在體內(nèi)平衡和骨修復(fù)過程中發(fā)揮著調(diào)節(jié)骨形成和骨骼強度的重要功能。“開發(fā)特定的治療方法需要全面了解該途徑的功能、相互作用和冗余。”
Sclerostin和Dickkopf-1(DKK1)是WNT通路的內(nèi)源性抑制劑。而且，正如研究小組進一步指出的那樣，“WNT配體和抑制劑的功能改變與多種影響骨骼脆性的骨疾病有關(guān)，并導(dǎo)致高昂的醫(yī)療和社會經(jīng)濟負擔(dān)。因此，這種細胞途徑已成為骨保護療法(例如骨質(zhì)疏松癥)的新靶標。”
跨學(xué)科方法是該團隊應(yīng)對挑戰(zhàn)的關(guān)鍵，即禁用硬化蛋白和DKK1。此次合作將骨骼專家Hofbauer的專業(yè)知識與德累斯頓工業(yè)大學(xué)生物技術(shù)中心(BIOTEC)的MariaTeresaPisabarro博士領(lǐng)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)生物信息學(xué)小組以及德累斯頓工業(yè)大學(xué)生物技術(shù)中心(BIOTEC)的VeraHintze博士領(lǐng)導(dǎo)的功能生物材料小組的專業(yè)知識相結(jié)合。德累斯頓工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)研究所馬克斯·伯格曼生物材料中心(MBC)。
基于計算機輔助結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計的藝術(shù)描繪。綠色箭頭象征著在透明質(zhì)酸分子(綠色和紅色棒)中引入新化學(xué)特性的創(chuàng)新策略，以開發(fā)合理工程的GAG(REGAG)分子，該分子充當骨再生阻斷蛋白的劫持者。Dickkopf-1是一種阻礙骨形成的蛋白質(zhì)，顯示為灰色，其受體顯示為米色。彩色球體代表一組模擬dickkopf-1與其受體之間相互作用的特性。[©格洛麗亞·魯伊斯·戈麥斯]
多學(xué)科團隊利用合理的藥物設(shè)計來創(chuàng)造具有定制特性和最小副作用的新型分子。通過使用計算方法來預(yù)測和完善所設(shè)計分子的特性，該團隊能夠開發(fā)出一系列最有潛力關(guān)閉阻礙骨再生的蛋白質(zhì)的候選分子。
Pisabarro小組的專業(yè)知識允許對兩種阻礙骨再生的蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)進行徹底分析。有了這些知識，研究人員就能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)與其受體的相互作用進行3D建模，并識別熱點、對生物相互作用發(fā)生至關(guān)重要的特定物理化學(xué)和動態(tài)特性。研究人員表示：“通過多學(xué)科方法，我們應(yīng)用基于計算機結(jié)構(gòu)的從頭設(shè)計策略和分子動力學(xué)模擬，結(jié)合合成化學(xué)和表面等離振子共振光譜，合理設(shè)計低聚糖胺聚糖衍生物(REGAG)，改善DKK1的中和特性。”。
“多年來，我們利用計算機模擬的力量來研究調(diào)節(jié)骨形成的蛋白質(zhì)如何與其受體相互作用，”皮薩巴羅說。“所有這些都是為了設(shè)計能夠有效干擾這些相互作用的新分子。我們使用分子模型來設(shè)計新的結(jié)構(gòu)，模擬相關(guān)受體與兩種蛋白質(zhì)的相互作用。我們希望這種結(jié)合比它們的自然相互作用更強。通過這種方式，我們的新型分子將同時劫持蛋白質(zhì)并有效地關(guān)閉它們以開啟骨再生。”
Hintze進一步解釋說：“Pisabarro團隊設(shè)計的分子是由我們柏林自由大學(xué)的同事合成的，然后通過生物物理相互作用分析來分析其蛋白質(zhì)結(jié)合特性。對于每個分子，我們能夠測量蛋白質(zhì)的結(jié)合強度及其對蛋白質(zhì)天然受體結(jié)合的干擾。因此，我們可以憑經(jīng)驗揭示每種小分子在關(guān)閉抑制蛋白方面的有效性。”
霍夫鮑爾骨骼實驗室的團隊隨后將新分子加載到生物材料中，并在小鼠骨缺陷上進行測試，以評估其有效性。研究小組發(fā)現(xiàn)，含有新型分子的材料優(yōu)于標準生物材料，骨愈合能力提高了50%，這表明它們未來在改善骨再生方面的應(yīng)用潛力。作者在發(fā)表的論文中指出，“體外和體內(nèi)測定表明在具有臨界尺寸骨損傷的小鼠顱蓋缺損模型中，獲得REGAG的GAG修飾轉(zhuǎn)化為WNT通路活性的增加和骨再生的改善。重要的是，開發(fā)的RE由于GAG改善了DKK1結(jié)合特性，其在將骨愈合提高高達50%方面優(yōu)于聚合高硫酸化透明質(zhì)酸(sHA3)。”Pisabarro補充道：“我們在計算機和工作臺之間協(xié)同工作，設(shè)計新分子并對其進行測試，將結(jié)果反饋給我們的分子模型，并更多地了解我們目標所需的分子特性。”
這種迭代測試的結(jié)果是一項寶貴的資產(chǎn)，它增強了Pisabarro小組當前的分子模型，并可用于指導(dǎo)未來新型和更好分子的開發(fā)。這種方法還確保最大限度地減少動物研究，并且僅在項目的最后階段才進入該項目。“在這項研究中，我們將計算從頭設(shè)計研究與生物物理以及體外和體內(nèi)分析相結(jié)合，創(chuàng)建了一種基于GAG的精細結(jié)構(gòu)工程策略，優(yōu)于經(jīng)典的盲目藥物篩選，”作者在論文中總結(jié)道。“雖然經(jīng)典方法需要對候選藥物進行多年的篩選和重新篩選，但我們基于計算機結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計方法是顯著減少時間、資源和成本的關(guān)鍵。
他們表示，他們的研究證明了化學(xué)硫酸化葡糖胺聚糖(sGAG)變體通過有針對性地干擾典型WNT信號通路的介質(zhì)來增強骨微環(huán)境再生過程的潛力。“在這里，我們提供了概念驗證，即通過合理設(shè)計微調(diào)sGAG結(jié)構(gòu)可以增強結(jié)合選擇性，并改善DKK1和硬化素等清除抑制劑，從而促進體內(nèi)骨再生。
研究人員正在繼續(xù)合作?；舴蝓U爾指出：“我們正在申請一項臨床前研究資金，該研究將進一步開發(fā)基于分子和生物材料的骨增強劑，為人類研究奠定基礎(chǔ)。”
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