Abstract To date, the cell and molecular mechanisms regulating tendon healing are poorly understood. Here, we establish a novel model of tendon regeneration using neonatal mice and show that neonates heal via formation of a ‘neo-tendon’ that differentiates along the tendon specific lineage with functional restoration of gait and mechanical properties. In contrast, adults heal via fibrovascular scar, aberrant differentiation toward cartilage and bone, with persistently impaired function. Lineage tracing identified intrinsic recruitment of Scx-lineage cells as a key cellular mechanism of neonatal healing that is absent in adults. Instead, adult Scx-lineage tenocytes are not recruited into the defect but transdifferentiate into ectopic cartilage; in the absence of tenogenic cells, extrinsic αSMA-expressing cells persist to form a permanent scar. Collectively, these results establish an exciting model of tendon regeneration and uncover a novel cellular mechanism underlying regenerative vs non-regenerative tendon healing.

Recessive dystrophic epidermolysis bullosa (RDEB) is a lifelong genodermatosis associated with blistering, wounding, and scarring caused by mutations in COL7A1, the gene encoding the anchoring fibril component, collagen VII (C7). Here, we evaluated beremagene geperpavec (B-VEC), an engineered, non-replicating COL7A1 containing herpes simplex virus type 1 (HSV-1) vector, to treat RDEB skin. B-VEC restored C7 expression in RDEB keratinocytes, fibroblasts, RDEB mice and human RDEB xenografts. Subsequently, a randomized, placebo-controlled, phase 1 and 2 clinical trial (NCT03536143) evaluated matched wounds from nine RDEB patients receiving topical B-VEC or placebo repeatedly over 12 weeks. No grade 2 or above B-VEC-related adverse events or vector shedding or tissue-bound skin immunoreactants were noted. HSV-1 and C7 antibodies sometimes presented at baseline or increased after B-VEC treatment without an apparent impact on safety or efficacy. Primary and secondary objectives of C7 expression, anchoring fibril assembly, wound surface area reduction, duration of wound closure, and time to wound closure following B-VEC treatment were met. A patient-reported pain-severity secondary outcome was not assessed given the small proportion of wounds treated. A global assessment secondary endpoint was not pursued due to redundancy with regard to other endpoints. These studies show that B-VEC is an easily administered, safely tolerated, topical molecular corrective therapy promoting wound healing in patients with RDEB.

Abstract Tendon plays a critical role in the joint movement by transmitting force from muscle to bone. This transmission of force is facilitated by its specialized structure, which consists of highly aligned extracellular matrix consisting predominantly of type I collagen. Tenocytes, fibroblast-like tendon cells residing between the parallel collagen fibers, regulate this specialized tendon matrix. Despite the importance of collagen structure and tenocyte function, the biological mechanisms regulating fibrillogenesis and tenocyte maturation are not well understood. Here we examine the function of Reticulocalbin 3 (Rcn3) in collagen fibrillogenesis and tenocyte maturation during postnatal tendon development using a genetic mouse model. Loss of Rcn3 in tendon caused decreased tendon thickness, abnormal tendon cell maturation, and decreased mechanical properties. Interestingly, Rcn3 deficient mice exhibited a smaller collagen fibril distribution and over-hydroxylation in C-telopeptide cross-linking lysine from α1(1) chain. Additionally, the proline 3-hydroxylation sites in type I collagen were also over-hydroxylated in Rcn3 deficient mice. Our data collectively suggest that Rcn3 is a pivotal regulator of collagen fibrillogenesis and tenocyte maturation during postnatal tendon development.

Collagen is the most abundant protein in humans and is heavily post-translationally modified. Its biosynthesis is very complex and requires three different types of hydroxylation (two for proline and one for lysine) that are generated in the rough endoplasmic reticulum (rER). These processes involve many enzymes and chaperones which were collectively termed the molecular ensemble for collagen biosynthesis. However, the function of some of the proteins in this molecular ensemble is controversial. While prolyl 3-hydroxylase 1 and 2 (P3H1, P3H2) are bona fide collagen prolyl 3-hydroxylases, the function of prolyl 3-hydroxylase 3 (P3H3) is less clear. A recent study of P3H3 null mice demonstrated that this enzyme had no activity as prolyl 3-hydroxylase but may instead act as a chaperone for lysyl hydroxylase 1 (LH1). LH1 is required to generate hydroxylysine for crosslinking within collagen triple helical sequences. If P3H3 is a LH1 chaperone that is critical for LH1 activity, P3H3 and LH1 null mice should have similar deficiency in lysyl hydroxylation. To test this hypothesis, we compared lysyl hydroxylation in type I and V collagen from P3H3 and LH1 null mice. Our results indicate LH1 plays a global role for lysyl hydroxylation in triple helical domain of type I collagen while P3H3 is indeed involved in lysyl hydroxylation particularly at crosslink formation sites but is not required for all lysyl hydroxylation sites in type I collagen triple helix. Furthermore, although type V collagen from LH1 null mice surprisingly contained as much hydroxylysine as type V collagen from wild type, the amount of hydroxylysine in type V collagen was clearly suppressed in P3H3 null mice. In summary, our study suggests that P3H3 and LH1 likely have two distinct mechanisms to distinguish crosslink formation sites from other sites in type I collagen and to recognize different collagen types in the rER.

Abstract Tendons transmit mechanical forces between muscle and bone. Their biomechanical function requires high tensile strength provided by highly organized collagen fibers. Tenocytes mainly drive tendon growth via extracellular matrix (ECM) production and organization. The biological mechanisms regulating tenocyte differentiation and morphological maturation have not been well-established, partly due to the lack of reliable in vitro systems that produce highly aligned collagenous tissues. In this study, we developed a scaffold-free, three-dimensional (3D) tendon culture system using mouse tendon cells and a differentially adherent growth channel. TGFβ treatment promoted tendon-like structure in the peripheral layer of the constructs with decreased cell density, decreased cell proliferation, increased thickness, and more elongated cells within highly aligned extracellular matrix. The constructs were used to understand the function of TGFβ signaling in tenogenic differentiation, collagen fibrillogenesis, and biomechanical properties. This scaffold-free 3D constructs system can serve as a reliable in vitro system to study underlying biological mechanisms that regulate cellular and matrix maturation in tendon development and growth.

Osteogenesis imperfecta (OI) is a heterogeneous group of connective tissue disorders characterized by variable short stature, skeletal deformities, low bone mass with increased bone fragility, and motor deficits. The majority of cases are caused by mutations in type I collagen, or by mutations that affect collagen processing and/or modification. Like bone, the extracellular matrix of tendons and ligaments is largely made up of type I collagen; however, despite the fact that a subset of OI patients presents with joint hypermobility, how tendon/ligament dysfunction contributes to this is unknown. Here, we performed a detailed phenotypic characterization of the flexor digitorum longus (FDL) tendon, Achilles tendon and patellar ligament in the Crtap mutant mouse model of severe, recessive OI. Stable, pyridinoline collagen cross-links were increased by 5- to 10-fold in mutant tendons and ligaments. Collagen fibril size in all three structures was also smaller in Crtap-/- mice compared to wildtype or heterozygous littermates. Together, these ultrastructural and biochemical changes resulted in thinner tendons and ligaments with increased cellularity compared to controls, as assessed by histology. To examine how alterations in tendons might affect motor function, we performed a battery of behavioral assays. During open field assessment, Crtap-/- exhibited reduced horizontal and vertical activity. Crtap-/- mice also exhibited motor impairments on the rotarod and grid footslip tests. In addition, Crtap-/- mice had reduced grip strength and displayed reduced time on the inverted grid test, indicating that they are weaker than wildtype and heterozygous mice. In summary, these data demonstrate that the tendons/ligaments of Crtap-/- mice are pathologically altered compared to wildtype - a phenotype that correlates with motor deficits and grip strength impairments. As such, Crtap-/- mice provide a preclinical model with which to examine downstream mechanisms and therapies pertaining to tendon/ligament pathology and motor dysfunction for OI patients.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract An efficient musculoskeletal system depends on the precise assembly and coordinated growth and function of muscles, skeleton and tendons. However, the mechanisms that drive integrated musculoskeletal development and coordinated growth and differentiation of each of these tissues are still being uncovered. Epigenetic modifiers have emerged as critical regulators of cell fate differentiation, but so far almost nothing is known about their roles in tendon biology. Previous studies have shown that epigenetic modifications driven by Enhancer of zeste homolog 2 (EZH2), a major histone methyltransferase, have significant roles in vertebrate development including skeletal patterning and bone formation. We now find that targeting Ezh2 through the limb mesenchyme also has significant effects on tendon and muscle patterning, likely reflecting the essential roles of early mesenchymal cues mediated by Ezh2 for coordinated patterning and development of all tissues of the musculoskeletal system. Conversely, loss of Ezh2 in the tendon cells did not disrupt the tendon cell fate suggesting that tenocyte differentiation and tendon maturation are independent of Ezh2 signaling.

Abstract Understanding the role of cell recruitment in tendon disorders is critical for improvements in regenerative therapy. We recently reported that targeted disruption of TGFβ type II receptor in the tendon cell lineage ( Tgfbr2 ScxCre ) resulted in tenocyte dedifferentiation and tendon degradation in post-natal stages. Here we extend the analysis and identify direct recruitment of stem/progenitor cells into the degenerative mutant tendons. Cre-lineage tracing indicates that these cells are not derived from tendon ensheathing tissues or from a Scleraxis -lineage, and they turned on tendon markers only upon entering the mutant tendons. Through immunohistochemistry and inducible gene deletion, we further find that the recruited cells originated from a Sox9 -expressing lineage and their recruitment was dependent on cell-autonomous TGFβ signaling. These results thus differ from previous reports of cell recruitment into injured tendons, and suggest a critical role for TGFβ signaling and cell recruitment in the etiology and treatment of tendon degeneration.

Abstract Supramolecular extracellular matrix (ECM) networks play an essential role in skin architecture and function. Elastin microfibril interface-located proteins (EMILINs) comprise a family of three extracellular glycoproteins that serve as essential structural components of the elastin/fibrillin microfibril network, and exert crucial functions in cellular signaling. Little is known about the structural nature of EMILIN networks in skin. We therefore investigated the spatiotemporal localization of EMILIN-1, -2, -3 in human skin induced by aging, UV-exposure, fibrosis, and connective tissue disorder. Confocal immunofluorescence and immunogold electron microscopy analysis identified all EMILINs as components of elastic fibers and elastin-free oxytalan fibers inserted into the basement membrane (BM). Further, our ultrastructural analysis demonstrates cellular contacts of dermally localized EMILIN-1 positive fibers across the BM with the surface of basal keratinocytes. Analysis of skin biopsies and fibroblast cultures from fibrillin-1 deficient Marfan patients revealed that EMILINs require intact fibrillin-1 as deposition scaffold. In patients with scleroderma and the bleomycin-induced murine fibrosis model EMILIN-2 was upregulated. EMILIN-3 localizes to the tips of candelabra-like oxytalan fibers, and to specialized BMs engulfing hair follicles and sebaceous glands. Our data identify EMILINs as important markers to monitor rearrangements of the dermal ECM architecture induced by aging and pathological conditions.