Abstract Introduction Osteoarthritis (OA) is an inflammatory disease of the joints that causes progressive disability in the elderly. Reactive oxygen species (ROS) play an important role in OA development; they may activate the NLRP3 inflammasome, thereby inducing the secretion of proinflammatory IL-1β and IL-18, leading to the aggravation of the downstream inflammatory response. Nrf2 is a key transcription factor that regulates the expression of antioxidant enzymes that protect against oxidative stress and tissue damage. We aimed to explore the underlying mechanism of OA development by investigating NLRP3, ASC, Nrf2, and HO-1 expression in synovia and their regulatory networks in OA. Methods Human total knee replacement samples were subjected to histology and micro-CT analysis to determine the pathological changes in the cartilage and subchondral bone and to assess the expression of inflammation-related markers in the synovial tissue by immunohistochemistry (IHC), qRT-PCR, and Western blot. To investigate these pathological changes in an OA animal model, adult Sprague-Dawley rats were subjected to anterior cruciate ligament transection and medial meniscectomy. Articular cartilage and subchondral bone changes and synovial tissue were also determined by the same methods used for the human samples. Finally, SW982 cells were stimulated with lipopolysaccharide (LPS) as an in vitro inflammatory cell model. The correlation between NLRP3 and Nrf2 expression was confirmed by knocking down NLRP3 or Nrf2. Results Cartilage destruction and subchondral bone sclerosis were found in the OA patients and OA model rats. Significantly increased expression levels of NLRP3, ASC, Nrf2, and HO-1 were found in the synovial tissue from OA patients. NLRP3, ASC, Nrf2, and HO-1 expression in the synovium was also upregulated in the OA group compared with the sham group. Furthermore, the NLRP3, Nrf2, HO-1, IL-1β, and IL-18 expression in LPS-treated SW982 cells was increased in a dose-dependent manner. As expected, the expression of NLRP3 was upregulated, and the expression of IL-1β and IL-18 was downregulated after Nrf2 silencing. However, knocking down NLRP3 did not affect the expression of Nrf2. Conclusions ROS-induced oxidative stress may be the main cause of NLRP3 inflammasome activation and subsequent release of downstream factors during OA development. Nrf2/HO-1 signaling could be a key pathway for the activation of the NLRP3 inflammasome, which may contribute to the progression of OA. Herein, we discovered a novel role of Nrf2/HO-1 signaling in the production of NLRP3, which may facilitate the prevention and treatment of OA.

Osteomyelitis (OM) is an inflammatory condition of bone characterized by cortical bone devascularization and necrosis. Dysregulation of bone remodelling is triggered by OM. Bone remodelling is precisely coordinated by bone resorption and formation via a reversal phase. However, the cellular and molecular mechanisms underlying bone remodelling failure after osteomyelitis remain elusive. To elucidate the cellular and molecular mechanism underlying bone healing after osteomyelitis, we employed single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to depict the atlas of human cortical bone in normal, infected and reconstructed states. Dimensionality reduction by t-stochastic neighbourhood embedding (t-SNE) and graph-based clustering were applied to analyse the detailed clusters of osteoclast lineages. After trajectory analysis of osteoclast lineages over pseudotime, real-time PCR and immunofluorescence (IF) staining were applied to identify marker gene expression of various osteoclast lineages in the osteoclast induction model and human bone sections, respectively. The potential function and communication of osteoclasts were analysed via gene set enrichment analysis (GSEA) and CellChat. The chemotactic ability of mesenchymal stem cells (MSCs) and osteoclast lineage cells in various differentiation states was determined by transwell assays and coculture assays. The effects of various osteoclast lineages on the osteogenic differentiation potential of MSCs were also determined by using this coculture system. A normal mouse tibia fracture model and an osteomyelitis-related tibia fracture model were generated via injection of luciferase-labelled Staphylococcus aureus to verify the relationships between a novel osteoclast lineage and MSCs. Then, the infection was detected by a bioluminescence imaging system. Finally, immunofluorescence staining was used to detect the expression of markers of MSCs and novel osteoclast lineages in different remodelling phases in normal and infected bone remodelling models. In this study, we constructed a cell atlas encompassing normal, infected, and reconstructed cortical bone. Then, we identified a novel subset at the earlier stage of the osteoclast lineage that exhibited increased expression of IDO1, CCL3, and CCL4. These IDO1highCCL3highCCL4high cells, termed osteostaticytes (OSCs), were further regarded as the reservoir of osteoclasts in the reversal phase. Notably, OSCs exhibited the highest chemotactic activity, surpassing other lineage subsets. We also discovered that cells at the earlier stage of the osteoclast lineage play a significant role in recruiting mesenchymal stem cells (MSCs). Finally, the data revealed that OSCs might be positively related to the occurrence of bone MSCs and the contribution of bone remodelling. Collectively, our findings revealed a novel stage (OSC) within the osteoclast lineage, potentially representing elusive bone reversal cells due to its increased chemotactic ability towards MSCs and potential contribution to bone remodelling. This study provides valuable insights into the intricate mechanisms of the reversal phase during bone remodelling and unveils potential therapeutic strategies for diseases associated with bone uncoupling. This study identified a new subset, referred to as IDO1(plus symbol) CCL3(plus symbol) CCL4(plus symbol) osteostaticytes which displayed the highest chemotactic activity among all osteoclast lineages and may serve as reversal cells in bone remodelling. These findings offer new insights and insights for understanding bone reversal-related diseases and may serve as novel therapeutic targets for conditions such as osteomyelitis and delayed bone healing.

Tissue clearing combined with high-resolution confocal imaging is a cutting-edge approach for dissecting the three-dimensional (3D) architecture of tissues and deciphering cellular spatial interactions under physiological and pathological conditions. Deciphering the spatial interaction of leptin receptor-expressing (LepR+) stromal cells with other compartments in the bone marrow is crucial for a deeper understanding of the stem cell niche and the skeletal tissue. In this study, we introduce an optimized protocol for the 3D analysis of skeletal tissues, enabling the visualization of hematopoietic and stromal cells, especially LepR+ stromal cells, within optically cleared bone hemisections. Our method preserves the 3D tissue architecture and is extendable to other hematopoietic sites such as calvaria and vertebrae. The protocol entails tissue fixation, decalcification, and cryosectioning to reveal the marrow cavity. Completed within approximately 12 days, this process yields highly transparent tissues that maintain genetically encoded or antibody-stained fluorescent signals. The bone hemisections are compatible with diverse antibody labeling strategies. Confocal microscopy of these transparent samples allows for qualitative and quantitative image analysis using Aivia or Bitplane Imaris software, assessing a spectrum of parameters. With proper storage, the fluorescent signal in the stained and cleared bone hemisections remains intact for at least 2-3 months. This protocol is robust, straightforward to implement, and highly reproducible, offering a valuable tool for tissue architecture and cellular interaction studies.

Abstract Orthopedic conditions have emerged as global health concerns, impacting approximately 1.7 billion individuals worldwide. However, the limited understanding of the underlying pathological processes at the cellular and molecular level has hindered the development of comprehensive treatment options for these disorders. The advent of single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) technology has revolutionized biomedical research by enabling detailed examination of cellular and molecular diversity. Nevertheless, investigating mechanisms at the single-cell level in highly mineralized skeletal tissue poses technical challenges. In this comprehensive review, we present a streamlined approach to obtaining high-quality single cells from skeletal tissue and provide an overview of existing scRNA-seq technologies employed in skeletal studies along with practical bioinformatic analysis pipelines. By utilizing these methodologies, crucial insights into the developmental dynamics, maintenance of homeostasis, and pathological processes involved in spine, joint, bone, muscle, and tendon disorders have been uncovered. Specifically focusing on the joint diseases of degenerative disc disease, osteoarthritis, and rheumatoid arthritis using scRNA-seq has provided novel insights and a more nuanced comprehension. These findings have paved the way for discovering novel therapeutic targets that offer potential benefits to patients suffering from diverse skeletal disorders.

Abstract This study was desinged to evaluate the efficacy and safety of activated allograft combined with the induced membrane technique for reconstruction of infected segment bone defects of lower limbs. A retrospective analysis was conducted on 19 patients from May 2015 to February 2017. After debridements, the bone defects were filled with antibiotic bone cement to form the induced membrane. Autologous mesenchymal stem cells were seeded onto allografts to construct activated allograft, which was implanted into the induced membrane after infection was controlled. The clinical efficacy and complications were observed. 19 patients with 20 infected segment bone defect were evaluated. The average deficit size was 11.08 (4–17) cm in length. After a mean follow-up of 71.84 (61–82) months, bone union was achieved in 16 patients (17 sites), resulting in a final union rate of 84.21% (16/19 patients). The average bone union time was 10.18 (5–28) months. There were 2 patients with recurrence of infection, 3 patients with graft absorption, and 1 patient with malunion due to implant breakage. There were no graft-related complications. This study provides clinical significance for the treatment of patients with insufficient autologous bone.

The understanding of cellular energy metabolism activation by engineered scaffolds remains limited, posing challenges for therapeutic applications in tissue regeneration. This study presents biosynthesized poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) [P(3HB-co-4HB)] and its major degradation product, 3-hydroxybutyrate (3HB), as endogenous bioenergetic fuels that augment cellular anabolism, thereby facilitating the progression of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hBMSCs) towards osteoblastogenesis. Our research demonstrated that 3HB markedly boosts in vitro ATP production, elevating mitochondrial membrane potential and capillary-like tube formation. Additionally, it raises citrate levels in the tricarboxylic acid (TCA) cycle, facilitating the synthesis of citrate-containing apatite during hBMSCs osteogenesis. Furthermore, 3HB administration significantly increased bone mass in rats with osteoporosis induced by ovariectomy. The findings also showed that P(3HB-co-4HB) scaffold substantially enhances long-term vascularized bone regeneration in rat cranial defect models. These findings reveal a previously unknown role of 3HB in promoting osteogenesis of hBMSCs and highlight the metabolic activation of P(3HB-co-4HB) scaffold for bone regeneration.