骨形态发生蛋白2活性肽及制备方法和应用的制作方法

专利名称：骨形态发生蛋白2活性肽及制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于临床医学领域，更具体地说它涉及一种骨形态发生蛋白2活性多肽及这种 活性多肽的制备方法及其在医学上促进骨再生、骨缺损修复上的应用。
技术背景据统计，我国每年因各类交通事故、生产安全事故、骨科疾病等因素，造成骨缺损或 骨损伤的患者有300万人，而且有逐年增多的趋势，急需大量骨修复材料，市场巨大。随 着科技的进歩，临床上通过实施自体或异体组织移植、使用人工合成骨组织代用品，使得 上述疾病的治疗取得了很大进展。但其缺点是均存在牺牲个体正常组织、供体来源不足、 价格昂贵、产生排异反应和继发感染等问题，不能满足临床治疗的要求。目前，如何从根 本上解决骨缺损的修复已成为国际医学前沿课题。近年来，用组织工程学技术，即用人工细胞外基质材料、生长因子与种子细胞复合移 植或单独植入修复骨缺损，引起各国高度重视。但目前国内外骨相关研究尚处于起歩阶段， 有许多问题亟待解决，其中如何研制出具有显著修复骨缺损效果的药物或材料是亟待解决 的关键问题之一。骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic proteins,简称BMPs)是一种存在于骨基质中的糖 蛋白多肽，含有二硫键结构，相对分子质量18000-30000，除骨形态发生蛋白l外构成了 一个结构和功能相似的多肽因子家族。到目前为止，已发现的骨形态发生蛋白家族成员有 43种。骨形态发生蛋白是目前唯一能够单独诱导骨组织形成的局部生长因子，能在生物体 内诱导未分化的间质细胞分化成为软骨和骨。骨形态发生蛋白各成员的诱导成骨能力不 同，其中以骨形态发生蛋白2的成骨能力最强，因此目前被广泛研究。然而，BMP-2是一种量微高效的粉末状物质，既不能均匀地分布于骨缺损处，又无支 撑作用。同时，由于骨形态发生蛋白2在体内半衰期短，局部应用时代谢较快，要求相对 大的剂量才能刺激足量骨形成而持续的发挥治疗作用，从而增加临床治疗的成本并可能导 致毒性作用的产生。如何大规模的生产BMP-2并使其在临床上更加广泛地发挥作用一直是 当前研究的一个难点。H前国内外多采用分子生物学和基因工程学等技术生产基因重组人骨形态发生蛋白 2(rilBMP-2)。但由于其生产设备和制备工艺非常复杂，生产周期长，产率低，价格亦非常 品贵，难以大规模生产，同时亦存在基因工程产品安全性的问题(Wozney J, Seeherman H. Protein-based tissue engineering in bone and cartilage repair. Curr Opin Biotechnol, 2004, 15(5): 392-398.)。临床上，人们运用无机材料、高分子多聚体、生物性材料、复合材料等作为BMP-2 或rhBMP-2载体应用于治疗。但由于各种材料在生物相容性、力学性能、骨传导性、骨诱 导性、可塑性。可降解性等方面各有差异，目前还没有一种完全具备理想骨缺损修复材料 要求的骨组织代用品。这样就限制了外源性BMP2或rhBMP-2在骨折治疗中的应用。另外， 大分子蛋白质吸附在材料表面后会随机折迭，活性位点暴露不充分导致其生物活性不高。另一种方法是运用转基因技术将BMP-2基因转入骨髓间充质干细胞，通过转基因细胞 表达BMP-2。目甜报道的骨形态发生蛋白2基因载体多为腺病毒，病毒类载体有持续增殖 对宿主造成危害的可能，同时外源性基因的介入也使宿主基因存在突变的危险；非病毒载 体转入的外源性基因不会整合入宿主细胞的染色体中，不会使插入位点的基因过度表达和 失活，也汜插入突变的危险，但其表达效率较低。此外，基因在体内的表达时间和表达数 量还不能人为控制。然而亦存在转染效率低、表达时间较短及病毒载体的潜在致癌性等缺 /,',((Chadderdon R, Shimer A， Gilbertson L. Advances in gene therapy for intervertebral disc degeneration. Spine J. 2004， 4(6Suppl): 341S-34.)(因此，以BMP-2为基础的基因治疗还远 远不能运用于临床。 发明内容本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，而提供一种骨形态发生蛋白2活性肽。本发明的另一个目的是提供一种制备上述骨形态发生蛋白2活性肽的方法。 本发明的再一个目的是将本发明骨形态发生蛋白2活性肽在临床上应用于促进骨再 生、骨缺损的修复。本发明的目的是通过如下措施来达到一种骨形态发生蛋白2活性肽，其结构为S(P04JKIPKASSVPTELSAISTLYLDDDCt形态发生蛋白2活性肽1);或CCCCDDDS'pwKIPKASS VPTELS AISTLYL(骨形态发生蛋白2活性多肽2);或C, 6H3,0-N H-CCCCGGGS 1P04]-KIPKASS VPTELS AISTLYL(骨形态发生蛋白2活性肽3)。制备上述骨形态发生蛋白2活性肽的方法为BMP-2氨基酸序列中的BMP-2II型受体具有很多抗原表位，其特征性的"指节抗原表 位:"(Kirsch T, Sebald W, Dreyer MK. Crystal structure of the BMP-2-BRIA ectodomain complex. Nat Struct Biol, 2000, 7(6): 492-496.)中具有诱导成骨的核心功能区，其核心功能区中氨基酸 序列为"KIPKASSVPTELSAISTLYL" (Saitoa A, Suzuki Y, Ogataa S， et al. Activation of osteo-progenitor cells by a novel synthetic peptide derived from the bone morphogenetic protein-2 knuckle epitope. Biochimica et Biophysica Acta, 2003, 1651: 60—67.)在其一端加上一个磷酸化的丝氨酸，另外一端加上三个天冬氨酸，形成的骨形态发生 蛋白2活性肽l(Sfro4]KIPKASSVPTELSA[STLYLDDD);或在其 -端加上四个半胱氨酸，三个天冬氨酸以及一个磷酸化的丝氨酸，形成的骨形 态发生蛋白2活性肽2(CCCCDDDS[P04JKIPKASSVPTELSAISTLYL)。或在其一端加上四个半胱氨酸，三个甘氨酸以及一个磷酸化的丝氨酸，其中位于多肽 链的端侧的一个半胱氨酸用软脂酸酯((^H^O-)加以修饰，形成骨形态发生蛋白2活性肽 3(Cl6H3iO- NH- CCCCGGGS[P04-KIPKASSVPTELSAISTLYL)。H条多肽均通过常规的FMOC/tBu固相多肽合成法合成(Barany Q Merrifield RB. 1979. Solid phase peptide synthesis. In: Gross E, Meienhofer J. eds. The peptides uol2. New York AcademiPc ress. pp l-284.):采用对碱不稳定的9-芴甲基羰基(Fmoc)保护氨基酸的a-氨基， 釆用对酸不稳定的叔丁基型或其它保护基团保护氨基酸的侧链官能团，用聚酰胺树脂作为 多肽合成的固相载体。所得粗肽经过凝胶层析初步纯化，最后经过高效液相色谱法分析其 纯度，冷冻而得。这三条多肽能够极好的模拟天然骨基质的促发及指导生物矿化的功能，在局部形成偏 酸的环境，促进局部的钙、磷自组装沉积到体内局部组织中胶原纤维表面，生长成按同一 方向排列的、坚硬的羟基磷灰石微型晶体结构，形成与天然骨极为相似的结构，从而发挥 与天然BMP-2类似的功能。与常规的骨形态发生蛋白药品相比，该活性多肽具有如下的优点(l)该活性多肽可发 挥与其蛋白质类似的作用，同时短链多肽活性位点能充分暴露并与细胞表面相应的受体结合，达到其较好生物活性，实验结果表明其异位成骨能力较强(参见说明书中动物体内异位 成骨的实验研究)；(2)此活性多肽两端的序列中含有磷酸化的丝氨酸、半胱氨酸(两种氨 基酸为极性中性氨基酸)及天冬氨酸(它为酸性氨基酸)，多肽在与相关基质材料结合后， 在模拟体液中其两端的这些氨基酸能在材料表面形成磷酸基、羧基等阴离子活性基团。这 些阴离子基团是体内促发并指导矿化的重要的功能位点，它们对钙磷离子具有很强的亲和 力，能促进钙磷离子的沉积、晶体的成核生长和自组装矿化，起到调控机体内生物自组装 矿化的作用。这儿种中性及酸性氨基酸的存在使此活性多肽具有了更好的骨诱导活性，促 进了共成骨的效能。我们的研究表明憐酸基等阴离子活性基团能更好的促进基质材料的矿 化(参见说明书中材料生物矿化方面的实验研究h (3)通常由少于100个氨基酸组成的称 为小分子多肽，而由100个以上氨基酸组成的称为蛋白质。少于50个氨基酸组成的小分 子多肽人工合成比较容易，合成较难、大于50个氨基酸组成的多肽或蛋白质才用基因工 程表达。此小分子多肽较之骨形态发生蛋白分子结构小，更易大规模人工合成，费用更低， 大大减轻了骨缺损病人的经济负担；(4)由于多肽的分子量小，生产出的剂型更加丰富。 一方面.，"T将多肽配成溶液，直接在骨缺损或骨不连的部位注射；第二，可采用微球包覆 技术，运用高分子材料微球将多肽包裹，以达到植入体内后缓释的效果；第三，可将水溶 性的肽引入到PLA或PCL链段中，合成出一种新型的具有生物功能、可降解的共聚物，植入病变部位治疗；(5)研究表明，小分y-多肽激素可以引起肌体不同时效的iE性或负性生理活动和生化反应调节，活性极高，非常微量的剂量(l/百万克)即可引起肌体明显反应。 多肽在与相关基质材料复合过程中稳定性更好，且复合后随着材料本体的逐渐降解而释 放，持续时问更长，达到了缓释的效果，将更好更快的促进骨缺损的修复。


图1为磷酸化丝氨酸的化学结构。图2为骨形态发生蛋白2活性多肽1在Wistar大鼠体内异位成骨的CT照片。 图3为骨形态发生蛋白2活性多肽2在Wistar大鼠体内异位成骨的CT照片。 图4为骨形态发生蛋白2活性多肽3在Wistar大鼠体内异位成骨的CT照片。 图5为光镜下(x10倍)8周时骨形态发生蛋白2活性多肽1异位成骨的HE染色切片阁。图6为光镜下(xl0倍)8周时骨形态发生蛋白2活性多肽2异位成骨的HE染色切片图。阁7为光镜下(xlO倍)8周时骨形态发生蛋白2活性多肽3异位成骨的HE染色切片图。图8为光镜下(xl0倍)8周时置入单纯胶原海绵材料部位的HE染色切片图。 图9为钙离子吸附质量分析结果。阁10扫描电镜显示的是PLGA-(PEG-ASP)n支架材料(x50倍)。图11扫描电镜显示的是第8天时PLGA-(PEG-ASP)n支架材料在模拟体液中(x2000倍)。图12扫描电镜显示的是第16天时PLGA-(PEG-ASP)n支架材料在模拟体液中(><3000倍)。图13扫描电镜显示的是第16天时PLGA-PEG支架材料在模拟体液中(x3000倍)。 图14为PLGA-(PEG-ASP)n材料及PLGA-PEG支架材料在各个时间点质量检测结果。
具体实施方式
卜'面结合附图详细说明本发明的实施情况其中图2， 3, 4， 5， 6， 7， 8为动物实验 的结果，即骨形态发生蛋白2活性肽1， 2， 3置入Wistar大鼠体内后异位成骨的影像学及 组织学检验图。其中图9， 10， 11, 12， 13， 14为基质材料生物矿化实验研究的结果图。 (1)动物体内异位成骨的实验研究① 材料的准备通过FM0C7tBu固相多肽合成法分别合成骨形态发生蛋白2活性肽1 (SiPU4]KIPKASSVPTELSAISTLYLDDD )，骨形态发生蛋白 2 活性肽2 (C'CCCDDDS[P04]KIPKASSVPTELSAISTLYL)及骨形态发生蛋白2活性肽3(d6H3！0- NH-CCCCGGGS网-KIPKASSVPTELSAISTLYL)。所用的胶原海绵为武汉博士德公司产品。以5x5x5mnr;大小的胶原海绵为支架材料，将三种骨形态发生蛋白2活性多肽以生理 盐水溶解，按照0.4mg剂量分别滴加于胶原海绵上，同时将等量的生理盐水滴加于对照的 单纯胶原海绵上，待其充分吸收后冻干备用。② 分组将36只Wistar大鼠随机平均分为三个实验组，即0.4mg骨形态发生蛋白2活 性多肽1/胶原海绵组、0.4mg骨形态发生蛋白2活性多肽2/胶原海绵组、0.4mg骨形态发生蛋fl 2活性多肽3滑交原海绵组，对照采用单纯胶原海绵。 ③植入多肽/胶原海绵及单纯胶原海绵
实验大鼠采用氯胺酮腹腔注射麻醉。在背部骶棘肌切口 1 cm,两个实验组分别植入 ().4mg骨形态发生蛋白2活性多肽l服原海绵、0.4mg骨形态发生蛋白2活性多肽2/胶原 海绵、0.4mg骨形态发生蛋白2活性多肽3/胶原海绵组于一侧骶棘肌肌肉间隙内，对侧骶 棘肌肌肉间隙内植入同样大小的单纯的胶原海绵。三组小鼠分别在植入后3、 6、 8周行CT 摄片检査，然后各组在每个时间点各处死4只，并对植入材料的局部组织进行取材，甲醛 间定后，经石蜡包埋切片，HE染色，进行组织学观察。
实验结果中影像学CT检査显示分别置入了骨形态发生蛋白2活性多肽1、 2、 3的动 物体内均有明显的异位成骨(图2、图3、图4);组织学检验(图5)显示8周时骨形态发 生蛋白2活性多肽l/胶原海绵组可见明显新骨形成，且发育很充分，多数新骨连续存在。 组织学检验(图6)显示8周时骨形态发生蛋白2活性多肽2/胶原海绵组可见明显新骨形 成，骨小梁较为宽粗，其表面可见成排的活跃的骨细胞。组织学检验(图7)显示8周时 骨形态发生蛋白2活性多肽3/胶原海绵组可见明显的新骨形成，发育较充分。单纯胶原海 绵材料组仅见纤维组织形成，未见类骨质形成，到8周时已被完全降解吸收(图8)。
实验结果说明骨形态发生蛋白2活性多肽1、骨形态发生蛋白2活性多肽2及骨形态 发生蛋白2活性肽3均具有良好的异位成骨能力，和骨形态发生蛋白2具有类似的成骨活 性，在骨组织工程领域具有前景广阔的应用价值。
(2)基质材料生物矿化的实验研究
① 材料的准备
高分子材料丙交酯/乙交酯/天冬氨酸一聚乙二醇(英文名称PLGA-(PEG-ASP)n)多元 共聚物的合成:由丙交酯(DLLA)、乙交酯(GA)及天冬氨酸一聚乙烯预聚物开环共聚合成。 材料制成直径为5mm的圆片状，厚度为2mm。
高分于材料聚(丙交酯-co-乙交酯)—聚乙二醇(英文名称PLGA—PEG)制成直径为 5mm的圆片状，厚度为2mm。
② 钙离子吸附质量分析40片两种多聚物材料共分5组，分别放入含有不同钙离子浓度的NaCl缓冲液(PH =7.4， 150mM)的24孔板中，37度条件下放置。各组中钙离子的浓度分别为0.05， 0.1， 1， 5及10mM。 48小时后，通过测定溶液中残留的钙离子的量，得出吸附于每份支架材料上 的钙离子含量。溶液中的钙离子浓度运用比色分析法测定。
③ 生物矿化
将PLGA-(PEG-ASP)n及PLGA—PEG支架材料放置于24孔组织培养皿中，在各孔中均 加入15ml的改良后的模拟体液。分别放置0，4，8， 12, 16天。每天更换新鲜的模拟体液以保 正足够的离子浓度。改良后的模拟体液的组成为H20: 141mMNaCI，4.0mMKCl,0.5mM MgS()4, 1 .OmM MgCl2,4.2mM NaHC03, 5.0mM CaCl2, and 2.0mm KH2P04.合成后的溶液用 Tris-HCl溶液进行缓冲至pH = 6.8。每份材料在每个培养期处理前及处理后均冻干后进行扫 描电镜观察及质量检测。
④ 实验结果及分析
钙离子吸附质量分析结果表明PLGA — PEG材料上的钙离子吸附质量明显少于 PLGA-(PEG-ASP)n材料上钙离子吸附质量。另外，两种材料上钙离子吸附量均随溶液中的 钙离子浓度增加而增加(图9)。
生物矿化结果表明处理前PLGA-(PEG-ASP)n共聚物支架材料扫描电镜如图 (图IO)。在不同的培养期，扫描电镜显示在PLGA-(PEG-ASP)n共聚物支架材料内部多孔结 构内，充满二氧化碳的低晶状的羟基磷灰石纳米晶体持续的成核和生长。随着培养期的延 长，材料内部多孔结构内生物矿物的析出范围明显增大。8天时，许多独立的矿化晶体在 材料内部多孔结构内生长(图ll)。 16天时，出现连续的矿化层，生物矿化晶体显示出薄片 状的结构形态(图12)u PLGA — PEG支架材料表面在各个培养期均未见明显的矿物生长(图 13)。质量检测结果显示随时间的增加PLGA- (PEG - ASP)n材料的质量有明显的增加，PLGA 一PEG支架材料组的质量无明显变化(图14)。
目前普遍采用聚乙二醇(PEG)引发丙交酯和乙交酯共聚来改善PLGA材料的亲水性。 然而，形成的嵌段共聚物中缺乏功能基团，难以进一步与生物活性分子复合，材料的细胞 亲和性改善不明显，且材料诱导钙磷离子的沉积、晶体的成核生长和自组装矿化的能力均 不强。我们在PLGA—PEG嵌段共聚物中引入含活性基团的氨基酸序列，以期改善以往报道的该类共聚物中缺乏功能基团的缺陷。
实验结果表明，经含活性基团的氨基酸序列修饰后，产生了表面化学的差异性，对于 多聚物支架材料上钙离子吸附量有明显的影响。天冬氨酸一聚乙二醇预聚物修饰的PLGA 共聚物，具有丰富的阴离子基团功能。这些阴离子基团是体内促发并指导矿化的重要的功 能位点，它们对钙磷离子具有很强的的亲和力，能促进钙磷离子的沉积、晶体的成核生长 和自组装矿化，起到调控机体内生物自组装矿化的作用。
权利要求
1. 一种骨形态发生蛋白2活性肽，其特征在于其结构为S[PO4]KIPKASSVPTELSAISTLYLDDD、或CCCCDDDS[PO4]KIPKASSVPTELSAISTLYL、或C16H31O-NH-CCCCGGGS[PO4]-KIPKASSVPTELSAISTLYL。
2、 制备权利要求1所述骨形态发生蛋白2活性肽的方法，它包括如下步骤BMP-2氨基 酸序列BMP-2n型受体具有很多抗原表位，其特征性的"指节抗原表位"中具有诱导成骨的 核心功能区，核心功能区中氨基酸序列的结构为KIPKASSVPTELSAISTLYL;其特征在于在所述KIPKASSVPTELSAISTLYL的一端加一个磷酸化的丝氨酸，另一 端加三个天冬氨酸，可得到骨形态发生蛋白2活性肽1 ，其结构为 S,KIPKASSVPTELSAISTLYLDDD;或在所述KIPKASSVPTELSAISTLYL的一端加四个半胱氨酸、三个天冬氨酸和一个磷 酸化的丝氨酸，可得到骨形态发生蛋白2活性肽2 ，其结构为 CCCCDDDS网KIPKASSVPTELSAISTLYL;或在所述KIPKASSVPTELSAISTLYL的一端加四个半胱氨酸，三个甘氨酸以及一个磷 酸化的丝氨酸，其中位于多肽链的端侧的一个半胱氨酸用软脂酸酯((:1611310-)加以修饰，可 得到骨形态发生蛋白2活性肽3 ，其结构为Ci6H310- NH- CCCCGGGS[P04-KIPKASS VPTELSAISTLYL 。
3、 骨形态发生蛋白2活性肽在药物制备中的应用，所述的骨形态发生蛋白2活性肽为 骨形态发生蛋白2活性肽1或骨形态发生蛋白2活性肽2或骨形态发生蛋白2活性肽3:其特征 在于该药物用于治疗促进骨再生、骨缺损修复。
全文摘要
一种骨形态发生蛋白2活性肽，其特征在于其结构为C₁₆H₃₁O-NH-CCCCGGGS^[PO4]-KIPKASSVPTELSAISTLYL。它克服了现有BMP-2半衰期短，难以持续的发挥作用以及生产设备、制备工艺非常复杂，生产周期长，产率低，价格亦非常昂贵，难以大规模生产等不足。具有活性位点能充分暴露、其异位成骨能力较强；较易大规模合成，费用更低，稳定性更好，持续时间长等优点。本发明还同时公开了这种骨形态发生蛋白2活性肽的制备方法和应用。
文档编号C07K1/06GK101273057SQ200680035405
公开日2008年9月24日 申请日期2006年10月19日 优先权日2005年10月27日
发明者刘建湘, 段德宇, 段智霞, 泉 袁, 郑启新, 郭晓东 申请人:华中科技大学同济医学院附属协和医院