Abstract Orofacial clefts are the most common craniofacial congenital anomaly. Following cleft palate repair, up to 60% of surgeries have wound healing complications leading to oronasal fistula (ONF), a persistent connection between the roof of the mouth and the nasal cavity. The current gold standard methods for ONF repair use human allograft tissues; however, these procedures have risks of graft infection and/or rejection, requiring surgical revisions. Immunoregenerative therapies present a novel alternative approach to harness the body’s immune response and enhance the wound healing environment. We utilized a repurposed FDA-approved immunomodulatory drug, FTY720, to reduce the egress of lymphocytes and induce immune cell fate switching toward pro-regenerative phenotypes. Here, we engineered a bilayer biomaterial system using Tegaderm™, a liquid-impermeable wound dressing, to secure and control the delivery of FTY720- nanofiber scaffolds (FTY720-NF). We optimized release kinetics of the bilayer FTY720-NF to sustain drug release for up to 7d with safe, efficacious transdermal absorption and tissue biodistribution. Through comprehensive immunophenotyping, our results illustrate a pseudotime pro-regenerative state transition in recruited hybrid immune cells to the wound site. Additional histological assessments established a significant difference in full thickness ONF closure in mice on Day 7 following treatment with bilayer FTY720-NF, compared to controls. These findings demonstrate the utility of immunomodulatory strategies for oral wound healing, better positing the field to develop more efficacious treatment options for pediatric patients. One Sentence Summary Local delivery of bilayer FTY720-nanofiber scaffolds in an ONF mouse model promotes complete wound closure through modulation of pro-regenerative immune and stromal cells.

Abstract Realistic mappings of genes to morphology are inherently multivariate on both sides of the equation. The importance of coordinated gene effects on morphological phenotypes is clear from the intertwining of gene actions in signaling pathways, gene regulatory networks, and developmental processes underlying the development of shape and size. Yet, current approaches tend to focus on identifying and localizing the effects of individual genes and rarely leverage the information content of high dimensional phenotypes. Here, we explicitly model the joint effects of biologically coherent collections of genes on a multivariate trait—craniofacial shape — in a sample of n = 1,145 mice from the Diversity Outbred (DO) experimental line. We use biological process gene ontology (GO) annotations to select skeletal and facial development gene sets and solve for the axis of shape variation that maximally covaries with gene set marker variation. We use our process-centered, multivariate genotype-phenotype (MGP) approach to determine the overall contributions to craniofacial variation of genes involved in relevant processes and how variation in different processes corresponds to multivariate axes of shape variation. Further, we compare the directions of effect in phenotype space of mutations to the primary axis of shape variation associated with broader pathways within which they are thought to function. Finally, we leverage the relationship between mutational and pathway-level effects to predict phenotypic effects beyond craniofacial shape in specific mutants. We also introduce an online application which provides users the means to customize their own process-centered craniofacial shape analyses in the DO. The process-centered approach is generally applicable to any continuously varying phenotype and thus has wide-reaching implications for complex-trait genetics.

Orthodontic maxillary expansion relies on intrinsic mid-palatal suture mechanobiology to induce guided osteogenesis, yet establishment of the mid-palatal suture within the continuous secondary palate and causes of maxillary insufficiency remain poorly understood. In contrast, advances in cranial suture research hold promise to improve surgical repair of prematurely fused cranial sutures in craniosynostosis to potentially restore the obliterated signaling environment and ensure continual success of the intervention. We hypothesized that mid-palatal suture establishment is governed by shared principles with calvarial sutures and involves functional linkage between expanding primary ossification centres with the midline mesenchyme. We characterized establishment of the mid-palatal suture from late embryonic to early postnatal timepoints. Suture establishment was visualized using histological techniques and multimodal transcriptomics. We identified that mid-palatal suture formation depends on a spatiotemporally controlled signalling milieu in which tendon-associated genes play a significant role. We mapped relationships between extracellular matrix-encoding gene expression, tenocyte markers, and novel suture patency candidate genes. We identified similar expression patterns in FaceBase-deposited scRNA-seq datasets from cranial sutures. These findings demonstrate shared biological principles for suture establishment, providing further avenues for future development and understanding of maxillofacial interventions.

Cleft palate is a common craniofacial disorder involving multiple genetic and environmental predisposing factors. Currently, limited insight exists into the molecular mechanisms regulating osteogenic differentiation and patterning in the palate during embryogenesis. This study utilized the Pax9-deficient mouse genetic model of cleft palate to investigate the role of Pax9 in osteogenic differentiation. Single-nucleus transcriptomics and chromatin accessibility assays validated by whole-transcriptome and single-molecule spatial transcriptomics suggest a relationship between separate Pax9+ and osteogenic populations. Loss of Pax9 resulted in premature osteogenic differentiation and bone maturation. The spatially restricted osteogenic domains in Pax9-/- mice are bounded by Dkk2, which normally interfaces with Pax9 in the mesenchyme. Together, these results confirm a regulatory role for the Wnt pathway in patterning of palatal bone, offering novel insights into the complex nature of developmental signaling and osteodifferentiation in the palate.

ABSTRACT The differentiation of osteoblasts and the subsequent formation of bone marks an important terminal phase in palate formation that leads to the separation of the oral and nasal cavities. While the developmental events that precede palatal osteogenesis are well explored, major gaps remain in our understanding of the molecular mechanisms that lead to the bony union of fusing palatal shelves. Herein, the timeline of osteogenic transcriptional programming is unveiled in the embryonic palate by way of integrated bulk, single-cell, and spatially resolved RNA-seq analyses. We define spatially restricted expression patterns of key marker genes, both regulatory and structural, that are differentially expressed during palatal fusion, including the identification of several novel genes ( Deup1, Dynlrb2, Lrrc23 ) spatially restricted in expression to the palate, providing a relevant framework for future studies that identify new candidate genes for cleft palate anomalies in humans as well as the timing of mammalian embryonic palatal osteogenesis.

Multiple genetic and environmental etiologies contribute to the pathogenesis of cleft palate, which is the most common of the inherited disorders of the craniofacial complex. Insights into the molecular mechanisms regulating osteogenic differentiation and patterning in the palate during embryogenesis are limited and needed for the development of innovative diagnostics and cures. This study used the Pax9 -/- mouse model with a consistent phenotype of cleft secondary palate to investigate the role of Pax9 in the process of palatal osteogenesis. Although prior research has identified the upregulation of Wnt pathway modulators Dkk1 and Dkk2 in Pax9 -/- palate mesenchyme, limitations of spatial resolution and technology restricted a more robust analysis. Here, data from single-nucleus transcriptomics and chromatin accessibility assays validated by in situ highly multiplex targeted single-cell spatial profiling technology suggest a distinct relationship between Pax9+ and osteogenic populations. Loss of Pax9 results in spatially restricted osteogenic domains bounded by Dkk2, which normally interfaces with Pax9 in the mesenchyme. Moreover, the loss of Pax9 leads to a disruption in the normal osteodifferentiaion of palatal osteogenic mesenchymal cells. These results suggest that Pax9-dependent Wnt signaling modulators influence osteogenic programming during palate formation, potentially contributing to the observed cleft palate phenotype.