Role of Dpp4+ skeletal stem and progenitor cells in bone healing

Bone regeneration is the coordinated multi-step process that allows the formation of new bone upon trauma. It is mediated by the highly heterogeneous skeletal stem and progenitor cells (SSPCs) pool, but the identity and functional contribution of specific SSPC subpopulations during fracture repair and pathological fibrosis are still incompletely understood. Here we characterized a subset of SSPCs marked by Dpp4 using transgenic mouse models. Through lineage tracing, we validated the distribution of the Dpp4+ population, followed their lineage and characterized their contribution to callus after fracture and to fibrosis using a musculoskeletal traumatic injury (MTI) model. We evaluated their requirement in fracture callus formation using a tamoxifen-inducible DTA mouse model for genetic depletion. Grafting models were implemented to analyze tissue-specific populations. We reveal that Dpp4+ SSPCs are housed in the periosteum and skeletal muscle at steady state, and that they contribute and are required for bone repair upon fracture. The Dpp4+ lineage contributed also to persistent fibrosis in the musculoskeletal traumatic injury (MTI) model. These findings highlight Dpp4+ SSPCs as a distinct bifunctional population of skeletal stem and progenitor cells essential for physiological bone healing but also capable of driving persistent fibrosis under specific conditions. This work puts Dpp4+ SSPCs at the interface between physiological regeneration and non-union phenotypes and highlights their potential implications for future therapeutic strategies.

La rigenerazione ossea in seguito a frattura è un processo altamente coordinato che si basa sul reclutamento e dalla differenziazione delle cellule staminali e progenitrici scheletriche, skeletal stem and progenitor cells (SSPCs). Queste cellule costituiscono una popolazione altamente eterogenea con capacità rigenerative distinte, che variano in funzione del tessuto di origine. Tuttavia, la relazione tra l’identità delle SSPC e il loro potenziale rigenerativo non è ancora completamente definita. In questo progetto di Master 2 abbiamo studiato una sotto-popolazione di SSPC definite dal marker cellulare Dpp4. A tal fine, il modello murino Dpp4CreERT2; Rosa26tdTom inducibile è stato utilizzato per validare la distribuzione tissutale e il destino cellulare delle cellule SSPCs Dpp4+ durante la riparazione ossea. Abbiamo dimostrato che le cellule derivate da Dpp4+ SSPCs risiedono nel periosteo, nello strato fibroso, e nel muscolo scheletrico adiacente: questi risultati dimostrano che Dpp4 marca una sottopopolazione di SSPCs nel periosteo e nel muscolo scheletrico. Analisi di fate mapping ed esperimenti di trapianto in seguito a frattura tibiale hanno dimostrato che le cellule Dpp4-derivate contribuiscono alla guarigione della frattura, prevalentemente in regioni di ossificazione endocondrale del callo, dove danno origine a condrociti e osteoblasti. Per validarne la necessità, abbiamo indotto ablazione selettiva della popolazione Dpp4-positiva di SSPCs in topi Dpp4CreERT2; Rosa26tdTom/DTA. L’ablazione di questa popolazione ha compromesso la riparazione ossea, suggerendo che le cellule Dpp4+ svolgano un ruolo chiave nella corretta rigenerazione del tessuto. In un modello di trauma musculoscheletrico, in cui la frattura della tibia è associata ad un danno meccanico al muscolo, le cellule derivate da Dpp4 sono state rilevate nel tessuto fibrotico persistente, suggerendo che le cellule SSPC Dpp4+ possono contribuire alla fibrosi patologica, quando la riparazione ossea è compromessa a causa da un danno ai tessuti molli. Nel complesso, questi risultati suggeriscono che le SSPCs Dpp4+ svolgono un ruolo chiave nei processi rigenerativi e fibrotici durante la riparazione del tessuto osseo e le evidenziano come potenziali target terapeutici per migliorare la riparazione di fratture e prevenire la formazione di fibrosi.