Bone morphogenetic protein 9 (BMP9) is a potent inducer of osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. The Wnt antagonist Dickkopf-1 (Dkk1) is involved in skeletal development and bone remodeling. Here, we investigated the role of Dkk1 in BMP9-induced osteogenic differentiation of MSCs. We found that overexpression of BMP9 induced Dkk1 expression in a dose-dependent manner, which was reduced by the P38 inhibitor SB203580 but not the ERK inhibitor PD98059. Moreover, Dkk1 dramatically decreased not only BMP9-induced alkaline phosphatase (ALP) activity but also the expression of osteocalcin (OCN) and osteopontin (OPN) and matrix mineralization of C3H10T1/2 cells. Furthermore, exogenous Dkk1 expression inhibited Wnt/β-catenin signaling induced by BMP9. Our findings indicate that Dkk1 negatively regulates BMP9-induced osteogenic differentiation through inhibition of the Wnt/β-catenin pathway and it could be used to optimize the therapeutic use of BMP9 and for bone tissue engineering.
Young-Hoon Lee;Renming Guo;Yibo Li;Byung Keon Park
International Journal of Oral Biology
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v.49
no.2
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pp.48-52
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2024
This study explores the histological features and Bmp4 expression patterns in the replaced tooth germ of Xenopus laevis. Tooth germ formation starts from the dental placode through epithelial-mesenchymal interactions, involving various signaling pathways such as Fgf, Shh, Bmp, and Wnt. In mice, Bmp4 expression in the dental placode inhibits Pax9 expression in the dental mesenchyme. Although absent in the presumptive dental lamina of birds and toothless mammals, Bmp4 remains conserved in reptiles and fish owing to gene duplication. However, its expression in amphibian tooth germs is poorly understood. Three-month-old X. laevis were employed in this study. Initially, samples underwent paraffin embedding and were sectioned into 5 or 12 ㎛ ribbons for H&E staining and in situ hybridization, respectively. Results revealed teeth appearing in two maxillary rows: the labial side, with prefunctional and functional teeth, and the lingual side, with replaced tooth germs behind functional teeth. Enameloid was observed between the inner dental epithelium and dental mesenchyme at the cap or early bell stages, whereas enamel and dentin formed during the late bell or mineralization stages from the replaced tooth germ. Bmp4 expression was evident in the inner dental epithelium (ameloblasts), dental papilla (odontoblasts), stellate reticulum, and Hertwig's epithelial root sheath. Overall, these findings highlight the conservation of Bmp4 expression in X. laevis tooth development.
Purpose: To investigate the expression of bone morphogenetic protein (BMP)-2/4 during eary tooth development after irradiation and calcium-deficient diet. Materials and Methods: The pregnant three-week-old Sprague-Dawley rats were used for the study. The control group was non-irradiation/normal diet group (Group 1), and the experimental groups were irradiation/normal diet group (Group 2) and irradiation/calcium-deficient diet group (Group 3). The abdomen of the rats at the 9th day of pregnancy were irradiated with single dose of 350 cGy. The rat pups were sacrificed at embryonic 18 days, 3 days and 14 days after delivery and the maxillae tooth germs were taken. The tissue sections of specimen were stained immunohisto-chemically with anti-BMP-2/4 antibody. Results: At embryo-18 days, immunoreacivity for BMP-2/4 of the Group 1 was modetate in stratum intermedium of dental organ and weak in dental papilla and dental follicle, but that of Group 2 was weak in cell layer of dental organ, and no immunoreacivity was shown in dental papilla and dental follice of Group 2 and in all tissue components of the Group 3. At postnatal-3 days, immunoreacivity for BMP-2/4 of the Group 1 was strong in cell layer of dental organ, odontoblasts and developing alveolar bone, but that of Group of 2 and Group 3 was weak in odontoblasts and developing alveolar bone. At postnatal-14 days, immunoreacivity for BMP-2/4 of the Group 1 was strong in newly formed cementum, alveolar bone and odontoblasts, but that of Group 2 was weaker than that of Group 1. In the Group 3, tooth forming cell layer showed weak immunoreactivity, but other cell layers showed no immunoreactivity. Couclusion : The expression of bone morphogenetic protein (BMP)-2/4 during early tooth development was disturbed after irradiation and calcium-deficient diet.
We have found that the previously uncharacterized bone morphogenetic protein-9 (BMP9) is one of the most osteogenic factors. However, it is unclear if BMP9 cross-talks with $TGF{\beta}1$ during osteogenic differentiation. Using the recombinant BMP9 adenovirus, we find that low concentration of rh$TGF{\beta}1$ synergistically induces alkaline phosphatase activity in BMP9-transduced C3H10T1/2 cells and produces more pronounced matrix mineralization. However, higher concentrations of $TGF{\beta}1$ inhibit BMP9-induced osteogenic activity. Real-time PCR and Western blotting indicate that BMP9 in combination with low dose of $TGF{\beta}1$ potentiates the expression of later osteogenic markers osteopontin, osteocalcin and collagen type 1 (COL1a2), while higher concentrations of $TGF{\beta}1$ decrease the expression of osteopontin and osteocalcin but not COL1a2. Cell cycle analysis reveals that $TGF{\beta}1$ inhibits C3H10T1/2 proliferation in BMP9-induced osteogenesis and restricts the cells in $G_0/G_1$ phase. Our findings strongly suggest that $TGF{\beta}1$ may exert a biphasic effect on BMP9-induced osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells.
Kim, Kyu-Nam;Yang, Jung-Eun;Jang, Jea-Won;Sasikala, Balaraman;Wang, Beng;Kim, Il-Kyu
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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v.36
no.3
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pp.161-171
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2010
Introduction: This study was to assess the effectiveness of new bone formation and regeneration by using a rhBMP-2 and $\beta-TCP$ as a carrier in rabbits’mandible. Materials and Methods: The mandibles of 36 rabbits were exposed and cortical bone was penetrated for this study. The experimental subjects were divided into 3 groups each 12 rabbits ; control group, experimental group 1, and experimental group 2. Control group had the defect itself without any treatment, in the experimental group 1, $\beta-TCP$P only was grafted, and in the experimental group 2, rhBMP-2 soaked in $\beta-TCP$ was grafted. The rabbits were sacrificed after 1, 2, 3, 4, 6, and 8weeks, and new bone formation area was examined and measured for bone quantitative and qualitative analysis with light, fluorescent and polarized microscopy. Results: In the experimental group 1, new bone formation from the adjacent host bone was made by osteoconduction, and in the experimental group 2, direct new bone formation by osteoinduction of rhBMP-2 as well as new bone formation by osteoconduction of $\beta-TCP$ were observed. Conclusion: rhBMP-2 of experimental group 2 is very effective in the bone formation in early 2weeks and bone remodelling from 3weeks.
In this study, we fabricated a novel micro porous hybrid scaffold of biphasic calcium phosphate (BCP) and a polylectrolyte complex (PEC) of chitosan (CS) and hyaluronic acid (HA). The fabrication process included loading of CS-HA PEC in a bare BCP scaffold followed by lypophilization. SEM observation and porosimetry revealed that the scaffold was full of micro and macro pores with total porosity of more than 60 % and pore size in the range of $20{\sim}200{\mu}m$. The composite scaffold was mechanically stronger than the bare BCP scaffold and was significantly stronger than the CS-HA PEC polymer scaffold. Bone morphogenetic growth factor (BMP-2) was immobilized in CS-HA PEC in order to integrate the osteoinductive potentiality required for osteogenesis. The BCP frame, prepared by sponge replica, worked as a physical barrier that prolonged the BMP-2 release significantly. The preliminary biocompatibility data show improved biological performance of the BMP-2 immobilized hybrid scaffold in the presence of rabbit bone marrow stem cells (rBMSC).
Kim, Ki-Hong;Park, Young-Ju;Park, Jun-Woo;Lee, Yong-Chan;Cho, Byoung-Ouck;Ahn, Byoung-Keun
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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v.28
no.4
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pp.280-285
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2002
As the result of the study concerning "bone inducibility of chitosan", 1. "BMP-2" was observed mainly through the test when the "osteoblast" is exposed to the "chitosan". The expression of BMP-2 was 542.63 times compared to control after 2 hours exposure and it was maintained 16.60 times till 24 hours. 2. The expression of BMP-4 was decreased compared to control during exposure. 3. The expression of BMP-7 revealed two peaks during exposure. 4. The expression of osteocalcin was increased in early phase, and then decreased. Although it is not clear whether the "chitosan" is clinically effective material as a "bone induction material", we could say that it has a function for bone induction. Further detailed study will be required.
Fractures in the horse industry are challenging and a common cause of death in racehorses. To accelerate fracture healing, tissue engineering (TE) provides promising ways to regenerate bone tissues. This study aimed to evaluate the osteogenic effects of biphasic calcium phosphate collagen (BCPC) graft, bone morphogenetic protein 2 (BMP2), mesenchymal stem cell (MSC), and platelet-rich plasma (PRP) treatments in horses. Four thoroughbred horses were included in the study, and, in each horse, three cortical defects with a diameter of 5 mm and depth of 10 mm were formed in the third metacarpal bones (MC) and metatarsal bones (MT). The defects were randomly assigned to one of six treatment groups (saline, BCPC, BMP2, MSC, PRP, and control). Injections of saline, BMP2, PRP, or MSCs were made at 1, 3, and 5 weeks after defect surgery. Bone regeneration effects were assessed by radiography, quantitative computed tomography (QCT), micro-computed tomography (μCT), histopathological, and histomorphometric evaluation. The new bone ratio (%) in the histomorphometric evaluation was higher in the BMP2 group than in the control and saline groups. Radiographic and QCT values were significantly higher in the BCPC groups than in the other groups. QCT values of the BMP2 group were significantly higher than in the control and saline groups. The present study demonstrated that BCPC grafts were biologically safe and showed osteoconductivity in horses and the repeated injections of BMP2 without a carrier can be simple and promising TE factors for treating horses with bone fractures.
Purpose: To investigate the effect of rhBMP-2 on the healing of bone defect in the low calcium diet rat. Materials and Methods: To prepare the experimental model, control group was fed a normal diet and experimental group was fed a low calcium diet for 3 weeks. And then, 4 mm bicortical perforated bone defect was made on mandibular body of each rats. Experimental group was subdivided into two groups; experimental group 1 (rats given a low calcium diet before and after bone defect) and experimental group 2 (rats given a low calcium diet before and after bone defect with rhBMP-2 application). At 1, 3, 5 and 7 weeks after bone defect formation, the rats were terminated. The healing of bone defect was assessed by three-dimensional computerized tomography, soft x-ray radiography, and histopathological examination. Results : The wound healing of the bone defect for control group, experimental group 1, and experimental group 2 showed a increase from 3 weeks after bone defect formation. The experimental group 2 showed a more increase in healing amount than control group and experimental group 1 from 5 weeks after bone defect formation and the experimental group 2 showed a complete recovery of bone defect at 7 weeks after bone defect formation. Conclusion: The healing process of bone defect is accelerated by rhBMP-2 application in the low calcium diet rats.
골형성 유도 단백질(bone morphogenetic protein, BMP)은 성장이나, 골형성과정에서 중용한 역할을 한다고 입증되었고 그것의 운반체에 대한 연구가 이뤄져 왔다. 하지만 수직압이 존재하는 곳에서 골증대술에 적용할 수 있을 만큼 강한 공간유지능력이 있는 운반체에 대한 연구는 그리 많지 않았다. Macroporous biphasic calcium phosphate block (MBCP block)은 공간유지능력이 뛰어나며 강한 수직압을 견딜수 있는 골대체물질이다. 이 연구의 목적은 MBCP block을 골형성유도 단백질(rhBMP-2)의 운반체로 사용하여 백서 두개골 결손부에 적용하였을 때, 골 형성 효과를 평가하는 것이다. 36마리의 웅성백서에서 8mm 지름을 갖는 임계크기의 두 개부 결손을 형성하였다. 20마리씩 2개의 군으로 나누어 MBCP block만 이식한 군, MBCP block을 운반체로 사용하여 농도 0.025mg/ml rhBMP-2를 이식한 군으로 나누어 술 후 2주와 8주에 치유결과를 조직학적, 조직계측학적으로 비교 관찰 하였다. 조직계측학적 관찰 결과, rhBMP-2/MBCP block 군에서 MBCP block군에서 보다 2, 8주 모두 골밀도(bone density)가 유의성있게 증가하였다 (P<0.01). 각 군에서도 8주째가 2주째보다 골밀도가 유의성있게 증가하였다(P<0.01). 총조직 형성량 (augmented area)에서는 변화가 없었다. 이 연구 결과, 백서 두개골 결손부에서 MBCP block은 rhBMP의 운반체로 사용하였을 때 신생골 형성에 유의한 효과가 있을뿐 아니라 공간유지능력이 우수해서 수직압이 존재하는 골증대술(bone augmentation)시 rhBMP의 운반체로 가능성이 있다고 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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