Abstract In the bone marrow, hematopoietic stem cells (HSCs) reside in specific niches near osteoblast-lineage cells at the endosteum. To investigate the regulation of these endosteal niches, we studied the mobilization of HSCs into the bloodstream in response to granulocyte colony-stimulating factor (G-CSF). We report that G-CSF mobilization rapidly depletes endosteal osteoblasts, leading to suppressed endosteal bone formation and decreased expression of factors required for HSC retention and self-renewal. Importantly, G-CSF administration also depleted a population of trophic endosteal macrophages (osteomacs) that support osteoblast function. Osteomac loss, osteoblast suppression, and HSC mobilization occurred concomitantly, suggesting that osteomac loss could disrupt endosteal niches. Indeed, in vivo depletion of macrophages, in either macrophage Fas-induced apoptosis (Mafia) transgenic mice or by administration of clodronate-loaded liposomes to wild-type mice, recapitulated the: (1) loss of endosteal osteoblasts and (2) marked reduction of HSC-trophic cytokines at the endosteum, with (3) HSC mobilization into the blood, as observed during G-CSF administration. Together, these results establish that bone marrow macrophages are pivotal to maintain the endosteal HSC niche and that the loss of such macrophages leads to the egress of HSCs into the blood.

Resident macrophages are an integral component of many tissues and are important in homeostasis and repair. This study examines the contribution of resident tissue macrophages to bone physiology. Using immunohistochemistry, we showed that a discrete population of resident macrophages, OsteoMacs, was intercalated throughout murine and human osteal tissues. OsteoMacs were distributed among other bone lining cells within both endosteum and periosteum. Furthermore, OsteoMacs were coisolated with osteoblasts in murine bone explant and calvarial preparations. OsteoMacs made up 15.9% of calvarial preparations and persisted throughout standard osteoblast differentiation cultures. Contrary to previous studies, we showed that it was OsteoMacs and not osteoblasts within these preparations that responded to pathophysiological concentrations of LPS by secreting TNF. Removal of OsteoMacs from calvarial cultures significantly decreased osteocalcin mRNA induction and osteoblast mineralization in vitro. In a Transwell coculture system of enriched osteoblasts and macrophages, we demonstrated that macrophages were required for efficient osteoblast mineralization in response to the physiological remodeling stimulus, elevated extracellular calcium. Notably, OsteoMacs were closely associated with areas of bone modeling in situ, forming a distinctive canopy structure covering >75% of mature osteoblasts on diaphyseal endosteal surfaces in young growing mice. Depletion of OsteoMacs in vivo using the macrophage-Fas-induced apoptosis (MAFIA) mouse caused complete loss of osteoblast bone-forming surface at this modeling site. Overall, we have demonstrated that OsteoMacs are an integral component of bone tissues and play a novel role in bone homeostasis through regulating osteoblast function. These observations implicate OsteoMacs, in addition to osteoclasts and osteoblasts, as principal participants in bone dynamics.

Bone-lining tissues contain a population of resident macrophages termed osteomacs that interact with osteoblasts in vivo and control mineralization in vitro. The role of osteomacs in bone repair was investigated using a mouse tibial bone injury model that heals primarily through intramembranous ossification and progresses through all major phases of stabilized fracture repair. Immunohistochemical studies revealed that at least two macrophage populations, F4/80(+) Mac-2(-/low) TRACP(-) osteomacs and F4/80(+) Mac-2(hi) TRACP(-) inflammatory macrophages, were present within the bone injury site and persisted throughout the healing time course. In vivo depletion of osteomacs/macrophages (either using the Mafia transgenic mouse model or clodronate liposome delivery) or osteoclasts (recombinant osteoprotegerin treatment) established that osteomacs were required for deposition of collagen type 1(+) (CT1(+)) matrix and bone mineralization in the tibial injury model, as assessed by quantitative immunohistology and micro-computed tomography. Conversely, administration of the macrophage growth factor colony-stimulating factor 1 (CSF-1) increased the number of osteomacs/macrophages at the injury site significantly with a concurrent increase in new CT1(+) matrix deposition and enhanced mineralization. This study establishes osteomacs as participants in intramembranous bone healing and as targets for primary anabolic bone therapies.

The spondylarthritides (SpA), including ankylosing spondylitis (AS), psoriatic arthritis (PsA), reactive arthritis, and arthritis associated with inflammatory bowel disease, cause chronic inflammation of the large peripheral and axial joints, eyes, skin, ileum, and colon. Genetic studies reveal common candidate genes for AS, PsA, and Crohn's disease, including IL23R, IL12B, STAT3, and CARD9, all of which are associated with interleukin-23 (IL-23) signaling downstream of the dectin 1 β-glucan receptor. In autoimmune-prone SKG mice with mutated ZAP-70, which attenuates T cell receptor signaling and increases the autoreactivity of T cells in the peripheral repertoire, IL-17-dependent inflammatory arthritis developed after dectin 1-mediated fungal infection. This study was undertaken to determine whether SKG mice injected with 1,3-β-glucan (curdlan) develop evidence of SpA, and the relationship of innate and adaptive autoimmunity to this process.SKG mice and control BALB/c mice were injected once with curdlan or mannan. Arthritis was scored weekly, and organs were assessed for pathologic features. Anti-IL-23 monoclonal antibodies were injected into curdlan-treated SKG mice. CD4+ T cells were transferred from curdlan-treated mice to SCID mice, and sera were analyzed for autoantibodies.After systemic injection of curdlan, SKG mice developed enthesitis, wrist, ankle, and sacroiliac joint arthritis, dactylitis, plantar fasciitis, vertebral inflammation, ileitis resembling Crohn's disease, and unilateral uveitis. Mannan triggered spondylitis and arthritis. Arthritis and spondylitis were T cell- and IL-23-dependent and were transferable to SCID recipients with CD4+ T cells. SpA was associated with collagen- and proteoglycan-specific autoantibodies.Our findings indicate that the SKG ZAP-70W163C mutation predisposes BALB/c mice to SpA, resulting from innate and adaptive autoimmunity, after systemic β-glucan or mannan exposure.

Chronic GVHD (cGVHD) is the major cause of late, nonrelapse death following stem cell transplantation and characteristically develops in organs such as skin and lung. Here, we used multiple murine models of cGVHD to investigate the contribution of macrophage populations in the development of cGVHD. Using an established IL-17–dependent sclerodermatous cGVHD model, we confirmed that macrophages infiltrating the skin are derived from donor bone marrow (F4/80+CSF-1R+CD206+iNOS–). Cutaneous cGVHD developed in a CSF-1/CSF-1R–dependent manner, as treatment of recipients after transplantation with CSF-1 exacerbated macrophage infiltration and cutaneous pathology. Additionally, recipients of grafts from Csf1r–/– mice had substantially less macrophage infiltration and cutaneous pathology as compared with those receiving wild-type grafts. Neither CCL2/CCR2 nor GM-CSF/GM-CSFR signaling pathways were required for macrophage infiltration or development of cGVHD. In a different cGVHD model, in which bronchiolitis obliterans is a prominent manifestation, F4/80+ macrophage infiltration was similarly noted in the lungs of recipients after transplantation, and lung cGVHD was also IL-17 and CSF-1/CSF-1R dependent. Importantly, depletion of macrophages using an anti–CSF-1R mAb markedly reduced cutaneous and pulmonary cGVHD. Taken together, these data indicate that donor macrophages mediate the development of cGVHD and suggest that targeting CSF-1 signaling after transplantation may prevent and treat cGVHD.

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.

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.