科学家设计新的生物启发分子以促进骨再生

人们的骨骼再生能力随着年龄的增长而下降，并因骨质疏松症等疾病而进一步下降。为了帮助老龄化人口，研究人员正在寻找改善骨再生的新疗法。

现在，来自生物技术中心(BIOTEC)和德累斯顿工业大学医学院的跨学科研究小组以及马克斯伯格曼生物材料中心(MBC)的一个小组开发了新型生物启发分子，可增强小鼠的骨骼再生。研究结果发表在《生物材料》杂志上。

随着年龄的增长，他们再生骨骼的能力会下降。骨折需要更长的时间才能愈合，骨质疏松症等疾病只会增加它。这对老龄化人口构成了严重的健康挑战，并给社会带来了越来越大的社会经济负担。为了帮助解决这个问题，研究人员正在寻找可以改善骨再生的新治疗方法。

来自德累斯顿的一组科学家使用计算机建模和模拟来设计新颖的生物启发分子，以增强小鼠的骨再生。新分子可以结合到生物材料中，并局部应用于骨缺损。这些新分子基于糖胺聚糖，糖胺聚糖是长链糖，如透明质酸或肝素。

老骨头的甜蜜解决方案

“由于我们小组的工作和其他研究人员的工作，我们知道了一种调节骨形成和修复的独特分子途径。事实上，我们可以将其缩小到两种共同作用以阻止骨再生的蛋白质，硬化素和dickkopf-1“LorenzHofbauer教授解释说，”开发改善骨骼愈合的药物的最大挑战是有效地关闭这两种蛋白质，它们同时充当制动信号。

跨学科方法是应对这一挑战的关键。由德累斯顿工业大学生物技术中心(BIOTEC)的MariaTeresaPisabarro教授领导的结构生物信息学小组和由德累斯顿工业大学材料科学研究所MaxBergmann生物材料中心(MBC)的PDDr.VeraHintze领导的功能生物材料小组将他们的专业知识与德累斯顿工业大学医学院的骨骼专家LorenzHofbauer教授相结合。

“几年来，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。所有这些都是为了设计出可以有效干扰这些相互作用的新分子。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，“Pisabarro教授解释道。

最后，LorenzHofbauer骨骼实验室的团队使用一种在小鼠骨缺损上加载新分子的生物材料来测试其有效性。该小组发现，含有新分子的材料优于标准生物材料，并可增强骨愈合高达50%，这表明它们具有改善骨再生的潜力。

增值链：从计算机到实验室工作台再到返回

多学科团队使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分子。通过使用计算方法来预测和改进设计分子的特性，该团队能够开发一系列具有最大潜力的候选物质，以关闭阻止骨再生的蛋白质。

Pisabarro小组的专业知识允许对阻断骨再生的两种蛋白质的三维(3D)结构进行彻底分析。有了这个，他们能够以3D形式模拟它们与受体的相互作用，并识别所谓的热点，即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。

“我们使用分子建模来设计新的结构，模仿与两种蛋白质的相关受体相互作用。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，我们的新分子将同时劫持蛋白质并有效地关闭它们以打开骨再生，“Pisabarro教授解释说。

“Pisabarro小组设计的分子由我们在柏林自由大学的同事合成，然后通过生物物理相互作用分析分析其蛋白质结合特性，”PDDr.Hintze说。“对于每个分子，我们能够测量与蛋白质的结合强度以及它们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个小分子在关闭抑制蛋白方面的效果。Hofbauer小组随后在细胞培养模型中和后来的小鼠中测试了这些相互作用研究的生物学相关性。

这种迭代测试的结果是增强Pisabarro组当前分子模型的宝贵资产，可用于指导未来新型和更好分子的开发。这种方法还确保了动物研究最小化，并且仅在项目的最后阶段进入项目。

该团队的研究结果代表了临床前开发向前迈出的令人兴奋的一步。新设计的分子可能被用来关闭阻止骨再生的蛋白质，并导致开发新的，更有效的骨折和其他骨骼相关疾病的治疗方法。