Skeletal development and turnover occur in close spatial and temporal association with angiogenesis. Osteoblasts are ideally situated in bone to sense oxygen tension and respond to hypoxia by activating the hypoxia-inducible factor α (HIFα) pathway. Here we provide evidence that HIFα promotes angiogenesis and osteogenesis by elevating VEGF levels in osteoblasts. Mice overexpressing HIFα in osteoblasts through selective deletion of the von Hippel–Lindau gene (Vhl) expressed high levels of Vegf and developed extremely dense, heavily vascularized long bones. By contrast, mice lacking Hif1a in osteoblasts had the reverse skeletal phenotype of that of the Vhl mutants: long bones were significantly thinner and less vascularized than those of controls. Loss of Vhl in osteoblasts increased endothelial sprouting from the embryonic metatarsals in vitro but had little effect on osteoblast function in the absence of blood vessels. Mice lacking both Vhl and Hif1a had a bone phenotype intermediate between those of the single mutants, suggesting overlapping functions of HIFs in bone. These studies suggest that activation of the HIFα pathway in developing bone increases bone modeling events through cell-nonautonomous mechanisms to coordinate the timing, direction, and degree of new blood vessel formation in bone.

The hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) pathway is the central regulator of adaptive responses to low oxygen availability and is required for normal skeletal development. Here, we demonstrate that the HIF-1α pathway is activated during bone repair and can be manipulated genetically and pharmacologically to improve skeletal healing. Mice lacking pVHL in osteoblasts with constitutive HIF-1α activation in osteoblasts had markedly increased vascularity and produced more bone in response to distraction osteogenesis, whereas mice lacking HIF-1 α in osteoblasts had impaired angiogenesis and bone healing. The increased vascularity and bone regeneration in the pVHL mutants were VEGF dependent and eliminated by concomitant administration of VEGF receptor antibodies. Small-molecule inhibitors of HIF prolyl hydroxylation stabilized HIF/VEGF production and increased angiogenesis in vitro . One of these molecules (DFO) administered in vivo into the distraction gap increased angiogenesis and markedly improved bone regeneration. These results identify the HIF-1α pathway as a critical mediator of neoangiogenesis required for skeletal regeneration and suggest the application of HIF activators as therapies to improve bone healing.

Osteocytes are terminally differentiated cells derived from osteoblasts and are deeply embedded within the bone matrix. They play a critical role in bone remodeling by generating a lacuno-canalicular network (LCN) and controlling the transport of nutrients. Due to the absence of blood vessels within the bone matrix, it is widely believed that osteocytes develop in a hypoxic environment. However, the mechanisms of osteocytogenesis and the role of oxygen sensing in this process remain unclear. Hypoxia-inducible factors (HIFs) are major transcriptional factors involved in oxygen sensing. Previous studies have shown that accumulation of HIFs in osteoblasts leads to abnormal bone remodeling, potentially linked with the alterations of the LCN network. Specifically, HIF-1α is hypothesized to play a more significant role in regulating bone remodeling compared to HIF-2α. Therefore, we investigated the functions of HIF-1α in dendrite formation and the establishment of the LCN network during osteocytogenesis. Immunostaining and scanning electron microscopy revealed that the E11 protein aggregates to form a ring structure that defines the site for dendrite initiation. This process is followed by activation of the ERM/RhoA pathway and recruitment of matrix metalloproteinase 14 (MMP14) to facilitate extracellular matrix degradation, enabling dendrite elongation. However, both hypoxic treatment and overexpression of HIF-1α impair ring formation, resulting in reduced ERM/RhoA activity and decreased matrix degradation capability. These findings suggest that abnormal HIF-1α activity in local areas could contribute to impaired LCN network formation and abnormal bone remodeling observed in bone diseases such as osteopenia and aging.