由德累斯顿工业大学(TU)研究人员领导的科学家团队利用计算机建模和模拟来设计新型仿生分子，以增强小鼠的骨骼再生。这些新分子基于糖胺聚糖(GAG)——一种长链糖，如透明质酸或肝素——可以融入生物材料中并局部应用于骨缺损。他们认为，新设计的分子有可能用于关闭阻碍骨再生的蛋白质，并导致开发出针对骨折和其他骨相关疾病的新型、更有效的治疗方法。
“由于我们小组和其他研究人员的工作，我们知道了调节骨形成和修复的独特分子途径，”德累斯顿工业大学医学院教授LorenzHofbauer博士解释说。“事实上，我们可以将其范围缩小到两种共同作用阻止骨再生的蛋白质：硬化蛋白和dickkopf-1。开发促进骨愈合的药物的挑战是同时有效地关闭这两种充当制动信号的蛋白质。”
Hofbauer是研究人员在Biomaterials上发表的论文的资深作者和共同通讯作者，该论文题为“基于糖胺聚糖的Dickkopf-1清除剂的合理工程以改善骨再生”。研究小组在报告中得出结论：“……合理设计的GAG变体可能代表了一种开发再生医学新治疗方法的创新策略。”
随着人们年龄的增长，骨骼再生的能力下降，与骨质疏松症相关的骨骼脆性和骨缺陷加剧了作者所描述的“老年人骨骼健康面临的新的医学挑战”，从而导致社会经济负担日益增加。科学家们正在努力开发可以改善骨再生的新治疗方法。“迄今为止，针对增强骨吸收的抗吸收疗法已成为标准治疗，”作者写道。“最近，已经实施了刺激骨形成的骨合成代谢方法。”
研究小组指出，经典的WNT信号通路是一条复杂的调节通路，由配体、受体和抑制剂组成，在体内平衡和骨修复过程中发挥着调节骨形成和骨骼强度的重要功能。“开发特定的治疗方法需要全面了解该途径的功能、相互作用和冗余。”
Sclerostin和Dickkopf-1(DKK1)是WNT通路的内源性抑制剂。而且，正如研究小组进一步指出的那样，“WNT配体和抑制剂的功能改变与多种影响骨骼脆性的骨疾病有关，并导致高昂的医疗和社会经济负担。因此，这种细胞途径已成为骨保护疗法(例如骨质疏松症)的新靶标。”
跨学科方法是该团队应对挑战的关键，即禁用硬化蛋白和DKK1。此次合作将骨骼专家Hofbauer的专业知识与德累斯顿工业大学生物技术中心(BIOTEC)的MariaTeresaPisabarro博士领导的结构生物信息学小组以及德累斯顿工业大学生物技术中心(BIOTEC)的VeraHintze博士领导的功能生物材料小组的专业知识相结合。德累斯顿工业大学材料科学研究所马克斯·伯格曼生物材料中心(MBC)。
基于计算机辅助结构的理性设计的艺术描绘。绿色箭头象征着在透明质酸分子(绿色和红色棒)中引入新化学特性的创新策略，以开发合理工程的GAG(REGAG)分子，该分子充当骨再生阻断蛋白的劫持者。Dickkopf-1是一种阻碍骨形成的蛋白质，显示为灰色，其受体显示为米色。彩色球体代表一组模拟dickkopf-1与其受体之间相互作用的特性。[©格洛丽亚·鲁伊斯·戈麦斯]
多学科团队利用合理的药物设计来创造具有定制特性和最小副作用的新型分子。通过使用计算方法来预测和完善所设计分子的特性，该团队能够开发出一系列最有潜力关闭阻碍骨再生的蛋白质的候选分子。
Pisabarro小组的专业知识允许对两种阻碍骨再生的蛋白质的3D结构进行彻底分析。有了这些知识，研究人员就能够对蛋白质与其受体的相互作用进行3D建模，并识别热点、对生物相互作用发生至关重要的特定物理化学和动态特性。研究人员表示：“通过多学科方法，我们应用基于计算机结构的从头设计策略和分子动力学模拟，结合合成化学和表面等离振子共振光谱，合理设计低聚糖胺聚糖衍生物(REGAG)，改善DKK1的中和特性。”。
“多年来，我们利用计算机模拟的力量来研究调节骨形成的蛋白质如何与其受体相互作用，”皮萨巴罗说。“所有这些都是为了设计能够有效干扰这些相互作用的新分子。我们使用分子模型来设计新的结构，模拟相关受体与两种蛋白质的相互作用。我们希望这种结合比它们的自然相互作用更强。通过这种方式，我们的新型分子将同时劫持蛋白质并有效地关闭它们以开启骨再生。”
Hintze进一步解释说：“Pisabarro团队设计的分子是由我们柏林自由大学的同事合成的，然后通过生物物理相互作用分析来分析其蛋白质结合特性。对于每个分子，我们能够测量蛋白质的结合强度及其对蛋白质天然受体结合的干扰。因此，我们可以凭经验揭示每种小分子在关闭抑制蛋白方面的有效性。”
霍夫鲍尔骨骼实验室的团队随后将新分子加载到生物材料中，并在小鼠骨缺陷上进行测试，以评估其有效性。研究小组发现，含有新型分子的材料优于标准生物材料，骨愈合能力提高了50%，这表明它们未来在改善骨再生方面的应用潜力。作者在发表的论文中指出，“体外和体内测定表明在具有临界尺寸骨损伤的小鼠颅盖缺损模型中，获得REGAG的GAG修饰转化为WNT通路活性的增加和骨再生的改善。重要的是，开发的RE由于GAG改善了DKK1结合特性，其在将骨愈合提高高达50%方面优于聚合高硫酸化透明质酸(sHA3)。”Pisabarro补充道：“我们在计算机和工作台之间协同工作，设计新分子并对其进行测试，将结果反馈给我们的分子模型，并更多地了解我们目标所需的分子特性。”
这种迭代测试的结果是一项宝贵的资产，它增强了Pisabarro小组当前的分子模型，并可用于指导未来新型和更好分子的开发。这种方法还确保最大限度地减少动物研究，并且仅在项目的最后阶段才进入该项目。“在这项研究中，我们将计算从头设计研究与生物物理以及体外和体内分析相结合，创建了一种基于GAG的精细结构工程策略，优于经典的盲目药物筛选，”作者在论文中总结道。“虽然经典方法需要对候选药物进行多年的筛选和重新筛选，但我们基于计算机结构的理性设计方法是显着减少时间、资源和成本的关键。
他们表示，他们的研究证明了化学硫酸化葡糖胺聚糖(sGAG)变体通过有针对性地干扰典型WNT信号通路的介质来增强骨微环境再生过程的潜力。“在这里，我们提供了概念验证，即通过合理设计微调sGAG结构可以增强结合选择性，并改善DKK1和硬化素等清除抑制剂，从而促进体内骨再生。
研究人员正在继续合作。霍夫鲍尔指出：“我们正在申请一项临床前研究资金，该研究将进一步开发基于分子和生物材料的骨增强剂，为人类研究奠定基础。”
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