Abstract Bone grafting procedures are commonly used for the repair, regeneration, and fusion of bones in in a wide range of orthopaedic surgeries, including large bone defects and spine fusion procedures. Autografts are the clinical gold standard, though recombinant human bone morphogenetic proteins (rhBMPs) are often used, particularly in difficult clinical situations. However, treatment with rhBMPs can have off-target effects and significantly increase surgical costs, adding to patients’ already high economic and mental burden. Recent studies have identified that FDA-approved immunosuppressant drug, FK506 (Tacrolimus), can also activate the BMP pathway by binding to its inhibitors. This study tested the hypothesis that FK506, as a standalone treatment, could induce osteogenic differentiation of human mesenchymal stromal cells (hMSCs), as well as functional bone formation in a rat segmental bone defect model and rabbit spinal fusion model. FK506 potentiated the effect of low dose BMP-2 to enhance osteogenic differentiation and mineralization of hMSCs in vitro . Standalone treatment with FK506 delivered on a collagen sponge, produced consistent bone bridging of a rat critically-sized femoral defect with functional mechanical properties comparable to naïve bone. In a rabbit single level posterolateral spine fusion model, treatment with FK506 delivered on a collagen sponge successfully fused the L5-L6 vertebrae at rates comparable to rhBMP-2 treatment. These data demonstrate the ability of FK506 to induce bone formation in human cells and two challenging in vivo models, and indicate FK506 can be utilized either as a standalone treatment or in conjunction with rhBMP to treat a variety of spine disorders. Graphical Abstract

Mechanical loads exerted on the skeleton during activities such as walking are important regulators of bone repair, but dynamic biomechanical signals are difficult to measure inside the body. The inability to measure the mechanical environment in injured tissues is a significant barrier to developing integrative regenerative and rehabilitative strategies that can accelerate recovery from fracture, segmental bone loss, and spinal fusion. Here we engineered an implantable strain sensor platform and measured strain across a bone defect in real-time throughout rehabilitation. We used the sensor to longitudinally quantify mechanical cues imparted by a load-sharing fixation plate that significantly enhanced bone regeneration in rats. We found that sensor readings correlated with the status of healing, suggesting a potential role for strain sensing as an X-ray-free healing assessment platform. This study demonstrates a promising approach to quantitatively develop and exploit mechanical rehabilitation strategies that enhance bone repair.

Abstract Preclinical models of osteochondral defects (OCDs) are fundamental test beds to evaluate treatment modalities before clinical translation. To increase the rigor and reproducibility of translational science for a robust “go or no‐go,” we evaluated disease progression and pain phenotypes within the whole joint for two OCD rat models with same defect size (1.5 x 0.8 mm) placed either in the trochlea or medial condyle of femur. Remarkably, we only found subtle transitory changes to gaits of rats with trochlear defect without any discernible effect to allodynia. At 8‐weeks post‐surgery, anatomical evaluations of joint showed early signs of osteoarthritis with EPIC‐microCT. For the trochlear defect, cartilage attenuation was increased in trochlear, medial, and lateral compartments of the femur. For condylar defect, increased cartilage attenuation was isolated to the medial condyle of the femur. Further, the medial ossicle showed signs of deterioration as indicated with decreased bone mineral density and increased bone surface area to volume ratio. Thus, OCD in a weight‐bearing region of the femur gave rise to more advanced osteoarthritis phenotype within a unilateral joint compartment. Subchondral bone remodeling was evident in both models without any indication of closure of the articular cartilage surface. We conclude that rat OCD, placed in the trochlear or condylar region of the femur, leads to differing severity of osteoarthritis progression. As found herein, repair of the defect with fibrous tissue and subchondral bone is insufficient to alleviate onset of osteoarthritis. Future therapies using rat OCD model should address joint osteoarthritis in addition to repair itself.

Abstract Mechanical loading of bone defects through rehabilitation is a promising therapeutic approach to stimulate repair and reduce the risk of non-union; however, little is known about how therapeutic mechanical stimuli modulate early stages of repair before mineralized bone formation. In a previous study, we established an osteogenic mechanical loading protocol using early ambulatory rehabilitation and a compliant, load-sharing fixator in a rat model of BMP-2 mediated bone defect repair. The objective of this study was to investigate the early effects of osteogenic loading on cytokine expression, tissue composition, and angiogenesis during the first 3 weeks of repair in this model. Using a wireless implantable strain sensor for local measurements of mechanical boundary conditions, finite element simulations showed that osteogenic mechanical loading increased mean compressive strain in defect soft tissue during rehabilitative ambulation at 1 week (load-sharing: −1.54 ± 0.17% vs. load-shielded: −0.76 ± 0.06%), and that strain was amplified in remaining soft tissue regions at 3 weeks as mineralization progressed (load-sharing: −1.89 ± 0.35% vs. load-shielded: −1.38 ± 0.35%). Multivariate analysis of multiplex cytokine arrays revealed that loading significantly altered cytokine expression profiles in the defect tissue at 2 weeks compared to load-shielded defects. Specifically, loading reduced VEGF and increased CXCL5 (LIX) levels. Subsequently, vascular volume in loaded defects was reduced relative to load-shielded defects but similar to intact bone at 3 weeks. Endochondral bone repair was also observed histologically in loaded defects only at 3 weeks. Together, these results demonstrate that moderate ambulatory strains previously shown to stimulate functional bone regeneration significantly alter early angiogenic and cytokine signaling and may promote endochondral ossification in large segmental bone defects. Authors’ Contributions B.S.K., N.J.W., and R.E.G. designed the research and performed surgeries; B.S.K., C.E.V., and J.K. performed experiments; B.S.K., C.E.V., J.K., and L.B.W., analyzed data; B.S.K., C.E.V., N.J.W., and R.E.G. wrote the manuscript; All authors interpreted data, critically edited, and have read and approved the final manuscript.

Abstract Significance Changes in interstitial fluid clearance are implicated in many diseases. Using NIR imaging with properly sized tracers could enhance our understanding of how venous and lymphatic drainage are involved in disease progression or enhance drug delivery strategies. Aim We investigated multichromatic NIR imaging with multiple tracers to assess in vivo microvascular clearance kinetics and pathways in different tissue spaces. Approach We used a chemically inert IR Dye 800CW (free dye) to target venous capillaries and a purified conjugate of IR Dye 680RD with a 40 kDa PEG (PEG) to target lymphatic capillaries in vivo . Optical imaging settings were validated and tuned in vitro using tissue phantoms. We investigated multichromatic NIR imaging’s utility in two in vivo tissue beds – the mouse tail and rat knee joint. We then tested the ability of the approach to detect interstitial fluid perturbations due to exercise. Results In an in vitro simulated tissue environment, free dye and PEG mixture allowed for simultaneous detection without interference. Co-injected NIR tracers cleared from the interstitial space via distinct routes allowed assessment lymphatic and venous uptake in the mouse tail. We determined that exercise after injection transiently increased lymphatic drainage as measured by lower normalized intensity immediately after exercise, while exercise pre-injection exhibited a transient delay in clearance from the joint Conclusions NIR imaging enables of simultaneous imaging of lymphatic and venous-mediated fluid clearance with great sensitivity and can be used to measure transient changes in clearance rates and pathways.

Abstract Recent genome-wide association studies (GWAS) identified 518 significant loci associated with bone mineral density (BMD), including variants at the RUNX1 locus (rs13046645, rs2834676, and rs2834694). However, their regulatory impact on RUNX1 expression and bone formation remained unclear. This study utilized human induced pluripotent stem cells (iPSCs) differentiated into osteoblasts to investigate these variants’ regulatory roles. CRISPR/Cas9 was employed to generate mutant (Δ) iPSC lines lacking these loci at the RUNX1 locus. Deletion lines (Δ1 and Δ2) were created in iPSCs to assess the effects of removing regions containing these loci. Deletion lines exhibited enhanced osteogenic potential, with increased expression of osteogenic marker genes and Alizarin Red staining. Circularized chromosome conformation capture (4C-Seq) was utilized to analyze interactions between BMD-associated loci and the RUNX1 promoter during osteogenesis. Analysis revealed altered chromatin interactions with multiple gene promoters including RUNX1 isoform, as well as SETD4, a histone methyltransferase, indicating their regulatory influence. Interestingly, both deletion lines notably stimulated the expression of the long isoform of RUNX1, with more modest effects on the shorter isoform. Consistent upregulation of SETD4 and other predicted targets within the Δ2 deletion suggested its removal removed a regulatory hub constraining expression of multiple genes at this locus. In vivo experiments using a bone defect model in mice demonstrated increased bone regeneration with homozygous deletion of the Δ2 region. These findings indicate that BMD-associated variants within the RUNX1 locus regulate multiple effector genes involved in osteoblast commitment, providing valuable insights into genetic regulation of bone density and potential therapeutic targets.