Critical-sized bone defects are critical healing conditions that, if left untreated, often lead to non-unions. To reduce the risk, critical-sized bone defects are often treated with recombinant human BMP-2. Although enhanced bone tissue formation is observed when BMP-2 is administered locally to the defect, spatial and temporal distribution of callus tissue often differs from that found during regular bone healing or in defects treated differently. How this altered tissue patterning due to BMP-2 treatment is linked to mechano-biological principles at the cellular scale remains largely unknown. In this study, the mechano-biological regulation of BMP-2-treated critical-sized bone defect healing was investigated using a multiphysics multiscale in silico approach. Finite element and agent-based modeling techniques were combined to simulate healing within a critical-sized bone defect (5 mm) in a rat femur. Computer model predictions were compared to in vivo microCT data outcome of bone tissue patterning at 2, 4, and 6 weeks postoperation. In vivo, BMP-2 treatment led to complete healing through periosteal bone bridging already after 2 weeks postoperation. Computer model simulations showed that the BMP-2 specific tissue patterning can be explained by the migration of mesenchymal stromal cells to regions with a specific concentration of BMP-2 (chemotaxis). This study shows how computational modeling can help us to further understand the mechanisms behind treatment effects on compromised healing conditions as well as to optimize future treatment strategies.

临界大小的骨缺损是关键的愈合条件，如果不及时治疗，通常会导致不愈合。为了降低风险，通常用重组人 BMP-2 治疗临界大小的骨缺损。虽然当 BMP-2 局部施用到缺损处时观察到增强的骨组织形成，但愈伤组织的空间和时间分布通常不同于在常规骨愈合期间或在不同处理的缺损中发现的分布。这种由于 BMP-2 治疗而改变的组织模式如何与细胞规模的机械生物学原理联系起来仍然很大程度上未知。在这项研究中，使用多物理多尺度计算机方法研究了 BMP-2 治疗的临界大小骨缺损愈合的机械生物学调节。有限元和基于代理的建模技​​术相结合，以模拟大鼠股骨中临界大小的骨缺损（5 毫米）内的愈合。计算机模型预测与术后 2、4 和 6 周骨组织模式的体内 microCT 数据结果进行了比较。在体内，BMP-2 治疗在术后 2 周后通过骨膜骨桥接导致完全愈合。计算机模型模拟表明，BMP-2 特异性组织模式可以通过间充质基质细胞迁移到具有特定 BMP-2 浓度（趋化性）的区域来解释。这项研究显示了计算建模如何帮助我们进一步了解治疗对受损愈合条件的影响背后的机制，以及优化未来的治疗策略。计算机模型预测与术后 2、4 和 6 周骨组织模式的体内 microCT 数据结果进行了比较。在体内，BMP-2 治疗在术后 2 周后通过骨膜骨桥接导致完全愈合。计算机模型模拟表明，BMP-2 特异性组织模式可以通过间充质基质细胞迁移到具有特定 BMP-2 浓度（趋化性）的区域来解释。这项研究显示了计算建模如何帮助我们进一步了解治疗对受损愈合条件的影响背后的机制，以及优化未来的治疗策略。计算机模型预测与术后 2、4 和 6 周骨组织模式的体内 microCT 数据结果进行了比较。在体内，BMP-2 治疗在术后 2 周后通过骨膜骨桥接导致完全愈合。计算机模型模拟表明，BMP-2 特异性组织模式可以通过间充质基质细胞迁移到具有特定 BMP-2 浓度（趋化性）的区域来解释。这项研究显示了计算建模如何帮助我们进一步了解治疗对受损愈合条件的影响背后的机制，以及优化未来的治疗策略。BMP-2 治疗在术后 2 周后通过骨膜骨桥接导致完全愈合。计算机模型模拟表明，BMP-2 特异性组织模式可以通过间充质基质细胞迁移到具有特定 BMP-2 浓度（趋化性）的区域来解释。这项研究显示了计算建模如何帮助我们进一步了解治疗对受损愈合条件的影响背后的机制，以及优化未来的治疗策略。BMP-2 治疗在术后 2 周后通过骨膜骨桥接导致完全愈合。计算机模型模拟表明，BMP-2 特异性组织模式可以通过间充质基质细胞迁移到具有特定 BMP-2 浓度（趋化性）的区域来解释。这项研究显示了计算建模如何帮助我们进一步了解治疗对受损愈合条件的影响背后的机制，以及优化未来的治疗策略。