Delivery of BMP-2 and Substance P Using Graphene Oxide for Bone Regeneration

Abstract

골 재생에 있어서 그래핀 옥사이드(GO)가 코팅된 티타늄(Ti) 임플란트가 골형성단백질-2(BMP-2)를 전달하는 새로운 전달체로서 효과가 있음이 알려져 있다. 본 연구에서는 효과적인 골 재생을 위해 줄기세포 동원인자인 물질 P(SP)와 골 분화 인자인 골형성단백질-2를 함께 전달하는 시스템을 골 재생 치료 법으로서 제시하고자 한다. 그래핀 옥사이드는 표면에 음전하를 띠는 작용기가 존재하여 단백질을 구조와 활성도의 변화없이 부착 가능하며, 많은 양을 전달할 수 있을 뿐만 아니라 단백질의 서방형 방출이 가능하게 함을 in vitro 방출 거동 실험 결과를 통해 확인하였다. 또한 in vitro 세포 이동 실험을 통해 물질 P가 중간엽 줄기세포의 이동을 촉진시킴을 확인하였다. 이에 기초하여, 그래핀 옥사이드를 코팅한 티타늄 판에 물질 P와 골형성단백질-2를 부착시켜 쥐의 두개골 결손 부위에 전달하였다. 8주 후 두개골 결손 부위의 Micro-CT와 조직학을 분석한 결과, 물질 P와 골형성단백질-2를 함께 전달한 실험군이 다른 군들에 비해 뛰어난 골 재생 능력을 보였다. 이러한 결과는 그래핀 옥사이드에 의한 물질 P와 골형성단백질-2의 전달이, 줄기세포를 골 결손 부위로 동원하고 해당 세포의 in situ 골 분화를 가능케 함으로써 효과적인 골 재생 치료법이 될 수 있음을 보여준다.

In the previous study, we used graphene oxides (GO) coated titanium (Ti) substrate for successful BMP-2 delivery vehicle for bone regeneration. A therapeutic protein (bone morphogenetic protein-2, BMP-2) was loaded on the GO-coated Ti substrate. The GO coating on Ti substrate enabled loading of large doses and the sustained release of BMP-2 with preservation of the structure and bioactivity of the drug. For enhancing the bone regeneration efficacy, we combined the dual delivery with substance P (SP). SP was induced the in vitro mesencymal stem cell migration, which is CD29+ cell. The dual delivery of BMP-2 with SP was expected the in situ cell recruitment to defect site by SP and enhanced bone regeneration both delivered BMP-2. The dual delivery of SP and BMP-2 from the GO coated Ti substrate showed the most bone regeneration efficacy than other groups. However, SP and BMP-2 dual delivery from pristine Ti substrate did not enhance the bone regeneration efficacy than BMP-2 alone delivered from Ti. The appropriate BMP-2 delivery vehicle with SP, has potential as an effective bone regeneration strategy.