Dermal Fibroblast Progenitors (DFPs) differentiate into distinct fibroblast lineages during skin development. However, the mechanisms that regulate lineage commitment of naive dermal progenitors to form niches around the hair follicle, dermis, and hypodermis, are unknown. In our study, we used multimodal single-cell approaches, epigenetic assays, and allografting techniques to define a DFP state and the mechanisms that govern its differentiation potential. Our results indicate that the overall chromatin profile of DFPs is repressed by H3K27me3 and has inaccessible chromatin at lineage specific genes. Surprisingly, the repressed chromatin profile of DFPs renders them unable to reform skin in allograft assays despite their multipotent potential. Distinct fibroblast lineages, such as the dermal papilla and adipocytes contained specific chromatin profiles that were de-repressed during late embryogenesis by the H3K27-me3 demethylase, Kdm6b/Jmjd3. Tissue-specific deletion of Kdm6b/Jmjd3 resulted in ablating the adipocyte compartment and inhibiting mature dermal papilla functions in single-cell-RNA-seq, ChIPseq, and allografting assays. Altogether our studies reveal a mechanistic multimodal understanding of how DFPs differentiate into distinct fibroblast lineages, and we provide a novel multiomic search-tool within skinregeneration.org.

Hair quality is an important indicator of health in humans and other animals. Current approaches to assess hair quality are generally non-quantitative or are low throughput due to technical limitations of 'splitting hairs'. We developed a deep learning-based computer vision approach for the high throughput quantification of individual hair fibers at a high resolution. Our innovative computer vision tool can distinguish and extract overlapping fibers for quantification of multivariate features including length, width, and color to generate single-hair phenomes (shPhenome) of diverse conditions across the lifespan of mice. Using our tool, we explored the effects of hormone signaling, genetic modifications, and aging on hair follicle output. Our analyses revealed hair phenotypes resultant of endocrinological, developmental, and aging-related alterations in the fur coats of mice. These results demonstrate the efficacy of our deep hair phenomics tool for characterizing factors that modulate the hair follicle and developing new diagnostic methods for detecting disease through the hair fiber. Finally, we have generated a searchable, interactive web tool for the exploration of our hair fiber data at skinregeneration.org.Graphical abstract

ABSTRACT Craniomaxillofacial (CMF) reconstruction is a challenging clinical dilemma. It often necessitates skin replacement in the form of autologous graft or flap surgery, which differ from one another based on hypodermal/dermal content. Unfortunately, both approaches are plagued by scarring, poor cosmesis, inadequate restoration of native anatomy and hair, alopecia, donor site morbidity, and potential for failure. Therefore, new reconstructive approaches are warranted, and tissue engineered skin represents an exciting alternative. In this study, we demonstrated the reconstruction of CMF full-thickness skin defects using intraoperative bioprinting (IOB), which enabled the repair of defects via direct bioprinting of multiple layers of skin on immunodeficient rats in a surgical setting. Using a newly formulated patient-sourced allogenic bioink consisting of both human adipose-derived extracellular matrix (adECM) and stem cells (ADSCs), skin loss was reconstructed by precise deposition of the hypodermal and dermal components under three different sets of animal studies. adECM, even at a very low concentration such as 2% or less, has shown to be bioprintable via droplet-based bioprinting and exhibited de novo adipogenic capabilities both in vitro and in vivo . Our findings demonstrate that the combinatorial delivery of adECM and ADSCs facilitated the reconstruction of three full-thickness skin defects, accomplishing near-complete wound closure within two weeks. More importantly, both hypodermal adipogenesis and downgrowth of hair follicle-like structures were achieved in this two-week time frame. Our approach illustrates the translational potential of using human-derived materials and IOB technologies for full-thickness skin loss.