ABSTRACT Neurogenic heterotopic ossifications (NHOs) form in periarticular muscles following severe spinal cord (SCI) and traumatic brain injuries. The pathogenesis of NHO is poorly understood with no effective preventive treatment. The only curative treatment remains surgical resection of pathological NHOs. In a mouse model of SCI-induced NHO that involves a transection of the spinal cord combined with a muscle injury, a differential gene expression analysis revealed that genes involved in inflammation such as interleukin-1β (IL-1β) were overexpressed in muscles developing NHO. Using mice knocked-out for the gene encoding IL-1 receptor (IL1R1) and neutralizing antibodies for IL-1α and IL-1β, we show that IL-1 signaling contributes to NHO development following SCI in mice. Interestingly, other proteins involved in inflammation that were also overexpressed in muscles developing NHO, such as colony-stimulating factor-1, tumor necrosis factor or C-C chemokine ligand-2 did not promote NHO development. Finally using NHO biopsies from SCI and TBI patients, we show that IL-1β is expressed by CD68 + macrophages. IL-1α and IL-1β produced by activated human monocytes promote calcium mineralization of fibro-adipogenic progenitors isolated from muscles surrounding NHOs. Altogether these data suggest that interleukin-1 promotes NHO development in both humans and mice.

Abstract The cells-of-origin of neurogenic heterotopic ossifications (NHO), which develop frequently in the periarticular muscles following spinal cord injuries (SCI) and traumatic brain injuries, remain unclear because the skeletal muscle harbors two progenitor cell populations: satellite cells (SCs) which are myogenic, and fibro-adipogenic progenitors (FAPs) which are mesenchymal. Lineage-tracing experiments using the Cre recombinase /LoxP system were performed in two mouse strains with the fluorescent protein ZsGreen specifically expressed in either SCs or FAPs in the skeletal muscles under the control of the Pax7 or Prrx1 gene promotors respectively. These experiments demonstrate that following a muscle injury, SCI causes the upregulation of PDGFRα on FAPs but not SCs and the failure of SCs to regenerate myofibers in the injured muscle, with instead reduced apoptosis and continued proliferation of muscle resident FAPs enabling their osteogenic differentiation into NHO. No cells expressing ZsGreen under the Prrx1 promoter were detected in the blood after injury suggesting that the cells-of-origin of NHO are locally derived from the injured muscle. We validated these findings in the human pathology using human NHO biopsies. PDGFRα + mesenchymal cells isolated from the muscle surrounding NHO biopsies could develop ectopic human bones when transplanted into immunocompromised mice whereas CD56 + myogenic cells had a much lower potential. Therefore, NHO is a pathology of the injured muscle in which SCI reprograms FAPs to uncontrolled proliferation and differentiation into osteoblasts.