Bone consists of separate inner endosteal and outer periosteal compartments, each with distinct contributions to bone physiology and each maintaining separate pools of cells owing to physical separation by the bone cortex. The skeletal stem cell that gives rise to endosteal osteoblasts has been extensively studied; however, the identity of periosteal stem cells remains unclear1–5. Here we identify a periosteal stem cell (PSC) that is present in the long bones and calvarium of mice, displays clonal multipotency and self-renewal, and sits at the apex of a differentiation hierarchy. Single-cell and bulk transcriptional profiling show that PSCs display transcriptional signatures that are distinct from those of other skeletal stem cells and mature mesenchymal cells. Whereas other skeletal stem cells form bone via an initial cartilage template using the endochondral pathway4, PSCs form bone via a direct intramembranous route, providing a cellular basis for the divergence between intramembranous versus endochondral developmental pathways. However, there is plasticity in this division, as PSCs acquire endochondral bone formation capacity in response to injury. Genetic blockade of the ability of PSCs to give rise to bone-forming osteoblasts results in selective impairments in cortical bone architecture and defects in fracture healing. A cell analogous to mouse PSCs is present in the human periosteum, raising the possibility that PSCs are attractive targets for drug and cellular therapy for skeletal disorders. The identification of PSCs provides evidence that bone contains multiple pools of stem cells, each with distinct physiologic functions. A periosteal stem cell specialized in intramembranous bone formation has been identified and was found to be essential for normal bone development and fracture healing.

The two senior authors (PMP, RP) independently began using an identical enhanced posterior soft tissue repair after total hip replacement through a posterior approach. In the first author's experience, a dislocation rate of 4% in 395 patients before using the enhanced closure was reduced to 0% in 395 patients in whom the enhanced closure was performed. In the second author's experience, 160 total hip replacements had a dislocation rate of 6.2% before the enhanced closure whereas 124 total hip replacements had a dislocation rate of 0.8% after the enhanced closure. These results are highly statistically significant.

Abstract Recently, it has become increasingly evident that fracture healing involves a complex interaction of many local and systemic regulatory factors. The roles of some of these growth factors have been described; however, little is understood about the presence of the bone morphogenetic proteins in fracture repair, despite the fact that they are the most potent osteoinductive proteins known. This study defines and characterizes the physiologic presence, localization, and chronology of the bone morphogenetic proteins in fracture healing with an established rat fracture healing model. With use of a recently developed monoclonal antibody against bone morphogenetic proteins 2 and 4 developed with standard avidin‐biotin complex/immunoperoxidase protocols, frozen undecalcified fracture calluses were analyzed semiquantitatively for the percentage of various types of fracture cells staining positively. During the early stages of fracture healing, only a minimum number of primitive cells stained positively in the fracture callus. As the process of endochondral ossification proceeded, the presence of bone morphogenetic proteins 2 and 4 increased dramatically, especially in the primitive mesenchymal and chondrocytic cells. While the cartilaginous component of the callus matured with a concomitant decrease in the number of primitive cells, there was a concomitant decrease in both the intensity and the number of positively staining cells. As osteoblasts started to lay down woven bone on the chondroid matrix, these osteoblastic cells exhibited strong positive staining. The intensity of this staining decreased, however, as lamellar bone replaced the primitive woven bone. A similar observation was noted for the areas of the callus undergoing intramembranous ossification. Initially, within several days after the fracture, periosteal cells and osteoblasts exhibited intense staining for bone morphogenetic proteins 2 and 4. As the woven bone was replaced with mature lamellar bone, this staining decreased. These data, and the awareness of the strong osteoinductive capacities of bone morphogenetic protein, suggest that bone morphogenetic proteins 2 and 4 are important regulators of cell differentiation during fracture repair.

ABSTRACT The number of total joint replacements (TJRs) in the United States is increasing annually. Cementless implants are intended to improve upon traditional cemented implants by allowing bone growth directly on the surface to improve implant longevity. One major complication of TJR is implant loosening, which is related to deficient osseointegration in cementless TJRs. Although poor osseointegration in aged patients is typically attributed to decreased basal bone mass, little is known about the molecular pathways that compromise the growth of bone onto porous titanium implants. To identify the pathways important for osseointegration that are compromised by aging, we developed an approach for transcriptomic profiling of peri-implant tissue in young and aged mice using our murine model of osseointegration. Based on previous findings of changes of bone quality associated with aging, we hypothesized that aged mice have impaired activation of bone anabolic pathways at the bone-implant interface. We found that pathways most significantly downregulated in aged mice relative to young mice are related to angiogenic, Notch and Wnt signaling. Downregulation of these pathways is associated with markedly increased expression of inflammatory and immune genes at the bone-implant interface in aged mice. These results identify osseointegration pathways affected by aging and suggest that an increased inflammatory response in aged mice may compromise peri-implant bone healing. Targeting the Notch and Wnt pathways, promoting angiogenesis, or modulating the immune response at the peri-implant site may enhance osseointegration and improve the outcome of joint replacement in older patients.

Patient-specific flanged acetabular components are utilized to treat failed total hip arthroplasties with severe acetabular defects. We previously developed and published a finite element model that investigated the impact of hip joint center lateralization on construct biomechanics during gait conditions. This model consisted of a patient-specific implant designed to address a superior-medial defect created in a standard pelvic geometry. This study aims to utilize the same model and examine how cortical shell thickness and ischial cancellous bone density affect the strain distribution in the bone and bone-implant micromotion. Using published studies and bone density analyses of patients who had undergone total hip arthroplasties with flanged acetabular components, we established a thickness range for the cortical shell (1.5, 1, and 0.75 mm) and two levels of ischial cancellous bone density (100% and 25%). We compared the resulting bone strains against the fatigue strength of the bone (0.3% strain) as a criterion for local bone failure and the bone-implant micromotion against the threshold associated with bone ingrowth (20 µm). A thinner pelvic cortical shell and lower ischial cancellous bone density increased areas of bone at risk of failure, particularly at the ischial screws (from 6% to 38%), and decreased areas compatible with bone ingrowth. These findings agree with our clinical knowledge that compromised ischial bone and inadequate ischial fixation negatively impact the survivorship of flanged acetabular components. This series establishes our modeling approach of a computational model that can be utilized to guide implant design to best treat unique acetabular defects.

Background: Antiseptic solutions are commonly utilized during total joint arthroplasty (TJA) to prevent and treat periprosthetic joint infection (PJI). The purpose of this study was to investigate which antiseptic solution is most effective against methicillin-sensitive Staphylococcus aureus (MSSA) and Escherichia coli biofilms established in vitro on orthopaedic surfaces commonly utilized in total knee arthroplasty: cobalt-chromium (CC), oxidized zirconium (OxZr), and polymethylmethacrylate (PMMA). Methods: MSSA and E. coli biofilms were grown on CC, OxZr, and PMMA discs for 24 and 72 hours. Biofilm-coated discs were treated with control or various antiseptic solutions for 3 minutes. Solutions included 10% povidone-iodine, a 1:1 mixture of 10% povidone-iodine plus 3% hydrogen peroxide, diluted povidone-iodine, 0.05% chlorhexidine gluconate, and a surfactant-based formulation of ethanol, acetic acid, sodium acetate, benzalkonium chloride, and water. Following treatment, discs were sonicated to quantify adherent bacteria or underwent imaging with scanning electron microscopy to identify biofilm. Antiseptic solutions were considered efficacious if they produced a 3-log (1,000-fold) reduction in colony-forming units compared with controls. Results: On both OxZr and CC, 10% povidone-iodine with hydrogen peroxide eradicated all MSSA, and it achieved clinical efficacy on PMMA at both 24-hour MSSA biofilm (p < 0.0002) and 72-hour MSSA biofilm (p = 0.002). On 72-hour MSSA biofilm, 10% povidone-iodine eradicated all bacteria on OxZr and CC, and it achieved clinical efficacy on PMMA (p = 0.04). On 24-hour MSSA biofilm, 10% povidone-iodine achieved efficacy on all surfaces (all p < 0.01). The surfactant-based formulation only achieved clinical efficacy on 72-hour MSSA biofilms on CC (p = 0.04) and OxZr (p = 0.07). On 72-hour E. coli biofilm, 10% povidone-iodine with or without hydrogen peroxide achieved clinical efficacy on all surfaces. No other solution achieved clinical efficacy on either MSSA or E. coli . Conclusions: Antiseptic solutions vary considerably in efficacy against bacterial biofilm. The 10% povidone-iodine solution with or without hydrogen peroxide consistently removed MSSA and E. coli biofilms on multiple orthopaedic surfaces and should be considered for clinical use. Clinical Relevance: Clinicians should be aware of the differences in the efficacy of antiseptic solutions on different orthopaedic surfaces when treating MSSA or E. coli biofilms.

Staphyloccocus aureus (S. aureus) is a major bacterial pathogen in orthopedic periprosthetic joint infection (PJI). S. aureus forms biofilms that promote persistent infection by shielding bacteria from immune cells and inducing an antibiotic-resistant metabolic state. We developed an in vitro system to study S. aureus biofilm interactions with primary human monocytes in the absence of planktonic bacteria. In line with previous in vivo data, S. aureus biofilm induced expression of inflammatory genes such as TNF and IL1B, and their anti-inflammatory counter-regulator IL-10. S. aureus biofilm also activated expression of PD-1 ligands that suppress T cell function, and of IL-1RA that suppresses differentiation of protective Th17 cells. Gene induction did not require monocyte:biofilm contact and was mediated by a soluble factor(s) produced by biofilm-encased bacteria that was heat resistant and > 3 kD in size. Activation of suppressive genes by biofilm was sensitive to suppression by Jak inhibition. These results support an evolving paradigm that biofilm plays an active role in modulating immune responses, and suggest this occurs via production of a soluble vita-PAMP. Induction of T cell suppressive genes by S. aureus biofilm provides insights into mechanisms that suppress T cell immunity in PJI, and suggest that anti-PD-1 therapy that is modeled on immune checkpoint blockade for tumors may be beneficial in PJI.

Background: Active recruitment of osteogenic cells by secreted signaling factors, such as stromal-cell-derived factor 1 (SDF-1), has recently been proposed as a novel strategy to enhance osseointegration. However, the intrinsic importance of the SDF-1/C-X-C chemokine receptor type 4 (CXCR4) axis in promoting osseointegration is unknown. To study the role of SDF-1/CXCR4 in osseointegration, we blocked the SDF-1/CXCR4 pathway in a murine tibial implant model through repeated administrations of an antibody against SDF-1. Methods: Using our previously described murine tibial implant model (N = 24), mice were randomized into an anti-SDF-1 group and a control group (N = 12/group). Intraperitoneal injections of CXCL12/SDF-1 monoclonal antibody (84 µg/mouse) or mouse IgG1 isotype were administered on days 2, 4, 7, 10, 13, 16, 19, 22, and 25 post-surgery. Mice were euthanized 4 weeks post-surgery. Peri-implant bone mass and architecture were determined through microcomputed tomography (µ-CT). Bone implant strength was detected through implant pull-out testing. Results: Inhibition of the SDF-1/CXCR4 pathway significantly reduced host bone–implant interface strength but did not significantly change the cancellous architecture surrounding the implant. Conclusion: SDF-1/CXCR4 is an important pathway to achieve maximum implant osseointegration. However, inhibition of the pathway did not completely eliminate osseointegration.

ABSTRACT Metal implants are commonly used in orthopaedic surgery. The mechanical stability and longevity of implants depend on adequate bone deposition along the implant surface. The cellular and molecular mechanisms underlying peri-implant bone formation (i.e. osseointegration) are incompletely understood. Herein, our goal was to determine the specific bone marrow stromal cell populations that contribute to bone formation around metal implants. To do this, we utilized a mouse tibial implant model that is clinically representative of human joint replacement procedures. Using a lineage-tracing approach with the Acta2.creERT2 and Tmem100.creERT2 transgenic alleles, we found that Pdgfra - and Ly6a / Sca1 -expressing stromal cells (PαS cells) multiply and differentiate in the peri-implant environment to give rise to osteocytes in newly formed bone tissue. Single cell RNA-seq analysis indicated that PαS cells are quiescent in uninjured bone tissue; however, they express markers of proliferation and osteogenic differentiation shortly after implantation surgery. Our findings indicate that PαS cells are mobilized to repair bone tissue and facilitate implant osseointegration following surgery. Biologic therapies targeting PαS cells might improve osseointegration in patients undergoing orthopaedic procedures.