Abstract The regeneration of the mammalian skeleton’s craniofacial bones necessitates the action of intrinsic and extrinsic inductive factors from multiple cell types, which function hierarchically and temporally to control the differentiation of osteogenic progenitors. Single-cell transcriptomics of developing mouse calvarial suture recently identified a suture mesenchymal progenitor population with previously unappreciated tendon- or ligament-associated gene expression profile. Here, we developed a Mohawk homeobox ( Mkx CG ; R26R tdT ) reporter mouse and demonstrated that this reporter identifies an adult calvarial suture resident cell population that gives rise to calvarial osteoblasts and osteocytes during homeostatic conditions. Single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) data reveal that Mkx + suture cells display a progenitor-like phenotype with expression of teno-ligamentous genes. Bone injury with Mkx + cell ablation showed delayed bone healing. Remarkably, Mkx gene played a critical role as an osteo-inhibitory factor in calvarial suture cells, as knockdown or knockout resulted in increased osteogenic differentiation. Localized deletion of Mkx in vivo also resulted in robustly increased calvarial defect repair. We further showed that mechanical stretch dynamically regulates Mkx expression, in turn regulating calvarial cell osteogenesis. Together, we define Mkx + cells within the suture mesenchyme as a progenitor population for adult craniofacial bone repair, and Mkx acts as a mechanoresponsive gene to prevent osteogenic differentiation within the stem cell niche.

Platelet-derived growth factor receptor α (PDGFRα) is often considered as a general marker of mesenchymal cells and fibroblasts, but also shows expression in a portion of osteoprogenitor cells. Within the skeleton, Pdgfrα+ mesenchymal cells have been identified in bone marrow and periosteum of long bones, where they play a crucial role in participating in fracture repair. A similar examination of Pdgfrα+ cells in calvarial bone healing has not been examined. Here, we utilize Pdgfrα-CreERTM;mT/mG reporter animals to examine the contribution of Pdgfrα+ mesenchymal cells to calvarial bone repair through histology and single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq). Results showed that Pdgfrα+ mesenchymal cells are present in several cell clusters by scRNA-Seq, and by histology a dramatic increase in Pdgfrα+ cells populated the defect site at early timepoints to give rise to healed bone tissue overtime. Notably, diphtheria toxin-mediated ablation of Pdgfrα reporter+ cells resulted in significantly impaired calvarial bone healing. Our findings suggest that Pdgfrα-expressing cells within the calvarial niche play a critical role in the process of calvarial bone repair.

Summary The profound pain accompanying bone fracture is mediated by somatosensory neurons, which also appear to be required to initiate bone regeneration following fracture. Surprisingly, the precise neuroanatomical circuitry mediating skeletal nociception and regeneration remains incompletely understood. Here, we characterized somatosensory dorsal root ganglia (DRG) afferent neurons innervating murine long bones before and after experimental long bone fracture in mice. Retrograde labeling of DRG neurons by an adeno-associated virus with peripheral nerve tropism showed AAV-tdT signal. Single cell transcriptomic profiling of 6,648 DRG neurons showed highest labeling across CGRP+ neuron clusters (6.9-17.2%) belonging to unmyelinated C fibers, thinly myelinated Aδ fibers and Aβ-Field LTMR (9.2%). Gene expression profiles of retrograde labeled DRG neurons over multiple timepoints following experimental stress fracture revealed dynamic changes in gene expression corresponding to the acute inflammatory ( S100a8 , S100a9 ) and mechanical force ( Piezo2 ). Reparative phase after fracture included morphogens such as Tgfb1, Fgf9 and Fgf18 . Two methods to surgically or genetically denervate fractured bones were used in combination with scRNA-seq to implicate defective mesenchymal cell proliferation and osteodifferentiation as underlying the poor bone repair capacity in the presence of attenuated innervation. Finally, multi-tissue scRNA-seq and interactome analyses implicated neuron-derived FGF9 as a potent regulator of fracture repair, a finding compatible with in vitro assessments of neuron-to-skeletal mesenchyme interactions.

Abstract Bone pain is a presenting feature of bone cancers such as osteosarcoma (OS), relayed by skeletal-innervating peripheral afferent neurons. Potential functions of tumor-associated sensory neurons in bone cancers beyond pain sensation are unknown. To uncover neural regulatory functions, a chemical-genetic approach in mice with a knock-in allele for TrkA was used to functionally perturb sensory nerve innervation during OS growth and disease progression. TrkA inhibition in transgenic mice led to significant reductions in sarcoma-associated sensory innervation and vascularization, tumor growth and metastasis, and prolonged overall survival. Single-cell transcriptomics revealed that sarcoma denervation was associated with phenotypic alterations in both OS tumor cells and cells within the tumor microenvironment, and with reduced calcitonin gene-related peptide (CGRP) and vascular endothelial growth factor (VEGF) signaling. Multimodal and multi-omics analyses of human OS bone samples and human dorsal root ganglia neurons further implicated peripheral innervation and neurotrophin signaling in OS tumor biology. In order to curb tumor-associated axonal ingrowth, we next leveraged FDA-approved bupivacaine liposomes leading to significant reductions in sarcoma growth, vascularity, as well as alleviation of pain. In sum, TrkA-expressing peripheral neurons positively regulate key aspects of OS progression and sensory neural inhibition appears to disrupt calcitonin receptor signaling (CALCR) and VEGF signaling within the sarcoma microenvironment leading to significantly reduced tumor growth and improved survival. These data suggest that interventions to prevent pathological innervation of osteosarcoma represent a novel adjunctive therapy to improve clinical outcomes and survival.