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Université  Paris  Descartes    

 Ecole  doctorale  Biologie  Sorbonne  Paris  Cité  

   

Laboratoire  :  Origine  et  fonctions  des  cellules  souches  squelettiques    au  cours  de  la  régénération  osseuse  UMR  1163  –  Institut  IMAGINE  

   

 Rôle  du  muscle  au  cours  de  la  régénération  osseuse:    étude  fonctionnelle  de  la  contribution  cellulaire  et    impact  des  traumatismes  musculosquelettiques  

     

Soutenue  par  Anaïs  Julien      

Thèse  soumise  et  défendue  en  vue  de  l’obtention  du  diplôme  de    Docteur  ès  Science,  spécialité  Biologie  Cellulaire  

   

Le  30  Novembre  2018      

Devant  le  jury  composé  de    

Dr.  Delphine  DUPREZ  Dr.  Laurence  VICO  Dr.  Lucie  PEDUTO  Dr.  Frédéric  RELAIX  Dr.  Céline  COLNOT  

Rapportrice  Rapportrice  Examinatrice  Examinateur  

Directrice  de  Thèse

   

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A  mon  père,  mon  héros  

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                   «  N’oublions   pas   que,   lorsque   l’on   a   découvert   le   radium,   personne   ne   savait   qu’il  

pourrait  être  utilisé  dans  les  hôpitaux.  Les  études  étaient  purement  scientifiques,  ce  qui  

prouve  que   le   travail  des  chercheurs  sert  à  quelque  chose.   Il   faut   faire  des   recherches  

pour   le  plaisir  de   chercher,   pour   ce  que   la   science  offre  de  beau,   en  gardant   à   l’esprit  

qu’une  découverte  scientifique  peut,  comme  le  radium,  servir  l’humanité.  »  

 

Marie  Curie  

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Remerciements    Avant  tout,  je  voudrais  avoir  un  mot  pour  mes  deux  professeurs  de  biologie  du  lycée,  Mr.  

Dimitri  Garcia  et  Mr.  Hervé  Mortier  qui  m’ont  transmis  le  gout  de  la  biologie  et  le  plaisir  

d’apprendre.  Avec  eux  à  germer  l’idée  de  faire  une  thèse  jusqu’à  ce  que  cela  devienne  le  

but   de   mes   études   supérieures.   J’arrive   aujourd’hui   à   la   fin   de   cette   aventure   et   je  

voudrais  en  profiter  pour  remercier  toutes  celles  et  ceux  qui,  de  près  ou  de  loin,  en  font  

partie.  

 

Je   voudrais   commencer   par   remercier   très   sincèrement   les   membres   de   mon   jury,  

Delphine   Duprez,   Laurence   Vico,   Lucie   Peduto   et   Frédéric   Relaix   pour   avoir   accepté  

d’évaluer  mes  travaux  de  thèse.    

 

Céline,  merci  pour  tout.  Vous  m’avez  formé  et  tout  appris.  Je  ne  compte  plus  les  heures  

passées  dans  votre  bureau  à  discuter  des  projets,   à   corriger  mes  écrits,   à  vérifier  mes  

diapositives  ou  à  mettre  sur  pieds  des  expériences  toujours  plus  ambitieuses.  Vous  avez  

été  la  directrice  de  thèse  idoine  pour  moi.  Vous  m’avez  laissé  assez  d’indépendance  pour  

que   je   puisse   m’amuser   et   avancer   mais   vous   avez   toujours   été   présente   pour   vous  

assurer  que  je  n’allais  pas  dans  le  mur.  Votre  patience  à  mon  égard  me  surprend  encore.  

Votre  confiance  m’est  aussi  précieuse,  et  m’a  aidée  à  m’épanouir.  Pour   tout  ça,  et  bien  

plus  encore,  merci  du  fond  du  cœur.    

 

A  mes  petits  Nains,  Simon  et  Anuya  !  Quel  bonheur  d’avoir  passé  cette  année  à  vos  côtés.    

Anuya,   tu   sais   tout   le   bien   que   je   pense   de   toi.   Je   te   remercie   bien   sûr   pour   ton   aide  

technique  sans   laquelle   j’aurai  certainement   fusionner  avec   le  microtome,  mais  encore  

plus  pour  ta  bonne  humeur,  ton  sourire,  ta  patience  et  ta  capacité  à  ne  pas  trop  poser  de  

questions  parfois  (la  boite  de  lames  «  à  ranger  »  s’en  souviens  encore).    

Simon,   mon   Nain  !   Tu   nous   en   auras   fait   des   bêtises,   pas   besoin   de   les   énumérer   ça  

risquerai   d’être   long…   Mais   franchement   qu’est-­‐ce   que   ça   nous   aura   fait   rire  !   Tu   es  

maintenant  la  relève  des  petits  Colnot.  Je  sais  que  la  pression  est  grande,  au  vu  des  deux  

exemples  précédents  mais   tu  devrais   t’en  sortir.   Je  suis  heureuse  de  travailler  avec  toi  

encore  un  peu  et  je  sais  que  malgré  tout  ce  que  tu  dis,  c’est  un  plaisir  partagé.    

 

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Malgré  notre  migration  vers  le  4eme  étage,  je  n’oublie  pas  toutes  les  filles  du  labo  202  et  

en  particulier  Laetitia.  Merci  d’avoir  était  là  dans  les  coups  de  mous,  pour  faire  la  fête,  en  

culture  et  puis  pour  toutes  nos  discussions  de  fille  !    

 

Un   grand   merci   aussi   à   l’équipe   d’Agnès,   à   Brigitte,   Juliette   et   Marcelo   qui   nous   ont  

accueilli  au  4ème  étage.  On  n’y  a  vraiment  pas  perdu  au  change  et  c’est  un  vrai  plaisir  de  

travailler  à  vos  côtés.  Maurice  a  trouvé  un  vrai  foyer  à  vos  côtés,  et  lorsque  Maurice  va,  

tout   va  !   Je   n’oublie   pas   non   plus   les   personnes   du   bureau   402b   qui   m’ont   bien  

gentiment  accepté  pendant  l’écriture  de  ma  thèse.    

 

Merci  aussi  à   l’équipe  de  Laurence,  et  en  particulier  à  Maxence,  Davide,  Emilie  et  Ludo  

dit  Mister  DB.  On  aura  partagé  de  supers  moments  qui  rendent  l’expérience  de  thèse  un  

peu  plus  folle.    

 

Ce   projet   n’aurait   jamais   pu   être   mené   à   son   terme   sans   le   travail   du   personnel   de  

l’animalerie,   et   en   particulier   à   celui   d’Emilie   et   de   Crisitan.   Cristian   tu   es   un   grand  

professionnel   et   merci   pour   l’excellent   travail   que   tu   fournis   au   quotidien   pour  

surveiller  nos  petites  souris.    

Merci  aussi  à  Mélinda,  notre  secrétaire  sans  qui  l’administratif  serait  une  vraie  plaie.  

 

Mon  aventure  de   thèse  est   indissociable  de  mon  aventure   footballistique.   J’ai  vécu  des  

moments   exceptionnels   avec   cette   équipe,   au  PUC  puis  maintenant   à   Joinville.   Le   foot  

fait  partie  intégrante  de  mon  équilibre  et  m’a  permis  de  mener  cette  thèse  avec  plus  de  

sérénité  et  de  plaisir.    

Merci   à   Stéphane,   l’homme   de   l’ombre.   Merci   d’avoir   toujours   était   là,   discret   mais  

présent.  Notre  demi  saison  d’invincibilité  est  certainement  l’un  des  meilleurs  souvenirs  

que  je  garde  de  ces  4  ans  à  tes  côtés.    

Merci  à  Claudia,  le  rouage  indispensable  à  l’équilibre  du  groupe.  M’entrainer  avec  toi  est  

toujours  un  vrai  plaisir  et  discuter  encore  plus.    

Et  puis  bien  sûr  merci  à  Julien  !  Avant  je  tapais  dans  un  ballon  mais  à  tes  côtés,  j’ai  appris  

à   jouer   au   football.   C’est   toujours   un   plaisir   d’être   sur   le   terrain   à   tes   côtés.   Ta  

disponibilité  pour  les  «  à  côté  »  font  de  toi  une  composante  essentielle  de  nos  vies.  

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Un   grand   merci   aussi   à   Rudolphe,   Valentin   et   Didjo   pour   votre   présence   et   votre  

soutient.      

Et   puis   bien   sûr,  merci   à   toutes   les   filles   avec   qui   j’ai   partagé   ces   années.  Quel   plaisir  

d’être  à  vos  côtés,  depuis  5  ans  pour  certaines  et  6  pour  Paga.    

Au  foot  naissent  de  belles  amitiés.  Il  suffit  qu’une  fille  fasse  le  faire  le  taxi  pour  une  autre,  

et   deux   coéquipières   se   transforment   en   deux   amies.   Je   pense   que   tu   t’es   reconnu   Jo.  

Merci  pour  tout,  le  taxi,  nos  discussions  technico-­‐tactiques,  et  puis  tout  le  reste.  Tu  sais  

tout  le  respect  que  j’ai  pour  toi.  Et  évidemment,  merci  à  toi  aussi  Estelle.  J’espère  que  tu  

me  pardonneras  de  t’avoir  piqué  ta  femme  après  de  multiples  entrainements.  J’aime  tant  

nos  discussions,  toujours  le  bon  mot  et  le  bon  ton.  Tu  es  souvent  la  voix  de  la  sagesse  et  

c’est  très  appréciable.  Merci  les  filles  d’avoir  toujours  été  présentes.  

 

Je   suis  montée   à   Paris   seule,   débarquée   de  ma   campagne   avec   pour   information   qu’il  

fallait  prendre  direction  nord/nord-­‐est  en  sortant  de  la  Gare  de  Lyon.  Puis  je  suis  entrée  

au  Magistère.  Bien  plus  qu’une  formation  ou  que  des  années  fac,  j’y  ai  trouvé  une  famille.  

Alors   merci   à   Chloé,   Tomaso,   Moc   et   tous   les   autres   pour   tous   les   moments   passés  

ensemble.  Mais  j’ai  quand  même  une  pensée  plus  particulière  pour  certains  d’entre  vous.  

Lisa,  nos  discussions  en  cours  de  statistiques  et   tous   les   fous  rires  qui  s’en  sont  suivis  

sont  gravés  dans  ma  mémoire.  

Christelle,   entre   sudistes   nous   avons   su   nous   serrer   les   coudes   dans   cette   jungle  

parisienne.  Enfin  quelqu’un  qui  sait  faire  la  bise  !    

Laure,  mon  petit  rayon  de  soleil.   Je  suis  très  contente  qu’on  ait  pu  faire  notre  thèse  au  

même  endroit  !    

Agathe,  un  tout  un  poème.  Ta  bonne  humeur  et  ta  gouaille  apporte  un  peu  de   légèreté  

dans  mon  quotidien.  Je  t’en  remercie  grandement.    

Ludo  !  Enfin  quelqu’un  qui  apprécie  le  Seigneur  des  Anneaux  et  Harry  Potter  à  leur  juste  

valeur  !  Nos  après-­‐midi  cinéma  restent  de  super  souvenirs  !    

Marie,  merci  d’avoir  été  là  quasiment  au  quotidien.  Nos  repas  chez  Speedy  ont  contribué  

à  forger  une  belle  amitié.  Merci  pour  tout.  

Amandine,   la   seule   personne   avec   qui   je   peux   parler   plus   de   5   heures   d’affilée   à  

n’importe  quelle  heure  du  jour  ou  de  la  nuit  sans  problème.  Tes  réflexions  alambiquées  

et  tes  choix  capillaires  resteront  toujours  un  mystère  pour  moi  mais  ne  t’inquiète  pas  je  

t’aime  quand  même.  

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J’ai   fini   le   lycée  il  y  a  presque  10  ans  maintenant,  mais  Alex  et  Nancy  vous  restez  deux  

fondamentaux  de  mon  existence.  Ma  Coin-­‐Coin,  merci  pour  toutes  les  soirées  passées  à  

papoter  de  tout  et  de  rien  quand  je  rentre  chez  moi.  Merci  aussi  à  Loic  pour  ta  gentillesse  

et  ton  humour.  Vous  formez  une  famille  magnifique  et  savoir  que  j’en  fais  partie  un  petit  

peu  me  touche.    

Alex,   que   dire…   Si   j’avais   à   te   définir,   je   dirais   que   tu   es   un   peu   mon   phare   dans   la  

tempête.  Je  sais  que  je  peux  compter  sur  toi  et  même  quand  on  ne  se  voit  qu’une  fois  par  

an   tu   sais   toujours  quoi   faire  pour  m’aider.  On  ne   la   fera  peut-­‐être   jamais   cette   coloc’  

mais  finalement  on  reste  amie  et  c’est  bien  ce  qui  compte.  

Merci  à  ma  poulette  Béro  et  à  mon  poulet  Rastouill  préférés.  Merci  pour  votre  soutien,  

vos  visites  parisiennes,  nos  soirées,  et  tous  les  souvenirs  que  l’on  partage.  Malgré  mon  

éloignement,  vous  ne  m’avez  pas  oublié  et  ça  fait  très  chaud  au  cœur.  

 

Cette   fin  de   thèse  est   intimement   liée  à  mon  aventure  au  sein  de   l’association  YRII.   J’y  

suis  rentrée  un  peu  par  hasard  et  c’est  devenu  une  évidence.  De  discussions  en  projets  

en  passant  par  de  bonnes  parties  de  rigolades,  ça  a  été  un  vrai  bonheur  d’évoluer  à  vos  

côtés.    

Claire,  Clarisse,  Hicham  et  Cyril  je  ne  sais  pas  par  où  commencer…  Vous  avez  été  un  de  

mes  piliers  cette  année  et  être  à  vos  côtés  est  une  bouffée  d’oxygène.  Merci  de  m’avoir  

accepté  parmi  vous.    

Hicham,   merci   pour   ton   hospitalité   et   ta   générosité,   les   petits   dej   du   dimanche,   les  

soirées  et  encore  plus.  Je  n’oublierai  jamais  ton  coup  de  fil  au  mois  de  novembre  l’année  

dernière.  Je  te  l’ai  déjà  dit  mais  t’es  un  mec  en  or,  ne  change  pas.    

Clarisse,  merci  d’être  toi.  Toujours  à  200  à  l’heure,  à  faire  dix  mille  trucs  à  la  fois  mais  tu  

sais  aussi  prendre  le  temps  d’écouter  et  de  discuter  quand  les  autres  en  ont  besoin.  Et  ça  

fait  du  bien.    

Cyril,  mon  partenaire  de  blagues.  Je  n’aurai  jamais  pensé  trouver  quelqu’un  avec  un  tel  

humour.  On  se  marre  bien  ensemble  et  nos  fous  rires  sont  réguliers.  Merci  pour  ça,  parce  

que  c’est  une  des  meilleures  façons  que  j’ai  trouvées  pour  décompresser.  

Claire,  c’était  pas  gagné  mais  à  force  de  te  côtoyer  j’ai  découvert  une  fille  super  derrière  

sa  carapace.  J’aime  ta  franchise  et  ta  droiture  mais  encore  plus  partager  un  moment  avec  

toi.  T’es  la  première  de  la  bande  à  partir  et  pour  sûr  tu  vas  me  manquer.  

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Un  grand  merci  à  Oriane.  Tu  es  bien  plus  que  ma  co-­‐thésarde.  On  a  partagé  tellement  de  

choses  en  4  ans  que  je  ne  pourrais  pas  faire  la  liste.  Toujours  là  dans  les  coups  durs,  les  

bons  moments,  toujours  disponible  et  de  bons  conseils.  Tu  as  été  à  la  fois  une  collègue,  

une  amie,  une  grande  sœur  et  un  modèle.  Nos  fous  rires,  notre  complicité  et  notre  travail  

à  quatre  mains  restent  des  moments  précieux.  

 

Un   grand  merci   aussi   à   toi   Tonton   pour   nos   repas   au   restaurant   du   samedi   soir.   Ne  

t’inquiète  pas  Titou,  je  ne  t’oublie  pas.  Tu  es  devenu  un  beau  jeune  homme,  félicitations.    

 

Merci  à   toi  Olivier  de  nous  avoir  accueilli   comme  on  est.  C’est  rassurant  de  savoir  que  

l’on  peut  compter  sur  toi.    

 

Merci  à  toi  Mamie.  Voir  la  fierté  dans  tes  yeux  quand  tu  parles  de  moi  m’est  précieux.  Je  

sais  que  je  ne  suis  pas  la  personne  la  plus  disponible  mais  tes  messages  me  font  toujours  

plaisir  même  si  mes  réponses  peuvent  être  rares.  J’espère  que  tu  me  pardonnes.    

 

Ma   ptite   Choupinette.   A   la   fois   ma   secrétaire,   ma   meilleure   amie,   ma   colloc’   et   ma  

maman  de  substitution.    

-­‐  Qu’est-­‐ce  que  je  ferai  sans  toi  ?  

-­‐  Ben  la  même  chose  mais  sans  moi  !    

Tu   crois   vraiment   ce  mensonge  ?  Parce  que  moi  non.   Sans   toi   je   n’aurai   jamais   connu  

Pompomville,  le  brie  de  Meaux,  la  vie  des  MAPK,  le  shaking  body,  les  rochers  à  la  noix  de  

coco,  radio  Latiiiiiina  à  7h  du  mat’…  Mais  tout  ça  n’est  qu’un  prêté  pour  un  rendu  et   je  

suis   fière   de   pouvoir   dire   que   maintenant   tu   sais   que   l’on   dit   Luberon   et   non   pas  

Lubéron,   que   tu   connais   la   règle   du   hors-­‐jeu,   que   tu   acceptes   une   autre   lessive   que  

LeChat  ou  que  tu  manges  du  poisson.  Et  puis  surtout  sans  nous,  Pierre  Hermès  aurait  fait  

faillite  !  Tout  ça  pour  dire  que  l’on  s’est  bien  trouvé  que  ces  5  ans  à  tes  côtés  resteront  

une  merveilleuse  page  de  mon  histoire.  Merci  pour  tout,  pour  ton  soutien,  tes  conseils,  ta  

bienveillance,   ton   calme  et   ta  patience.  Merci  d’être   toi.   Parce  que   finalement,   tout   ça,  

c’est  toi,  c’est  moi,  c’est  nous.    

Merci  aussi  à  Evelyne,  Philippe,  Valérie,  Eric  et  Lorette  de  m’avoir  accueilli  parmi  vous.    

 

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Bien  sûr  pour  finir,  merci  à  vous  Papa,  Maman  et  Bobichou  parce  que  cette  thèse  c’est  

quand  même  aussi  la  vôtre.  

Mon   Mini-­‐Moi,   heureusement   que   je   t’ai.   Maman   a   bien   fait   de   ne   pas   accepter   ma  

proposition   quand   tu   es   née.   Je   me   sentirai   bien   seule   sans   ma   petite   sœur.   Je   suis  

heureuse  de  voir  ce  qu’est  notre  relation,  un  soutien  réciproque  indéfectible.  Merci  pour  

tes   encouragements   surtout   dans   les  moments   difficiles,   ta   disponibilité   et   puis   aussi  

pour  tes  connaissances  en  géographies  qui  me  font  toujours  beaucoup  rire.  Tu  peux  être  

fière  de  toi  et  de  ce  que  tu  deviens  parce  que  moi  je  le  suis.  

Papa   et   Maman   merci   de   m’avoir   toujours   poussé   plus   loin,   de   m’avoir   donné   des  

valeurs  et  des  repères  qui  ont  fait  ce  que  je  suis  aujourd’hui.  

Maman,  je  pense  que  je  ne  serai  jamais  arrivé  là  sans  toi.  Merci  pour  toutes  ces  heures  

passées   au   téléphone   à   me   conseiller,   me   remonter   le   moral,   m’aiguiller,   tout  

simplement   à   t’occuper   de   moi.   Te   savoir   à   mes   côtés   est   une   des   choses   les   plus  

précieuses  que  je  possède.    

Papa,  tu  as  fait  Bac  -­‐5.  Et  bien  moi  j’ai  fait  Bac  +8,  ça  équilibre  bien  les  choses  non  ?  Merci  

de  m’avoir  transmis  ton  gout  du  sport  et  ta  curiosité.  A  force  de  regarder  les  émissions  

sur  le  fonctionnement  du  stylo  bille  ou  sur  les  constructions  impossibles,  je  ne  pouvais  

que   faire  une   thèse  pour  comprendre  un  peu  mieux  comment   fonctionne   le  vivant.  Tu  

restes  l’un  des  repères  majeurs  de  mon  existence.  Si  l’étoile  du  berger  guide  les  marins  

dans  la  nuit  noire,  tu  guides  mes  pas  sur  le  chemin  de  la  vie.  Je  sais  que  tu  es  fier  de  moi  

et  sache  que  je  le  suis  au  moins  autant  de  toi.  

   

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Role  of  skeletal  muscle  during  bone  repair:  functional  study  of  the  cellular  contribution  and  impact  of  musculoskeletal  trauma  

 

Tissue   regeneration   relies   on   stem   cells   that   are   activated,   and   then   proliferate   and  

differentiate  to  repair  the  damaged  or  diseased  tissue.  Bone  exhibits  great  capacities  to  

regenerate  via  the   local  recruitment  of  osteo-­‐chondro-­‐progenitors  (OCPs)  within  bone  

marrow  and  periosteum,  the  tissue  lining  the  outer  surface  of  bone.  In  the  first  part  of  

this  thesis  work,  we  show  that  periosteum  contains  skeletal  stem  cells  (SSCs)  and  that  

periosteal  cells  (PCs)  have  higher  regenerative  capacities  than  BMSCs.  The  regenerative  

and   self-­‐renewing   potential   of   PCs   is   dependent   of   the   extracellular   matrix   protein  

Periostin  that  contributes  to  the  periosteal  niche  of  SSCs.    

Despite  its  great  capacities  of  regeneration,  bone  fails  to  heal  properly  in  10%  of  bone  

injuries  and  delayed  healing  is  increased  in  patients  with  soft  tissue  damage  in  46%  of  

cases.  The  role  of  skeletal  muscle  is  well  known  in  the  orthopedic  field  but  the  cellular  

and  molecular  mechanisms   underlying   bone-­‐muscle   crosstalk   during   bone   repair   are  

poorly  understood.  In  the  second  part  of  the  thesis,  we  show  that  muscle  satellite  cells  

are  required   for  bone  repair  as  source  of  growth   factors  and   that   skeletal  muscle   is  a  

source  of  OCPs  during  bone  repair.  In  the  third  part  of  the  thesis,  we  then  characterized  

the  skeletal  muscle  derived  cells  using  cell  lineage  tracing  in  genetic  mouse  models  and  

tissue  grafting.  We  show  that  OCPs  recruited  from  both  skeletal  muscle  and  periosteum  

during   bone   repair   are   derived   from   the   Prx1   lineage.   FACS   and  molecular   analyses  

indicate   that   the   Prx1-­‐derived   muscle   cells   are   muscle   interstitial   cells   distinct   from  

endothelial,   hematopoietic   and   myogenic   cells,   but   overlaps   with   the   muscle  

fibro/adipogenic   progenitors   population   marked   by   Pdgfrα.   To   better   characterize  

bone-­‐muscle   crosstalk,   we   developed   a   new   musculoskeletal   trauma   model.   Under  

ethical  approval,   tibial   fractures  were   induced   in  adult  mice  with  or  without   injury   to  

muscles   surrounding   the   tibia.   Histomorphometric   analyses   show   that   muscle   injury  

delays  callus,  cartilage  and  bone  formation.  This  was  accompanied  by  abnormal  callus  

organization   with   the   presence   of   unresorbed   cartilage   and   fibrosis   leading   to   the  

absence  of  bone  bridging  and  non-­‐union.  Using  grafting  experiments,  we  show  that  the  

contribution   of   skeletal   muscle   and   periosteum   to   cartilage   within   the   callus   are  

decreased   in   fractures  with  muscle   injury.   In   the   trauma  environment,   fibrosis  within  

the   fracture   callus   is   derived   from   the   Prx1-­‐derived  muscle   lineage   but   not   from   the  

 

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periosteum.   Imatinib   treatment,   which   targets   PDGFRα,   Bcr-­‐Abl   and   c-­‐Kit   proteins,  

decreases  fibrosis  and  ameliorates  bone  repair  in  context  of  musculoskeletal  trauma.    

In   conclusion,  we   identified   an   interstitial   cell   population  within   skeletal  muscle   that  

contributes   directly   to   cartilage   and  bone  during   fracture   repair,   and   is   the   source   of  

fibrosis   in   a   traumatic   injury   environment   causing   fracture   non-­‐union.   This   study  

provides   a   cellular   basis   for   delayed   bone   regeneration   in   severe   musculoskeletal  

injuries.  

 

Keywords  :   muscle,     bone,     bone   repair,     muscle-­‐bone   interactions,     lineage   tracing,    genetic  of  mouse  model      

 

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Rôle   du  muscle   au   cours   de   la   régénération   osseuse:   étude   fonctionnelle   de   la  contribution  cellulaire  et  impact  des  traumatismes  musculosqueletiques    

La  régénération  tissulaire  est  basée  sur  l’activation,  le  recrutement  et  la  différenciation  

des   cellules   souches.  Au  cours  de   la   régénération  osseuse,   les   cellules   stromales  de   la  

moelle   osseuse   (CSMO)   et   les   cellules   du   périoste   (CP)   sont   deux   sources   d'ostéo-­‐

chondro-­‐progéniteurs   (OCP).   Dans   la   première   partie   de   mon   travail   de   thèse,   nous  

avons   montré   que   le   périoste   contient   des   SSCs   et   que   les   CPs   ont   des   capacités   de  

régénération   plus   élevées   que   les   CSMOs.   Le   potentiel   d'auto-­‐renouvellement   est  

modulé   par   la   niche   des   SSCs   au   sein   du   périoste   et   dépend   de   la   protéine  

extracellulaire,  Périostine.  

Malgré  ses  grandes  capacités  de  régénération,   l'os  présente  un  retard  de  régénération  

dans   10%   des   cas   de   lésions   osseuses   et   cette   proportion   s’élève   à   46%   lors   d’une  

fracture   avec   atteinte   des   tissus   environnants   tels   que   le   muscle.   Le   rôle   du   muscle  

squelettique  est  bien  connu  dans  le  domaine  orthopédique  et  il  a  été  décrit  comme  une  

source   potentielle   de   cellules   et   de   facteurs   au   cours   de   la   réparation   osseuse.  

Cependant,  les  mécanismes  cellulaires  et  moléculaires  sous-­‐jacents  aux  interactions  os-­‐

muscle  au  cours  de  la  réparation  osseuse  sont  mal  compris.  Dans  la  deuxième  partie  de  

mon   travail   de   thèse,   nous   avons  montré   que   les   cellules   satellites   musculaires   sont  

nécessaires  à  la  réparation  osseuse  en  tant  que  source  de  facteurs  de  croissance  et  que  

le  muscle   est   aussi   une   source   d’OCPs   pendant   la   régénération   osseuse.   La   troisième  

partie   de  mon   travail   de   thèse   a   porté   sur   la   caractérisation   des   cellules   dérivées   du  

muscle   squelettique   en   combinant   des   approches   de   lignage   cellulaire   et   greffes   de  

tissus.  Les  OCPs  sont  activement  recrutés  du  muscle  squelettique  pendant  la  réparation  

osseuse   et   sont   dérivés   du   lignage   embryonnaire  mésenchymateux   Prx1,   qui  marque  

également  les  CPs.  Les  analyses  de  cytométrie  et  moléculaires  indiquent  que  les  cellules  

musculaires   dérivées   du   lignage   Prx1   sont   des   cellules   interstitielles   musculaires  

distinctes   des   cellules   endothéliales,   hématopoïétiques   et   myogéniques,   mais  

chevauchant   avec   les   progéniteurs   fibro/adipogéniques   musculaires   marqués  

par   Pdgfrα.   Pour  mieux   comprendre   les   interactions   os-­‐muscle   au   cours   de   la  

régénération   osseuse,   nous   avons   développé   un   nouveau   modèle   de   traumatisme  

musculosquelettique.  Après  approbation  éthique,  des  fractures  du  tibia  ont  été  induites  

chez   des   souris   adultes   avec   ou   sans   blessure   des   muscles   entourant   le   tibia.   Les  

analyses   histomorphométriques   montrent   que   les   lésions   musculaires   retardent   la  

 

18  

formation   du   cal,   du   cartilage   et   de   l’os.   Cela   est   accompagné   d'une   organisation  

anormale  du  cal  avec   la  présence  de  cartilage  et  de   fibrose  non  résorbés  conduisant  à  

l'absence  de  pontage  osseux  et  à  la  non-­‐consolidation  de  la  fracture.  Par  des  expériences  

de  greffes   tissulaires,  nous  montrons  que   la  contribution  des  muscles  squelettiques  et  

du   périoste   au   cartilage   est   diminuée   dans   le   modèle   de   traumatisme  

musculosquelettique.   Dans   l'environnement   traumatique,   le   lignage   Prx1   musculaire  

forme  le  tissu  fibrotique,  contrairement  au  périoste.  Dans  le  but  de  diminuer  la  fibrose,  

nous   avons   utilisé   l'Imatinib,   qui   cible   les   protéines   PDGFRα,   Bcr-­‐Abl   et   c-­‐Kit.   Nous  

montrons   que   l'Imatinib   améliore   la   réparation   osseuse   dans   un   contexte   de  

traumatisme  musculosquelettique.    

En   conclusion,   nous   avons   identifié   une   population   cellulaire   interstitielle   dans   le  

muscle  squelettique  qui  contribue  directement  à  la  formation  du  cartilage  et  de  l’os  lors  

de   la   régénération   osseuse,   mais   qui   est   aussi   la   source   de   la   fibrose   dans   un  

environnement   de   lésion   traumatique,   provoquant   une   régénération   imparfaite.   Cette  

étude  fournit  une  base  cellulaire  et  moléculaire  pour  traiter  les  déficits  de  régénération  

osseuse  dans  les  blessures  musculosquelettiques  sévères.  

 

Mots  clés  :  os,  muscle,  régénération  osseuse,  interactions  os-­‐muscle,    lignage  cellulaire,    

génétique  de  la  souris  

 

 

Introduction  

19  

Table  des  matières    Table  des  matières  ......................................................................................................................  19  

Liste  des  illustrations  .................................................................................................................  21  Liste  des  abréviations  .................................................................................................................  23  

Introduction  ...................................................................................................................................  25  1.  Le  tissu  osseux  et  la  régénération  osseuse  .................................................................  25  1.1  Structure  du  tissu  osseux.  ...........................................................................................................................  25  1.1.1.  Les  os  longs  ................................................................................................................................................................  25  1.1.2.  Les  os  courts  et  les  os  plats  .................................................................................................................................  26  

1.2.  Composition  et  fonctions  du  tissu  osseux  ..........................................................................................  27  1.3.  Le  développement  osseux  .........................................................................................................................  27  1.3.1.  L’ossification  endochondrale  des  os  longs  ...................................................................................................  28  1.3.2.  L’ossification  intramembranaire  ......................................................................................................................  31  

1.4.  Croissance  et  maintien  du  tissu  osseux  ...............................................................................................  31  1.4.1.  Croissance  en  longueur  et  en  épaisseur  ........................................................................................................  31  1.4.2.  Maintien  homéostatique  du  tissu  osseux  ......................................................................................................  32  

1.5.  La  régénération  osseuse  après  fracture  ..............................................................................................  35  1.5.1.  Les  étapes  de  la  régénération  osseuse  par  voie  endochondrale  ........................................................  35  1.5.2.  Régulation  moléculaire  de  la  régénération  osseuse  ................................................................................  38  1.5.3.  Le  rôle  de  l’environnement  mécanique  au  cours  de  la  régénération  osseuse  ..............................  39  

1.6.  Sources  de  cellules  lors  de  la  régénération  osseuse  ......................................................................  40  1.6.1.  Le  concept  de  cellule  souche  mésenchymateuse  .......................................................................................  41  1.6.2.  La  moelle  osseuse,  une  source  minimale  de  cellules  ...............................................................................  43  1.6.3.  Le  périoste,  une  source  majeure  de  cellules  ................................................................................................  44  1.6.4.  Le  muscle,  une  source  de  cellules  pour  la  réparation  osseuse  ?  .........................................................  45  1.6.5.  Les  cellules  utilisées  en  thérapie  humaine  ...................................................................................................  45  

2.  Le  muscle  squelettique  ......................................................................................................  48  2.1.  Les  cellules  myogéniques  du  muscle  squelettiques  .......................................................................  48  2.1.1.   Développement  musculaire  ..............................................................................................................................  49  2.1.1.   Régénération  musculaire  ...................................................................................................................................  50  

2.2.  Les  cellules  non-­‐myogénique  du  muscule  squelettiques  .............................................................  52  2.2.1.  Le  système  vasculaire  musculaire  ...................................................................................................................  53  2.2.1.a.  Les  vaisseaux  ...................................................................................................................................................  53  2.2.1.b.  Les  péricytes  ....................................................................................................................................................  53  2.2.1.c.  Les  mésoangioblastes  ...................................................................................................................................  55  

2.2.2.  Le  système  fibro-­‐mésenchymateux  .................................................................................................................  56  2.2.2.a.  Les  fibroblastes  ...............................................................................................................................................  57  2.2.2.b.  Les  cellules  mésenchymateuses  musculaires  /  FAPs  .....................................................................  57  2.2.1.d.  Les  cellules  intersticielles  PW1+  (PICs)  ...............................................................................................  59  

3.  Les  interactions  os-­‐muscle  ...............................................................................................  61  3.1.  Interactions  biomécaniques  .....................................................................................................................  61  3.2.  Interactions  moléculaires  ..........................................................................................................................  63  3.3.  Interactions  os-­‐muscle  et  ossification  hétérotopique  ...................................................................  65  3.4.  Interactions  os-­‐muscle  au  cours  de  la  régénération  osseuse  .....................................................  66  3.5.  Modèles  murins  d’étude  du  rôle  du  muscle  dans  la  régénération  osseuse  ..........................  68  

Objectifs  de  thèse  .........................................................................................................................  71  

Article  1  ...........................................................................................................................................  73  

Article  2  .........................................................................................................................................  103  Article  3  (en  cours  de  soumission)  .......................................................................................  121  

Introduction  

20  

Discussion  .....................................................................................................................................  163  

Références  ....................................................................................................................................  171  

Curriculum  Vitae  ........................................................................................................................  211  

 

Introduction  

21  

Liste  des  illustrations    Figure  1  :  Anatomie  d’un  os  long    Figure  2  :  Schéma  du  développement  osseux  des  os  longs    Figure  3  :  Schéma  de  la  croissance  en  longueur  et  en  épaisseur  des  os  longs    Figure  4  :  Schéma  du  remodelage  osseux    Figure  5  :  Etapes  de  la  régénération  osseuse    Figure  6  :  Sources  de  cellules  au  cours  de  la  régénération  osseuse    Figure  7  :  Structure  du  muscle  squelettique    Figure  8  :  Schéma  du  développement  musculaire  au  cours  de  l’embryogenèse    Figure  9  :  Schéma  de  la  régénération  musculaire    Figure  10  :  Schéma  du  système  périvasculaire  musculaire    Figure  11  :  Schéma  du  système  fibro-­‐mésenchymateux  musculaire    Figure  12  :  Schéma  des  interactions  os-­‐muscle        

Introduction  

22  

   

Introduction  

23  

Liste  des  abréviations    αSMA   α  Smooth  Muscle  Actin    ADAM12   Désintégrine-­‐métalloprotéinase  12    Agc   Aggrécane  Angpt   Angiopoiétine  AP   Alkaline  phosphatase  BMP   Bone  Morphogenetic  Protein  cBMA   concentrate  of  Bone  Marrow  Aspirate  CCR   C-­‐C  chemokine  receptor  CD29   Cluster  de  différentiation  29,  Intergrine  β1  Col     Collagène    COX2   Cyclooxygénase-­‐2  CP   Cellules  du  périoste    CSF-­‐1   Colony  stimulator  factor  1  CSH   Cellules  souches  hématopoïétiques    CSM   Cellules  souches  mésenchymateuses  CSMO   Cellules  souches  de  la  moelle  osseuse    CSS   Cellules  souches  squelettiques    Cxcl12   C-­‐X-­‐C  motif  chemokine  12,  stromal  cell-­‐derived  factor  1  EDL   Extensor  digitus  lengus  FAP   Progéniteurs  fibro/adipogéniques  FGF   Fibroblast  Growth  Factor  FGFR3   Fibroblast  Growth  Factor  Receptor  3  FOP   Fibrodysplasia  Ossifians  Progressiva    FRM   Facteurs  de  Régulation  Myogéniques    HGF   Hepatocyte  Growth  Factor  IGF   Insulin  Growth  Factor  IHH   Indian  Hedgehog  Homolog    IL   Interleukine    LeptR   Leptin  receptor  M-­‐CSF   Macrophage  Colony-­‐Stimulating  Factor  MAB   Mésoangioblastes  MAPK   Mitogen-­‐Activated  Protein  Kinases  MHC   Myosin  Heavy  Chain    Mmp   Métalloprotéinase  de  la  matrice    MO   Moelle  Osseuse  Mstn   Myostatine  Myf5   Myogenic  factor  5  NG2   Neural/glial  antigen  2    OCP   Ostéochondroprogéniteurs    OH   Ossification  hétérotopique  Osx   Osterix  Pax3/7   Paired  box  3/7  PDGF   Platelet  Derived  Growth  Factor    PDGFRα   Platelet  Derived  Growth  Factor  Receptor  α  

Introduction  

24  

PIC   PW1  intersticial  cells  PMV   Perte  Musculaire  Volumique  Postn   Périostine  Prx1   Paired  related  homeobox  1  PTH   Para-­‐Thyroid  Hormone  PTHrP   Para-­‐Thyroid  Hormone-­‐related  Protein  PW1/Peg3   Paternally  expressed  3  RANKL   Receptor  Activator  of  Nuclear  Factor  κ-­‐B  Ligand  Runx   Runt-­‐related  transciption  factor  Sca1   Stem  cells  antigen-­‐1  SCDM   Cellules  Souches  Dérivées  du  Muscle  TA   Tibialis  anterior  TGF  β   Transforming  Growth  Factor  β        

Introduction  

25  

Introduction    

Le  système  musculosquelettique  assure  différentes  fonctions  essentielles  du  corps  telles  

que  le  mouvement,   le  stockage  de  minéraux  ou  la  protection  des  organes  internes.  Les  

deux  principaux  composants  du  système  musculosquelettique  sont  les  os  et  les  muscles  

striés   squelettiques.   Chez   l’Homme,   le   squelette   est   composé   de   206   os   et   le   système  

musculaire  de  570  muscles  striés[3],[4].      

1.  Le  tissu  osseux  et  la  régénération  osseuse    

1.1  Structure  du  tissu  osseux.    

A  l’âge  adulte,  les  os  du  squelette  (os  sésamoïdes  non  compris)  peuvent  être  divisés  en  

trois  catégories  anatomiques  :  les  os  longs,  les  os  courts  et  les  os  plats.    

 

1.1.1.  Les  os  longs    

Les   os   longs   sont   situés   dans   les  membres   supérieurs   et   inférieurs.   Ils   sont   formés   de   deux  

épiphyses  situées  aux  deux  extrémités  et  d’une  diaphyse  correspondant  à  la  partie  centrale  de  

l’os.  Epiphyse  et  diaphyse  sont  séparées  par  la  métaphyse  qui  contient  la  plaque  de  croissance  

permettant   la   croissance   en   longueur   des   os   longs.   Les   épiphyses   sont   composées   d’os  

spongieux   (ou   trabéculaire)   contenant   la   moelle   osseuse   rouge   et   sont   recouvertes   par   le  

cartilage  articulaire.  Elles  servent  de  site  d’ancrage  aux  tendons  et  aux  ligaments  au  niveau  des  

articulations.  La  diaphyse  est  constituée  d’os  compact  (cortex)  composé  d’ostéons  ou  système  

de   Harvers   (ostéocyte   et   canal   neuro-­‐vasculaire   entouré   d’os   lamellaire).   A   l’intérieur   de   la  

diaphyse  se  trouve  la  cavité  médullaire  occupée  par  la  moelle  osseuse[5].  Chez  l’enfant,  la  cavité  

médullaire   des   os   longs   est   le   siège   majeur   de   l’hématopoïèse,   alors   que   chez   l’adulte,  

l’hématopoïèse   a   lieu   principalement   au   sein   des   os   plats.   La   cavité   de   la   moelle   contient  

différents   types   de   cellules  dont   les   cellules   hématopoïétiques   et   les   cellules   stromales   de  la  

moelle   qui   forment   la   niche   des   cellules   souches   hématopoïétiques   (CSH)[6],[7].   La   moelle  

osseuse   et   le   cortex   sont   en   contact   direct   via   l’endoste[8].   L’endoste   est   un   tissu   hétérogène  

formé  de  cellules  bordantes  contenant  des  ostéoblastes,  des  ostéoclastes  et  des  vaisseaux[9].  Sur  

sa  face  externe,  le  cortex  est  recouvert  d’une  fine  membrane  appelée  périoste  qui  sert  d’ancrage  

aux  muscles  adjacents  et  permet  la  croissance  en  épaisseur  du  cortex[10-­‐12].  Le  périoste  est  riche  

Introduction  

26  

en  neurofibres[13,  14],   vaisseaux[15]   et   contient,  entre  autres,  des  cellules  souches  osseuses[16-­‐18]  

(Fig.  1).  

 

   

   1.1.2.  Les  os  courts  et  les  os  plats  

 

 

Les  vertèbres,  les  os  du  coup  du  pied,  les  os  du  poignet  sont  des  os  courts  alors  que  les  

os  du  crâne,  le  sternum,  les  omoplates  ou  les  os  du  bassin  sont  des  os  plats.  Les  os  courts  

et   plats   sont   dépourvus   de   cavité   médullaire   et   sont   formés   de   deux   couches   d’os  

compact.   Entre   ces   deux   couches,   se   trouve   une   quantité   variable   d’os   spongieux   qui  

Figure  1:  Anatomie  d’un  os  long.  (A)  Structure  générale  d’un  os  long  (B)  Structure  d’une  épiphyse    (C)  Structure  d’une  diaphyse[5]  

Introduction  

27  

contient  la  moelle  rouge.  Comme  pour  les  os  longs,  le  périoste  tapisse  la  surface  externe  

de  l’os  compact.  Les  os  plats  ne  contiennent  pas  de  moelle  jaune  (formée  principalement  

d’adipocytes)  mais   uniquement   de   la  moelle   rouge   et   sont   donc   un   site   important   de  

formation  des  globules  rouge  chez  l’adulte[19].    

 

1.2.  Composition  et  fonctions  du  tissu  osseux    

La   matrice   osseuse   est   composée   de   matière   organique   et   de   matière   minérale.   La  

matrice   organique   est   formée   de   collagène   de   type   I   (principalement),   III   et   V,   de  

glycoaminoglycanes   (décorine,   biglycan),   de   glycoprotéines   (ostéonectine,  

thrombospondine,  fibronectine),  d’ostéocalcine  et  de  protéines  de  la  famille  SIBLING[3].  

Ces  protéines  de  la  matrice  extracellulaire  sont  liées  à  des  facteurs  de  croissance  (TGF  β,  

IGF,  FGF,  PDGF)   impliqués  dans   la   formation  osseuse  et   le  maintien  homéostatique  du  

tissu   osseux[20].   La   matière   organique   est   associée   aux   cristaux   d’hydroxyapatite   de  

formule  Ca5(PO4)3(OH)  qui  forment  la  matière  minérale[21].    

De   part   leur   composition,   les   os   assurent   des   fonctions   mécaniques,   métaboliques   et  

hormonales.   L’organisation   lamellaire   des   fibrilles   de   collagène   et   des   cristaux  

d’hydroxyapatite   confère   à   l’os   une  dureté   et   une   résistance  mécanique  nécessaire   au  

maintien  et  à   la  mobilité  du  corps  ainsi  qu’à   la  protection  d’organes  vitaux   tels  que   le  

cerveau  ou  les  organes  internes[22].  Les  os  sont  aussi  la  réserve  principale  de  calcium  et  

de  phosphate  du  corps.  Ces  deux  ions  jouent  un  rôle  important  dans  le  métabolisme  et  la  

structure  cellulaire,   la  régulation  de  certaines  voies  de  signalisation[3,  23].  Enfin,   le  tissu  

osseux   remplit   des   fonctions   endocrines,   via   la   sécrétion   de   l’hormone   ostéocalcine  

notamment.   L’ostéocalcine   régule   la   sécrétion   de   l’insuline   au   niveau   du   pancréas,  

promeut  la  production  de  testostérone  dans  les  testicules,  la  sécrétion  de  l’interleukine  

6  (IL-­‐6)  du  muscle  squelettique,  et  agit  sur  les  fonctions  cognitives  du  cerveau[24,  25]  .  Les  

os  sont  aussi  un  site  majeur  d’hématopoïèse  chez  l’adulte.    

 

1.3.  Le  développement  osseux    

Le   développement   osseux   a   lieu   selon   deux   types   d’ossification  :   ossification  

endochondrale   principalement   pour   les   os   longs   et   courts   ou   ossification  

intramembranaire  pour  certains  os  du  crâne  par  exemple[26].  Au  cours  de   l’ossification  

Introduction  

28  

endochondrale,   chaque   élément   squelettique   est   composé   dans   un   premier   temps   de  

cartilage   qui   est   ensuite   ossifié.   Au   cours   de   l’ossification   intramembranaire,   chaque  

élément  squelettique  se  forme  sans  intermédiaire  cartilagineux.    

 1.3.1.  L’ossification  endochondrale  des  os  longs  

 

L’ossification   endochondrale   des   os   longs   est   initiée   par   les   condensations  

mésenchymateuses  de  cellules  mésodermiques  dérivant  du  lignage  Prx1  au  niveau  des  

bourgeons   de   membres[27]   (Fig.2A).   L’expression   des   Bone   Morphogenetic   Proteins  

(BMP)   au   sein   des   cellules   Prx1+   permettent   la   croissance   des   condensations  

mésenchymateuses   [28,  29].   Les   cellules  à   la  périphérie  des   condensations   s’allongent  et  

s’alignent  pour  former  le  périchondre,  alors  que  les  cellules  au  centre  des  condensations  

qui   expriment  Sox9   se  différencient  en   chondrocytes  prolifératifs   exprimant  Col2A1[30]  

(Fig.2B).  Ces  chondrocytes  secrètent  la  matrice  cartilagineuse  riche  en  collagène  de  type  

II  et  en  protéoglycans.  Ces  chondrocytes  se  différencient  ensuite  en  chondrocytes  pré-­‐

hypertrophiques  puis  hypertrophiques  et  sécrétent  le  collagène  de  type  X  (Fig.2C).  Cette  

étape  est  finement  régulée  par  plusieurs  voies  de  signalisation.  Smad4,  un  effecteur  de  la  

voie  BMP,   induit   l’expression  de  Runx2   au   sein  des   chondrocytes  pré-­‐hypertrophiques  

ce   qui   permet   la   différenciation   hypertrophique   finale   des   chondrocytes[31,   32].   La  

différenciation  chondrocytaire  est  aussi  régulée  par  la  boucle  de  régulation  IHH-­‐PTHrP  

(Indian  hedgehog  homolog  -­‐  Parathyroid  hormone-­‐related  Protein).  IHH  est  exprimé  par  

les   chondrocytes   pré-­‐hypertrophiques   et   PTHrP   par   les   cellules   péri-­‐articulaires.   Les  

chondrocytes   pré-­‐hypertrophiques   expriment   IHH   qui   diffuse   jusqu’aux   cellules   péri-­‐

articulaires.   En   réponse,   ces   cellules   sécrètent   PTHrP   qui   diffuse   dans   la   plaque   de  

croissance   et   promeut   la   prolifération   des   chondrocytes.   Dès   que   le   niveau   de   PTHrP  

diminue  sous  un  seuil  critique,  les  chondrocytes  sortent  du  cycle  cellulaire  et  entament  

leur   différenciation[33,  34].   Les   voies   BMP   et   IHH-­‐PTHrP   sont   en   partie   régulées   par   la  

signalisation  FGF  via  FGFR3.  En  effet,   l’absence  de  FGFR3   induit  une  augmentation  de  

l’expression  de  IHH  et  de  BMP4.  Dans  le  cas  contraire  où  le  récepteur  FGFR3  est  activé  

de  façon  constitutive,  l’expression  de  IHH  et  BMP4  est  diminuée  et  la  différenciation  des  

chondrocytes  pré-­‐hypertrophiques  en  chondrocytes  hypertrophiques  est  bloquée[35].  

Les   chondrocytes   hypertrophiques   secrètent   le   facteur   angiogénique   Vascular  

Endothelial  Growth  Factor  (VEGF),  qui  permet  l’invasion  vasculaire  (Fig.2D).  L’invasion  

Introduction  

29  

vasculaire   permet   la   migration   des   cellules   hématopoïétiques   et   des   cellules  

ostéogéniques   Osterix+   (Osx+)   au   niveau   du   centre   d’ossification   primaire[36-­‐38].   Sous  

l’action   de   BMP2   et   BMP4,   les   cellules   Osx+   expriment   Runx2   et   se   différencient   en  

ostéoblastes  au  sein  du  centre  d’ossification  primaire  et  au  niveau  du  périchondre  [39,  40].  

Au  sein  des  ostéoblastes  Osx+,  Smad4  interagit  avec  Runx2  et  la  voie  canonique  de  Wnt  

pour   induire   la   formation   de   matrice   osseuse[41].   Ainsi,   les   ostéoblastes   secrètent   du  

collagène   de   type   I,   principal   composant   de   la   matrice   osseuse.   Une   autre   source  

d’ostéoblastes   provient   de   la   transdifférenciation   des   chondrocytes   hypertrophiques.  

Les  chondrocytes  restants  sont  éliminés  par  apoptose[42-­‐45].  Les  ostéoblastes  entourés  de  

matrice  osseuse  se  différencient  ensuite  en  ostéocytes.  Les  ostéoclastes  qui  dérivent  des  

monocytes  résorbent  de  la  matrice  cartilagineuse  via  l’action  de  MMP9  notamment  afin  

de   former   la   cavité  médullaire[46,  47]  (Fig.2E).  Les   centres  d’ossifications   secondaires   se  

développent  en  parallèle  au  sein  des  épiphyses  après  l’invasion  vasculaire.  Le  cartilage  

épiphysaire  est  ensuite   résorbé  et   remplacé  par  de   l’os  spongieux  contenant   la  moelle  

osseuse  [48]  (Fig.  2F).    

Des   approches   de   lignage   cellulaire   ont   permis   de   mieux   caractériser   l’origine   des  

progéniteurs   squelettiques   impliqués   au   cours   du   développement   osseux.   Des  

transplantations  de  cartilage  embryonnaire  dans  la  capsule  rénale  ont  montré  l’absence  

de  recrutement  systémique  des  ostéoblastes  et  leur  provenance  du  périchondre[49].  Les  

ostéoblastes   du   périchondre   Osx+   migrent   le   long   des   vaisseaux   vers   le   centre  

d’ossification  primaire  pour  former  l’os[50].  Au  stade  post-­‐natal,  le  lignage  Osx+  forment  

les   ostéoblastes   mais   aussi   lieu   aux   cellules   stromales   de   la   moelle,   tout   comme   le  

lignage  Nestin+  [51][52].  Par  ailleurs,  une  autre  étude  utilisant  des  transplantations  dans  la  

capsule   rénale,   a  montré   qu’uniquement   les   os   formés  par   ossification   endochondrale  

permettaient   la   formation   de   la   niche   des   HSCs   au   sein   de   la   cavité   de   la   moelle  

osseuse[53].    

 

 

Introduction  

30  

 

Figure   2:   Schéma   représentatif   du   développement   de     l’os   par   voie  endochondrale.   Les   cellules   du   bourgeon   de   membre   forment   les  condensations  mésenchymateuses   composées   de   chondrocytes   entourés   par  le   périchondre.   Les   chondrocytes   se   différencient   en   chondrocytes  hypertrophiques   au   centre   du   cartilage   permettant   l’invasion   vasculaire   qui  amène  des  ostéoblastes  et  cellules  hématopoïétiques  pour  former  la  cavité  de  la  moelle  osseuse.  La  matrice   cartilagineuse  est  résorbée  par   les  ostéoclastes  et   les   ostéoblastes   forment   la   matrice   osseuse.   La   croissance   osseuse   est  ensuite   assurée   par   les   plaques   de   croissances   et   les   centres   d’ossification  secondaires[2].    

Introduction  

31  

1.3.2.  L’ossification  intramembranaire    

Les  os  plats  du  crâne  sont  issus  des  dérivés  de  crête  neurale  ou  du  mésoderme,  et  sont  

formés  via  le  processus  d’ossification  intramembranaire.  Après  l’étape  de  condensation,  

les   cellules   mésenchymateuses   expriment   le   marqueur   ostéoblastique   Osx,   se  

différencient  en  ostéoblastes  et  sécrètent  le  collagène  de  type  I  sans  former  de  matrice  

cartilagineuse.  Les  cellules  à  l’intérieur  des  condensations  sont  alors  emprisonnées  dans  

la   matrice   osseuse   et   se   différencient   en   ostéocytes   après   l’invasion   vasculaire.     Les  

ostéoblastes   situés   à   l’extérieur   des   condensations  mésenchymateuses   sécrètent   de   la  

matrice  osseuse  qui  forme  l’os  compact.  Les  cellules  mésenchymateuses  bordant  cet  os  

compact  donnent  lieu  au  périoste  et  la  moelle  osseuse  rouge  infiltre  l’os  spongieux  [54-­‐56].    

 

1.4.  Croissance  et  maintien  du  tissu  osseux    

1.4.1.  Croissance  en  longueur  et  en  épaisseur    La   croissance   osseuse   en   longueur   est   assurée  par   la   plaque  de   croissance   située   à   la  

jonction   entre   l’épiphyse   et   la   diaphyse[43].   La   plaque   de   croissance   est   composée   de  

chondrocytes  organisés  «  en  colonne  »[57].  Les  chondrocytes  situées  sous  l’os  spongieux  

de   l’épiphyse   sont   indifférenciés   et   sont   appelés   chondrocytes   de   réserve.   Les  

chondrocytes  de  réserve  expriment  Sox9   induisant  l’expression  de  gènes  permettant  la  

production   de   matrice   cartilagineuse   tels   que   Col2a1   ou   le   protéoglycan   aggrecan  

(Agc)[58].  En  proliférant,   les  chondrocytes  s’organisent  en  colonne.  L’inhibition  de  Sox9  

corrélée   à   l’expression   de   Runx2   et   Runx3   par   les   chondrocytes   prolifératifs  

permet  l’expression   du   collagène   de   type   X   et   la   différenciation   en   chondrocytes  

hypertrophiques[59].   Les   chondrocytes   hypertrophiques   produisent   la   matrice  

extracellulaire   et   des   facteurs  permettant   sa  minéralisation.   L’arrêt   de   l’expression  de  

Col10   corrélé   à   l’expression   de   Runx2   et   de   la   métalloprotéinase   de   la   matrice   13  

(Mmp13),   initie   la  différenciation   terminale  des   chondrocytes  au  niveau  de   la   jonction  

avec   les   trabécules   osseux   de   la   métaphyse[58,   60,   61].   Les   mécanismes   régulant   la  

transition   cartilage-­‐os   ne   sont   pas   entièrement   élucidés.   Les   chondrocytes  

hypertrophiques   peuvent   soit   entrer   en   apoptose   ou   se   transdifférencier   en  

ostéoblastes[45,   62,   63]   (Fig.   3A).   Les   mécanismes   moléculaires   sont   inconnus   mais   les  

Introduction  

32  

facteurs   impliqués   dans   le   processus   d’ossification   endochondrale,   tels   que   les   BMPs,  

Wnt,  FGFs,  TGF,  pourraient  aussi  réguler  spécifiquement  cette  étape.  

 

La  croissance  en  épaisseur  de  l’os  se  fait  au  niveau  du  périoste,  le  long  de  la  diaphyse  et  

consiste  en   la   formation  de  nouveaux  ostéons.  Les  cellules  ostéoblastiques  du  périoste  

s’invaginent   au   niveau   d’une   artèriole.   Les   ostéoblastes   secrètent   de   la   matrice  

extracellulaire   de   façon   concentrique   pour   former   de   l’os   lamellaire   où   ils   s’auto-­‐

emprisonnent  au  fur  et  à  mesure.  Cette  apposition  de  matrice  permet  ainsi  la  croissance  

en  épaisseur  du  cortex  (Fig  3B).  

 

1.4.2.  Maintien  homéostatique  du  tissu  osseux    

Le   tissu   osseux   enchaine   continuellement   des   cycles   de   résorption   et   de   formation  

osseuse.  La  résorption  osseuse  est  effectuée  par  les  ostéoclastes  et  la  formation  osseuse  

par  les  ostéoblastes.  Ce  processus,  appelé  remodelage  osseux,  est  très  finement  régulé.  

Dans   les   cas   où   la   balance   entre   formation/résorption   osseuse   est   déséquilibrée,  

Figure  3:  Schéma  de  la  croissance  osseuse.    (A)  Croissance  en  longueur.  (B)  Croissance  en  épaisseur  des  os.    

Introduction  

33  

différentes   pathologies   telle   que   l’ostéoporose   peuvent   se   développer[64,   65].   Le  

remodelage  osseux  se  déroule  en  cinq  phases  :  l’initiation,  la  résorption,  la  transition,  la  

formation   et   la   terminaison[1,   66].   La   phase   d’initiation   débute   par   le   recrutement   de  

cellules   hématopoïétiques   précurseurs   d’ostéoclastes   (pré-­‐ostéoclastes)   via   la  

circulation   sanguine   en   réponse   à   une   tension  mécanique   particulière   ou   à   certaines  

hormones   (œstrogène,   PTH   par   exemple)   au   site   de   remodelage.   La   sécrétion   des  

cytokines   CSF-­‐1   et   RANKL   par   les   ostéocytes   permettent   la   prolifération   des   pré-­‐

ostéoclastes  et   leur  différenciation  terminale  en  ostéoclastes[67-­‐69].  Grâce  à   leur  activité  

protéolytique,   les   ostéoclastes   résorbent   la  matrice   osseuse   via   l’action   des   cystéines-­‐

protéinases  et  des  métalloprotéinases  de  la  matrice[70].  Après  résorption  de  la  matrice,  

les  ostéomacs  (macrophages  résidents  situés  au  niveau  de  l’endoste  et/ou  du  périoste)  

éliminent  la  matrice  osseuse  résorbée  pour  permettre  la  synthèse  de  la  nouvelle  matrice  

par   les   ostéoblastes[71-­‐73].   Les   ostéoblastes   sont   ensuite   activés   et   synthétisent   la  

nouvelle  matrice  osseuse.  Cette  phase  de  transition  entre  l’action  des  ostéoclastes  et  des  

ostéoblastes   n’est   pas   entièrement   caractérisée,   mais   certaines   protéines   telles   que  

TGFβ  ou  IGF-­‐1  sont  considérés  comme  des  «  facteurs  de  couplages  »  agissant  à  la  fois  sur  

 les   ostéoclastes   pour   diminuer   leur   action   et   sur   les   ostéoblastes   pour   favoriser   la  

synthèse   de   matrice   osseuse[74,   75]   [76].   Pendant   la   phase   de   formation,   les   pré-­‐

ostéoblastes  migrent  au  niveau  des  sites  de  résorption,  se  différencient  en  ostéoblastes  

et   sécrètent   du   collagène   de   type   I   et   des   protéoglycans[66].   Des   cristaux  

d’hydroxyapatite   sont   incorporés  dans   la  matrice  de   collagène  pour   former   la  matrice  

osseuse.  Les  ostéocytes  sécrètent  la  Semaphorin3A  (Sem3A),  qui  inhibe  les  ostéoclastes  

et   active   les   ostéoblastes[77].   Dès   que   la   quantité   d’os   formé   est   équivalente   à   celle  

résorbée,   la  phase  de  terminaison  est   initiée  au  cours  de  laquelle  certains  ostéoblastes  

entrent   en   apoptose   et   d’autres   se   différencient   en   ostéocytes.   La   surface   de   l’os   est  

ensuite  reconstituée.  Le  processus  de  remodelage  est  terminé[1,  66].  

 

Introduction  

34  

 

Figure  4  :  Schéma  du  cycle  de  remodellage  osseux.  Phase  d’initiation  :  en  réponse  à  un  stimulus,  des  ostéoclastes  sont  recrutés  et  résorbent  la  matrice  osseuse.  Phase  de  transition  :  les  facteurs  de  couplage  (TGFβ,  IGF-­‐1)  inhibent  les  ostéoclastes  et  activent  les  ostéoblastes.  Phase  de  formation  :  les  ostéoblastes  sécrètent  de  la  matrice  osseuse.  Adapté  de  [1]  

Introduction  

35  

1.5.  La  régénération  osseuse  après  fracture    

1.5.1.  Les  étapes  de  la  régénération  osseuse  par  voie  endochondrale    

La  régénération  osseuse  après  fracture  est  un  mécanisme  très  efficace  qui  permet  à  l’os  

de   retrouver   sa   forme  et   sa   fonction  d’origine.   Il   existe  de  nombreux  points   communs  

entre   le  développement  osseux  et   la  régénération  osseuse,  comme  les  types  cellulaires  

intervenant   dans   ces   deux   processus   (cellules   mésenchymateuses,   chondrocytes,  

ostéoblastes  et  ostéoclastes),   les  voies  de  signalisation  communes  telles  que  BMP,  FGF  

ou   TGF-­‐β   et   les   deux   voies   d’ossification  :   voie   endochondrale   ou   voie  

intramembranaire[78].   Cependant,   la   régénération   osseuse   est   aussi   régulée   par  

l’inflammation  et   les   contraintes  mécaniques  qui  n’interviennent  pas  ou  différemment  

au  cours  du  développement  osseux    

Chez   la  souris,  de  nombreux  modèles  de  réparation  osseuse  des  os   longs  décrivent  un  

processus   en   quatre   étapes   faisant   intervenir   de   façon   coordonnée   l’ossification  

endochondrale   et   l’ossification   intramembranaire  :   la   phase   inflammatoire   (formation  

de   l’hématome,   infiltration   des   cellules   inflammatoires   et   recrutement   des   cellules  

souches/progéniteurs   osseux),   la   phase   de   cal   mou   ou   fibro-­‐cartilagineux  

(vascularisation  du  site  de  fracture  et  formation  du  cartilage  et  de  l’os),  la  phase  de  cal  

dur  ou  osseux  (résorption  du  cartilage  et  remplacement  par  le  tissu  osseux)  et  phase  de  

remodelage  osseux  (résorption  de  la  matrice  osseuse)[79,  80].    

Après   fracture,   la   première   étape   de   la   régénération   osseuse   consiste   en   la   formation  

d’un   hématome   due   à   la   rupture   des   vaisseaux.   La   formation   de   l’hématome   est   une  

étape  cruciale  et  coïncide  avec  la  sécrétion  de  facteurs  pro-­‐inflammatoires  permettant  le  

recrutement  des  cellules  inflammatoires  et  des  ostéoclastes[81,  82].  Les  cytokines  M-­‐CSF,  

IL-­‐1β,   TNFα,   IL-­‐1   et   IL-­‐6   sont   sécrétées[83,   84]   et   permettent   la   mobilisation   des  

neutrophiles[85].  Ces  neutrophiles  sécrètent  à  leur  tour  des  cytokines  telles  que  CCR2[86],  

IL-­‐6[87,   88]   ou   IL-­‐17[89,   90]   qui   participent   au   recrutement   des   macrophages   pro-­‐

inflammatoires  (M1)  et  des  lymphocytes  T.  La  sécrétion  des  interleukines  IL-­‐4  et  IL-­‐13  

et   l’invagination   des   neutrophiles   par   les   macrophages   M1   induit   un   changement  

phénotypique   des   macrophages   pro-­‐inflammatoire   M1   vers   des   macrophages   anti-­‐

inflammatoires   M2[91,   92].   Ce   changement   phénotypique   permet   la   diminution   de   la  

sécrétion   des   molécules   pro-­‐inflammatoires   et   l’augmentation   de   la   sécrétion   des  

molécules  anti-­‐inflammatoires  telle  que  TGF-­‐β,  connue  pour   induire   la  chondrogenèse,  

Introduction  

36  

le   recrutement   et   la   prolifération   des   précurseurs   squelettiques[75,   91,   93,   94].   Les  

macrophages  sécrètent  VEGF  et  PDGF-­‐BB  ce  qui  contribue  à  la  revascularisation  du  cal  [95,   96].   Le   contrôle   de   la   durée   de   la   phase   inflammatoire   est   fondamental   pour   une  

régénération  osseuse  efficace.  En  effet,  une  phase  inflammatoire  prolongée  (dans  le  cas  

de  maladies  auto-­‐immunes   telles  que   le   lupus  ou   le  diabète)  ou   réduite   conduit   à  une  

régénération   altérée   pouvant   aller   jusqu’à   l’absence   de   consolidation   osseuse[97-­‐101].  

Durant   la   phase   inflammatoire,   les   cellules   immunitaires   sécrètent   des   facteurs  

trophiques   tels   que   CXCL12   qui   participent   au   recrutement   et   à   l’établissement   des  

cellules  mésenchymateuses  CCR4+  au  niveau  du  site  de  fracture[102-­‐104].    

L’activation  des  cellules  souches  osseuses  a  lieu  dans  les  3  premiers  jours  après  fracture  

conduisant  à   la   formation  du  cal  mou  ou  cal   fibro-­‐cartilagineux[97,  105].   L’expression  de  

facteurs  de  croissance  tels  que  les  BMP[106,  107],  FGF[108,  109],  VEGF[110,  111],  IGF[112]  induit  la  

différenciation   de   cellules   souches   osseuses   en   chondrocytes   et   ostéoblastes[113].  

Pendant   la  deuxième  étape  de   réparation,   le   cal  mou  est   composé  majoritairement  de  

cartilage   au   centre   du   cal   où   les   contraintes   mécaniques   sont   élevées   et   d’os   en  

périphérie   où   les   contraintes   mécaniques   sont   plus   faibles.   En   périphérie   du   cal,   les  

cellules  souches  squelettiques  se  différencient  directement  en  ostéoblastes  et  sécrètent  

du   collagène   de   type   I   pour   former   la   matrice   osseuse[114].   Au   centre   du   cal,   Les  

progéniteurs   squelettiques   prolifèrent   et   se   différencient   en   chondrocytes[115]   qui  

secrètent  des  protéines  de  la  matrice  cartilagineuse  telles  que  le  collagène  de  type  II  et  

aggrecan.   Les   chondrocytes   se   différencient   ensuite   en   chondrocytes   hypertrophiques  

qui  sécrètent  du  collagène  de  type  X  et  du  VEGF  permettant  la  revascularisation  du  cal.    

Lors   de   la   troisième   étape,   dite   du   «   cal   dur»,   le   cartilage   est   activement   résorbé   via  

l’action  de  Mmp9  ou  Mmp13  pour  être  remplacé  par   l’os[116,  117].  De  même  que   lors  du  

processus   d’ossification   endochondrale   pendant   l’embryogenèse,   les   chondrocytes  

hypertrophiques   peuvent   être   éliminés   par   apoptose   ou   se   transdifférencier   en  

ostéoblastes.   Il   a   cependant   été   observé   que   certains   chondrocytes   hypertrophiques  

proches  des  vaisseaux  se  remettent  à  prolifèrer  et  ré-­‐expriment  des  facteurs  de  cellules  

souches   comme   Oct4,  Nanog   et   Sox2   [118-­‐120].   Ces   chondrocytes   pourraient   ensuite   se  

différencier   en   ostéoblastes.   Le   cartilage   est   remplacé   par   l’os   grâce   à   l’action   des  

ostéoblastes   sécrétant   le   collagène   de   type   I.   Pendant   la   quatrième   étape   de  

régénération  osseuse,  l’os  spongieux  subit  un  remodelage  sous  l’action  des  ostéoclastes  

Introduction  

37  

qui   résorbent   la  matrice   pour   former   l’os  mature   et   ainsi   reconstituer   le   cortex   et   la  

cavité  médullaire.  

Figure  5:  Etapes  de  la  régénération  osseuse.  Droite  :  coupe  longitudinales  de  cal  colorées  au  safranin’o.  Gauche  :  schéma  de  coupes  longitudinales  de  cal.  Jour  0  :  radiographie  de  la  patte  fracturée.   La   phase   inflammatoire   (J0-­‐J5)   est   suivie   de   la   formation   du   cal   mou,  principalement  composé  de  cartilage  (coloré  en  rouge  en  safranin’o)  (J5-­‐J10).  Le  cartilage  est  ensuite  résorbé  et  remplacé  par  de   l’os  pour  former  le  cal  dur  (J10-­‐J21).  La  matrice  osseuse  est  résorbé  :  c’est  la  phase  de  remodelage  (J21-­‐J56).  

FRACTURE

celluleshématopoiétiques

hématome cellules souches/progénitrices squelettiques

périosteendoste

moelle osseuse cortex

cartilage

os spongieux

c

cb

cb b

b

b

Jour 0

Jour 0-5

Phase inflamatoireRecrutement des cellules

souches/progéniteurs squelettiques

Jour 7

Formation du cartilage

Pic de formation du cartilage

Formation de l’os en périphérie du cal

Jour 10

Jour 14Résorptiondu cartilage

Formation de l’os dans tout le cal

Cal complétement ossifié

Remodelage osseux

Jour 21

Jour 56

Introduction  

38  

1.5.2.  Régulation  moléculaire  de  la  régénération  osseuse    

De   nombreuses   voies   de   signalisation   dont   BMP,   Wnt,   IHH-­‐PTHrP   et   PTH   sont  

impliquées  dans  la  régénération  osseuse  et  participent  à  l’activation,  au  recrutement  et  à  

la  différenciation  des  cellules  souches/progénitrices.    

Du   fait   de   leur   potentiel   ostéogénique   important,   les   BMPs   sont   actuellement   utilisés  

cliniquement  en  orthopédie.  Cependant,  au  vu  de  l’efficacité  variable  des  traitements  et  

des   effets   secondaires   observés,   le   rôle   précis   de   ces   molécules   au   cours   de   la  

régénération  osseuse  notamment  doit  être  mieux  caractérisé.  En  ce  sens,  des  approches  

de  délétion  conditionnelle  ont  été  développées  afin  de  mieux  comprendre   leur  rôle  au  

cours   de   la   régénération   osseuse.   Les   souris  Prx1Cre/+  ;BMP7fl/fl   et  Prx1Cre/+  ;BMP4fl/fl   ne  

présentent  aucune  malformation  osseuse  ni  retard  de  régénération  osseuse.  Cependant,  

les  souris  Prx1Cre/+  ;BMP2fl/fl  présentent  une  déficience  sévère  de  régénération  osseuse  ce  

qui   démontre   le   rôle   essentiel   de   BMP2   au   cours   de   la   régénération   osseuse[106].   Des  

approches  de  greffes  de  segments  osseux  combinées  à  l’inactivation  de  Bmp2  ont  permis  

de  montrer  que  BMP2  est  nécessaire  à  l’activation  et  à  la  différenciation  des  cellules  du  

périoste[121].    

Contrairement   au   développement   embryonnaire   où   le   réseau   de   signalisation   HH   est  

indispensable   pour   la   différenciation   chondrocytaire,   au   cours   de   la   régénération  

osseuse   l’ablation   de   la   voie   de   signalisation   HH   au   sein   des   chondrocytes   Col   II+  

n’affecte   pas   la   régénération   osseuse.   Cependant,   l’ablation   de   HH   au   sein   des  

ostéoblastes  Col  I+  induit  un  retard  de  régénération  et  un  défaut  de  minéralisation[122].  

Cela  corrèle  avec  le  fait  que  les  cellules  du  périoste  présente  un  défaut  de  différentiation  

ostéogénique  in  vitro  en  absence  d’HH[121].  

La  voie  de  signalisation  PTH  est  aussi  impliquée  au  cours  de  la  régénération  osseuse.  Les  

souris  PTH  KO  présentent  une  régénération  imparfaite  avec  une  diminution  du  volume  

du   cal   et   du   cartilage.   De   plus,   les   injections   quotidiennes   d’iPTH   (intermitent   PTH)  

accélèrent   la   régénération   osseuse,   diminuent   l’apoptose   des   ostéoblastes   mais  

augmentent   leur   maturation   [123,   124].   De   ce   fait,   PTH   est   utilisée   comme   traitement  

contre   l’ostéoporose   afin   d’augmenter   la   formation   osseuse.   L’administration   d’iPTH  

induit   la   diminution   de   l’expression   de   sclérostine,   un   antagoniste   de   la   voie   Wnt,  

sécrétée   par   les   ostéoblastes   et   les   ostéocytes[125].   La   voie  Wnt   est   impliquée   dans   de  

nombreux   processus   développementaux   et   de   régénération.   Dans   le   cas   de   la  

Introduction  

39  

régénération   osseuse,   la   suractivation   de   Wnt   améliore   la   régénération   alors   que  

l’inhibition   de   la   voie   altère   sévèrement   la   régénération   osseuse[126,  127].  Wnt   pourrait  

agir   sur   les   cellules   du   périoste   et   régulerait   leur   différenciation   en   chondrocytes   et  

ostéoblastes[128].  

 

1.5.3.  Le  rôle  de  l’environnement  mécanique  au  cours  de  la  régénération  osseuse  

 

La  stimulation  mécanique  est  un  facteur  important  de  l’homéostasie  osseuse.  cependant,  

les  résultats  de  l’effet  de  l’hypergravité  sur  le  tissu  osseux  sont  nuancés.  Cet  effet  dépend  

des  os  étudiés,  de  l’âge,  du  fond  génétique  des  animaux  et  de  l’intensité  et  de  la  durée  de  

l’hypergravité.   Il   semble   que   l’hypergravité   chronique   peut   être   bénéfique   à   une  

intensité   de   2g   avec   une   augmentation   de   la   densité   osseuse   et   une   diminution   du  

nombre  d’ostéoclastes,  mais  elle  peut  être  délétère  à  une  intensité  de  3g  avec  des  effets  

inverses   à   ceux   observés   à   2g   [129-­‐131].   La   perte   de  masse   osseuse   due   à   l’absence   de  

stimulus  mécanique   est   connue   chez   les   spationautes,   les   personnes   immobilisées   ou  

paralysées   [132-­‐134],   et   cette   perte   de  masse   osseuse   est   corrélée   à   une  perte   de  masse  

musculaire  [135].  La  microgravité  induit  une  augmentation  de  l’activité  ostéoclastique,  la  

mort  des  ostéocytes  et  affecte   les  capacités  de  différenciation  des  ostéoblastes   [136,  137].  

La  stimulation  mécanique  du  tissu  osseux  joue  aussi  un  rôle  au  cours  de  l’exercice  (voir  

partie  3.1).  Les  effets  de  la  gravité  sur  la  régénération  osseuse  ne  sont  pas  décrits  dans  la  

littérature.  

Au  cours  de  la  régénération  osseuse,  de  nombreux  modèles  animaux  illustrent  l’effet  de  

l’environnement   mécanique   sur   la   nature   du   processus   d’ossification.   Une   instabilité  

mécanique   favorise   l’ossification   par   voie   intramembranaire,   alors   que   l’instabilité  

favorise   l’ossification   par   voie   endochondrale[117,   138,   139].   Le   rôle   de   l’environnement  

mécanique  est  connu  mais  son  effet  est  dépendant  du  type  et  de  la  position  de  la  fracture  [140,  141].  Chez  l’homme,  l’absence  complète  de  stabilisation  du  site  de  fracture  induit  une  

augmentation  de  la  taille  du  cal  [142,  143],  une  formation  excessive  de  cartilage  [144]  et  une  

diminution  de  la  vascularisation  [145],  qui  augmentent  significativement  le  risque  de  non-­‐

consolidation.   Cependant,   la   stimulation   mécanique   du   site   de   fracture   par   l’activité  

musculaire   ou   par   ultrasons   peut   accélérer   la   régénération   et   améliorer   la   qualité   du  

tissu  osseux  néoformé[146,  147].    Les  mécanismes  d’action  des  stimuli  mécaniques  sur  les  

étapes  de  la  régénération  osseuse  restent  méconnus.  Les  stimuli  mécaniques  pourraient  

Introduction  

40  

avoir  un  effet  au  cours  de  la  phase  inflammatoire  [148],  de  l’invasion  vasculaire  [145],  de  la  

différenciation  des  cellules  progénitrices  [113]  ou  du  remodelage  osseux  [117].    

 

1.6.  Sources  de  cellules  lors  de  la  régénération  osseuse    

Si  les  étapes  de  la  régénération  osseuse  sont  bien  connues,  les  cellules  impliquées  dans  

la  formation  du  cartilage  et  de  l’os  restent  encore  à  mieux  caractériser.  Des  expériences  

de   transplantations   de   populations   de   cellules   souches   hématopoïétiques   (CSHs)  

clonales   ont   montré   que   les   CSHs   peuvent   se   différencier   en   ostéoblastes[149].  

Cependant,  des  analyses  de  lignage  cellulaire  utilisant  la  souris  CD45Cre/+  ont  montré  que  

le   lignage   hématopoïétique   n’est   pas   une   source   d’ostéoblastes   au   cours   de   la  

régénération   osseuse[150].   Des   expériences   de   parabiose   ont   suggéré   un   recrutement  

systémique  d’ostéoblastes  lors  de  la  régénération  osseuse,  mais  ce  recrutement  semble  

minimal[151,   152].   Cependant,   le   recrutement   systémique   permet   l’apport   de   cellules  

immunitaires   et   d’ostéoclastes,   qui   jouent   un   rôle   important   dans   les   étapes   de   la  

réparation  osseuse   [153].  Les  cellules  souches/progénitrices  squelettiques  ont  donc  une  

origine   locale   au   cours   de   la   régénération   osseuse,   dont   trois   sources   principalement  

étudiés  la  moelle  osseuse,  le  périoste  et  le  muscle  [154]  (Fig.  6).    

Introduction  

41  

 

1.6.1.  Le  concept  de  cellule  souche  mésenchymateuse    

“There  is  no  generally-­‐accepted,  rigorous  definition  of  the  term  'stem  cell'.  Here,  we  will  

use  it  to  refer  to  cells  that  are  capable  of  extensive  proliferation,  including  self-­‐renewal,  

and  are  able  to  give  rise  to  differentiated  progeny”    

James  Till,  1980  

 

Le  concept  de  cellule  souche  apparait  dans  les  années  1960  dans  le  laboratoire  d’Ernest  

A.   McCulloch  et  James   E.   Till   de   l’Université   de   Montréal.   En   étudiant   les   effets   de  

l’irradiation   sur   les   cellules,   ils   décrivent   la   présence   de   cellules   au   sein   du   tissu  

hématopoïétique  qui  peuvent  recoloniser   la  moelle  osseuse  de  souris   irradiées,   former  

des   colonies   in   vitro  et   in   vivo  en   particulier   dans   la   rate,   se   diviser   et   se   différencier  

Figure  6:  Sources  de  cellules  au  cours  de  la  régénération  osseuse.  (A)  Recrutement  systémique,  contribution   du  périoste   et   de   la  moelle.   Le  muscle,   les   vaisseaux   et   le   tissu   adipeux   sont   des  sources   de   cellules   potentielles.   (B)   Des   expériences   de   parabiose   ont   montré   que   le  recrutement   systémique   est   minimal.   (C)   Des   expériences   de   greffe   de   moelle   osseuse   ont  montré   que   la   contribution   cellulaire   de   la  moelle   osseuse   est   limité.   (D)   Des   expériences   de  greffe  de  périoste  ont  montré  que  la  contribution  cellulaire  du  périoste  est  importante  [151,  185].    

Introduction  

42  

dans   les   lignages   érythrocytaire,   granulocytaire   et   mégacaryocytaire   [155,   156].   Ils  

émettent   alors   l’hypothèse   que   chaque   colonie   présente   dans   la   rate   a   été   formée   à  

partir   d’une  unique   cellule   de  moelle   osseuse  précédemment   injectée,   et   la   valide  par  

des  analyses  génétiques[157].  Des  cellules  de  la  moelle  osseuse  sont  donc  capables  de  se  

diviser   à   l’infini,   de   se   différencier   en   différents   lignages   et   de   reformer   des   cellules  

souches,  à  partir  d’une  cellule  unique  :  le  concept  de  cellule  souche  est  né[158,  159].    

Dans  les  années  1960-­‐1970,  Friedenstein  AJ  montre  qu’une  sous  population  de  cellules  

de   la   moelle   osseuse   a   un   potentiel   ostéogénique[160].   Ces   cellules   sont   facilement  

différentiables  des  cellules  hématopoïétiques  de  par  leur  rapide  adhérence  au  plastique  

et   leur  forme  fuselée,  et  certaines  d’entre  elles  peuvent  former  des  colonies  (CFU-­‐F)   in  

vitro[161,  162].  Ces  cellules  sont  alors  nommées  «  osteogenic  stem  cells  »  ou  «  bone  marrow  

stromal   cells  »[161,   163].   Dans   les   années   1990,   suite   à   des   travaux   de   différenciation  

adipogénique,   ostéogénique   et   chondrogénique   in   vitro,   ces   cellules   sont   renommées  

«  mesenchymal  stem  cell  »  (cellules  souches  mésenchymateuses)[164-­‐166].    

Les   cellules   souches   mésenchymateuses   (CSMs)   humaines   sont   définies   comme  des  

cellules   adhérentes   au   plastique,   capables   de   se   différencier   in   vitro   en   ostéoblastes,  

adipocytes  et  chondrocytes  et  d’exprimer  un  panel  de  marqueurs  de  surface  minimal  :  

négatifs   (<2%)   pour   les   marqueurs   CD45,   CD34,   CD11b,   CD19   et   HLA-­‐DR   et   positifs  

(>95%)   pour   les  marqueurs   CD105,   CD73   et   CD90[167].  D’autres   cellules   de   la  moelle  

dont  les  fibroblastes  ou  les  CSHs  sont  capables  d’adhérer  au  plastique.  Ainsi,  les  études  

faites   in  vitro   à   partir   de  moelle   osseuse   totale   utilisent   une   population   adhérente   au  

plastique  hétérogène[168,  169].  Les  marqueurs  de  surface  ne  sont  pas  exclusifs  et  d’autres  

types  cellulaires  comme  les  péricytes  notamment  peuvent  les  exprimer[170].    

Malgré  ces  critères  utilisés  pour  définir  les  CSMs,  leur  terminologie  est  remise  en  cause.  

Premièrement,  le  terme  mésenchyme  défini  un  tissu  conjonctif  embryonnaire  qui  dérive  

du  mésoderme  puis  de  l’ectoderme  et  de  la  crête  neurale[171].  Le  mésenchyme  ne  désigne  

donc  pas  un  tissu  présent  à  l’âge  adulte.  Deuxièmement,  dans  la  majorité  des  études,  le  

caractère  «  souche  »  des  CSMs  est  majoritairement  évalué  par  des  analyses  clonales   in  

vitro.  En  absence  d’expériences  d’auto-­‐renouvellement  in  vivo,  leur  caractère  souche  est  

débattu   dans   la   littérature   mis   à   part   dans   la   moelle   osseuse   où   une   population   de  

cellules  CD146+  a  été  identifié  comme  étant  capable  de  former  de  l’os  et  de  reconstituer  

la   niche   des   cellules   souches   hématopoïétiques   dans   le   cas   de   transplantations   sous-­‐

cutanées  successives[172].    

Introduction  

43  

Les   cellules  mésenchymateuses   ont   été   isolées   à   partir   de   tous   les   tissus/organes[173].  

Cependant,   les   propriétés   et   les   fonctions   de   ces   CSMs   ne   sont   pas   équivalentes   pour  

tous   les   tissus.   Les   cellules   souches  mésenchymateuses  de   la  moelle   osseuse   (CSMOs)  

sont   capables   de   former   du   tissus   adipeux   et   osseux   in   vivo   et   in   vitro   mais   pas   du  

muscle   squelettique   alors   que   les   CSMs   dérivées   du   muscle   squelettique   ont été  

rapportées   comme   ayant   une   capacité   adipogénique   et   ostéogénique   limitée   mais  

capables  de  former  des  myofibres  in  vitro[173,  174].  Ainsi,  la  terminologie  des  CSMs  évolue  

et   il   a   été   proposé   de   renommer   ces   cellules   «  cellules   stromales  mésenchymateuses»  [164,  175-­‐177].    

 

1.6.2.  La  moelle  osseuse,  une  source  minimale  de  cellules    

Chez  l’adulte,  la  moelle  osseuse  est  majoritairement  composée  d’adipocytes,  de  cellules  

stromales   et   de   cellules   hématopoïétiques   (CSHs,   érythrocytes,   leucocytes,  

macrophages,  ostéoclastes  et  neutrophiles)[178].  Les  cellules  stromales  comprennent  les  

cellules  souches  mésenchymateuses  (CSMs),  des  fibroblastes,  des  cellules  endothéliales,  

des   péricytes,   des   cellules   de   Schwann   (cellules   gliales   du   système   nerveux  

périphérique)  et  des  nerfs[179].  Le  rôle  principal  des  cellules  stromales  est  de  former  la  

niche  des  cellules  souches  hématopoïétiques  pour  soutenir  l’hématopoïèse[180-­‐182].    

De   par   leur   capacité   à   se   différencier   en   ostéoblastes   et   chondrocytes   et   leur   facilité  

d’accès,  les   CSMs   sont   utilisées   pour   développer   des   approches   de   thérapie   cellulaire  

pour   la   régénération   osseuse[183,  184].   Cependant   des   analyses   de   lignage   cellulaire   par  

transplantation  chez  la  souris  ont  montré  que  la  contribution  endogène  des  CSMs  lors  de  

la   régénération   osseuse   est  minimale[185]   (Fig.6C).  Des   approches   de   lignage   cellulaire  

utilisant   le   système   Cre-­‐Lox   et   les   marqueurs   αSMA,   Gremlin   1,   Leptin-­‐Recepteur  

(LeptR)  et  Mx1  ont  été  utilisés.  Des  chondrocytes  et  ostéoblastes   issus  de  ces   lignages  

sont  retrouvées  au  sein  du  cal[182,  186-­‐188].  Cependant,  ces  lignages  ne  sont  pas  restreints  

uniquement  à  la  moelle  osseuse[189,  190].    

Les  CSMs  ont  un  rôle  immunomodulateur  et  paracrine  maintenant  bien  reconnu[191].  Des  

greffes   de   CSMs   au   site   de   fracture   induisent   une   diminution   de   l’expression   de  

cytokines   pro-­‐inflammatoires,   démontrant   leur   rôle   anti-­‐inflammatoire   au   cours   de   la  

régénération  osseuse[192].  Les  CSMs  sécrètent  des   facteurs  tels  que  VEGF,  Cxcl12,  CCL7  

ou  FGF  essentiels  au  recrutement  et  à  la  différenciation  des  progéniteurs  squelettiques  

Introduction  

44  

en   chondrocytes   ou   en   ostéoblastes[193-­‐195].   Le   rôle   indirect   des   CSMs   est   donc  

fondamental  lors  de  la  régénération  osseuse.    

 

1.6.3.  Le  périoste,  une  source  majeure  de  cellules    

En  1757  Duhamel  et  Monceau  décrivent  pour  la  première  fois  une  membrane  entourant  

le  cortex  capable  de  former  de  l’os[196].  En  1986,  la  description  anatomique  du  périoste  

est  reportée[197].  Le  périoste  est  constitué  de  deux  couches  :  la  couche  externe  en  contact  

avec  le  muscle  appelée  «  couche  fibreuse  »  et  la  couche  interne  en  contact  avec  le  cortex,  

appelée   «  cambium   layer  ».   La   couche   externe,   composée   de   fibroblastes,   est   riche   en  

collagène   et   en   fibres   réticulaires   conférant   au  périoste   l’élasticité   nécessaire   lors   des  

mouvements.   La   couche   interne   du   périoste   est   composée   d’ostéoblastes   et  

d’ostéoprogéniteurs  et  est  ancrée  dans  le  cortex  grâce  à  des  fibres  de  collagène  appelées  

fibres   de   Sharpey.   Le   périoste   est   aussi   riche   en   vaisseaux,   en   péricytes   et   en   fibres  

nerveuses[198,  199].    

Dès  le  milieu  du  XIXème  siècle,  Dupuytren  propose  l’hypothèse  selon  laquelle  le  périoste  

et   la  moelle  osseuse  sont  deux  sources  de  cellules   lors  de   la   formation  du  cartilage  au  

sein  du  cal[200].  En  l’absence  de  marqueur  spécifique  des  cellules  du  périoste,  des  greffes  

tissulaires  ont  été  réalisées  pour  évaluer  le  potentiel  du  périoste  en  tant  que  source  de  

cellules   lors  de   la   régénération  osseuse.  Des   greffes   segmentaires  de   fémur   isolées  de  

souris  Rosa26-­‐LacZ   transplantées   dans   un   grand   défaut   osseux   chez   des   souris   hôtes  

sauvages   ont  montré   des   cellules   LacZ+   dérivant   de   la   greffe   dans   le   cartilage   et   l’os  

néoformés.  En  absence  de  périoste   au  niveau  de   la   greffe,   la   formation  de   cartilage   et  

d’os  est  réduite  et  la  revascularisation  du  cal  est  compromise[201].  Dans  une  autre  étude,  

des  greffes  de  périoste   isolées  de  souris  Rosa26-­‐LacZ   au  site  de   fracture  de  souris  ont  

montré  un  grand  nombre  de  chondrocytes  et  d’ostéoblastes  LacZ+  dérivés  de   la  greffe  

de  périoste  dans  le  cal[185].  Le  périoste  est  donc  une  source  importante  de  cellules  lors  de  

la  régénération  osseuse[2,  154]  (Fig.  6C).    

 

         

Introduction  

45  

1.6.4.  Le  muscle,  une  source  de  cellules  pour  la  réparation  osseuse  ?    

L’hypothèse  de  la  contribution  des  tissus  adjacents  au  site  de  fracture  à  la  régénération  

osseuse  est  acceptée  étant  donné  la  possibilité  d’isoler  des  CSMs  à  partir  de  nombreux  

tissus  tels  que  le  tissu  adipeux  et  le  muscle.    De  nombreuses  études  montrent  la  capacité  

ostéogénique   et   chondrogénique   des   cellules   musculaires.   Stimulées   in   vitro   avec  

l’osteoactivin  ou  des  BMPs,  les  cellules  musculaires  immortalisées  C2C12  ou  les  cellules  

satellites   (cellules   souches   musculaires)   sont   capables   de   se   différencier   en  

ostéoblastes[202,  203].   Une   étude   a  montré   que   chez   les   souris  MyoDCre/+  ;Z/AP+   dont   le  

lignage   myogénique   (fibres   et   cellules   satellites)   est   marqué   par   l’expression   de   la  

phosphatase  alcaline,  une  contribution  de  ce  lignage  peut  être  détectée  après  fractures  

stabilisées  par  une  tige  intra-­‐médullaire  et  blessure  du  muscle  et  du  périoste.  Dans  le  cas  

de  fractures  simples  sans  blessure  des  tissus  adjacents,  aucune  contribution  du  muscle  

au   cal   n’est   observée   (absence   de   cellules   AP+   dans   le   cal)   [204].   Une   autre   étude   a  

suggéré   que   l’action   corrélée   de   Sox9   et   Nkx3.2   régule   négativement   l’expression   de  

Pax3  dans  les  cellules  musculaires  pour  permettre  leur  différenciation  chondrogénique  

en   réponse   à   une   fracture[205].   Des   cellules   du   muscle,   isolées   à   partir   de   muscles  

adjacents  à  la  fracture,  présentent  un  potentiel  ostéogénique  in  vitro  plus  élevés  que  les  

CSMOs[206].   Des   étapes   de   pré-­‐plating   permettent   de   sélectionner   les   cellules   sur   leur  

habilité   à   adhérer   au   plastique.   Les   fibroblastes   adhèrent   en   premier   alors   que   les  

cellules   satellites   et   les  myoblastes  mettent   plus   de   temps   à   adhérer[207].   Les   cellules  

isolées  après  six  pré-­‐plating  et  transfectées  avec  un  adénovirus  rh-­‐BMP2  sont  capables  

de   réparer   un   défaut   de   la   calvaria,   ce   qui   n’est   pas   le   cas   des   cellules   non-­‐

transfectées[208].  Ainsi,  si   le  rôle  des  cellules  du  tissu  musculaire  en  tant  que  source  de  

cellules   au   cours   de   la   régénération   osseuse   est   suggéré,   l’origine   et   le   rôle   exact   des  

cellules  du  muscle  au  cours  de  la  régénération  osseuse  reste  à  définir[209,  210].    

 1.6.5.  Les  cellules  utilisées  en  thérapie  humaine  

 Même   si   le   tissu   osseux   a   une   capacité   de   régénération   élevée,   10%   des   fractures  

simples   et   40%   des   fractures   complexes   avec   atteintes   des   vaisseaux   et   des   tissus  

adjacents,  ne  régénèrent  pas  correctement[211],  [212].  Les  traitements  actuels  des  fractures  

complexes  (fractures  poly-­‐traumatiques,  poly-­‐fracture)  est  principalement  chirurgical  et  

peut  faire  intervenir  l’injection  de  facteurs  de  croissance  (BMP,  PDGF)  au  site  de  fracture  

Introduction  

46  

ou   les   greffes   osseuses  de   la   crête   iliaque[213-­‐215].   Le   cout  de   ces   traitements[212,  216],   la  

douleur  endurée  par  les  patients,  les  risques  d’effets  secondaires  (ossification  ectopique  

dans   le   cas   de   traitement   local   avec   des   BMPs)[217,   218]   et   de   non-­‐réparation[219]  

démontrent  que  la  prise  en  charge  et  les  traitements  des  fractures  ne  sont  pas  optimaux.  

Le   «  diamond   concept  »   en   ingénierie   tissulaire   combine   l’utilisation   de   cellules  

souches/progénitrices,   de   biomatériaux   et   de   facteurs   de   croissance.   L’ensemble   est  

transplanté  au  site  de  fracture  tout  en  maitrisant  sa  stabilisation[220].  Si  les  résultats  sont  

encourageants,   l’efficacité   de   cette   méthode   n’est   toujours   pas   optimale   et   des   effets  

secondaires  sont  présents[221].    

 

Du   fait  de   son  accessibilité,   la  moelle  osseuse  est   actuellement   la  principale   source  de  

cellules  souches/progénitrices  squelettiques  utilisées  en  orthopédie.  La  moelle  osseuse  

est   notamment   utilisée   en   tant   que   greffe   autologue.   La   technique   de   la   membrane  

induite  avec  greffe  autologue  de  moelle  osseuse  et  d’os  spongieux  de  la  crête  est  utilisée  

pour   le   traitement   des   grands   défauts   osseux.   L’efficacité   de   cette   technique   est  

controversée  et  les  risques  de  complications  sont  élevés.  Cependant,  la  formation  de  la  

membrane   induite   au   site   de   résection   promeut   la   différenciation   ostéogénique   des  

cellules   de   la   moelle   osseuse   via   l’activation   des   réseaux   de   signalisation   Smad   et  

MAPK[217,   222,   223].   De   récentes   approches   utilisant   du   concentré   de   moelle   osseuse  

(concentrate   of   bone   marrow   aspirate,   cBMA)   ou   des   cellules   de   la   moelle   osseuse  

amplifiées  en  culture  visent  à  enrichir  la  population  de  cellules  transplantées  en  cellules  

souches  [224,  225].  Lors  de  l’utilisation  de  cBMA,  la  moelle  totale  (issue  le  plus  souvent  de  

la  crête  iliaque)  est  centrifugée  et  une  partie  des  cellules  hématopoïétiques  est  enlevée.  

La  suspension  de  cellules  restantes  contient  des  CSMOs,  des  cellules  progénitrices  ainsi  

que  des  facteurs  de  croissance  et  des  cytokines  (TGFβ,  BMPs,  IL-­‐1).  Le  cBMA  est  ensuite  

mélangée  à  une  matrice  (gel  de  fibrine,  matrice  osseuse  déminéralisée)  et  supplémenté  

ou  non  par  des  BMPs  exogènes.  Les  résultats  sont  prometteurs  pour   le   traitement  des  

troubles   articulaires   et   des   fractures   avec   un   temps   de   régénération   diminué[222,   226].  

Enfin,   la   Federal   Drug   Agency   et   l'European   Medecines   Agency   ont   accordé   le   grade  

clinique   aux   CSMOs   amplifiées   in   vitro   en   encadrant   strictement   leurs   conditions   de  

culture[227,  228].  Les  CSMOs  sont  extraites  de  la  moelle  osseuse  puis  purifiées  et  amplifiées  

en   culture   pour   être   transplantées   au  moment   de   la   chirurgie.   De   la  même   façon   que  

Introduction  

47  

pour  le  cBMA,  les  cellules  sont  généralement  mélangées  à  une  matrice  et  supplémentées  

par  des  facteurs  exogènes[229-­‐231].    

Ces   méthodes   rencontrent   différentes   limitations.   La   quantité   de   CSMOs   récupérée  

dépend  de   l’âge  des  patients.  Plus   l’âge  est  avancé,  plus   le  nombre  de  CSMOs  diminue.  

L’amplification   des   cellules   in   vitro   nécessite   des   contrôles   phénotypiques   et  

génotypiques   importants  pour  s’assurer  que   les  cellules  n’accumulent  pas  d’anomalies  

génétiques  pouvant  aboutir  au  développement  de  pathologies  comme  le  cancer.  Enfin,  la  

nécessité  d’utiliser  des  matériaux  de  soutien  et  de  supplémenter  les  cellules  à  greffer  en  

facteurs  de  croissance  peut  entrainer  des  effets  secondaires   importants[232].  De  plus,   il  

est  possible  que  les  cellules  de  la  moelle  osseuses  aient  une  capacité  à  former  de  l’os  et  

du   cartilage   limitée   et   que   leur   rôle   soit   d’avantage   trophique   en   participant   à   la  

sécrétion  de  facteurs  impliqués  dans  le  recrutement  de  cellules  progénitrices  endogènes  

ou  dans  l’inflammation[191].  Il  est  donc  fondamental  de  mener  des  études  permettant  le  

suivi   sur   le   long   terme  de   ces   cellules   afin  de  mieux   comprendre   leur   rôle   et   ainsi   de  

pouvoir  améliorer  les  traitements[233].  

Le   périoste   étant   une   source  majeure   de   cellules   au   cours   du   processus   endogène   de  

régénération  osseuse,  l’utilisation  de  cellules  du  périoste  est  considérée  mais  pas  encore  

appliquée   en   clinique[234].   La   présence   d’un   périoste   intact   pour   une   régénération  

osseuse   efficace   est   bien   connue   des   orthopédistes   mais   du   fait   de   son   accessibilité  

limitée,  les  cellules  du  périoste  sont  très  peu  utilisées  en  orthopédie[235].  Cependant,  des  

greffes  de  périoste  ont  été  utilisées  dans  un  essai  clinique  pour  traiter  des  cas  avancés  

de  parodontite   chronique.  Des  greffes  autologues  de  périoste  ou  de  matrice  protéique  

ont  été  effectuées  au  site  de  blessure.  Un  an  après,  les  patients  traités  avec  les  greffes  de  

périoste   montrent   une   amélioration   de   la   formation   osseuse[236].   Des   études   ont   été  

menées  pour  évaluer  le  potentiel  des  greffes  de  périoste  pour  traiter  des  défauts  osseux  

de  grande  taille  ou  des  défauts  du  cartilage[237].    

Le   muscle   est   utilisé   cliniquement   pour   supporter   la   régénération   osseuse   en   cas   de  

fracture   complexe   ou   de   grand   défaut   osseux.   Il   permet   notamment   d’améliorer   la  

vascularisation,  de  limiter  les  infections  au  niveau  du  site  de  fracture  ou  de  sécréter  des  

facteur[238].   La   capacité   ostéogénique   et   chondrogénique   du   muscle   squelettique   est  

décrite  dans   la   littérature  orthopédique  dans   le  cas  d’ossification  ectopique  ou  dans   la  

fibrodysplasie  ossifiante  progressive.  Cependant,  le  rôle  du  muscle  squelettique  en  tant  

que  source  de  cellules  au  cours  de  la  régénération  osseuse  est  peu  renseigné.  

Introduction  

48  

2.  Le  muscle  squelettique    

Avec  les  os,  les  muscles  sont  un  composant  essentiel  du  système  musculosquelettique.  Il  

existe  environ  600  muscles  striés  squelettiques  dans  le  corps  humain  qui  permettent  les  

mouvements  volontaires  et  le  maintien  de  la  posture.    

 

2.1.  Les  cellules  myogéniques  du  muscle  squelettiques      

Les  muscles   sont   attachés   aux   os   via   les   tendons.   Les  muscles   sont   entourés   par   une  

membrane  de  tissu  conjonctif  appelé  épimysium.  A  l’intérieur  de  l’épimysium  les  fibres  

musculaires,  l’unité  fonctionnelle  du  muscle  squelettique,  sont  rassemblées  en  faisceaux  

délimités  par  le  périmysium  et  chaque  fibre  est  elle  même  entourée  par  l’endomysium.  

Chaque  fibre  contient  des  myofibrilles,  composées  de  myosine  et  d’actine  [239].  

 

Figure  7:  Le  muscle  squelettique.   (A)  Structure  du  muscle  squelettique.   (B)  Schéma  d’une  coupe  transverse  de  muscle  squelettique  et  des  types  cellulaires  composant  la  partie  myogénique  et  la  partie  non  myogénique  du  muscle  

Introduction  

49  

2.1.1. Développement  musculaire    Les  cellules  du  muscle  squelettique  des  membres  est  issu  des  somites  et  se  met  en  place  

en  trois  grandes  étapes  :   la  myogenèse  primaire  au  stade  embryonnaire,   la  myogenèse  

secondaire  au  stade  fœtal  et   le  développement  postnatal.  L’étude  de  modèles  murins  a  

permis  de  définir  la  cascade  génétique  impliquée  dans  la  myogenèse  dans  les  membres.  

Lors   de   la  myogenèse   primaire,   entre   E11.5   et   E14.5,   les   cellules  mésodermiques   des  

somites  Pax3+  qui  expriment  c-­‐met/HGF,  appelées  myoblastes,  délaminent  et  migrent  au  

niveau  du  bourgeon  de  membre[240].  Ces  cellules  prolifèrent  et   s’engagent  dans   la  voie  

myogénique   sous   l’effet   des   facteurs   de   régulation   myogéniques   (FRM)   Myf5   et  

MyoD[241].  Sous   l’action  de  MRF4  et  Myogenin,  deux  autres  FRM,   les  myoblastes  sortent  

du   cycle   cellulaire   et   se   différencient   en  myocytes[242].   Les  myocytes   fusionnent   alors  

entre  eux  et  l’expression  de  la  chaine  lourde  de  la  myosine  (MHC)  permet  la  formation  

de   fibres   dites   primaires[243].   Lors   de   la  myogenèse   secondaire,   à   partir   de   E14.5,   les  

cellules   progénitrices   myogéniques   sont   Pax3+/Pax7+   puis   régulent   négativement  

l’expression  de  Pax3.  Les  cellules  Pax7+  se  différencient  en  myoblastes,  migrent  le  long  

des  vaisseaux  et  fusionnent  soit  entres  eux,  soit  avec  les  fibres  primaires  pour  former  les  

fibres   secondaires.   Les   fibres   sont   ensuite   innervées   et   la   lame  basale   est   formée.   Les  

progéniteurs   musculaires   Pax7+   qui   n’expriment   pas   les   FRMs   formeront   le   pool   de  

cellules   satellites[244].   Le   développement   musculaire   se   poursuit   après   la   naissance.  

Pendant   la   période   postnatale,   les   fibres   subissent   un   processus   d’hypertrophie  mais  

leur   nombre   reste   constant.   Les   cellules   satellites   prolifèrent   à   un   taux   élevé,   se  

différencient  en  myoblastes  sous  l’action  des  FRMs  et  fusionnent  avec  les  myofibres  déjà  

présentes.  Dans   le  même   temps,  de  nouvelles  myofibrilles  sont  mises  en  place  au  sein  

des  myofibres,  permettant  au  muscle  d’achever  sa  formation[245].  Si  les  FRMs  et  les  gènes  

Pax3/Pax7   contrôlent   la   myogenèse,   le   réseau   de   signalisation   complet   de   régulation  

comprend  de  nombreux  autres  acteurs.  Par  exemple,   la   signalisation  Notch  au  sein  du  

tissu  musculaire  est  critique  pour   le  maintien  du  pool  de  cellules  souches.  En  effet,  en  

absence  du  ligand  Notch,  Delta  1,  le  pool  de  cellules  satellites  est  réduit  ce  qui  conduit  à  

une   hypotrophie   musculaire[246].   Les   facteurs   de   croissance   HGF,   IGF   et   FGF   sont  

impliqués  tout  au  long  de  la  myogenèse  :  HGF  permet  la  migration  des  myoblastes,  IGF  la  

fusion   des   myoblastes   et   FGF   est   impliqué   dans   la   prolifération   des   myoblastes   et  

réprime   la   différenciation.   Enfin,   myostatine   (Mstn)   régule   l’hypertrophie   des   fibres  

musculaires[245].  Le  réseau  de  signalisation  BMP  joue  aussi  un  rôle  fondamental  dans  le  

Introduction  

50  

tissu  musculaire  en  régulant  la  balance  entre  prolifération  et  différenciation  des  cellules  

satellites,  et  régule  l’hypertrophie  musculaire[247].  

 

2.1.1. Régénération  musculaire      

Tout   comme   le   tissu   osseux,   le   muscle   squelettique   a   de   grandes   capacités   de  

régénération   qui   récapitule   une   grande   partie   du   développement   musculaire.   Ce  

processus   résulte   des   propriétés   des   cellules   satellites,   nommées   ainsi   pour   leur  

position  périphérique  entre  la  fibre  musculaire  et  la  lame  basale  qui  l’entoure[248].  Chez  

Figure   8:   Schéma   du   développement   du   muscle   squelettique   au   cours   de  l’embryogenèse.   (A)   Au   cours   de   la   myogenèse   primaire,   les   cellules   somitiques  délaminent  et  migrent  dans   le  bourgeon  du  membre.  Les  cellules  Pax3+  qui  expriment  Myf5   et  MyoD   prolifèrent   et   initient   la   différentiation   en   myoblastes.   L’expression   de  Myogénine   et  MRF4   induit   la   différentiation   des   cellules   en   myocytes,   qui   fusionnent  pour   former   les   fibres   primaires.   (B)   Au   cours   de   la   myogenèse   secondaire,   les  progéniteurs  myogéniques  régulent  négativement  Pax3  et  expriment  Pax7.  Les  cellules  qui  expriment  Myf5  et  MyoD  se  différencient  en  myoblastes,  puis  myocytes  et  fusionnent  soit   entre   elles   soit   avec   les   fibres   primaires   pour   former   les   fibres   secondaires.   Les  cellules  qui  n’expriment  pas  Myf5  et  MyoD  formeront  le  pool  de  cellules  satellites.  

Pax3+

Somite

Myf5+

MyoD+

Myogenin+

MRF4+

MHC+

Stade embryonnaire = Myogenèse primaire

Pax7+Pax3+

Myf5+

MyoD+

Myogenin+

MRF4+

Fusion avec

les fibres primaires

Fusion des

myoblastes Pax7+

Stade foetal = Myogenèse secondaire

Auto-renouvellement

Formation du pool de cellules satellites

MyocytesMyoblastes

MyocytesMyoblastes

(A)

(B)

Introduction  

51  

l’adulte,  les  cellules  satellites,  qui  représentent  entre  2.5%  et  6%  du  nombre  de  noyaux  

dans   un   muscle   sain,   sont   définies   par   l’expression   du   gène   Pax7   et   leur   position  

anatomique  entre  les  fibres  et  la  lame  basale[249].  Le  rôle  central  des  cellules  satellites  au  

cours  de  la  régénération  musculaire  a  été  établi  par  des  analyses  de  lignage  cellulaire,  de  

déplétion  et  de  transplantation[250-­‐253].  En  effet,  les  souris  Pax7  KO  présentent  un  retard  

de   croissance,   une   musculature   deux   fois   moins   importante   que   celle   des   souris  

sauvages,   mais   une   organisation   normale   du   tissu   musculaire.   Cependant,   après   la  

naissance,   les   souris  Pax7   KO  perdent   progressivement   leurs   cellules   satellites,   ce   qui  

entraine   un   déficit   sévère   de   régénération   musculaire[254].   La   déplétion   des   cellules  

satellites  Pax7+  chez  les  souris  Pax7CreER/+;  R26RDTA/+  au  stade  adulte  entraine  un  échec  

complet  de  régénération[250,  255].    

Après   une   blessure,   la   régénération   musculaire   débute   par   une   phase   dégénérative,  

caractérisée   par   la   nécrose   des   fibres   musculaires   et   l’infiltration   de   cellules  

inflammatoires   notamment   de  macrophages   au   niveau   de   la   lésion  musculaire[256].   Le  

recrutement  de  macrophages  et  de  neutrophiles  permet  le  nettoyage  du  site  de  blessure.  

La  sécrétion  de  cytokines  et  de  facteurs  de  croissance  par  les  cellules  hématopoïétiques  

et   les   fibres   en   dégénérescence   telles   que   IL5,   IL6   ou   HGF   permet   l’activation,   le  

recrutement   et   la   prolifération   des   cellules   satellites[257].   En   parallèle,   les   cellules  

satellites   sont   activées,   prolifèrent   et   se   différencient   en  myoblastes.     Le   contrôle   du  

devenir  des  cellules  souches  est  effectué,  entre  autres,  par  les  FRMs  comme  au  cours  du  

développement.  Ces  FRMs  agissent  séquentiellement  à  chaque  étape  de  la  régénération  

musculaire.   Lors   de   la   première   étape   l’expression   de   Myf5   induit   l’activation   des  

cellules   satellites,   et   la   co-­‐expression   de   Myf5   et   MyoD   permet   la   prolifération   des  

cellules   satellites[258-­‐260].   Par   la   suite,   l’augmentation  de   l’expression  de  MyoD   entraine  

l'expression  de  p21,  un  inhibiteur  du  cycle  cellulaire  et  parallèlement,  une  diminution  de  

l'activité   des   cdk   (cyclin-­‐dependent   kinase),   entraînant   l'arrêt   du   cycle   cellulaire   et   la  

progression  dans  la  différenciation[261].  Après  la  phase  de  prolifération,   l'expression  de  

Myogénine  est  augmentée  dans  les  cellules  myogéniques  et  est  associée  au  programme  

de   différenciation   terminale.   Ce   dernier   est   complété   par   l'activation   des   protéines  

spécifiques   du   muscle   telles   que   la   chaîne   lourde   de   la   MHC   et   la   créatine   kinase  

musculaire.   Les   myocytes   mononucléés   fusionnent   enfin   pour   former   un   syncytium  

multinucléé  (myotube)  et,  après  maturation,  une  cellule  musculaire  contractile[262].    

Introduction  

52  

D’autres  populations  cellulaires  au  sein  du  muscle,  distinctes  des  cellules  satellites  ont  

été   décrites   comme   ayant   une   capacité  myogénique  :   les   cellules   souches   dérivées   du  

muscle   (SCDM),   les   cellules   progénitrices   CD133+[263],   les   cellules   interstitielles   PW1+  

(PICs)[264],  les  cellules  Twist2+[265],  les  cellules  endothéliales  CD34+[266,  267]  ou  encore  les  

péricytes[268].   Cependant,   ces   marqueurs   ne   sont   pas   exclusifs   des   précurseurs  

myogéniques[269,  270].    

 

 

2.2.  Les  cellules  non-­‐myogénique  du  muscule  squelettiques    

Le   tissu   non-­‐myogénique  musculaire   désigne   toutes   les   cellules   présentes   au   sein   du  

muscle  excepté  les  cellules  satellites,  les  myoblastes  et  les  fibres  musculaires  (Fig.  7).  Il  

comprend   les   vaisseaux,   les   nerfs,   les   péricytes,   les   fibroblastes,   les   cellules  

mésenchymateuses   et   les   adipocytes.   Souvent   appelé   tissu   de   soutien,   le   tissu   non  

myogénique   contient   des   cellules   remplissant   des   fonctions   essentielles   assurant  

l’apport   en   oxygène   et   en   nutriments   (vaisseaux)   ,   la   sécrétion   de   facteurs   ou   de  

protéines   de   la   matrice   extracellulaire   (fibroblastes   et   cellules   mésenchymateuses)   ,  

l’innervation  des   fibres   essentielles   aux  mouvements   (nerfs)   ou  une   réserve  d’énergie  

(adipocytes)   [271].   Ce   tissu   de   soutien   peut   être   divisé   en   trois   catégories  :   le   système  

nerveux,  le  système  vasculaire  (vaisseaux,  péricytes  et  mésoangioblastes)  et  le  système  

fibro-­‐mésenchymateux.    

Figure  9:  Schéma  de  la  régénération  musculaire.  Après  une  blessure  musculaire,  les  cellules   satellites   sont   activées,   se   multiplient   et   se   différencient   de   façon  asymétrique.   Les   cellules   n’exprimant   pas  Myf5   et  MyoD   reconstituent   le   pool   de  cellules   satellites,   alors   que   celles   exprimant   Myf5   et   MyoD   se   différencient   en  myoblastes   puis   myocytes.   Les   myocytes   fusionnent   pour   reformer   des   fibres  musculaires  fonctionnelles.    

Introduction  

53  

2.2.1.  Le  système  vasculaire  musculaire      

2.2.1.a.  Les  vaisseaux    

Les  cellules  endothéliales  du  muscle  squelettiques  dans  le  membre  ont  la  même  origine  

mésodermique,   le   dermomyotome,   que   les   précurseurs   myogéniques[272].   Les  

précurseurs   endothéliaux,   appelés   angioblastes,   migrent   en   premier   au   niveau   du  

bourgeon   de   membre,   en   amont   des   précurseurs   myogéniques.   Les   angioblastes  

sécrètent   PDGFβ   qui   stimule   la   production   de  matrice   extracellulaire,   nécessaire   à   la  

myogenèse[273].   La   balance   entre   différenciation   endothéliale   et   myogénique   est  

orchestrée   par   la   répression   mutuelle   entre   FoxC2   qui   induit   la   différenciation  

endothéliale   et   Pax3/7   qui   induisent   la   différenciation   myogénique.   Les   cellules   pré-­‐

endothéliales   migrent   au   niveau   du   bourgeon   de   membre   pour   établir   un   pool   de  

cellules   mononuclées   qui   se   différencient   en   cellules   endothéliales   en   parallèle   de   la  

formation  des  myofibres[274,  275].    

2.2.1.b.  Les  péricytes    

Les  péricytes  sont  observés  pour  la  première  fois  en  1871  et  définis  deux  ans  plus  tard  

par   le   français   Charles-­‐Marie   Benjamin   Rouget   comme   des   cellules   contractiles  

entourant   les   cellules   endothéliales   des   petits   vaisseaux[276].   Les   péricytes   sont  

caractérisés   par   leur   position   anatomique   et   l’expression   de   différents   marqueurs  :  

neural/glial   antigen   2   (NG2),   PDGFRβ   ou   phosphatase   alkaline   (AP)[268,   277,   278].   Ces  

différents  marqueurs  semblent   identifier  différentes  sous-­‐populations  de  péricytes  qui  

se   chevauchent   potentiellement,   mais   il   n’existe   aucun   marqueur   spécifique   des  

péricytes   qui   permet   leur   identification   stricte[279].   Les   péricytes   sont   nécessaires   à  

l’homéostasie  vasculaire  et  remplissent  des  fonctions  essentielles  comme  la  stabilisation  

des  vaisseaux[280],  la  régulation  du  flux  sanguin[281-­‐283]  et  l’établissement  et  la  maturation  

de  la  vascularisation  au  cours  du  développement[278,  284].  

La   mise   en   place   des   péricytes   au   cours   du   développement   est   organe/tissu  

dépendant[285].   Les   péricytes   du   membre   dérivent   du   mésoderme,   et   plus  

particulièrement   de   la   splanctopleure   et   des   somites[279,   286].   Chez   les   souris   PDGFβ-­‐

déficientes,  les  péricytes  sont  absents.  Cependant,  l’angiogenèse  a  lieu  mais  les  vaisseaux  

sont  dilatés  en  l’absence  de  péricytes[278].  Les  cellules  endothéliales  sécrètent  le  facteur  

Introduction  

54  

de   croissance   PDGFβ   qui   induit   le   recrutement   de   cellules   périvasculaires   (péricytes,  

mésoangioblastes)[287].   L’hypothèse   d’une   transition   endothélio-­‐mésenchymateuse   de  

cellules  endothéliales  sous  le  contrôle  de  Notch  a  été  proposée,  notamment  dans  le  tissu  

cardiaque[279,  288].    

L’utilisation   de   modèles   transgéniques   a   permis   de   mieux   caractériser   la   population  

péricytaire  du  muscle  squelettique  et  ses  rôles  au  sein  du  muscle  squelettique.  La  souris  

NG2Cre   a   permis   de   montrer   que   les   péricytes   NG2+   stimulent   la   croissance   des  

myofibres   au   stade   post-­‐natal,   maintiennent   la   quiescence   des   cellules   satellites   via  

l’action   de   IGF1   et   angiopoietin   1   (ANGPT1)[289].   L’expression   de   NG2   et   du   filament  

intermédiaire  Nestin  définie  deux  sous-­‐populations  péricytaires.  Les  péricytes  de  type  I,  

NG2+/Nestin+,   forment   du   tissu   fibrotique   après   blessure   ou   durant   le   vieillissement.  

Les   péricytes   de   types   2,   NG2+/Nestin-­‐,   participent   à   l’angiogenèse   normale   et  

tumorale[290-­‐292]   et   sont   les   seuls   à   pouvoir   se   différencier   en   oligodendrocytes   et   en  

cellules   de   Schwann,   cellules   nécessaires   lors   de   l’innervation   du   muscle   après  

blessure[290,   293].   Les   mécanismes   régissant   la   différenciation   de   ces   deux   sous  

populations   restent   mal   compris.   Cependant,   il   semble   que   la   laminine   inhibe   la  

prolifération   et   l’adipogenèse   des   péricytes   de   type   1   et   favorise   la   myogenèse   et   la  

prolifération  des  péricytes  de  types  2[294,  295].    

L’étude  de  la  souris  APCreERT2  a  montré  que  certains  péricytes  AP+  génèrent  des  cellules  

satellites  et  des  myofibres  durant  la  croissance  musculaire,  contribuent  activement  à  la  

régénération  musculaire  et  ont  une  capacité  de  différenciation  myogénique   in  vitro[268,  

296].  Il  apparait  aussi  que  les  myoblastes  Pax3+/Myf5+  ont  la  capacité  à  se  différencier  en  

péricytes.   En   effet,   sous   l’action  de  Dll4   et   PDGFRβ   les  myoblastes   se   différencient   en  

péricytes.  A  l’inverse,  chez  les  souris  MyoDCre  ;RosaNCID  où  la  voie  Notch  est  activée  dans  

les   cellules   MyoD+,   les   gènes   myogéniques   sont   régulés   négativement,   alors   que   les  

gènes  péricytaires  sont  activés  [297].  

Certains  péricytes  expriment  aussi  la  désintégrine-­‐métalloprotéinase  12  (ADAM12).  Des  

analyses  de  lignage  ont  montré  que  les  cellules  ADAM12+  participaient  activement  à  la  

formation  de  tissu  fibrotique  pendant  la  régénération  musculaire[298].    

Certains  péricytes  expriment  aussi  les  marqueurs  PDGFRα,  Tie2  ou  GLAST.  Des  analyses  

de   lignage   utilisant   ces   marqueurs   ont   montré   que   les   cellules     PDGFRα+,   Tie2+   ou  

GLAST+  pouvaient  former  du  cartilage  et  de  l’os  au  cours  de  l’ossification  hétérotopique.  

Introduction  

55  

Ces  données  suggèrent  donc  que  les  péricytes  auraient  des  capacités  chondrogénique  et  

ostéogénique  [299-­‐302].  

 

2.2.1.c.  Les  mésoangioblastes    

Les   mésoangioblastes   (MAB)   sont   des   cellules   périvasculaires   dérivées   de   l’aorte  

dorsale,  participant  à  la  formation  de  différents  tissus  d’origine  mésodermique  (muscle  

squelettique,   cartilage,   os),   ayant   une   capacité   clonogénique   in   vitro   et   exprimant   les  

marqueurs   AP,   CD34,   Kit   et   Flk4[303].   Au   cours   du   développement   embryonnaire,   la  

compétition   entre   les   BMPs   sécrétés   par   les   cellules   endothéliales   et   Noggin   (un  

inhibiteur   de   la   voie   BMP)   sécrété   par   les   myofibres   induit   la   différentiation   des  

progéniteurs   périvasculaires   en   cellules   périvasculaires   ou   en   myotubes,  

respectivement[304].   L’expression   du   gène   Pax3   est   indispensable   aux   MABs   pour  

s’engager   dans   la   différenciation   myogénique[305].   Au   cours   de   la   régénération  

musculaire,   l’expression  du  gène  PW1/Peg3  permet   la  migration  des  MABs   le   long  des  

vaisseaux   jusqu’au   site   de   blessure   et   induit   la   différenciation  myogénique   des  MABs  [306].  Des  analyses  in  vitro  montrent  que  les  MABs  peuvent  se  différencier  en  adipocytes  

en  réponse  à  l’insuline  et  en  ostéoblastes  en  réponse  au  BMP-­‐2  ou  TGFβ-­‐1[307].    

De   par   leur   capacité   myogénique,   les   MABs   sont   utilisés   en   thérapie   cellulaire   pour  

traiter  les  dystrophies  musculaires.  Les  MABs  sont  isolés  à  partir  de  culture  d’explant  de  

vaisseaux   issus   d’embryon   ou   de   souris   jeunes[303,   308].   Des   MABs   infectés   avec   un  

lentivirus   exprimant   α-­‐sarcoglycan   (α-­‐SG)   ont   été   injectés   dans   l’artère   fémorale   de  

souris  dystrophiques  α-­‐SG-­‐/-­‐.  Quatre  mois  après   le   traitement,   les  muscles   irrigués  par  

l’artère   fémorale   retrouvent  une   constitution  et  une   fonction   comparable   aux  muscles  

wt[308].   Les   MABs   ont   aussi   été   utilisés   en   thérapie   cellulaire   pour   traiter   des   chiens  

atteints   de   la   dystrophie   musculaire   de   Duchenne.   Les   MABs,   transfectés   par   un  

lentivirus   exprimant   la   microdystrophynine   humaine,   ont   été   injectés   dans   l’artère  

fémorale.  Les  chiens  traités  gardent  une  fonction  musculaire  normale,  ce  qui  n’est  pas  le  

cas  des  chiens  contrôles  qui  décèdent  au  bout  d’un  an[309].  Ces  études  ont  mené  à  la  mise  

en   place   d’un   essai   clinique   chez   l’Homme   en   2011   (référence   de   l’essai   clinique  :  

EudraCT  #2011-­‐000176-­‐33).  Afin  de  mieux   comprendre   les  mécanismes  d’intégration  

et   de   régénération   des  MABs,   deux   études   ont  montré   le   rôle   central   des   réseaux   de  

signalisation  BMP  et  Notch  au  cours  de  la  différentiation  des  MABs  en  myofibres  in  vitro  

Introduction  

56  

et  in  vivo[310,  311].  L’expression  de  Delta-­‐like  ligand  1  (Dll1,  activateur  de  la  voie  Notch)  au  

sein   des   MABs   améliore   leur   capacité   de   différentiation   myogénique   et   leur   capacité  

d’intégration,   tout   comme   l’inhibition   de   la   voie   BMP   par   Noggin   ou   Dorsomorphine.  

Malgré  ces  résultats,  les  fonctions  physiologiques  des  MABs  restent  méconnues.    

Les   péricytes   et   les   MABs   sont   des   cellules   périvasculaires   qui   présentent   plusieurs  

points  communs  tels  que  leur  capacité  de  différenciation  myogénique,  adipogénique  et  

ostéogénique,   leur   localisation   anatomique   périvasculaire   proche   et   l’expression   de  

certains  marqueurs[296,  312,  313].   Il  est  donc  possible  que  ces  deux  populations  cellulaires  

se  chevauchent,  du  moins  en  partie  (Figure  10).  

 

   

2.2.2.  Le  système  fibro-­‐mésenchymateux    

Le   tissu   conjonctif   du   muscle     dans   le   membre   provient   des   lames   latérales   du  

mésoderme   et   sa   mise   en   place   au   cours   du   développement   est   concomitante   à   la  

myogenèse.   Il   existe   peu   de  marqueurs   permettant   de   décrire   le   développement   et   le  

rôle   du   tissu   conjonctif.   Les   marqueurs   Tcf4   (transcription   factor   4),   Tbx5   (T-­‐box  

transcription  factor),  Osr1/2  (Odded-­‐Skipped  1  et  2)  et  PDGFRα  ont  été  étudiés  mais  ne  

Figure  10:  Les  cellules  périvasculaires  :  péricytes  et  mésoangioblastes.    Les  péricytes  de  type  1  sont  NG2+/Nestin+  et  peuvent  être  source  de  fibrose  ou  de  tissu  adipeux.  Les   péricytes   de   type   2   sont   NG2+/Nestin-­‐   et   peuvent   se   différencier   en   cellules  endothéliales,   nerveuses   et   musculaires.   Les   mésoangioblastes   (MAB)   peuvent  donner  des  chondrocytes,  ostéoblastes,  adipocytes  et  du  muscle  squelettique.    

Introduction  

57  

permettent  pas  de  définir  des  populations  bien  distinctes[314].  Même  si   le   rôle  du   tissu  

conjonctif   reste   à   mieux   caractériser,   il   est   décrit   comme   étant   un   tissu   de   soutien  

permettant  une  myogenèse  normale.    

2.2.2.a.  Les  fibroblastes      

Les  fibroblastes  du  muscle  sont  définis  par  leur  localisation  en  périphérie  des  fibres,  leur  

forme   fuselée   et   l’expression   du   collagène   de   type   IV.   Leur   principale   fonction  

homéostasique  est  la  production  de  matrice  extracellulaire[315].  Tcf4  est  exprimé  dans  le  

tissu  mésodermique  des  membres  en  développement  [316].  La  déplétion  des  cellules  Tcf4  

chez   les   souris   Tcf4GFPCre+neo/+;R26RDTA/+   entraine   une   diminution   du   nombre   de  

myofibres   au   cours   de   la   myogenèse   chez   la   souris,   démontrant   que   la   présence   des  

fibroblastes   Tcf4+   est   essentielle   à   la   myogenèse[317].   De   plus,   la   déplétion   des  

fibroblastes  Tcf4+  au  cours  de  la  régénération  entraine  une  différenciation  prématurée  

des  cellules  satellites  et   la  formation  de  myofibres  de  petite  taille[318].  La  déplétion  des  

cellules   satellites   chez   les   souris   Pax7CreERT/+;R26RDTA/+   au   cours   de   la   régénération  

musculaire   cause   une   absence   complète   de   régénération   musculaire   mais   aussi   une  

production   excessive   de   tissu   fibrotique   associée   à   une   augmentation   significative   du  

nombre   de   fibroblastes   Tcf4+[319].   Ces   résultats   ont   mis   en   évidence   l’interaction   des  

cellules  satellites  et  des  fibroblastes  Tcf4+  au  cours  de  la  régénération  musculaire.  Des  

études   in   vitro   sur   des   cellules   humaines   ont   montré   avec   que   la   co-­‐culture   de  

fibroblastes   Tcf7L2+   (équivalent   de   Tcf4   chez   l’Homme)   et   de   progéniteurs  

myogéniques  stimulait  la  différenciation  myogénique  [320].    

2.2.2.b.  Les  cellules  mésenchymateuses  musculaires  /  FAPs    

L’étude  de  la  souris  Osr1Cre  a  permis  de  montrer  que  le  lignage  marqué  par  Osr1  au  cours  

du   développement   donne   lieu   à   une   sous   population   des   cellules   mésenchymateuses  

musculaires  à  l’âge  adulte,  et  que  cette  population  est  essentielle  à  la  myogenèse[321].    

Deux   études   distinctes   mettent   en   évidence   la   présence   d’une   population   de   cellules  

mésenchymateuses  musculaires   avec  un   rôle   adipogénique   et   fibrogénique  dépendant  

de   l’environnement   tissulaire.   Grâce   à   des   analyses   de   cytométrie   en   flux,   les  

populations   CD45-­‐,   CD31-­‐,   intégrineα7-­‐,   Sca1+,   CD34+   d’une   part   et   CD45-­‐,   CD31-­‐,  

SM/C2.6-­‐,   PDGFRα+   d’autre   part   ont   été   identifiées   comme   ayant   un   potentiel   fibro-­‐

adipogénique  in  vivo  et  in  vitro  et  améliorant  la  myogenèse  in  vitro.  Ces  deux  populations  

Introduction  

58  

sont  nommées  progéniteurs  fibro-­‐adipogeniques  (FAPs)  et  cellules  mésenchymateuses,  

respectivement[322].   Cette   population   mésenchymateuse   PDGFRα+   est   aussi   présente  

dans   le   tissu   musculaire   humain   avec   les   mêmes   potentiels   fibro-­‐adipogéniques   in  

vitro[323].   Les   FAPs   et   les   cellules   mésenchymateuses   PDGFRα+   ont   donc   des   points  

communs   tels   que   leur   capacité   de   différenciation   in   vitro   et   in   vivo.   Le   rôle   de   ces  

cellules   a   été   beaucoup   étudié   dans   le   cadre   de   la   régénération  musculaire   après   une  

blessure  aigue  ou  dans  le  cadre  de  blessure  chronique[324].    

In   vivo,   le   devenir   des   FAPs   et   des   cellules   mésenchymateuses   est   dépendant   de   la  

nature  de  la  blessure  et  de  l’environnement  musculaire.  Après  une  blessure  musculaire  

au   glycérol,   les   FAPs   et   les   cellules   mésenchymateuses   PDGFRα+   forment   des  

adipocytes.   Cependant,   après   une   blessure   à   la   toxine,   les   FAPs   et   les   cellules  

mésenchymateuses   PDGFRα+   prolifèrent   et   forment   le   tissu   fibrotique   transitoire  

observé  au  début  de   la  régénération  musculaire   [325,  326].  Des  expériences  de  co-­‐culture  

ont   montré   que   les   FAPs   améliorent   la   différentiation   musculaire   des   progéniteurs  

myogéniques[324].   Cette   étape   de   fibrose   transitoire   est   essentielle   pour   une  

régénération   musculaire   normale.   En   effet,   chez   des   souris   sauvages   blessées   par  

injection   de   notexine,   l’administration   de   Nilotinib,   un   inhibiteur   de   tyrosine   kinase,  

entraine   une   diminution   du   nombre   de   FAPs   et   une   régénération   musculaire  

imparfaite[307].   La   balance   entre   l’adipogenèse   et   la   fibrogenèse   est   contrôlée   par  

différents  mécanismes.  Les  éosinophiles  recrutés  au  site  de  blessure  sécrètent  de   l’IL4  

nécessaire  à  la  prolifération,  à  l’activation  et  à  l’inhibition  de  l’adipogenèse  des  FAPs[327,  

328].   Des   expériences   in   vitro   ont   montré   que   les   cellules   satellites   inhibent   la  

différenciation  adipogénique  des  cellules  mésenchymateuses[325].  La  polyadénylation  de  

l’intron  16  du   transcrit  PDGFRα  diminue   l’activation  des  FAPs  et   la   formation  de   tissu  

fibrotique[329].    

Contrairement  aux  blessures  aigues,  dans  le  modèle  murin  de  la  Dystrophie  Musculaire  

de  Duchenne  (mdx),   la  voie  de  signalisation  PDGFRα  est  activée  en  continue  avec  pour  

conséquence  la  formation  de  tissu  fibrotique  persistant[330,  331].    

Les  cellules  marquées  par  PDGFRα  et  le  réseau  de  signalisation  PDGFRα  sont  donc  une  

cible  de   choix  pour   la   thérapie.   En   effet,   la   fibrose   chronique  ou   la   formation  de   tissu  

adipeux  ectopique  sont  généralement  corrélées  à  une  régénération  tissulaire  imparfaite  

observée  notamment  dans  le  cas  de  dystrophies  musculaires.  De  nombreuses  études  ont  

été  menées   dans   le   but   de   diminuer   la   formation  de   tissu   fibrotique   et   d’améliorer   la  

Introduction  

59  

régénération  myogénique.  L’Imatinib,  un  inhibiteur  des  voies  PDGFR,  c-­‐Kit  et  Abl  utilisé  

en   clinique   pour   traiter   les   cancers   de   l’estomac,   a   été   administré   à   des   souris  

dystrophiques  mdx   et   les   résultats   montrent   que   l’Imatinib   diminue   la   formation   de  

tissu   fibrotique   en   diminuant   notamment   le   nombre   de   cellules   PDGFRα+[332,  333].   Par  

ailleurs,   l’inhibition   de   TGFβ-­‐1   par   du   Nilotinib,   induit   l’apoptose   des   FAPs   via  

l’expression   de   TNFα   chez   les   souris   mdx,   ce   qui   diminue   la   formation   de   tissu  

fibrotique[210].    

2.2.1.d.  Les  cellules  intersticielles  PW1+  (PICs)    

En   cherchant   à   établir   les   mécanismes   de   régulation   de   la   myogenèse   en   amont   de  

l’action  des  MRF,   le  gène  PW1/Peg3   (noté  PW1)a  été   identifié   comme  étant   fortement  

exprimé  au  cours  de  la  gastrulation  puis  à  partir  de  E16.5  dans  le  muscle  squelettique  et  

dans  certaines  populations  cellulaires  du  système  nerveux  central[334].  Des  analyses  de  

lignage   cellulaire   utilisant   la   souris   PW1nLacZ   exprimant   LacZ   sous   contrôle   du  

promoteur  PW1  montrent  que  les  cellules  PW1+  embryonnaires  et  du  sac  vitellin  sont  

capables   de   donner   lieu   à   des   cellules   endothéliales   progénitrices   ou   différenciées,   in  

vitro   et   in  vivo[335,  336].  PW1   étant  exprimé  dans   le  muscle  adulte[334],  différentes  études  

ont   été   menées   pour   mieux   comprendre   le   rôle   des   PICs.   In   vitro,   les   PICs   ont   une  

capacité  clonogénique  élevée  ce  qui  suggère  que  certaines  cellules  pourraient  être  des  

cellules   souches.   In   vivo,   les   PICs   présentent   une   capacité   de   différentiation   dans  

différents  lignages  tels  que  le  lignage  myogénique,  hépatique  ou  neuronal[337].  Au  sein  du  

muscle  squelettique,  les  PICs  sont  capables  de  former  des  myofibres  et  des  adipocytes  à  

l’âge   adulte.   Si   toutes   les   PICs   expriment  PW1,   la   différence   entre   les   PICs  

«  myogéniques  »   et   les   PICs   «  adipocytaires  »   est   basée   sur   l’expression   de   PDGFRα.  

Uniquement   les   PICs   exprimant   PDGFRα   forment   des   adipocytes.   De   plus,   Pax7   est  

requis   pour   la   différentiation   myogénique   des   PICs,   qui   sont   distinctes   des   cellules  

satellites[264,  338]  (Figure  11).  

 

Introduction  

60  

Figure   11:   Schéma   du   système   fibro-­‐mésenchymateux   musculaire.   Les   cellules  intersticielles   PW1+   (PICs)  peuvent   donner   du   tissu  musculaire  et   adipeux.   Les  fibroblastes   Tcf4+   peuvent   former   du   tissu   fibrotique.   Les   cellules  mésenchymateuses   et   les   progéniteurs   fibro-­‐adipogéniques   (FAPs)   peuvent  former  du  tissu  adipeux  et  fibrotique.    

Cellule Intersticielle PW1+(PICs)

Tissu adipeux Muscle squelettique

Fibroblastes Tcf4 +

Tissu fibrotique

Cellule mésenchymateuse/Progéniteur fibro-adipogénique

Tissu adipeux Tissu fibrotique

Myofibres

Cellule satellite

Introduction  

61  

3.  Les  interactions  os-­‐muscle    

L’os  et   le  muscle  squelettique  sont  deux   tissus   liés  physiquement  via   le  périoste  et   les  

tendons,   mécaniquement   de   par   leur   rôle   locomoteur   et   moléculairement   de   par   la  

sécrétion   par   ces   deux   tissus   de   facteurs   nécessaires   à   leur   développement,   leur  

croissance,   leur   maintien   homéostasique   et   leur   régénération   après   blessure[339].   Au  

cours  du  développement  et  de  la  croissance,  ces  deux  tissus  se  forment  en  parallèle.  La  

présence  d’un  muscle  normal  et  contractile  est  nécessaire  au  développement  normal  des  

os.   A   l’âge   adulte,   les   interactions   os-­‐muscle   sont   fondamentales   pour   le   maintien  

homéostasique  de   ces  deux   tissus.   La  perte  de  masse  ou  de   fonction  de   l’un  des  deux  

impacte   directement   la   structure   de   l’autre.   Ce  mécanisme   est   encore   plus   visible   au  

cours  du  vieillissement  ou  de  nombreuses  maladies  osseuses  impactent  négativement  le  

muscle  et  inversement[340].          

 

3.1.  Interactions  biomécaniques      

L’importance  de  la  stimulation  mécanique  musculaire  au  cours  du  développement  et  de  

l’homéostasie  osseuse  est  bien  connue[341].    

Au  cours  du  développement,  chez  les  souris  Myf5nlacZ/nlacZ:MyoD−/−  où  les  muscles  ne  se  

forment  pas  et  chez   les  souris  Pax3Sp/Sp    où   la   formation  des  muscles  est  réduite,   les  os  

longs   sont   plus   courts,   la   taille   des   centres   d’ossification   primaire   est   réduite   et   les  

articulations  sont   fusionnées[342,  343].   La  paralysie  musculaire  durant   le  développement  

osseux   dérégule   les   centres   d’ossifications   primaires,   conduisant   à   des   structures  

cartilagineuses  et  à  des  os  plus  courts.  La  paralysie  induit  l’arrêt  de  la  prolifération  des  

chondrocytes   au   cours   de   la   formation   des   arrêtes   osseuses,   ce   qui   corrèle   avec   la  

diminution  de  la  taille  des  centres  d’ossification  primaire  des  os  longs[306,  344].    

A   l’âge   adulte,   la   stimulation   mécanique   de   l’os   par   le   muscle   est   nécessaire   pour  

maintenir   la  masse  osseuse.  Dans   le  cas  de  situation  de  microgravité   telle  que   les  vols  

spatiaux,   la  perte  de  masse  osseuse  est  corrélée  à  la  perte  de  masse  musculaire[345-­‐347].  

La  stimulation  mécanique  via  l’exercice  physique  (course  à  pied,  squats)  combinée  à  un  

régime  alimentaire  supplémenté  en  vitamine  D  permet  de  diminuer   la  perte  de  masse  

osseuse   et   musculaire,   ce   qui   suggère   une   interaction   entre   le   tissu   osseux   et  

musculaire[348].  La  paralysie  musculaire  induite  par  l’injection  de  toxine  botulique  dans  

Introduction  

62  

les  muscles  de  la  patte  conduit  à  une  résorption  osseuse  rapide  qui  affecte  la  forme  du  

tibia[349,  350].  Cependant,  un  effet  direct  de   la   toxine  botulique  sur   l’os  ne  peut  pas  être  

exclu.   Le   rôle   des   contractions  musculaires   a   aussi   été   étudié   grâce   au  modèle  murin  

(modèle  mdg)  dont  les  muscles  ne  se  contractent  pas.  Chez  les  souris  mdg,   la  paralysie  

dérégule  la  balance  entre  ostéoblastes  et  ostéoclastes,  ce  qui,  pour  le  tibia,  conduit  à  une  

forme  altérée[351].  En  réponse  à   la  paralysie  musculaire,   l’ostéoclastogenèse  est   induite  

via   la   surexpression   de   RANKL   et   NFATc1.   L’inhibition   de   NFATc1   abolit  

l’ostéoclastogenèse  et  la  perte  de  volume  osseux[352].    

A  l’opposé,  l’activité  physique  est  un  stimulus  de  la  formation  osseuse.  Dans  un  modèle  

de   rates   ovariectomisées,   la   résorption   osseuse   est   plus   importante   que   la   formation  

osseuse,  augmentant   la   fragilité  osseuse.  Cependant,  si  ces  animaux  sont  soumis  à  une  

activité   physique,   la   balance   résorption/formation   osseuse   est   rétablie   et   la   perte   de  

masse  osseuse  ralentie  [353].  L’effet  de  l’activité  physique  pourrait  être  dû  en  partie  par  

une  augmentation  de  la  différenciation  des  cellules  mésenchymateuses  en  ostéoblastes  

plutôt  qu’en  adipocytes.  La  stimulation  mécanique  active  l’expression  de  β-­‐caténine  qui  

en   conséquence   réduit   l’expression   de   facteurs   pro-­‐adipogénique   (PPARγ   et  

adiponectine)  et  augmente  l’expression  de  facteurs  ostéogéniques  (WIST,  COX2)[344,  354,  

355].    

Chez   l’Homme,   la   sarcopénie,   généralement   définie   comme   la   perte   élevée   de   masse  

musculaire,   et   l’ostéoporose   peuvent   être   liées[356].   Ces   deux   maladies   présentent  

plusieurs  dérégulations  moléculaires   communes  dont   la  diminution  d’IGF-­‐1   sérique  et  

l’augmentation  de  l’expression  de  cytokines  pro-­‐inflammatoire  telles  que  TNF-­‐α  et  IL-­‐6.  

IGF-­‐1  et   IL-­‐6  sont  notamment  connues  pour  médier   les   interactions  entre   le  muscle  et  

l’os  (voir  3.2).  IL-­‐6  est  surexprimé  chez  les  patients  atteints  de  sarcopénie  et  est  connu  

pour  stimuler   l’activité  ostéoclastique[357,  358].  Cela  pourrait  donc   induire  un  phénotype  

ostéoporotique.    

La   diminution   de   l’activité   physique   est   une   composante   majeure   chez   les   patients  

atteints  de  sarcopénie.  Nous  avons  vu  ci  dessous  que   la  stimulation  mécanique  de   l’os  

par  le  muscle  est  essentielle  au  maintien  du  tissu  osseux.  La  perte  d’activité  physique  est  

donc   concomitante   du   développement   de   l’ostéoporose[359].   Cela   a   notamment   pour  

conséquence   l’augmentation   du   risque   de   fracture   chez   les   patients   atteints   de  

sarcopénie.  Les  mécanismes  moléculaire  et  cellulaires  sous-­‐jacents  restent  mal  connus.  

Introduction  

63  

Si   l’activité   physique   apparait   comme   une   solution   pour   ralentir   la   sarcopénie   et  

l’ostéoporose,  cela  reste  difficile  à  mettre  en  place[360,  361].    

 

3.2.  Interactions  moléculaires      

L’os   et   le   muscle   ont   des   fonctions   endocrines   reconnues   et   agissent   de   façon  

systémique   pour   réguler   diverses   fonctions   physiologiques[24].   Cependant,   les  

interactions   moléculaires   directes   entre   l’os   et   le   muscle   sont   moins   bien  

caractérisées[362].    

Les  molécules  étant  spécifiquement  sécrétées  par  le  muscle,  sont  appelées  myokines  et  

par  l’os,  ostéokines.  Une  des  premières  myokines  identifiées  est  Mstn.  Mstn  est  exprimée  

majoritairement  par  les  fibres  musculaires  mais  les  adipocytes  peuvent  aussi  exprimer  

Mstn   [363,  364].  Mstn  appartient  à   la  super-­‐famille  TGFβ  et  régule  négativement   la  masse  

musculaire[363].  Les  souris  Mstn-­‐/-­‐  présentent  une  augmentation  du  volume  osseux,  ce  qui  

peut   laisser  suggérer  que  Mstn  agit  sur   le   tissu  osseux[365,  366].  Des  expériences   in  vitro  

ont  montré  que  la  déplétion  de  Mstn  augmente  la  capacité  des  CSMO  à  se  différencier  en  

ostéoblastes[367].   De   plus,   Mstn   inhibe   la   prolifération   des   chondrocytes   et   leur  

différenciation   en   régulant   négativement   Sox9   in   vitro[368].   Dans   un  modèle   d’arthrite  

rhumatoïde,   Mstn   est   sur-­‐exprimée   ce   qui   a   pour   conséquence   d’augmenter   l’activité  

ostéoclastique   et   donc   la   résorption   osseuse   et   la   dégénérescence   articulaire.  

L’inhibition   de   Mstn   améliore   le   phénotype   et   diminue   l’inflammation   inhérente   à  

l’arthrite  rhumatoïde[369].  La  myokine  Mstn  agit  donc  sur  différents  composants  de  l’os  :  

les  chondrocytes,  les  ostéoblastes  et  les  ostéoclastes.    

Certaines  interleukines  (IL-­‐6,  IL-­‐7,  IL-­‐8,  IL-­‐15  notamment)  sont  considérées  comme  des  

myokines  du  fait  de  leur  expression  élevée  en  réponse  à  la  contraction  musculaire,  bien  

qu’elles   soient   exprimées   aussi   par   des   cellules   non  myogéniques   comme   les   cellules  

immunitaires[370].   IL-­‐6  est  sécrétée  par   les  myofibres   lors  de   la  contraction  musculaire  

mais   aussi   par   les   ostéoblastes   et   les   ostéocytes.   Le   récepteur   à   l’IL-­‐6   (IL-­‐6R)   est   lui  

exprimé  par  les  cellules  musculaires,  les  ostéoclastes  et  les  ostéoblastes.  IL-­‐6  active  les  

voies   JAK/STAT,   AKT   ou  mTOR   ce   qui   explique   l’effet   pléiotropique   observée   dans   le  

tissu  osseux  :  IL-­‐6  stimule  l’ostéoclastogenèse  de  façon  indirecte  via  la  suractivation  de  

RANKL  dans   les  ostéoblastes  mais   in  vitro,   IL-­‐6   induit   la  différenciation  ostéoblastique  

des  CSMOs[371-­‐374].    

Introduction  

64  

IGF-­‐1  est  un  facteur  de  croissance  principalement  sécrété  par  le  foie,  qui  sous  l’action  de  

l’hormone   de   croissance,   stimule   la   prolifération   et   la   différenciation   des  

chondrocytes[375,   376].   Cependant,   IGF-­‐1   est   aussi   sécrété   par   les   ostéocytes,   les  

ostéoblastes  et  les  fibres  musculaires  au  cours  de  l’exercice  et  est  présent  dans  les  lysats  

musculaires   totaux[377].   IGF-­‐1   et   le   récepteur   à   IGF-­‐1   (IGF-­‐1R)   sont   abondamment  

exprimés   à   la   liaison   os-­‐muscle   au   niveau   du   périoste[378].   La   protéine   GRP94   est  

nécessaire  pour  la  production  d’IGF-­‐1  et  d’IGF-­‐2[379].  La  déplétion  spécifique  de  GRP94  

dans  les  cellules  musculaires  induit  une  diminution  de  la  quantité  d’IGF-­‐1  circulant  qui  

conduit  à  une  petite  taille  avec  une  diminution  de  la  densité  osseuse[380].  Le  rôle  d’IGF-­‐1  

en   tant   que   mécano   senseur   est   connu   et   l’expression   d’IGF-­‐1   est   corrélée   à  

l’augmentation  de  la  densité  osseuse  après  entrainement.    

Malgré  ces  études,  il  est  cependant  difficile  de  savoir  si  les  effets  observés  sont  dus  aux  

interactions  moléculaires  directes  entre  l’os  et  le  muscle  ou  à  un  effet  systémique  dû  à  la  

sécrétion  des  interleukines  et  facteurs  de  croissance  par  différents  tissus.  

Les   interactions   os-­‐muscle   sont   des   interactions   bidirectionnelles   où   des   molécules  

sécrétées  par  l’os  peuvent  impacter  le  muscle  et  inversement.  Au  cours  de  la  formation  

osseuse  par  ossification  endochondrale,   les  chondrocytes  sécrètent  abondamment   IHH  

qui   est   nécessaire   à   leur   différenciation[34].   Les   souris   IHH-­‐/-­‐   présentent   une  

augmentation  drastique  de   l’apoptose   chez   les  myoblastes   en   cours  de  différentiation.  

IHH   permet   donc   la   survie   des   myoblastes   et   leur   différentiation   au   cours   de   la  

myogenèse.   De   plus,   la   surexpression   de   IHH   induit   une   augmentation   de   la   masse  

musculaire  sans  affecter  le  tissu  osseux.  Le  phénotype  observé  dans  les  myoblastes  est  

donc  indépendant  du  phénotype  osseux[381].    

Les   études   démontrant   les   interactions   strictes   entre   l’os   et   le   muscle   ont  

majoritairement  été  réalisées  in  vitro.  Des  expériences  de  co-­‐culture  indirectes  entre  des  

cellules  myogéniques  C2C12  et  des  ostéoblastes  MC3T3-­‐E1  montrent  que  les  exosomes  

des   cellules  myogéniques   C2C12  promeuvent   la   différentiation   ostéoblastiques[382].   La  

culture  et  différentiation  d’ostéoblastes  MC3T3-­‐E1  avec  du  milieu  conditionné  de  C2C12  

qui   sur-­‐expriment   ou   qui   n’expriment   pas   certains   facteurs   (FAM5C,   ostéoglycine)   a  

permis  de  montrer  le  rôle  potentiel  de  ces  molécules  dans  les  interactions  os-­‐muscle[383-­‐

385].  Des  études  in  vivo  seront  nécessaires  pour  démontrer  la  relevance  fonctionnelle  de  

ces  observations.    

Introduction  

65  

Le   système   Cre-­‐lox   peut   être   une   solution   pour   étudier   les   interactions   os-­‐muscle  

puisqu’il   permet   l’inactivation   ou   la   surexpression   de   protéines   au   sein   de   lignages  

cellulaires  spécifiques.  L’inactivation  de  Mbtps1  (membrane-­‐bound  transcription  factor  

peptidase,  site  1)  dans  les  ostéocytes  via  la  souris  Dmp1Cre  induit  l’expression  des  gènes  

Pax7,  Myog  et  MyoD  chez  les  souris  âgées,  dont  l’expression  est  normalement  induite  au  

cours   de   la   régénération  musculaire.   Aucun  phénotype   osseux  n’est   décrit,   à   part   une  

augmentation  de  25%  de  la  rigidité  osseuse.  L’expression  de  Mbtps1  dans  les  ostéocytes  

participe   donc   à   l’homéostasie   musculaire[386,   387].   Ce   type   d’expérience   permet  

d’analyser  directement  les  interactions  os-­‐muscle  mais  l’apparition  d’un  phénotype  dans  

le   lignage   où   la   déplétion   a   été   faite   peut   induire   des   erreurs   d’interprétation   des  

résultats.    

 

3.3.  Interactions  os-­‐muscle  et  ossification  hétérotopique    

Le   rôle   important   des   interactions   entre   l’os   et   le   muscle   au   cours   de   la   formation  

osseuse   est   reconnu.   De   nombreuses   études   portent   sur   l’ossification   hétérotopique  

(OH).  L’OH  peut  avoir  deux  origines  distinctes.  Une  origine  génétique  dans   le  cas  de   la  

Fibrodysplasie  Ossifiante  Progressive  (FOP),  causée  par  des  mutations  dans  le  récepteur  

BMPRI   et   activant   de   façon   constitutive   la   voie   BMP[348].   Une   origine   traumatique   où  

après   une   fracture   complexe   combinée   à   un   traumatisme   musculaire   ou   après   le  

traitement  d’une  fracture  par  administration  de  BMP-­‐2  ou  BMP-­‐7,  de  l’os  ectopique  est  

formé   [388-­‐390].  L’origine  cellulaire  de   l’OH  reste  mal  comprise.  Des  études  de   lignage   in  

vivo   ont   pu   exclure   le   lignage  myogénique   et   le   lignage   hématopoïétique   en   tant   que  

contributeur   cellulaire   à   la   formation   d’os   ectopique.   Les   lignages   Tie2   (lignage  

endothélial),   αSMA   (lignage   fibro-­‐mésenchymateux)   et   GLAST   (mésenchymateux)  

contribuent  directement   à   la   formation  des   chondrocytes,   des  ostéoblastes   et  du   tissu  

fibroprolifératif  de  l’OH.  Il  n’est  pas  exclu  que  certains  de  ces  lignages  se  chevauchent  et  

englobent   aussi   une   partie   du   lignage   péricytaire   [301,   342,   391].   D’un   point   de   vue  

moléculaire,   la   sur-­‐activation   de   la   réponse   inflammatoire   corrèle   avec   le  

déclenchement  de   l’ossification,  puis   l’activation  de  différents   réseaux  de   signalisation  

tels   que   les   BMP,   Wnt   et   Hif1α   induisant   la   formation   osseuse   par   ossification  

endochondrale[210,  388].    

 

Introduction  

66  

3.4.  Interactions  os-­‐muscle  au  cours  de  la  régénération  osseuse    

Les   interactions   entre   l’os   et   le   muscle   sont   fondamentales   pour   une   régénération  

osseuse  efficace.  En  effet,  alors  que  5  à  10%  des  fractures  simples  présentent  un  retard  

de   régénération,   ce   chiffre   augmente   à   40%   lorsque   la   fracture   est   combinée   à   une  

atteinte   vasculaire   et   à   une   blessure   du   muscle[211,   392].   En   outre,   plus   la   blessure  

musculaire  est   importante,  plus   le   risque  de   retard  de   régénération  est   élevé[393].  Afin  

d’améliorer  la  régénération  osseuse,  des  lambeaux  de  muscle  sont  utilisés  pour  couvrir  

les   fractures   complexes   ou   les   grands   défauts   osseux[394].   Ces   lambeaux   de   muscle  

peuvent   avoir   différentes   fonctions  :   servir   de   bio-­‐réacteur   pour   améliorer  

l’implantation   des   cellules   mésenchymateuses   transplantées[395],   améliorer   la  

vascularisation   du   site   de   fracture[396],   pourvoir   le   site   de   fracture   en   facteurs   de  

croissance   et   cytokines   (endogène   ou   exogène)[397]   et   limiter   le   risque   d’infection[398].  

L’utilisation   de   modèles   murins   a   permis   de   mettre   en   évidence   que   la   présence   de  

lambeau  musculaire  augmente  directement  la  formation  osseuse  [399].    

D’un   point   de   vu   mécanique,   contrairement   au   développement   où   la   paralysie  

musculaire   retarde   la   formation  osseuse,  dans   la  cas  de   la   régénération  osseuse,   si   les  

deux  fragments  osseux  restent  alignés,  la  paralysie  musculaire  induite  par  l’injection  de  

toxine   botulique   permet   de   stabiliser   le   site   de   fracture   et   donc   peut   avoir   des   effets  

bénéfiques[400].   Cependant,   si   le   site   de   fracture   n’est   pas   stabilisé   et   que   les   deux  

fragments   d’os   forment   un   angle   important   alors   l’activité   musculaire   est   essentielle  

pour   réduire   la   fracture   et   induire   le   réalignement   des   fragments   osseux[401,  402].   Chez  

l’Homme,  après  fracture  si  les  deux  parties  de  l’os  sont  trop  éloignées,  la  réduction  de  la  

fracture   par   les   muscles   peut   être   insuffisante,   et   une   intervention   chirurgicale   est  

nécessaire.  

Les   interactions   moléculaires   os-­‐muscle   décrites   au   cours   du   développement   jouent  

aussi  un  rôle  au  cours  de   la   régénération  osseuse.  Pendant   la   régénération  osseuse,   le  

muscle   peut   aussi   influencer   la   réponse   inflammatoire.   Dans   le   modèle   murin   mdx,  

l’environnement  inflammatoire  est  dérégulé  dans  le  tissu  musculaire  et  induit  un  retard  

de  régénération  osseuse,  restauré  en  partie  par  le  traitement  au  PLX3397  qui  inhibe  les  

monocytes   [403,   404].   Après   fracture,   TNF-­‐α   et   IL-­‐6   sont   sécrétées   pendant   la   phase  

inflammatoire   et   induisent   la  migration   et   la   différentiation   ostéogénique   in   vitro   des  

«  cellules  souches  dérivées  du  muscle  »  SCDMs[206].    

Introduction  

67  

Après   fracture,   Mstn   est   exprimée   par   les   fibres   musculaires   mais   aussi   par   les  

chondrocytes  dès  jour  4  post-­‐fracture[368].  L’administration  de  Mstn  diminue  la  taille  de  

la  cal,  augmente  la  formation  de  tissu  fibreux  et  donc  retarde  la  régénération  osseuse.  De  

plus,   les  souris  Mstn-­‐/-­‐  présentent  des  volumes  de  cal  et  d’os  et  une  rigidité  du  cal  plus  

élevée  que  les  souris  Mstn+/+.  Mstn  est  donc  impliqué  dans  la  formation  du  cal  et  de  l’os  

au  cours  de  la  régénération  osseuse[405,  406].  D’autres  voies  de  signalisation  telles  BMP  ou  

IGF-­‐1que   pourraient   être   impliquées   dans   les   interactions   os-­‐muscle   au   cours   de   la  

régénération  osseuse  mais,  à  ce  jour,  il  n’existe  pas  d’études  démontrant  leur  rôle  direct  [209].  A  l’échelle  cellulaire,  plusieurs  études  suggèrent  de  façon  indirecte  la  contribution  

cellulaire   du   muscle   à   la   formation   du   cal   et   la   contribution   endogène   n’est   pas  

démontrée[195]..     Les   SCDMs   ne   contribuent   pas   à   la   régénération   osseuse   mais  

préalablement  transfectées  par  un  rétrovirus  exprimant  BMP4,  les  SCDMs  sont  capables  

de   contribuer   à   la   régénération   osseuse   par   voie   endochondrale   et   intramembranaire  [407].  Cependant,  la  sur-­‐expression  de  BMP  peut  conduire  à  la  formation  d’os  ectopique  et  

les  cellules  SCDMs  sont  peu  caractérisées[208].  Les  cellules  αSMA+  sont  présentes  dans  le  

tissu  interstitiel  musculaire,  dans  le  tissu  osseux  (ostéoblastes),  et  forment  du  cartilage  

et   de   l’os   au   cours   de   la   régénération   osseuse   par   voie   endochondrale[391,   408].   Par  

définition,  les  cellules  mésenchymateuses  du  muscle  sont  capables  de  se  différencier  en  

ostéoblastes   et   chondrocytes   in  vitro.   Des   transplantations   sous   cutanées  montrent   la  

capacité   des   cellules   mésenchymateuses   musculaires   humaines   à   former   de   l’os   in  

vivo[302,   409].   Les   cellules   mésenchymateuses   musculaires   pourraient   donc   aussi  

contribuer  à  la  régénération  osseuse  [410].    

Introduction  

68  

 

 

3.5.  Modèles  murins  d’étude  du  rôle  du  muscle  dans  la  régénération  osseuse      D’un  point  de  vue  clinique,  les  fractures  osseuses  peuvent  être  de  nature  très  diverses:  

fracture   ouverte   ou   fermée,   atteinte   ou   non   des   tissus   mous   adjacents,   pathologies  

associées  telles  que  l’ostéoporose,  résection  d’un  morceau  d’os,  etc.  Les  conséquences  de  

ces   fractures   sont   variables   et   différentes   situations   peuvent   conduire   à   une   non-­‐

consolidation  du  site  de  fracture  telle  que  les  fractures  poly-­‐traumatiques  avec  atteinte  

locale  des  tissus  mous  adjacents,  en  particulier  des  muscles[411].  

Afin  de  mieux  comprendre  les  mécanismes  moléculaires  et  cellulaires  de  la  régénération  

osseuse  mis  en  place  dans  ces  diverses   situations,  de  nombreux  modèles  animaux  ont  

été   développés[412,  413].   Dans   le   but   de  modéliser   les   fractures   poly-­‐traumatiques   avec  

atteinte   locale   des   tissus   mous   adjacents,   la   fracture   est   induite   par   ostéotomie   et  

stabilisée   par   une   tige   intra-­‐médulaire   et   les   muscles   adjacents   sont   blessés  

mécaniquement   soit   par   écrasement   sans   dénervation   soit   via   une   perte   musculaire  

Figure  12:  Interactions  os-­‐muscle.  (A,  B)  Les  tissus  osseux  et  musculaires  interagissent  tout  au  long  de  la  vie  d’un  individu  de  façon  homéostatique  et  dans  certaines  pathologies  et  traumatismes.    (C,  D)  Dans  ces  différents  contextes,  les  interactions  peuvent  être  mécaniques  et/ou  moléculaires.  

Introduction  

69  

volumétrique  (PMV)  du  muscle  tibialis  anterior  (TA)  [414,  415].  La  blessure  par  écrasement  

correspond  à  un  écrasement  des  muscles  du  compartiment  antérolatéral   (TA,  extensor  

halucis   longus,   extensor   digitorum   lengus   et   peroneus   tertius)   de   la   jambe.   La   PMV  

consiste   à   retirer   un  morceau   de   tissu  musculaire   du   TA.   Ces   deux  modèles   ont   pour  

caractéristiques  principales  d’induire  la  rupture  de  la  lame  basale  et  la  destruction  des  

cellules   musculaires.   Il   en   résulte   une   régénération   musculaire   imparfaite   avec   la  

formation  d’un  tissu  fibrotique  persistant[416,  417].  Dans   le  cas  de  la  blessure  musculaire  

par  écrasement,  la  régénération  osseuse  par  voie  intramembranaire  n’est  pas  impactée.  

Cependant,   la   PMV   induit   la   formation   de   cartilage   au   sein   du   cal   et   retarde   la  

régénération  osseuse[414,  415].    

L’utilisation   de   ces  modèles   permet   de  mieux   comprendre   l’impact   d’une   blessure   du  

muscle   sur   la   régénération  osseuse,  mais   les   connaissances   cellulaires   et  moléculaires  

restent  très  sommaires.  

     

Introduction  

70  

 

Objectifs  de  thèse  

71  

Objectifs  de  thèse    

Les   troubles  musculosqueletiques  représentent   la   deuxième   cause   d'invalidité   au  

monde.  La  prise  en  charge  des  patients  et   les  traitements  actuels  restent  complexes  et  

très  couteux  et  la  thérapie  cellulaire  est  une  perspective  prometteuse.  Les  CSMs  sont  en  

développement  pour  être  utilisé  en  clinique  mais  d'autres  sources  de  cellules  (périoste,  

muscle   squelettique)   pourraient   être   utilisées.   Il   est   donc   important   de   mieux  

caractériser   les   différentes   sources   de   cellules   intervenant   lors   de   la   régénération  

osseuse   pour   mieux   comprendre   leurs   rôles   au   cours   du   processus   endogène   de  

régénération  osseuse,  leurs  déficiences  dans  les  retards  de  régénération  et  améliorer  la  

prise   en   charge  des  patients   atteints  de   troubles  musculosquelettiques.  Mon   travail   de  

thèse  a  porté  sur  le  rôle  des  cellules  du  périoste  et  principalement  sur  le  rôle  du  muscle  

et  la  caractérisation  des  ostéochondroprogéniteurs  (OCP)  provenant  du  muscle  pendant  

la  régénération  osseuse.  

 

Première  partie  :  Rôle  du  périoste  dans   la   régénération  osseuse   et   caractérisation  des  

cellules  de  périoste    

 Le   périoste   a   été   décrit   comme   une   source   majeure   de   cellules   au   cours   de   la  

régénération   osseuse.   Cependant,   les   cellules   du   périoste   sont   très   peu   caractérisées.  

Dans   cette   partie,   j’ai   participé   à   la   caractérisation   les   cellules   du   périoste   au   niveau  

cellulaire   et   moléculaire,   et   à   la   comparaison   de   leur   potentiel   de   régénération   par  

rapport  aux  CSMOs  (Article  1).    

 

Deuxième   partie  :   Rôle   des   cellules   satellites,   les   cellules   souches   du   muscle  

squelettique,  dans  la  régénération  osseuse  

Le   rôle  du  muscle   squelettique   au   cours  de   la   régénération  osseuse   est   admis  mais   la  

contribution   in  vivo  n’est  pas   connu.  Dans  cette  deuxième  partie,  nous  avons  étudié   le  

rôle  des  cellules  satellites  au  cours  de  la  régénération  osseuse.  Nous  avons  montré  que,  

si  des   cellules   souches  musculaires  étaient   capables  de   former  du  cartilage  au  sein  du  

cal,  la  contribution  cellulaire  des  cellules  satellites  est  très  faible.  Cependant,  les  cellules  

satellites  secrètent  des  facteurs  de  croissance  (BMP,  IFG)  nécessaires  à  la  régénération  

osseuse  (Article  2).    

Objectifs  de  thèse  

72  

 

Troisième   partie  :   Rôle   des   traumatismes   musculosquelettiques   et   impact   sur   les  

osteochondroprogéniteurs  issus  du  muscle  dans  la  régénération  osseuse  

Dans  le  but  de  caractériser  le  rôle  du  muscle  au  cours  de  la  régénération  osseuse,  nous  

avons  développé  un  nouveau  modèle  de  blessure  poly-­‐traumatique  combinant  fracture  

et  blessure  des  muscles  adjacents.  Dans  cette  étude,  nous  avons  utilisé  ce  modèle  afin  de  

caractériser   les   cellules   du   muscle   formant   le   cartilage   et   l’os   dans   le   cal   et   leurs  

déficiences  dans  les  retards  de  régénération  liées  aux  traumatismes  (Article  3,  en  cours  

de  soumission).    

Article  1,  Duchamp  et  al,  Nature  Communications,  2018  

73  

Article  1      

ARTICLE

Periosteum contains skeletal stem cells with highbone regenerative potential controlled by PeriostinOriane Duchamp de Lageneste1, Anaïs Julien1, Rana Abou-Khalil1, Giulia Frangi1, Caroline Carvalho1,Nicolas Cagnard2, Corinne Cordier3, Simon J. Conway4 & Céline Colnot 1

Bone regeneration relies on the activation of skeletal stem cells (SSCs) that still remain poorly

characterized. Here, we show that periosteum contains SSCs with high bone regenerative

potential compared to bone marrow stromal cells/skeletal stem cells (BMSCs) in mice.

Although periosteal cells (PCs) and BMSCs are derived from a common embryonic

mesenchymal lineage, postnatally PCs exhibit greater clonogenicity, growth and differentia-

tion capacity than BMSCs. During bone repair, PCs can efficiently contribute to cartilage and

bone, and integrate long-term after transplantation. Molecular profiling uncovers genes

encoding Periostin and other extracellular matrix molecules associated with the enhanced

response to injury of PCs. Periostin gene deletion impairs PC functions and fracture

consolidation. Periostin-deficient periosteum cannot reconstitute a pool of PCs after injury

demonstrating the presence of SSCs within periosteum and the requirement of Periostin in

maintaining this pool. Overall our results highlight the importance of analyzing periosteum

and PCs to understand bone phenotypes.

DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z OPEN

1 INSERM UMR1163, Imagine Institute, Paris Descartes University, 75015 Paris, France. 2 Paris-Descartes Bioinformatics Platform, 75015 Paris, France.3 INSERM US24 - CNRS UMS3633 Cytometry Platform, Paris Descartes University, 75015 Paris, France. 4 Herman B. Wells Center for Pediatric Research,Department of Pediatrics, Indiana University School of Medicine, Indianapolis, IN 46202, USA. Correspondence and requests for materials should beaddressed to C.C. (email: [email protected])

NATURE COMMUNICATIONS | �(2018)�9:773� | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z | www.nature.com/naturecommunications 1

1234

5678

90():,;

Article  1,  Duchamp  et  al,  Nature  Communications,  2018  

74  

   

The skeleton is a central component of vertebrates’ body,providing structural support and protection for majororgans. The 206 bones constituting the human skeleton

store vital minerals, form muscle attachments, and comprise theniche for hematopoiesis. Bones are constantly challengedmechanically and can remodel or regenerate throughout life. Thedevelopment, growth, and regeneration of this essential organsystem rely on two robust ossification processes, intramem-branous ossification occurring by direct differentiation ofmesenchymal precursors into osteoblasts and endochondralossification marked by the formation of an intermediate cartilagetemplate1. Vascular invasion of this cartilage template drives thereplacement of cartilage by the bone marrow cavity and bone.During this crucial step of skeletal development, hematopoieticstem cells (HSCs) migrate into the developing bone to establishtheir niche within the marrow cavity. In parallel, bone-formingcells distribute in various bone compartments along the innersurface of bone (endosteum), metaphyseal trabeculae, and on theouter surface of the bone within the periosteum. It is wellestablished that these two processes of ossification can be reca-pitulated postnatally to very efficiently repair injured bones2–5.This reactivation of the skeletogenic program requires there-expression of key transcription factors and growth factorsregulating skeletal development. Yet the skeletal stem cells (SSCs)that permit this regenerative process and the mechanisms of stemcell activation in response to bone injury remain elusive.

Research on the biology of SSCs has mostly concentrated untilnow on the characterization of bone marrow stromal cells/skeletalstem cells (BMSCs), that form the niche for HSCs, regulate boneturnover, and show multipotency and self-renewal capacities aftersubcutaneous transplantation6–11. SSC populations are very het-erogeneous, making it a challenge to identify specific markers totrace these cells in vivo. Recent advances with genetic mousemodels have identified several markers to define various sub-populations of SSCs that appear during limb development andpost-natal growth, and play a role in bone maintenance andrepair12–22. However, these markers do not distinguish the tissueorigins of activated SSCs in response to bone injury. AlthoughBMSCs are largely used for enhancing bone repair through cell-based therapy, it has become clear that BMSCs are not the centralcellular component of endogenous skeletal repair. In contrast, theperiosteum is largely involved in bone strength maintenance andits preservation is crucial for normal bone repair23–31. Theperiosteum is a thin layer of vascularized tissue lining the bonesurface, supporting the tendon and muscle attachments, andhighly responsive to mechanical stress. Several studies haverevealed the periosteum as a major source of SSCs for bone repair,but this population has been largely overlooked until now30,32,33.We hypothesized that bone marrow and periosteum compriseSSC populations with distinct functions in bone biology andspecifically during endogenous bone repair.

Here we uncover common embryonic origins of BMSCs andperiosteal cells (PCs), but increased regenerative capacities andlong-term integration of PCs during bone regeneration in mice.Periosteum grafting shows that a pool of PCs is reconstituted andmaintained within periosteum in response to injury and can bere-activated after subsequent injuries revealing the presence ofSSCs within periosteum. Molecular profiling of PCs and BMSCsin response to injury identifies specific factors expressed in theextracellular matrix (ECM) of periosteum, including Periostin.Bone repair is compromised in Periostin KO mice due toimpaired periosteum and PC functions. Unlike wild-type peri-osteum, Periostin-deficient periosteum cannot reconstitute a poolof PCs and contribute to healing after successive bone injuriescausing severe repair defects. Periostin is, therefore, a keyregulator of SSCs in periosteum and their niche.

ResultsPCs and BMSCs share specific markers. In the absence of aunique marker to define SSCs, we used Prx1, a marker of themesenchymal lineage in developing limbs34,35. BMSCs wereobtained by flushing bone marrow of tibias and femurs followedby lineage depletion. Remaining long bones free of bone marrowwere placed in culture and PCs were let to grow out of the boneexplants (Fig. 1a and Supplementary Fig. 1a). In primary culturesof PCs and BMSCs isolated from Prx1-Cre;YFPfl/+ mice, thepopulations negative for hematopoietic and endothelial makersand double-positive for Sca1/CD29 and Sca1/CD10536 weremostly Prx1-derived YFP-positive (Fig. 1a–b and SupplementaryFig. 1b). The populations that were positive for hematopoieticand endothelial makers were mainly YFP-negative (Supplemen-tary Fig. 1c). By qRT-PCR, Prx1-sorted PCs from Prx1-Cre;mTmG mice overexpressed markers previously shown to definemouse BMSCs, such as PDGFRα37, Gremlin 119, Cxcl128,Nestin15, but not Leptin Receptor (Leptin R)20,21. Prx1-sorted PCsalso overexpressed the pericyte marker NG238 and did notoverexpress the fibroblast marker Vimentin compared to thePrx1-negative population39 (Fig. 1c and Supplementary Fig. 1d).Secondary colony forming efficiency assay (CFE) show higherclonogenicity of PCs compared to BMSCs (Fig. 1d). Cell-growthanalyses revealed higher cell growth of PCs compared withadherent bone marrow cells (aBM, prior to lineage depletion) andBMSCs (Fig. 1e). PCs can differentiate in osteogenic, adipogenic,and chondrogenic lineages in vitro with an increased potential forchondrogenesis compared to BMSCs and aBM (Fig. 1f).

Common embryonic origin of PCs and BMSCs. BMSCs formthe niche for HSCs and are established within the bone marrowcompartment when cartilage anlagen are vascularized during longbone development40–42. In mice, this step occurs from the develop-mental stage E14.5 during the formation of the primary ossificationcenter. Simultaneously, the periosteum forms and will include PCs.Whether BMSCs and PCs derive from the same pool of mesenchy-mal cells within each skeletal element or whether BMSCs can bebrought by blood vessels from another local or systemic source is stillnot well understood. To address this question, we performed renalcapsule transplantations for cell-lineage analyses. On one hand wetracked cells derived from transplanted cartilage elements that are notyet vascularized and do not yet comprise a bone marrow compart-ment. On the other hand, we tracked cells brought by the wild-typehost vasculature that support the vascularization of cartilage grafts inthe renal capsule43,44 (Fig. 2a). First we transplanted E14.5 Prx1-Cre;YFPfl/+ grafts into wild-type hosts. In fully developed bones 8 weekspost-transplantation, the PC and BMSC populations positive forSca1/CD29/CD105 coincided with the donor-derived YFP-positivepopulation marked by Prx1 (Fig. 2b and Supplementary Fig. 2a).Therefore, PCs and BMSCs were both derived from the transplantedcartilage element. Conversely, after transplantation of E14.5 wild-typefemoral cartilages into Prx1-Cre;YFPfl/+ hosts, PC and BMSCpopulations positive for Sca1/CD29 were YFP-negative, confirmingthat PCs and BMSCs are derived from the graft and not from thehost. These results show that both BMSCs and PCs are derived fromthe local Prx1-mesenchymal lineage forming each embryonic skeletalelement and are not brought by blood vessels during the establish-ment of the primary ossification center (Supplementary Fig. 2b, c).

Local recruitment of Prx1-derived cells during bone repair. ThePrx1-derived cells within adult bones have been shown toparticipate in bone repair34,45. We localized Prx1-derived cellswithin the intact periosteum and activated periosteum 3 dayspost-fracture in adult Prx1-Cre;mTmG mice in which Prx1-derived cells are GFP-positive and all other cells are Tomato-

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positive (Fig. 2c). In the activated periosteum, we detected Prx1-derived cells also marked by CD29 (Fig. 2c, Merge). By day 14post-fracture, all cells contributing to cartilage and bone in thecallus were GFP-positive Prx1-derived, indicating that Prx1marks all stem/progenitor cells recruited to form the fracturecallus (Fig. 2c). To verify that the signal was due to Crerecombination during development and not in response to injury,we performed fractures in Prx1-Cre/ERT2-EGFP mice thatexpress EGFP under the Prx1 promoter, and observed no GFPsignal in the callus (Fig. 2c). To distinguish the systemic vs. localrecruitment of cells in the callus, we transplanted E14.5 Prx1-Cre;LacZfl/+ femoral cartilage grafts into wild-type renal capsules.

Eight weeks post transplantation, the fractures were performed onthe fully developed bones derived from the grafts and lineageanalyses showed that all bone cells within the fracture callus atd14 were LacZ-positive donor-derived (Fig. 2d, e). Controlsshowed absence of LacZ-positive host-derived osteoblasts/osteo-cytes in the callus, when wild type E14.5 femoral grafts weretransplanted in Prx1-Cre;LacZfl/+ hosts (Supplementary Fig. 2d,e). Although several studies have suggested a potential systemicrecruitment of SSCs for bone repair46, these results show that thissystemic recruitment does not occur for endogenous bone repairand that the Prx1-derived cells forming the fracture callus are allrecruited locally.

Prx1-Cre;YFP fl/+

orPrx1-Cre;mTmG

Lineagedepletion

a

b

ed f

Adi

po

Hindlimbs

BMSCs

83%

Ost

eo

BMSCs PCs

Bone marrow

98.5%

CD

11b

CD

31 C

D45

CD

34

PCs

Bone explants

Sca

1

BMSCs

76.1%

YF

P

FSC-A

FSC-A FSC-A

FSC-ACD29

CD29

c

72.3%

PCs

Cho

ndro

Day 0

Day 1Day

2Day

4Day

6Day

8

Day 10

Day 12

0

2.105

Cel

l cou

nt

PCsaBM

BMSCs4.105

6.105

105

104

103

–103

0 50K 100K 150K 200K 250K

0

105

104

103

–103

0 50K 100K 150K 200K 250K

0

105

104

103

–103

0 50K 100K 150K 200K 250K

0

105

104

103

–103

0 50K 100K 150K 200K 250K

0

*$ **

***

******

$$

$$$$

$$$$$$

92.3%

73%

aBM

aBM

16014012010080604020

0

400

cells

/ cm2

CF

E

2000

cells

/ cm2

PCsBMSCs

*

* ***

0.00

0.05

0.10

Rel

ativ

e ex

pres

sion

PDGFRα Gremlin 1 Cxcl12 Nestin Leptin R NG2

PCs GFP–

PCs GFP+

BMSCs GFP–

BMSCs GFP+

*

*

*

*

**

**

ns*

**

*

ns ns

ns

105

104

103

102

101

101 102 103 104 105

105

104

103

102

101

101 102 103 104 105

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Higher regenerative capacity of PCs compared to BMSCs. Todirectly compare the regenerative potential of PCs and BMSCs tobone repair in vivo, we transplanted GFP-labeled PCs and BMSCsin the fracture site of wild-type adult mice for in vivo lineagetracing (Fig. 3a). By day 7-post fracture (d7), transplanted PCswere found in the center of the callus and showed increasedcontribution to the callus compared to BMSCs (Fig. 3b andSupplementary Fig. 3a). Similar results were obtained for aBMand BMSC populations indicating that cell depletion of bonemarrow cells did not compromise their biological activity (Sup-plementary Fig. 3a). This increased contribution of PCs was notdue to changes in cell proliferation or cell death compared withBMSCs (Supplementary Fig. 3b and c). The majority of BMSCsstayed at the periphery of the callus and PCs integrated far intothe callus and cartilage by day 10 (Fig. 3b and SupplementaryFig. 3b, BMSCs right panel). Wound healing assays showed thatPCs migrated faster than BMSCs in vitro, which could at least inpart explain their higher regenerative potential in vivo (Supple-mentary Fig. 3d). Lineage analyses of PCs and BMSCs isolatedfrom Prx1-Cre;mTmG donors showed that PCs derived exclu-sively from the Prx1-mesenchymal lineage contributed to carti-lage and bone within the callus, while BMSCs had less potential toform cartilage and did not participate in forming new bone atlater stages (Fig. 3c).

Molecular profiling of the periosteum response to injury. Inorder to uncover the molecular signatures of PCs defining theirhigh regenerative potential compared to BMSCs, we performedmicroarray analyses of PCs and BMSCs isolated from un-injured(d0) and injured (day 3 post-fracture) tibias (Fig. 4a). Sampleclustering showed that all biological replicates clustered togetherand that PCs from un-injured bone (PCd0) are a distinct popu-lation compared to other groups in particular to BMSCd0. Afterfracture, PCd3 are closer to BMSCd3 (Fig. 4b). To identify genesets that distinguish PCs and BMSCs before or after injury, weperformed GSEA analyses comparing either PCd0 vs. BMSCd0 orPCd3 vs. BMSCd3. At both d0 and d3 post-fracture, PCs sharecommon GO categories such as “stemness”, “limb development”,and “ECM”. In contrary, BMSCs are enriched in GO categoriessuch as “downregulation of stemness”, “bone resorption”, and“immune and hematopoietic lineage” (Fig. 4c, d and Supple-mentary Fig. 4a, b). The number of differentially expressed genesin response to injury was greater in PCs compared to BMSCs(Fig. 4e). We then focused on genes specifically upregulated inPCs after fracture, but not in BMSCs and found 203 genesdefining the “periosteum response to injury” (PRI) gene set(Fig. 4f). GSEA analysis comparing PCs and BMSCs showed thatPRI genes are enriched in five different functions (Fig. 4g, in red).In order to find candidate genes that confer higher regenerative

capacities to PCs, we excluded the “stemness” GO categories andmerged “response to external stimulus” and “regulation ofexternal stimulus” into “external stimulus”. We intersected the“external stimulus”, “matrisome”, and “extracellular space” genesets to identify 9 candidate genes of interest (Fig. 4h). We focusedon Periostin (Postn) gene previously described as being specifi-cally expressed within periosteum47. Among the “Postn-linkedgenes” (complete list of Postn-linked genes in SupplementaryTable 3), 6 genes were found in common with the PRI gene setand belong to the matricellular protein and small leucin richproteoglycan families (Fig. 4i and Supplementary Table 3).Together, these findings reveal that PCs and BMSCs have distinctmolecular profiles and that PCs are more responsive to boneinjury. The molecular response to injury is marked in PCs withthe early upregulation of genes encoding ECM proteins, whichplay important roles in cell–matrix interactions and may be keyelements for SSC activation after bone injury.

Lack of Periostin impairs periosteum function and bonehealing. To elucidate the role of the matricellular proteinPeriostin in the periosteal response to injury, we analyzedPeriostin (Postn) expression by qRT-PCR and immuno-fluorescence. qRT-PCR analyses of PCs and BMSCs in un-injuredtibias and tibias 3 days post-injury confirmed the specific upre-gulation of Postn gene in PCs at day 3 compared to day 0 and toBMSCs (Fig. 5a). Periostin-positive cells were detected byimmunofluorescence in the cambial layer of the periosteum alongthe un-injured tibia (Fig. 5b). No expression of Periostin wasdetected in the uninjured and activated bone marrow andendosteum (Supplementary Fig. 5a). By qRT-PCR Postn wasupregulated in sorted GFP-positive PCs isolated from Prx1-Cre;mTmG mice (Fig. 5b). Three days after fracture, Periostin washighly expressed in the cambial cell layer of the activated peri-osteum also containing CD29 expressing cells. By day 14, Peri-ostin was expressed at the junction between late hypertrophiccartilage and bone, and by osteoblasts and osteocytes in the newbone matrix. By 28 days, Periostin was detected in the newlyformed periosteum at the periphery of the ossified callus (Fig. 5b).To functionally assess the role of Periostin during bone repair, weinduced tibial fractures in wild-type controls (WT) and PeriostinKO (KO) mice that have been reported to exhibit post-natalgrowth retardation and skeletal defects including reduced trabe-cular bone density in long bones48. Periostin KO mice exhibitimpaired bone regeneration marked by reduced callus size andbone volume throughout all stages of repair. Periostin KO micefailed to achieve maximum cartilage volume by day 10 followedby delayed cartilage resorption, leading to fibrosis and a non-union at day 28 (Fig. 5c, d). Periostin KO mice also displayedabnormal repair of unicortical bone defects that heal through

Fig. 1 FACS and in vitro analyses of PCs and BMSCs. a Experimental design of periosteal cells (PCs) and bone marrow stromal cells/skeletal stem cells(BMSCs) cultures from Prx1-Cre;YFPfl/+ or Prx1-Cre;mTmG mouse hindlimbs. Bone marrow cells were flushed from hindlimbs and plated to obtain adherentbone marrow cells (aBM). After expansion, lineage depletion was performed to isolate BMSCs with no further passage. The flushed bones were placed inculture to isolate in one step the PCs migrating out of the explants. b Flow cytometry analyses of PCs and BMSCs isolated from Prx1-Cre;YFPfl/+ mice. PCsand BMSCs negative for endothelial/hematopoietic markers (CD31, CD11b, CD34, and CD45) and double-positive for Sca1/CD29 are largely YFP+(derived from Prx1-mesenchymal lineage). c Quantitative RT-PCR analyses of FACS sorted GFP-positive and GFP-negative PCs and BMSCs isolated fromPrx1-Cre;mTmGmice. Results show overexpression of the markers PDGFRα, Gremlin1, Cxcl12, and Nestin and to a lesser extent NG2 in GFP-positive comparedto GFP-negative PCs, but not LeptinR. d CFE assays showing PCs forming colonies at cell density as low as 400 cells/cm2 14 days after plating and BMSCsat 2000 cells/cm2 14 days after plating. Colonies were stained with Giemsa blue and counted under microscope. e Cell-growth assay shows that PCs growfaster than adherent bone marrow cells (aBM) and BMSCs. The cells were plated at the same density (105 cells/dish) and counted every day during thefirst two days then every two days for 12 days (* represents the comparison between PCs and aBM, $ represents the comparison between PCs andBMSCs). f In vitro differentiation of PCs and BMSCs into osteogenic (3 weeks), adipogenic (3 weeks), and chondrogenic (2 weeks) lineages as shown byalizarin red S, Oil red O, and alcian blue staining, respectively. Due to the poor chondrogenic capacity of BMSCs, aBM were assessed for chondrogenesis.Statistical differences between the groups (n= 3 or 4 per group) were determined using Mann–Whitney test (*,$ p≤ 0.05, **,$$ p < 0.001,***,$$$ p < 0.0005). All data represent mean ± SD

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4 NATURE COMMUNICATIONS | �(2018)�9:773� | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z | www.nature.com/naturecommunications

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direct bone formation indicating that healing via both intra-membranous and endochondral ossification is affected in theabsence of Periostin (Supplementary Fig. 5b, c). To assess thespecific impact of Periostin gene invalidation on the periosteum,GFP-wild type or -Periostin KO periosteum grafts were trans-planted at the fracture site of wild-type mice (Fig. 6a). Periostin

KO periosteal grafts exhibit a decreased contribution to repair inthe wild-type environment compared to WT grafts, thus Periostinis essential for periosteum activation and contribution to bonerepair (Fig. 6b).

To determine if the defective periosteum response to fracturein Periostin KO mice was linked to impaired PCs, we isolated

b

a

c

E14.5 Prx1-Cre;LacZ fl/+ femur

FSC-A CD29 FSC-A

CD

11b

CD

31 C

D45

CD

34

YF

P

Sca

198.8%

Prx1-Cre;mTmG mice

d14

83.6%

PCs105

104

103

–103

0

50K 100K 150K 200K 250K0 50K 100K 150K 200K 250K0

FSC-ACD29FSC-A

8 weeks

Un-injured periosteum

Prx1-Cre;mTmG mice callus d14 post fracture

d

e

DAPI/GFP/Tomato DAPI/GFP/Tomato

cabm

m

cal

po

m

c

DAPI/GFP/Tomato 250 µm

250 µm1 mm

Lineagetracing

Activated periosteum d3 post fracture

58.8%

20 µm

DAPI/GFP/Tomato/CD29/Merge

c

m

po ]

TC

BMSCs

97.2%

49.2% 96.9%

BMSCs

PCs

E14.5 Prx1Cre; YFP fl /+ femur

8 weeks

Wild-typeRenal capsule

Wild-typeRenal capsule

Xgal/TRAP

Prx1-Cre/ERT2,-EGFP micecallus d14 post fracture

bm

cal

DAPI/GFP m

1 mm

105105

104

103

–103

0

104

103

102

101

101 102 103 104 105

101 102 103 104 105

105 105

104

103

102

101

105

104

103

–103

0

104

103

–103

0

50K 100K 150K 200K 250K0 50K 100K 150K 200K 250K0

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activated PCs from wild-type and Periostin KO mice 3 days aftertibial fracture. The capacity of Periostin KO PCs to form cloneswas decreased compared to WT in CFE assays (Fig. 6c). PeriostinKO PCs had impaired osteogenesis and adipogenesis compared towild-type PCs in vitro, although chondrogenic potential was notaffected (Fig. 6d). By qRT-PCR the Periostin-linked genes,Lumican, Decorin, Osteoglycin, Thrombospondin 2,and Dermato-pontin upregulated in PCs in response to injury and/or encodingECM proteins (Fig. 4i and Supplementary Table 3) showeddecreased expression in Periostin KO PCs compared to wild type(Fig. 6e). Endoglin 1 expression was upregulated in Periostin KOPCs compared to wild type and the expression of Asporin,Fibrillin 1, Tenascin C, Biglycan, SPARC, and Col3a1 was notaffected (Fig. 6e). The expression of these genes in Periostin KOBMSCs compared to wild type was not affected (SupplementaryFig. 5d). These results indicate that Periostin KO PCs havedeficient stem cell properties in vitro and decreased expression ofother ECM proteins that are normally specifically upregulated inPCs in response to injury. We then assessed the ability of wild-type PCs to rescue impaired bone healing in Periostin KO mice(Fig. 6f). GFP-wild-type trans-planted PCs showed high expres-sion of Periostin and great capacity to integrate into cartilage(Fig. 6g). Bone volume was increased (WT in KO) compared tocontrols (KO in KO) and cartilage volume was decreasedindicating a partial rescue of the phenotype (Fig. 6h).

Periostin is required to maintain the pool of PCs. To assessmore directly the role of Periostin in regulating PCs and theirperiosteum niche, we used periosteum transplantation (Fig. 7a).We first assessed whether periosteum contains cells that were ableto repair bone and re-populate the periosteum after injury. Aftertransplantation of GFP periosteal grafts at the fracture site ofwild-type hosts (Fig. 7a)32, periosteum-derived GFP-positive cellslargely contributed to cartilage in the callus, and rare GFP-positive cells were localized in the newly formed periosteum byd28 (Fig. 7b). To evaluate the GFP-positive cells that persisted inthe callus, we isolated PCs and BMSCs from ossified calluses aftertransplantation. GFP-positive cells that were negative for hema-topoietic and endothelial marker, and positive for Sca1/CD29,were only detected in PCs, but not in BMSCs cultures (Fig. 7c).This indicated that PCs within GFP donor periosteum couldrepopulate the newly formed periosteum. Following a secondinjury, these rare GFP-positive PCs could be re-activated tocontribute to bone repair and were detected within cartilage andbone by day 7 (Fig. 7b). By day 28, rare GFP-positive cells wereagain detected in the new periosteum indicating the ability of PCsto re-populate the periosteum after the second injury (Fig. 7b). Ina third cycle of injury, these re-activated PCs could again

contribute to cartilage within the callus (Fig. 7b). Quantitativeanalyses revealed the ability of PCs to expand extensively fromperiosteum in the 3 cycles of injuries (Supplementary Fig. 6a).The contribution to repair of these rare PCs within the newperiosteum did not decrease between the second and third injurycycles, indicating that the contribution was not due to a popu-lation of progenitor cells that would be exhausted overtime(Supplementary Fig. 6a). When we performed the same experi-ment with Periostin KO grafts into wild-type hosts, the ability ofPCs to persist in the new periosteum after fracture and contributeto repair in a second injury cycle was abolished, leading todefective callus formation and fibrosis (Fig. 7d). Further, trans-plantation of Periostin KO grafts into a Periostin KO fracture siteamplified the bone healing defect as shown by the completeabsence of callus formation and bridging (Supplementary Fig. 6bas compared to the phenotype shown in Fig. 5d). Since we did notdetect decreased cell proliferation in the periosteum of PeriostinKO mice (Supplementary Fig. 6c), these results show that thePeriostin KO phenotype is not due to a deficient proliferation, butthe inability of PCs to maintain a pool of PCs in the periosteumand support bone healing in the absence of Periostin.

DiscussionBone regeneration is a well-orchestrated process allowing thebone to recover its proper shape and functions without the for-mation of scar tissue. Skeletal stem cells are activated in the earlysteps of bone regeneration and are the basis for this extraordinarycapacity of bone to regenerate, but their endogenous origins andthe mechanisms of activation are still poorly understood. Manystudies have focused on the characterization of BMSCs, which arecurrently used in cell-based therapy approaches in orthopedics. Inthis study, we have identified that PCs have an enhanced capacityfor cell growth and clonogenicity, as well as superior regenerativecapacities compared to BMSCs. In microarray analyses, PCs havethe key characteristics of SSCs, since they express “stemness” and“limb or skeletal system development” gene sets. In contrast,BMSCs are enriched in GO categories, such as “downregulationof stemness”, “bone resorption” and “immune and hematopoieticlineage”, suggesting that these cells play an indirect role duringbone repair. Previous reports suggested that endogenous BMSCsare restricted to the bone marrow compartment during bonerepair and indirectly stimulate healing via the secretion of growthfactors32,49. Their role in regulating hematopoiesis and boneresorption remains to be further addressed in the context of bonerepair. We show here that after transplantation at an injury site,BMSCs have reduced capacity to form cartilage and bone duringskeletal regeneration compared to PCs that show great engraft-ment capacity further revealing the stem cell properties of PCs.

Fig. 2 PCs and BMSCs derive from the Prx1-mesenchymal lineage. a Experimental design for renal capsule transplantations. Femoral cartilages beforevascular invasion were isolated from E14.5 Prx1-Cre;YFPfl/+ embryos and transplanted under the renal capsule of wild-type hosts. PCs and BMSCs wereisolated from mature skeletal elements 8 weeks post-transplantation as shown in Fig. 1a. b Flow cytometry analyses of PCs and BMSCs isolated from Prx1-Cre;YFPfl/+ mature skeletal elements grown under renal capsule. Both PCs and BMSCs that are negative for endothelial/hematopoietic markers (CD31,CD11b, CD34, and CD45) and positive for Sca1/CD29 are mostly YFP-positive (Prx1-donor-derived) (n= 3 per group). c Localization of Prx1-derived cellsin the periosteum and fracture callus of Prx1-Cre;mTmGmouse. The un-injured periosteum is derived from Prx1-lineage (GFP+). In the activated periosteumat day 3 post fracture, some Prx1-derived cells (GFP/pointed by green arrows) colocalize with CD29-positive cells (Merge CD29+ GFP+/pointed by whitearrows). In the fracture callus (d14), all chondrocytes and osteoblasts/osteocytes are derived from Prx1-lineage (GFP+). The fractures performed on Prx1-Cre/ERT2,-EGFP mice, where EGFP is expressed under the Prx1 promoter, show no GFP signal in the callus. d Experimental design for cell-lineage analysesof Prx1-derived cells during bone regeneration in renal capsule. Femoral cartilages were isolated from E14.5 Prx1-Cre+/−;LacZfl/+ embryos and transplantedunder the renal capsule of wild-type hosts. After 8 weeks, mature femurs underwent osteotomy and were collected at d14 post-fracture for cell-lineagetracing. e TC and Xgal/TRAP double-staining on longitudinal sections of Prx1-Cre+/−;LacZfl/+ fractured femurs in wild-type hosts (top) showing new bonewithin the callus entirely donor-derived, i.e., LacZ+ TRAP− (black arrowheads: osteocytes) and some osteoclasts (TRAP+ LacZ+ with endogenous beta-galactosidase activity). Scale bar: 0.5 mm. TC: Masson’s trichrome, TRAP: Tartrate resistant acid phosphatase, m: muscle, c: cortex, po: periosteum, bm:bone marrow, cal: callus, ca: cartilage, white dashed line: callus, orange lightning bolt: fracture, orange arrow: fracture site, black arrow: points to theperiosteum, black arrowhead: osteocytes in new bone

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6 NATURE COMMUNICATIONS | �(2018)�9:773� | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z | www.nature.com/naturecommunications

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The difficulty in defining adult SSC populations and theirrespective functions is due to their high heterogeneity and lack ofspecific markers to distinguish their tissue origins. In the past fewyears several markers have been identified to characterize SSCsduring bone development, growth, and repair12–21. Some of thesemarkers may define subpopulations rather than unique popula-tions and do not distinguish the origin of cells that are marked inthe fracture callus, in particular periosteum vs. bone marrow. We

show using the renal capsule transplantation approach that PCsand BMSCs are derived from a common embryonic mesenchymallineage, but segregate in two different bone compartments duringendochondral ossification to acquire different functions in adultbones. In the bone marrow compartment, BMSCs constitute theHSC niche, regulate bone turnover, and have immunomodulatoryand paracrine functions during bone maintenance and repair. Inthe periosteum compartment, PCs are more directly involved in

Hindlimbs

BMSCs

a

b

PCs

GFP orPrx1-Cre;mTmG

donor

Transplantin fracture

Lineagetracing

Prx1-Cre;mTmG donor

GFP donor

PC

sB

MS

Cs

d14 cartilage d21 bone

DAPI/GFP/Tomato

ca b

b

ca

ca

PCs BMSCs

0.000.050.100.150.200.25

*

GFP + in center of callus

d7d1

0

GFP + in cartilage

0.00

0.02

0.04

0.06 *

c

SO

ca

SO

Vol

ume

(mm

3 )

SO

cal

DAPI/GFP/Tomato

PCs

d10

cal

c

caDAPI/GFP

bm

ca

Wild-type host

Vol

ume

(mm

3 )bm

calca

DAP/GFPI

c

BMSCs

cal

SO

b

DAPI/GFP/Tomato DAPI/GFP/Tomato

Fig. 3 PCs integrate efficiently into the fracture callus. a Experimental design for the isolation of PCs and BMSCs from hindlimbs of GFP or Prx1-Cre;mTmGdonor mice and transplantation at the fracture site of wild-type hosts. b Lineage tracing of GFP+ cells in the fracture callus. SO staining and DAPI/GFPimmunofluorescence on longitudinal sections of mouse fractured tibias at day 10 post-transplantation shows PCs migrating very far in the callus (whitearrow) and integrating in cartilage (white arrowhead). Histomorphometric analyses of the volume occupied by GFP+ cells showing increased volume forPCs compared to BMSCs in the center of the callus at d7 (n= 5 per group) and increased volume in cartilage by day 10 (d10) (n= 4 per group). Blackdashed line: callus, white dashed line: bone cortex, white arrows point to transplanted cells. Scale bar: 1 mm. c SO staining and DAPI/GFP/Tomato signalson longitudinal sections of wild-type mouse fractured tibias at days 14 (d14) and 21 (d21) post-transplantation of PCs (left column) or BMSCs (rightcolumn) isolated from Prx1-Cre;mTmG donors. High magnification of SO staining showing hypertrophic cartilage in the center of the callus and DAPI/GFP/Tomato signals on adjacent sections showing PCs and BMSCs Prx1-derived chondrocytes only marked by GFP (and Tomato-negative) at d14 (whitearrows). By d21, PC Prx1-derived osteocytes marked by GFP (white arrows) were found in new bone (delimited by white dashed line), but no BMSC Prx1-derived osteocytes were detected. Scale bar: 125μm. SO: Safranin-O/Fast Green, cal: callus, c: cortex, ca: cartilage, b: bone. Statistical differences betweenthe groups were determined using Mann–Whitney test (*p≤ 0.05, **p < 0.001). All data represent mean ± SD

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | �(2018)�9:773� | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z | www.nature.com/naturecommunications 7

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bone repair by forming cartilage and bone in the callus, while therole of PCs in other periosteum functions remains to be furthercharacterized. The renal capsule model also provided strongevidence that systemic recruitment of cells during bone repair isnegligible.

A hallmark of adult stem cells is their ability to self renew afterinjury. Self-renewal capacity has been established for other adultstem cells after tissue injury to show their ability to maintain a

pool of stem cells within the same anatomical location50. Theability of SSCs to self renew has never been addressed in thecontext of bone repair until now. Sacchetti and collaboratorsreported that BMSCs can form de novo a bone marrow stromaorganizing a hematopoietic environment surrounded by bonetissue after subcutaneous transplantation11. This model of het-erotopic bone formation, however, does not reproduce the ade-quate environment to assess PC renewal after bone injury.

a b

c

Microarray analyses

d

Developmental cell growth

Limb development

Cell fate specification

Cell morphogenesis

Cell fate commitment

Stem cell population maintenance

Bone stem cell

Stemness

Extracellular matrix

Bone resorption

Osteoclast differentiation

Downregulation of stemness

Downregulation of stem cell markers

0.015 0.003 0.000 0.003 0.008

p-value

Enriched in BMSCd0

Enriched in PCd0

PCd0 vs. BMSCd0 PCd3 vs. BMSCd3

ECM Glycoproteins

Extracellular matrix

Regulation of mesenchymalcell proliferation

Stemness

Stem population maintenance

Regulation of stem cell proliferation

Endochondral bone morphogenesis

Skeletal system development

Skeletal system morphogenesis

Downregulation of stemness

Regulation of bone resorption

0.000 0.010 0.036

p-value

e

PCsd0vsd3

BMSCsd0vsd3

0

1000

2000

3000

Num

ber o

f diff

eren

tially

expr

esse

d pr

obes

PC d3

BMSC d3

PC d0

BMSC d0

PCd3 > BMSCd3

PCd3 > PCd0

2018 203

0.3 0.6 0.90.025 0.050p -value

0.25

0.50

0.75

1.00

FD

R

Stem cellMatrisome

Response to external stimulusExtracellular space

Regulation of external stimulus

MatrisomeExternal stimulus

Extracellularspace

820 3

9

2

2 6

Ccl8Dcn

Cxcl1Cxcl12

837

Periosteum response to injury

Periosteum response to injury

PC

d3

15P

C d

3 17

PC

d3

19P

C d

3 20

BM

SC

d3

19B

MS

C d

3 17

BM

SC

d3

20B

MS

C d

3 15

BM

SC

d0

11B

MS

C d

0 13

BM

SC

d0

7B

MS

C d

0 10

PC

d0

11P

C d

0 13

PC

d0

7P

C d

0 10

g h i

f

LumAspnDcn

Gas6IL6TNF

Col3a1Postn

Enriched in BMSCd3

Enriched in PCd3

PCd3 > BMSCd3PCd3 > PCd0

8212009197

69 16

POSTN-linkedgenes

62

Egln1Col3a1Postn

Thbs2Fbn1Dpt

TNCOgnBgn

SPARC

Tibia

Fig. 4Microarray analyses of PCs and BMSCs in response to fracture. a Experimental design for microarray analyses of PCs and BMSCs isolated from wild-type un-injured tibias (d0) and from tibias 3 days post fracture (d3) (n= 4 per group). b Hierarchical clustering of biological replicates. c, d GSEA analysesof PCd0 vs. BMSCd0 and PCd3 vs. BMSCd3, respectively. PCs are enriched in stem cell, developmental, skeletal, and extracellular matrix gene sets (red)compared to BMSCs at both d0 and d3 (blue). e Number of differentially expressed probes in PCs and BMSCs in response to fracture. f Venn diagramshowing the intersection of PCd3 vs. PCd0 and PCd3 vs. BMSCd3 representing the periosteum response to injury (PRI). g GSEA analysis of PRI genes. Red,blue, and gray boxes correspond to significant, interesting, and non-useful functions, respectively. Five significant functions are identified “response toexternal stimulus, “regulation of external stimulus”, “extracellular space”, “matrisome”, and “stem cell” (red). h The GSEA significantly enriched GOcategories “response to external stimulus” and “regulation of external stimulus” were merged into “external stimulus” and compared by Venn to the“extracellular space” and “matrisome” GO categories resulting in a list of 9 common genes. i Venn diagram shows the intersection of PRI and Postn-linkedgenes resulting in a list of 6 genes (Complete list of 93 Postn linked genes in Supplementary Table 3)

ARTICLE NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z

8 NATURE COMMUNICATIONS | �(2018)�9:773� | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z | www.nature.com/naturecommunications

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b

c

d

f bb

Day 28 wild type Day 28 Periostin KO

Un-injured periosteum

Activated periosteum day 3 post fracture

Cartilage and bone day 14 post fracture New periosteum day 28 post fracture

1

b

ca

1

b

po

po

c

m

fl

cl

DAPI/CD29

po

m

c

fl

1 2

cab

SO TC

0

20

40

60

80

****

***

*** ***

0

2

4

6

8

10**

d7 d10 d14 d21 d280

5

10

15

20

*

***

***

CallusWT

Cartilage Bone

b

2

SO

c

bm

c

bm

SO

PS

po

m

c

DAPI/POSTN

Vol

ume

(mm

3 )

Vol

ume

(mm

3 )

Vol

ume

(mm

3 )KO

d7 d10 d14 d21 d28d7 d10 d14 d21 d28

GFP–GFP+

Postn

DAPI/POSTN

DAPI/POSTN DAPI/POSTN

$$$

$

cl

fl

m

c

DAPI/CTL IgG

po cl

m

flcl

c

DAPI/CTL IgG

po

Rel

ativ

e ex

pres

sion

Rel

ativ

e ex

pres

sion

PCs d0PCs d3BMSCs d0BMSCs d3

Postn

a

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005 **

DAPI/POSTN

PS PS PS

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08*

Fig. 5 Periostin is required for adequate bone repair. a qRT-PCR analyses of PCs and BMSCs isolated from un-injured tibias and tibias 3 days post-injury.Periostin (Postn) is specifically upregulated in PCs in response to injury and in PCs compared to BMSCs in response to injury. b SO staining and DAPI/POSTN immunofluorescence on wild-type longitudinal tibia sections showing Periostin (POSTN) expressing cells in the un-injured periosteum near thecortex (immunofluorescence corresponds to box area in SO). qRT-PCR analyses show high Postn expression in Prx1-derived PCs (GFP+) sorted from PCscultures of un-injured hindlimbs of Prx1-Cre;mTmG mice. Three days after fracture, POSTN is highly expressed in the cambial layer (cl) of the activatedperiosteum (GFP) coinciding with expression of CD29 (Red). At day 14 post-fracture, POSTN is expressed in hypertrophic cartilage at the junction betweencartilage and bone within the callus (box 1, GFP) and in osteoblasts within new bone trabeculae (box 2, white arrows). By day 28, POSTN expression is highin the inner layer of the newly formed periosteum at the periphery of the remodeling callus. Scale bar: 0.5 mm. c Histomorphometric analyses of callus,cartilage, and bone volumes at days 7 (d7), 10 (d10), 14 (d14), 21 (d21), and 28 (d28) post fracture in wild type (WT) and Periostin KO (KO) mice. dPicrosirius red staining (PS) on longitudinal sections of fracture callus at d28 shows absence of consolidation and fibrosis in Periostin KO mice (blackarrows). Scale bar: 1 mm. SO: Safranin-O/Fast Green, TC: Masson’s trichrome, m: muscle, c: cortex, po: periosteum, fl: fibrous layer, cl: cambial layer, b:bone, bm: bone marrow, ca: cartilage, f: fibrosis, CTL: non-immune IgG. Black dashed line: cortex (un-injured and day 3) or callus (day 14). White dashedline: periosteum (un-injured and day 3) or bone trabeculae (days 14 and 28). Statistical differences between the groups were determined usingMann–Whitney test (*p≤ 0.05, **p < 0.001, ***p < 0.0005) (n= 3–5). All data represent mean ± SD

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z ARTICLE

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Therefore, we designed a strategy based on periosteal grafting andsubsequent injuries to specifically address the capacity of PCs tocontribute to repair and repopulate the periosteum cell com-partment after the repair process is completed. We show thatPCs, in addition to their enhanced capacity to regenerate bone

after transplantation, can maintain a pool of PCs within perios-teum after injury and are mobilized again after subsequentinjuries to repair bone. A similar approach based on single-muscle fiber transplantation was originally used to show extensiveexpansion to reform new muscle fibers in situ and self-renewal

FracturedGFP or Periostin KO-GFP

ActivatedPCs

Lineagetracing

d3

a

Transplantationin Periostin KO hosts

d14

d

b

g

Osteo

WT

c

f

0.00.10.20.30.4

*

0.00

0.05

0.10

0.15*

GFP+ in callus

GFP+ in cartilage

WT in WTKO in WT

KO

h

Transplantationin WT hosts

d14Lineage tracing

e

cal

graft

ca

DAPI/GFP

SOcal

graftca

WT in WT KO in WT

WT in KO

0

5

10

15

CF

E

*

WT KO

Vol

ume

(mm

3 )V

olum

e (m

m3 )

Vol

ume

(mm

3 )

Vol

ume

(mm

3 )

Vol

ume

(mm

3 )

Adipo Chondro

Callus CartilageBone

01020304050 ns

012345 *

5

10

15 *

0

KO in KOWT in KO

GFP or Periostin KO-GFP donor

Periosteumgraft

d14

Aspor

in

Fibrilli

n 1

Lumica

n

Decor

in

Osteog

lycin

Throm

bosp

ondin

2

c

cal

1

2

1

ca2

DAPI/GFP/POSTN/

Merge

Endog

lin 1

DAPI/GFP

SO

*

ns

ns

0.00

0.02

0.04

0.06

0.2

0.4

0.6

Rel

ativ

e ex

pres

sion

Rel

ativ

e ex

pres

sion

Dermato

ponti

n

* *

*

* *0.0

0.1

0.2

0.3

0.5

1.0

1.5

Tenas

cin C

Biglyc

an

SPARC

Col3a1

ns

ns

nsns

WTKO

ARTICLE NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z

10 NATURE COMMUNICATIONS | �(2018)�9:773� | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z | www.nature.com/naturecommunications

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capacity of satellite cells51. This was not the case after trans-plantation of myoblasts, the muscle progenitors, which cannotcontribute to repair and self-renew52. The fact that a smallnumber of PCs within the initial periosteal graft can largelycontribute to cartilage, give rise to rare PCs within the newperiosteum and again largely contribute to cartilage in the nextinjury cycle indicates the presence of SSCs within the periosteum.Proliferation of progenitors could not provide a sufficient sourceof cells after three consecutive rounds of injury and repair, as theywould disappear overtime. Furthermore, we provide evidence thatthis capacity of PCs to re-integrate the newly formed periosteumand contribute to repair after a second injury is abolished in theabsence of Periostin without affecting the proliferation of PCs inresponse to injury. These data show that periosteum containsstem cells that can self renew during several injury cycles andPeriostin is required for this self-renewal capacity by regulatingthe periosteal niche of SSCs. More investigation will be requiredin the future to identify specific markers for the periosteal stemcell population and follow SSC activation and self-renewal at thesingle-cell level within periosteum in vivo. More data will also beneeded to compare the markers and tissue localization of PCs andBMSCs in mouse and human, as there are already known dif-ferences for BMSCs11,36,53.

An important question to elucidate is how SSCs are activatedin response to injury. Our microarray data highlight several ECMproteins that are upregulated in PCs at day 3 post fracture.Within these ECM proteins, we discovered Periostin, a matri-cellular protein regulating cell–cell and cell–matrix interactions.Periostin is highly expressed during development and in adulttissues submitted to mechanical stress, injury or other patholo-gical conditions54–56. Periostin plays a crucial role in inflamma-tory and tumor microenvironments57–60. In cancer, Periostincorrelates with bad prognosis61 and Periostin present in themetastatic niche supports cancer stem cell self-renewal andmetastatic colonization57. In response to bone injury, we showthat Periostin and other ECM proteins linked to Periostin areupregulated in PCs and Periostin is crucial for adequate bonerepair. In mice lacking Periostin, some of these ECM proteins aredownregulated in PCs, suggesting that Periostin and Periostin-associated ECM proteins all contribute to PC activation and nicheregulation in response to injury, allowing periosteal activation(Supplementary Fig. 7). Our results also re-enforce the impor-tance of a local periosteal response at the injury site to allow callusformation and bone repair. The local activation of PCs isnecessary for the bone repair process to occur and we show that alocal deficiency in this PC pool in Periostin KO periosteum issufficient to delay repair and induce non-union.

In conclusion, our results reveal the presence of SSCs withinperiosteum with higher regenerative potential compared to

BMSCs. Although PCs and BMSCs derive from commonmesenchymal progenitors during bone development and growth,the periosteum environment is essential to confer greater regen-erative properties to PCs. We show that PCs and their perios-teum niche are two key components that act locally to allow callusformation and bone bridging for fracture consolidation. Fur-thermore, PCs, and the ECM components that they produce,including Periostin, are essential for periosteum activation anddefine the enhanced regenerative potential of PCs. Together, theroles of PCs illustrated in this study will help refocus investigationon the periosteum to elucidate numerous bone phenotypesassociated with PCs rather than BMSCs defects. The skeletonpossesses high regenerative capacities, yet our understanding ofSSC origins, recruitment, and functions for the repair of thiscentral organ system will necessitate more investigation of theperiosteum microenvironment to find novel strategies to treatskeletal repair defects and bone diseases.

MethodsMice. C57BL/6ScNj, betaactin‐GFP (GFP), Prx1-Cre, Rosa-tdTomato-EGFP(mTmG), R26ReYFP, and R26ReLacZ transgenic and reporter mice were obtainedfrom Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME). Prx1-Cre/ERT2-EGFP mice wereprovided by Dr. S. Murakami34. Periostin null mice from Simon J. Conwaylaboratory were crossed with the GFP mice for lineage tracing48. The mice werebred and genotyped in our laboratory. Five to eight-week-old mice were used forin vitro experiments and more than two-month-old for in vivo experiments. Allmouse primers for PCR genotyping (Supplementary Table 1) were purchased fromEurofins Scientific (Eurofins, Luxembourg). All procedures were approved by theParis Descartes University Ethical Committee. No specific randomization methodswere used for the study. However, experimental groups were homogeneous andcomposed of equivalent animals based on gender, age, and genotype. For eachexperimental group, the mice were from different litters and samples obtained frommultiple experiments (>2) to generate biological replicates.

Primary cultures of PCs and BMSCs. BMSCs and PCs were harvested from tibiasand femurs of un-injured mice (d0) or from tibias 3 days post fracture (d3). Themice were killed and their hindlimbs dissected. After removing the epiphyses,bones were flushed to isolate total bone marrow cells and aBM were expanded ingrowth media consisting of MEMα supplemented with 20% lot-selected non-heat-inactivated FBS, 1% penicillin-streptomycin (Life Technology, Carlsbad, Cali-fornia), and 10 ng/ml bFGF (R&D, Minneapolis, MN). When confluence wasreached, lineage depletion (CD5, CD45R (B220), CD11b, Anti-Gr-1 (Ly-6G/C),7–4, and Ter-119 monoclonal antibodies, Miltenyi Biotec, San Diego, CA, ref. 130-090-858) was performed on aBM to obtain BMSCs that were directly used forin vitro and in vivo assays without further expansion. Although this step of lineagedepletion is not standard in the literature for bone marrow cells, we chose thisapproach to enrich BMSCs with skeletal progenitors in order to obtain a popula-tion more comparable to PCs for the purpose of this study. Primary PCs wereobtained by explant culture of the remaining flushed bones free of muscles andtendons. Explants were cultured in growth media and PCs migrated out of theexplanted within 3 days. After 2 weeks, the bones were removed and PCs weretrypsinized and directly used for in vitro and in vivo experiments without furtherexpansion. To determine if our method of explant culture was optimal to retrievePCs without contamination from the endosteum or the bone cortex, we performedthe same procedure by flushing the bone marrow preceded or followed by

Fig. 6 Impaired periosteum in Periostin KO mice. a Experimental design for the isolation of periosteum grafts from GFP or Periostin KO-GFP donors andtransplantation at the fracture site of wild type (WT) hosts for lineage tracing of periosteum-derived cells during bone repair. b SO staining and DAPI/GFPimmunofluorescence on longitudinal callus sections at day 14 reveals decreased contribution KO-GFP grafts (KO in WT) compared to GFP grafts (WT inWT) (arrowheads). Quantification of GFP signal shows decreased volume in callus and cartilage for KO-GFP grafts compared to GFP grafts. Scale bar: 1mm. c CFE assay on activated PCs isolated from WT and KO mice and plated at 400 cells/cm2 for 14 days. Colonies were stained with Giemsa blue andcounted. d In vitro differentiation assays of activated PCs isolated from WT and KO mice shows osteogenic differentiation (alizarin red S stain) at 2 weeksfor WT PCs, but not for KO PCs (left) and at 5 weeks for WT and KO PCs (right). Adipogenesis (Oil red O) is reduced in KO at 3 weeks andchondrogenesis (alcian blue stain) at 1 week is similar in WT and KO PCs. e Quantitative RT-PCR analyses of Periostin (Postn)-linked genes, some of themupregulated in PCs in response to injury and encoding ECM proteins (see Fig. 4i and Supplementary Table 3) inWT-PCs and KO PCs. f Experimental designfor the isolation of activated PCs from GFP or KO-GFP mice and transplantation at the fracture site of KO hosts (WT in KO and KO in KO, respectively). gPeriostin (POSTN/red) immunofluorescence on callus sections after transplantation of WT PCs (GFP/green) in KO hosts. PCs express POSTN when theyintegrate into the callus (Merge/Yellow, left and boxes 1 and 2) and stop expressing POSTN when they differentiate (box 2, white arrowhead pointing toPOSTN-negative and GFP-positive chondrocytes). Scale bar: 1 mm. h Histomorphometric analyses of callus, bone, and cartilage volumes at d14. Scale bar: 1mm. SO: Safranin-O, c: cortex, ca: cartilage, cal: callus, white dashed line: bone, black dashed line: callus, merge: GFP+ cells expressing POSTN. Statisticaldifferences between the groups were determined using Mann–Whitney test (*p < 0.05) (n= 3 or 4 per group). All data represent mean ± SD

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z ARTICLE

NATURE COMMUNICATIONS | �(2018)�9:773� | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z | www.nature.com/naturecommunications 11

Article  1,  Duchamp  et  al,  Nature  Communications,  2018  

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periosteum scrapping and collagenase D digestion (0.2% collagenase D with 0.25%Trypsin/EDTA in DMEM+ 1% P/S without serum) for 1 h (Roche, Basel, CH, ref.11088882001) prior to bone explants culture. In these conditions, the cells did notgrow out of the explants (Supplementary Fig. 1a-ii and 1a-iii).

Flow cytometry analyses and cell sorting. For flow cytometry analyses, the cellswere incubated with CD31-PE-CyTM7 (PECAM-1); CD45-PE-CyTM7 (leukocytecommon antigen, Ly-5); CD11b-PE-CyTM7 (integrin αM chain); CD34-PE-CyTM7(BD Biosciences, San Jose, CA); CD29-PE, Sca1-APC (Miltenyi Biotec, San Diego,CA); and CD105-PE (eBioscience, San Diego, CA) (1:200) to label hematopoietic,endothelial, and mesenchymal lineages. For cell viability, Sytox Blue 1/1000 (Invi-trogen, Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA) was added. Analyses were per-formed using BD LSR Fortessa SORP (BD Biosciences, San Jose, CA). For cell sorting,

the cells were resuspended in F10 media (Life Technology, Carlsbad, California)before sorting with BD FACS Aria II SORP (BD Biosciences, San Jose, CA).

Secondary colony forming efficiency assay (CFE). BMSCs obtained after lineagedepletion of aBM and PCs obtained after explant removal were directly plated at aconcentration of 400 or 2000 cells/cm2 in growth media consisting of MEMαsupplemented with 10% FBS, 1% penicillin-streptomycin (Life Technology,Carlsbad, California), and 10ng/ml bFGF (R&D, Minneapolis, MN) for 14 days.The medium was changed every 3 days. Clones were fixed for one hour in 70%ethanol, stained with Giemsa stain (Fluka), and counted under microscope. CFEwas reported in GraphPad Prism v6.0a.

Cell-growth assay. To assess cell growth in vitro, 1.5 105 BMSCs obtained afterlineage depletion and PCs after explant removal were directly plated in culture

Second fracture

cal

SO

SO

cal

Third fracture

po

nb

DAPI/GFP

cal

cal

SO

cal

SOcal

ca

nb

po

a

GFP donor

Periosteum graft

Wild-type hostfirst fracture

b

c

PCs from ossified callus BMSCs from ossified callus

FSC-A

GF

P

FSC-A

GF

P

FSC-A FSC-A CD29

GFP+

5.7%

0.01%

35.8%

64.2%

0%

100%

35.9%

59%

GFP+0.06%

FSC-A

d28- new periosteum

d28-new periosteum

d7-callus

d7-callus

]

DAPI/GFP

]

DAPI/GFP

DAPI/GFP

GFP+3.3%

GFP+

1.4%

canb

Ossified callus

cal

PS

FSC-A

GF

P

GF

P

CD

sC

Ds

Sca

1

Wild-type hostfirst fracture

Secondfracture SOSO

Periosteum graftd28-new periosteum d7-callus

Periostin KO-GFPdonor

PS

PS

cal

cal

*

cal

fnb

] po

nbmDAPI/GFP DAPI/GFP

c

d

105

104

103

102

0

105

104

103

102

0

105

104

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dishes and cultured in growth medium. The cells were trypsinized for counting thefirst two days and then every two days during twelve days. Cell count was reportedin GraphPad Prism v6.0a.

In vitro osteogenic and adipogenic and chondrogenic differentiations. For eachdifferentiation protocol, BMSCs were used following lineage depletion and PCsfollowing explant removal without further passage. For osteogenic differentiation,the cells were plated at confluence in osteogenic medium containing MEMα with10% FBS supplemented with 0.1 μM dexamethasone, 0.2 mM L-ascorbic acid, and10 mM glycerol 2-phosphate disodium salt hydrate (Sigma, St. Louis, MO). Themedium was changed every three days during 2–5 weeks, and the cells were stainedwith 0.2% alizarin red S (Sigma, St. Louis, MO). For adipogenic differentiation, theconfluent cells were cultured with adipogenic medium containing MEMα with 10%FBS supplemented with 10 μg/ml insulin, 100 μM indomethacin, 0.5 mM 3-iso-butyl-1-methylxanthine, and 0.1 μM dexamethasone (Sigma, St. Louis, MO). Themedium was changed every 3 days during 3 weeks and the cells were stained withOil Red O solution (Sigma, St. Louis, MO). Nuclei were counterstained with Harrishematoxylin (DiaPath, Martinengo, Italy). Pictures of lipid droplets were takenunder light microscopy using Leica DM IRB light microscope and LASv4.3 software (Leica Microsystems Inc, Buffalo Grove, IL). For chondrogenic dif-ferentiation, the cells were resuspended at a concentration of 5.105 cells in 200 μl ofgrowth media and plated as micromass. After 2 h at 37 °C, the cells were coveredwith chondrogenic medium containing DMEM with 10% FBS supplemented with0.1 μM dexamethasone, 100 μg/ml sodium pyruvate, 40 μg/ml L-proline, 50 μg/mlL-ascorbic acid, 50 mg/ml ITS, and 10 ng/ml TGFβ1. The medium was changedevery 3 days during 1–2 weeks and the cells were stained with Alcian blue (Sigma,St. Louis, MO).

Wound healing assay. Wound healing assay was performed to assess migrationcapacity of cells in vitro. Forty-eight hours before the assay, BMSCs obtained afterlineage depletion and PCs after explant removal were directly plated in cultureinserts in μ-slide 8 well ibiTreat (Biovalley) and cultured in growth media. Beforestarting the assay, culture inserts were removed allowing a clear separation betweentwo migration fronts (wound). A volume of 10 μM of Cytosine β-D-arabinofuranoside hydrochloride (Sigma, St. Louis, MO) was added in the mediumto inhibit cell mitosis. Wound healing was recorded every 10 minutes over 50 to 72h using videomicroscopy (Nikon Eclipse Ti-E). Data were analyzed with ICYsoftware (bioimageanalysis.org) and reported in GraphPad Prism v6.0a.

Fractures and cell transplantations. Closed non-stabilized and open non-stabilized tibial fractures were performed in the mid-diaphysis under anesthesiaand analgesia2,32. For all surgeries, mice were anesthetized with an intraperitonealinjection of Médétomidine (1 mg/kg) and Kétamine (50 mg/ml) and received asubcutaneous injection of Buprenorphine (0,1 mg/kg) for analgesia. For closedfractures, the tibia was placed on the fracture jig and 460 g weight was droppedfrom 14 cm to create a closed, transverse fracture by three-point bending, whichwas confirmed by radiography. Opened non-stabilized tibial fractures were pro-duced by osteotomy. The anterior tibial surface was exposed by separating the bonefrom the surrounding muscles. Three holes were drilled in the tibial cortex using a0.4 mm drill bit and the bone was cut to create the fracture. After surgery, the micewere revived with a subcutaneous injection of Atipamezole (1 mg/kg) and wereallowed to move freely. The mice then received a second dose of analgesic 12–24 hafter surgery and subsequent doses as needed. For cell transplantations at thefracture site, 100,000 cells were embedded in a fibrin gel using a Tissucol® kit(Baxter, France TISSEEL, composed of human fibrinogen 15 mg/ml and thrombin9 mg/ml) and the cell pellet was transplanted at the time of fracture62.

Cortical bone defects. To assess the impact of Periostin deficiency on bone healingthrough intramembranous ossification, we performed unicortical bone defects(without breaking the bone) on wild-type and Periostin KO mice as previouslydescribed24. Briefly, after anesthesia and analgesia, the tibial surface was exposed,and a hole (1 mm in diameter) was drilled into one cortex without drilling into theopposite cortex. After surgery, the mice were revived as indicated above.

Periosteum grafting. Periosteum grafts isolated from the tibia GFP or Prx1-Cre;mTmG donor mice were transplanted at the site of open non-stabilized tibialfractures in 10-week-old wild-type or Periostin KO host mice32. For assessment oflong-term engraftment, successive fractures at one-month interval were performedat the site of initial bone graft in 5-week-old hosts and fracture calluses werecollected at days 7 and 28. For BMSCs and PCs cultures, day 14 ossified calluseswere retrieved by dissection. BMSCs were obtained by flushing the bone marrowcells from the fracture calluses followed by adherence and lineage depletion callusesas described above. PCs were cultured by explant cultures of remaining ossifiedparts of the fracture calluses. Fracture callus pieces were carefully cleaned andplaced in culture periosteum facing down. PCs and BMSCs were used for cellsorting and FACS analyses.

Renal capsule transplantation. Femoral grafts containing cartilage anlage sur-rounded by perichondrium were isolated from E14.5 donor embryos, transplantedin the renal capsule of adult host mice, and allowed to develop for 8 weeks to formfully mature bones43. PCs and BMSCs were isolated as described above from bonesderived from Prx1-Cre;YFPfl/+ donors transplanted in C57BL/6ScNj (wild type)hosts and analyzed via flow cytometry as indicated above. For lineage analysesduring bone repair, the bones derived from Prx1-Cre;LacZfl/+donors transplantedin wild-type hosts were fractured by osteotomy under anesthesia by exposing thekidney capsule and collected 7 or 14 days post fracture for lineage tracing usingXgal/TRAP staining on tissue sections as previously described63. In control sam-ples, the genotypes of the donor (wild type) and host (Prx1-Cre;YFPfl/+or Prx1-Cre;LacZfl/+) were reversed.

Histomorphometry and cell-lineage analyses. The mice were killed at specifiedtime points post fracture. Tibias were fixed in 4% paraformaldehyde, decalcified in19% EDTA, and processed for histomorphometric analyses of callus, cartilage, andbone on Safranin-O (SO) and Trichrome (TC) stained sections62,64. Picrosiriusstaining was performed on adjacent sections to visualize bone and fibrous tissue.For quantitative analyses of GFP-transplanted cells in fracture calluses, GFP signalwas analyzed on sections adjacent to Safranin-O and Trichrome using a ZeissImager D1 AX10 light microscope and ZEN software (Carl Zeiss MicroscopyGmbH, Gottinger, Germany).

Immunofluorescence and immunohistochemistry. For PCNA immuno-fluorescence, the sections were rehydrated, post fixed in 4% paraformaldehyde for10 min, treated with methanol for 10 min, permeabilized with 0.25% TritonX-100in PBS, and blocked with 5% Goat serum in 0.25% tritonX-100 in PBS for 15 min.The sections were then incubated with primary antibody rabbit anti mouse PCNA1:800 (Cell Signaling, Danvers, MA ref. 13110 s) or non-immune rabbit IgG asnegative control (Invitrogen, Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA ref. 10500C) O/N at 4 °C. The sections were washed and incubated with secondary antibodyAlexa 546 goat anti rabbit 1:500 (Invitrogen, Thermo Fischer Scientific, Waltham,MA ref.11010) in 5% goat serum for one hour at RT, and mounted with Fluor-omount-G™ with DAPI (eBioscience, San Diego, CA).

For Cleaved Caspase 3 immunofluorescence, the sections were rehydrated, postfixed in 4% paraformaldehyde for 10 min, permeabilized with 0.25% TritonX-100in PBS, and blocked with 5% Goat serum in 0.25% tritonX-100 in PBS for onehour. The sections were then incubated with primary antibody rabbit anti mouse

Fig. 7 No reconstitution of the PC pool in Postn KO periosteum after fracture. a Experimental design for the isolation of periosteum graft from GFP donormice and transplantation at the fracture site of wild-type hosts. b SO staining and DAPI/GFP immunofluorescence on longitudinal sections of mousefractured tibias post transplantation with GFP periosteum graft. At d28 post fracture (d28-new periosteum), high magnification shows rare periosteum-derived GFP+ cells that integrate in the new bone to form osteocytes (white arrow) and in the new periosteum (white arrowheads). After a second fractureperformed at the level of the first callus, abundant periosteum-derived GFP+ cells are found in the callus and form cartilage (white arrowheads) and bone(white arrows) (d7-callus) and few GFP+ cells reintegrate the new periosteum at d28 (white arrowheads) (d28-new periosteum). After a third fracture,periosteum-derived GFP+ cells can again form cartilage efficiently in the callus by day 7 (white arrowhead) (day 7-callus). c Cell sorting and FACSanalyses on PCs and BMSCs isolated from ossified calluses (d14). PCs and BMSCs derived from the periosteum graft were detected based on theexpression of the GFP (0.06% and 0.01%, respectively). Cell sorting was performed to enrich the population in GFP+ cells (orange box) and FACSanalyses to assess the expression of hematopoietic-endothelial markers (CD11b, CD31, CD45, and CD34) and Sca1/CD29). In BMSCs cultures, GFP+ cellswere all positive for hematopoietic-endothelial markers (100%). For PC cultures, we detected a population that was negative for hematopoietic-endothelialmarkers (35.8%) and positive for Sca1/CD29 (35.9%) (n= 2 or 3). d Transplantation of Periostin KO grafts into wild-type hosts. No GFP+ cells aredetected in the new periosteum (d28–new periosteum), and no GFP+ chondrocytes contribute to the callus after a second injury. These Periostin KO graftsinduced fibrosis at the fracture site of wild-type hosts (d7–callus). SO: Safranin-O/Fast Green, PS: Picro Sirius, cal: callus, po: periosteum, nb: new bone, ca:cartilage, white dashed line: periosteum (d28) or new bone (d7), orange dashed line: callus, yellow line: periosteum transplant, asterisk: cartilage formationopposite to transplant (n= 4). Scale bar= 1 mm

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AcknowledgementsWe thank E. Bonnelye, C. Bole-Feysot, M. Garfa-Traoré, N. Goudin, C. Lebreton, J.Megret, A. Rausell, C. Tarrin, C. de Ticornot, and F. Yang for advice and/or technicalassistance; R. Marcucio, F. Relaix, and S.S. Sidhu for reading the manuscript. This workwas supported by INSERM ATIP-Avenir, ANR-13-BSV1-001-01, FP7 Marie Curie IRG-268227, Osteosynthesis & Trauma Care Foundation, and NIAMS R01 AR057344 to C.Colnot.

Author contributionsC. Colnot supervised the project, designed and carried out experiments, analyzed thedata, and wrote the manuscript. O.D.L. designed and carried out experiments, analyzedthe data, and wrote the manuscript. R.A.K. designed, carried out experiments, andanalyzed the data. A.J., N.C., and G.F. carried out experiments and analyzed the data. C.Carvalho. and C. Cordier. provided advice and technical assistance. S.J.C. provided thePeriostin mouse strain. N.C. and S.J.C. reviewed the manuscript.

Additional informationSupplementary Information accompanies this paper at https://doi.org/10.1038/s41467-018-03124-z.

Competing interests: The authors declare no competing financial interests.

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Cleaved Caspase 3 1:200 (Cell Signaling, Danvers, MA ref. 9661) or non-immunerabbit IgG as negative control (Invitrogen, Thermo Fischer Scientific, Waltham,MA ref. 10500 C) O/N at 4 °C. The sections were washed and incubated withsecondary antibody Alexa 546 goat anti rabbit 1:800 (Invitrogen, Thermo FischerScientific, Waltham, MA ref.11010) in 5% goat serum for one hour at RT andmounted with Fluoromount-G™ with DAPI (eBioscience, San Diego, CA).

For Periostin immunofluorescence, the sections were rehydrated, blocked with5% donkey serum in PBS one hour at room temperature (RT), and incubated withprimary antibody goat anti mouse Periostin 1:400 (R&D, Minneapolis, MN ref.AF2955) or non-immune goat IgG as negative control (Life Technology, Carlsbad,California ref. 026202) overnight (O/N) at 4 °C. The sections were washed andincubated with secondary antibody Alexa 488 donkey anti goat or Alexa 546donkey anti goat 1:500 (Invitrogen, Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA ref.A11055 or ref. A11056) for one hour at RT. Slides were mounted withFluoromount-G™ with DAPI (eBioscience, San Diego, CA).

For CD29 immunofluorescence, the sections were rehydrated, post fixed in 4%paraformaldehyde for 10 min, permeabilized with 0.25% TritonX-100 in PBS, andblocked with 5% donkey serum in PBS for 15 min. The sections were incubatedwith primary antibody goat anti mouse integrinβ1 5 μg/ml (R&D, Minneapolis,MN, ref. AF2405) or non-immune goat IgG as negative control (Life Technology,Carlsbad, California ref. 026202) O/N at 4 °C. The sections were washed andincubated with secondary antibody Alexa 546 donkey anti goat or Alexa 647donkey anti goat 1:500 (Invitrogen, Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA) in5% donkey serum for one hour at RT and mounted with Fluoromount-G™ withDAPI (eBioscience, San Diego, CA).

For BrdU immunochemistry, the mice were beforehand injected with 50 mg/kgof BrdU (Sigma, St. Louis, MO ref. B5002) in 5% DMSO and their hindlimbs wereharvested three hours later and processed as previously described. The sectionswere dehydrated in ethanol baths and antigen retrieval was performed using 2 NHCl in 0.5% Triton-X100 for 30 min at RT. Endogenous peroxidase activity wasblocked using 3% H2O2 in PBS for 10 min. Sections were blocked in 5% goat serumin PBS for 1 h and incubated with primary antibody rat anti mouse BrdU 1:200(Abcam, Cambridge, UK ref. Ab6326) or no primary antibody as negative control,O/N at 4 °C. The sections were washed and incubated with secondary antibodybiotin goat anti rat 1:500 (Jackson ImmunoResearch, West Grove, PA ref.112066072) for 1 h at RT. After washing in PBS, the sections were incubated inStreptavidin-HRP 1:100 (BD Biosciences, San Jose, CA ref. 554066) for 30 min atRT. Finally, signal was revealed using DAKO kit (Agilent, Santa Clara, CA ref.K3467) and counterstained with 5% Methyl green. BrdU+ cells were countedunder microscope and reported in GraphPad Prism v6.0a.

RNA isolation and qRT-PCR. Total mRNA extraction from cells was performedusing RNeasy Plus Mini Kit (Qiagen, Germantown, MD) and following manu-facturer’s instructions. The concentration of extracted RNA was confirmed using aNanoDrop 2000 UV-Vis Spectrophotometer (Thermo Scientific, Wilmington, DE).All mouse primers (Supplementary Table 2) were purchased from Eurofins Sci-entific (Eurofins, Luxembourg). cDNA synthesis was performed using SuperscriptIII RT, RNaseOUT, Ribonuclease inhibitor, Oligo(dT)12–18, 10 mM dNTP mix,5X first-strand buffer, and 0.1 M DTT, following manufacturer’s instructions(Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA). Real-time PCR was performed usingSYBR™ Green PCR Master Mix and detected using 7300 Real-Time PCR System(Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA). Mouse GAPDH was used as an internalcontrol for all genes.

Microarray analyses. BMSCs and PCs were isolated and purified from uninjuredtibia (d0) (n= 4) and tibia 3 days post fracture (n= 4). The cells were harvestedand total RNA was extracted using Rneasy Plus mini Kit (Qiagen). RNA qualitywas assessed using Agilent Model 2100 Bioanalyzer (Agilent Technologies). Geneexpression analyses were performed using GeneChip Mouse 430 2.0 Array (Affy-metrix). Fluorescence data were imported into Affymetrix Expression Console andR Bioconductor analysis software. Data were normalized with RMA method,groups were compared by Student’s t-test and the results were filtered at p-value≤5% and fold change ≥1.2. Hierarchical clustering was performed using Multi-Experiment Viewer software (MeV)65,66. Gene Set Enrichment Analysis (GSEA)analysis was performed using all normalized probes on “curated gene set” and “GOgene set” collections of the Molecular Signatures Database v5.2 according to67,68.Postn-linked gene list was built using STRING database69 (http://string-db.org/cgi/input.pl?UserId=5bskVvnWAJdi&sessionId=hMz9XrOQGQ4P&input_page_show_search=on). We used the following parameters: active interaction sources: allchecked; minimum required interaction score: 0.4; maximum number of inter-actors to show: 1st shell: 100; and 2nd shell: 20. We obtained a list of 93 genes(Supplementary Table 3).

Statistical analyses. Statistical significance was determined with two-sidedMann–Whitney test and reported in GraphPad Prism v6.0a. P-values were deter-mined as follows: *,$p ≤ 0.05; **,$$p < 0.001; ***,$$$p < 0.0005. All samples wereincluded except for fractures that were proximal and/or distal or comminutedfractures. All analyses were performed using a blind numbering system.

Data availability. The microarray data have been deposited in the ArrayExpressdatabase under the accession number E-MTAB-6417. All other data are available inthe article and in the supplementary information files.

Received: 9 February 2017 Accepted: 19 January 2018

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ARTICLE NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z

14 NATURE COMMUNICATIONS | �(2018)�9:773� | DOI: 10.1038/s41467-018-03124-z | www.nature.com/naturecommunications

Article  1,  Duchamp  et  al,  Nature  Communications,  2018  

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Supplementary Information

Periosteum contains skeletal stem cells with high bone regenerative

potential controlled by Periostin

Duchamp de Lageneste et al.

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Supplementary Figure 1. Optimization of periosteal cell (PC) cultures and flow cytometry analyses of Prx1-derived PCs and BMSCs. (a) Experimental design for periosteal cell (PC) cultures. After epiphyses removal, bone marrow was flushed and all muscles and tendons were removed. Bone explants were directly placed in culture dishes to allow PCs to migrate out of the periosteum (a-i, protocol used for all experiments). As controls, to show that PCs were derived only from periosteum and not from bone marrow compartment and/or bone itself, periosteum was scrapped followed by digestion of the explant with collagenase D (a-ii shows that no cells come from the bone cortex, a-iii shows that no cells come from bone cortex and bone marrow). No PCs can grow in these conditions. (b-c) Flow cytometry analyses of PCs and BMSCs isolated from Prx1-Cre;YFPfl/+

mice. (b) PCs and BMSCs negative for endothelial/hematopoietic markers (CD31, CD11b, CD34, CD45) and double-positive for Sca1/CD105 are mostly YFP+ (derived from Prx1 lineage). (c) The population positive for endothelial/hematopoietic markers (25.5% in PCs and 19.6% in BMSCs) are largely negative for YFP (not derived from Prx1- lineage). (d) Quantitative RT-PCR analysis of Vimentin gene expression on FACS sorted GFP-positive and GFP-negative PCs and BMSCs isolated from Prx1-Cre;mTmG mice. Statistical differences between the groups were determined using Mann-Whitney test (*p≤0.05, **p<0.001, ***p<0.0005) (n=3). All data represent mean ± SD.

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    3

Supplementary Figure 2. Lineage tracing of Prx1-lineage during skeletal development and repair in the renal capsule environment - Absence of the host contribution. (a) Flow cytometry analyses of PCs and BMSCs isolated from Prx1-Cre;YFPfl/+ mature skeletal elements grown under renal capsule of wild type hosts as shown in Figure 2a. PCs and BMSCs that are negative for endothelial/hematopoietic markers (CD31, CD11b, CD34, CD45) and positive for Sca1/CD105 are YFP-positive donor-derived. (b) Experimental design for renal capsule transplantations of femoral cartilages isolated from E14.5 wild type embryos and transplanted under the renal capsule of Prx1-Cre;YFPfl/+ adult hosts. PCs and BMSCs were isolated from mature skeletal elements 8 weeks post-transplantation as described in Fig. 1a. (c) Flow cytometry analyses show that PCs and BMSCs that are negative for endothelial/hematopoietic markers (CD31, CD11b, CD34, CD45) and positive for Sca1/CD29 are YFP-negative donor-derived. No contribution of the host-derived Prx1 lineage can be detected. (d) Experimental design for cell-lineage analyses during bone regeneration in renal capsule. Femoral cartilages were isolated from E14.5 wild type embryos and transplanted under the renal capsule of Prx1-Cre+/-;LacZfl/+ hosts. After 8 weeks, mature femurs underwent osteotomy and were collected at d14 post-fracture for cell lineage tracing. (e) TC and Xgal/TRAP double staining on longitudinal sections of wild type fractured femurs in Prx1-Cre+/-;LacZfl/+ hosts showing no LacZ+ osteocytes in the callus confirming no systemic contribution of the host Prx1 lineage to repair (blue arrowheads, LacZ+/TRAP+ bone lining osteoclasts with endogenous beta-galactosidase activity). TC: Masson’s trichrome, TRAP: Tartrate resistant acid phosphatase, orange arrow: fracture site, black arrow in (e): periosteum, blue arrowhead: osteoclasts.

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Supplementary Figure 3. Proliferation, cell death and cellular contribution of PCs and BMSCs to bone repair in vivo and migration potential in vitro. (a) Lineage tracing of PCs (left column) and BMSCs (right column) derived from GFP donors in the fracture callus after transplantation in wild type hosts. SO staining and DAPI/GFP immunofluorescence on longitudinal sections at day 7 (d7) shows more PCs than BMSCs in the center of the fracture callus (GFP+ pointed by white arrows) (n=5 per group). Histomorphometric analyses show similar contribution of BMSC and aBM to bone callus formation at day 7 and increased contribution of BMSCs to cartilage at day 10 compared to aBM. (b) PCs and BMSCs proliferate in the callus after transplantation. Immunofluorescence anti-PCNA shows PCNA/GFP double positive PCs in the center of the callus. BMSCs in the center of the callus are also PCNA/GFP double positive (BMSCs left panel) but most of transplanted/proliferating BMSCs remain at the periphery of the callus (BMSCs right panel). (c) Immunofluorescence anti-Cleaved Caspase 3 (casp3) shows no cell death at day 7 after transplantation of either PCs or BMSCs. (d) Migration potential of PCs and BMSCs. In vitro wound healing assay shows PCs closing the wound 30 hours after plating while BMSCs were still migrating (n=3 per group). Black dashed line: callus, White dashed line: bone cortex, white arrowheads point to PCNA+ cells, Merge: GFP/PCNA double positive cells (b) or GFP/cleavedCaspase3 double positive cells (c), SO: Safranin-O/Fast Green, cal: callus, c: cortex, bm: bone marrow. Scale bar: 1mm. Statistical differences between the groups were determined using Mann-Whitney test (*p≤0.05, **p<0.001, ***p<0.0005) (n= 3 to 5). All data represent mean ± SD.

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Supplementary Figure 4. BMSCs are highly enriched in hematopoietic and immune functions compared to PCs at day0 and day3. (a) GSEA analysis comparing PCd0 versus BMSCd0. (b) GSEA analysis comparing PCd3 versus BMSCd3. Gene sets enriched in PCs are shown in red and those enriched in BMSCs are shown in blue.

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Supplementary Figure 5. Expression analyses of Periostin and Periostin-linked genes in bone marrow during healing via endochondral ossification and impaired bone healing via intramembranous ossification in Postn KO mice. (a) SO staining and DAPI/POSTN immunofluorescence on wild type longitudinal tibia sections showing the absence of Periostin (POSTN) expression in the bone marrow and endosteum of un-injured and injured tibias at day 3 post non-stabilized fractures as compared to high expression in periosteum in Figure 5a (immunofluorescences correspond to box areas in SO). Scale bar: 0.5mm. (b) TC staining on longitudinal sections of mouse tibia at d14 and d21 post cortical defect in wild type (WT) and Periostin KO (KO) mice (n=4). Scale bar: 0.5 mm. (c) Histomorphometric analyses show impaired callus and bone formation at d14 and d21 post cortical defect in Periostin KO mice compared to wild type littermates. (d) Quantitative RT-PCR analyses of Periostin linked genes Lumican, Decorin, Osteoglycin, Thombospondin 2, Endoglin 1, Dermatopontin, Asporin, Fibrillin 1, Tenascin C, Biglycan, SPARC, Col3a1 in WT- and KO-BMSCs shows no downregulation in KO-BMSCs compared to WT at day 3 post non-stabilized fracture (as compared to downregulation in PCs in Figure 6e) (n=3). SO: Safranin-O/Fast Green, TC: Masson’s trichrome, bm: bone marrow, c: cortex, e: endosteum. Black dashed line and white dashed line: cortex, yellow line: new bone formation. Statistical differences between the groups were determined using Mann-Whitney test (*p≤0.05). All data represent mean ± SD.

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Supplementary Figure 6, related to Figure 7. The ability of periosteal cells to form cartilage and to colonize the new periosteal niche after periosteum transplantation is impaired in the absence of Periostin. (a) Quantitative analyses of GFP periosteal grafts from Figure 7a-c show the ability of periosteal cells derived from the GFP periosteal graft to expand extensively from periosteum in 3 rounds of injuries. The number of GFP+ cells is high in the cartilage in response to the fracture (d7) compared to the rare GFP+ cells found in the new periosteum at d28. (b) Transplantation of Periostin KO GFP graft into Periostin KO hosts shows that the absence of Periostin abolishes the ability of periosteal cells to re-populate the periosteal niche (d28-new periosteum, no GFP+ cells), and to form cartilage after a second injury (d7-callus, no GFP+ cells). As a consequence, the pseudarthrosis phenotype is observed as early as day 7 Periostin KO hosts causing a more severe bone repair defect compared to the first injury (d7, fibrosis showed by Picrosirius Staining, PS). (c) Immunohistochemistry anti-BrdU shows that cell proliferation is not affected in the periosteum in the absence of Periostin (black arrows: BrdU+ cells). SO: Safranin-O/Fast Green, cal: callus, po: periosteum, nb: new bone, m: muscle, white dashed line: periosteum, orange and black dashed lines: callus, black dashed line in (c): periosteum, n=2 to 4 per group. Scale bar= 1mm. Statistical differences between the groups were determined using Mann-Whitney test (*p≤0.05) (n=3). All data represent mean ± SD.

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Supplementary Figure 7. Model of skeletal stem cell (SSC) origins and functions during bone regeneration. SSCs in periosteum and bone marrow share a common embryonic origin and derive from the Prx1-mesenchymal lineage. SSCs in periosteum have increased regenerative potential compared to bone marrow and self renew within periosteum after bone injury. Extracellular matrix proteins including the matricellular protein Periostin mark the periosteum response to injury and Periostin overexpression in periosteum after bone injury is required for periosteum activation and bone repair.

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Supplementary Table 1. Primers for PCR genotyping name Primers

mouse Prx1-Cre 5’-CCTGGAAAATGCTTCTGTCCG-3’ 5’-CAGGGTGTTATAAGCAATCCC-3’

mouse mTmG 5’-CTCTGCTGCCTCCTGGCTTCT-3’ 5’-CGAGGCGGATCACAAGCAATA-3’ 5’-TCAATGGGCGGGGGTCGTT-3’

mouse R26ReYFP 5’-AAGACCGCGAAGAGTTTGTC-3’ 5’-GGAGCGGGAGAAATGGATATG-3’ 5’-AAAGTCGCTCTGAGTTGTTAT-3’

mouse R26ReLacZ 5'-AAAGTCGCTCTGAGTTGTTATCA-3' 5'- GTGGGAAGTCTTGTCCCTCC -3' 5'-CTTCCATTTGTCACGTCCTGC-3'

mouse Periostin 5’-AGTGTGCAGATGTTTGCTTG-3’ 5’-ACGAAATACAGTTTGGTAATCC-3’ 5’-CAGCGCATCGCCTTCTATCG-3’

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Supplementary Table 2. Primers for qPCR. Gene name Primer pair Primer sequence

mouse PDGFRα PDGFRα for 5’-AGAGTTACACGTTTGAGCTGTC-3’ PDGFRα rev 5’-GTCCCTCCACGGTACTCCT-3’

mouse Gremlin 1 Gremlin 1 for 5’-AAGCGAGATTGGTGCAAAACT-3’ Gremlin 1 rev 5’-GAAGCGGTTGATGATAGTGCG-3’

mouse Cxcl12 Cxcl12 for 5’-GAGCCAACGTCAAGCATCTG-3’ Cxcl12 rev 5’-CGGGTCAATGCACACTTGTC-3’

mouse Leptin Receptor Leptin R for 5’-ATGTGCCCTTCCGATATACAACC-3’ Leptin R rev 5’-CGTGTCATCCACTAATCTTCTGG-3’

mouse Nestin Nestin for 5’-TCCCTTAGTCTGGAAGTGGCTA-3’ Nestin rev 5’-GGTGTCTGCAAGCGAGAGTT-3’

mouse NG2 NG2 for 5’-GGGCTGTGCTGTCTGTTGA-3’ NG2 rev 5’-TGATTCCCTTCAGGTAAGGCA-3’

mouse Vimentin Vimentin for 5’-CTGCTTCAAGACTCGGTGGAC-3’ Vimentin rev 5’-ATCTCCTCCTCGTACAGGTCG-3’

mouse Periostin Postn for 5’-CCTGCCCTTATATGCTCTGCT-3’ Postn rev 5’-AAACATGGTCAATAGGCATCACT-3’

mouse Lumican Lumican for 5’-CTCTTGCCTTGGCATTAGTCG-3’ Lumican rev 5’-GGGGGCAGTTACATTCTGGTG-3’

mouse Decorin Decorin for 5’-TCTTGGGCTGGACCATTTGAA-3’ Decorin rev 5’-CATCGGTAGGGGCACATAGA-3’

mouse Osteoglycin Osteoglycin for 5’-ACCATAACGACCTGGAATCTGT-3’ Osteoglycin rev 5’-AACGAGTGTCATTAGCCTTGC-3’

mouse Thrombospondin 2 Thbs2 for 5’-CTGGGCATAGGGCCAAGAG-3’ Thbs2 rev 5’-GCTTGACAATCCTGTTGAGATCA-3’

mouse Asporin Asporin for 5’-AAGGAGTATGTGATGCTACTGCT-3’ Asporin rev 5’-ACATTGGCACCCAAATGGACA-3’

mouse Fibrillin 1 Fibrillin 1 for 5’-GGACGCCAATTTGGAGGCT-3’ Fibrillin 1 rev 5’-CTTTCAGCGCATCGTGTCCT-3’

mouse Tenascin C Tenascin C for 5’-ACGGCTACCACAGAAGCTG-3’ Tenascin C rev 5’-ATGGCTGTTGTTGCTATGGCA-3’

mouse Endoglin 1 Endoglin 1 for 5’-AGCTGGTCAGCCAGAAGAGT-3’ Endoglin 1 rev 5’-GCCCTCGATCCAGGTGATCT-3’

mouse Dermatopontin Dermatopontin for 5’-TGGATGGGTGAATCTTAACCGC-3’ Dermatopontin rev 5’-TCAGAGCCTTCCTTCTTGCTA-3’

mouse Col3a1 Col3a1 for 5’-CTGTAACATGGAAACTGGGGAAA-3’ Col3a1 rev 5’-CCATAGCTGAACTGAAAACCACC-3’

mouse Biglycan Biglycan for 5’-AGACAAACCGACAGCCTGACAAC-3’ Biglycan rev 5’-GCCAGCAGCAAGGTGAGTAGC-3’

mouse SPARC SPARC for 5’-CCACACGTTTCTTTGAGACC-3’ SPARC rev 5’-GATGTCCTGCTCCTTGATGC-3’

mouse GAPDH GAPDH for 5’- AGGTCGGTGTGAACGGATTTG-3’ GAPDH rev 5’- TGTAGACCATGTAGTTGAGGTCA-3’

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Supplementary Table 3. List of 93 genes named “Postn linked genes”.

6 Genes from intersection of PCd3>PCd0 with Postn linked genes and with PCd3>BMSCd3

Postn periostin, osteoblast specific factor Aspn asporin

Col3a1 collagen, type III, alpha 1 Dcn decorin

Egln1 EGL nine homolog 1 (C, elegans) Lum lumican

16 Genes from intersection of PCd3>BMSCd3 with Postn linked genes

Bmpr1a bone morphogenetic protein receptor, type 1A Col12a1 collagen, type XII, alpha 1 Col1a1 collagen, type I, alpha 1 Col1a2 collagen, type I, alpha 2 Col5a1 collagen, type V, alpha 1 Col5a2 collagen, type V, alpha 2 Col6a3 collagen, type VI, alpha 3

Dpt dermatopontin Egfr epidermal growth factor receptor Fbn1 fibrillin 1

Mmp12 matrix metallopeptidase 12 Mmp2 matrix metallopeptidase 2 Mmp3 matrix metallopeptidase 3

Sparcl1 Sparc like 1 Tbx18 T-box18 Thbs2 thrombospondin 2

9 Genes from intersection of PCd3>PCd0 with Postn linked genes

Bcl2l11 BCL2-like 1 Erbb3 V-erb-b2 erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 3 (avian) Grb2 growth factor receptor bound protein 2 Gtf2f2 general transcription factor IIF, polypeptide 2 Itgb2 integrin beta 2 Itgb5 integrin beta 5

Lgals3 lectin, galactose binding, soluble 3 Runx3 Runt Related Transcription Factor 3 Tgfb1 transforming growth factor, beta 1

62 other Postn linked genes

Akt1 thymoma viral proto-oncogene 1

Bcar1 breast cancer anti-estrogen resistance 1 Bcl2l1 BCL2-like 1 Bgn biglycan

Bmp1 bone morphogenetic protein 1 Bmp2 bone morphogenetic protein 2 Bmp4 bone morphogenetic protein 4 Cbl Casitas B-lineage lymphoma

Cdh1 cadherin 1 Cdh11 cadherin 11 Cdx1 caudal type homeobox 1 Clca3 chloride channel calcium activated 3

Col14a1 collagen, type XIV, alpha 1 Col2a1 collagen, type II, alpha 1 Col4a1 collagen, type IV, alpha 1 Col6a1 collagen, type VI, alpha 1 Col6a2 collagen, type VI, alpha 2 Ctnnb1 catenin (cadherin associated protein), beta 1

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Supplementary Table 3. List of 93 genes named “Postn linked genes”.

6 Genes from intersection of PCd3>PCd0 with Postn linked genes and with PCd3>BMSCd3

Postn periostin, osteoblast specific factor Aspn asporin

Col3a1 collagen, type III, alpha 1 Dcn decorin

Egln1 EGL nine homolog 1 (C, elegans) Lum lumican

16 Genes from intersection of PCd3>BMSCd3 with Postn linked genes

Bmpr1a bone morphogenetic protein receptor, type 1A Col12a1 collagen, type XII, alpha 1 Col1a1 collagen, type I, alpha 1 Col1a2 collagen, type I, alpha 2 Col5a1 collagen, type V, alpha 1 Col5a2 collagen, type V, alpha 2 Col6a3 collagen, type VI, alpha 3

Dpt dermatopontin Egfr epidermal growth factor receptor Fbn1 fibrillin 1

Mmp12 matrix metallopeptidase 12 Mmp2 matrix metallopeptidase 2 Mmp3 matrix metallopeptidase 3

Sparcl1 Sparc like 1 Tbx18 T-box18 Thbs2 thrombospondin 2

9 Genes from intersection of PCd3>PCd0 with Postn linked genes

Bcl2l11 BCL2-like 1 Erbb3 V-erb-b2 erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 3 (avian) Grb2 growth factor receptor bound protein 2 Gtf2f2 general transcription factor IIF, polypeptide 2 Itgb2 integrin beta 2 Itgb5 integrin beta 5

Lgals3 lectin, galactose binding, soluble 3 Runx3 Runt Related Transcription Factor 3 Tgfb1 transforming growth factor, beta 1

62 other Postn linked genes

Akt1 thymoma viral proto-oncogene 1

Bcar1 breast cancer anti-estrogen resistance 1 Bcl2l1 BCL2-like 1 Bgn biglycan

Bmp1 bone morphogenetic protein 1 Bmp2 bone morphogenetic protein 2 Bmp4 bone morphogenetic protein 4 Cbl Casitas B-lineage lymphoma

Cdh1 cadherin 1 Cdh11 cadherin 11 Cdx1 caudal type homeobox 1 Clca3 chloride channel calcium activated 3

Col14a1 collagen, type XIV, alpha 1 Col2a1 collagen, type II, alpha 1 Col4a1 collagen, type IV, alpha 1 Col6a1 collagen, type VI, alpha 1 Col6a2 collagen, type VI, alpha 2 Ctnnb1 catenin (cadherin associated protein), beta 1

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Ctnnd1 catenin (cadherin associated protein), beta 11 Egln2 EGL nine homolog 2 (C, elegans) Erbb2 V-erb-b2 erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 2 (avian) Erbb4 V-erb-b2 erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 4 (avian) Fkbp4 FK506 binding protein 4 Fkbp5 FK506 binding protein 5 Fn1 fibronectin 1

Foxo1 forkhead box O1 Foxo3 forkhead box O3 Itga3 integrin alpha 3 Itgam integrin alpha M Itgax integrin alpha X Itgb1 integrin beta 1 Itgb3 integrin beta 3 Itgb6 integrin beta 6 Kdr kinase insert domain protein receptor

Mmp13 matrix metallopeptidase 13 Mmp1b matrix metallopeptidase 1b

Mtor mechanistic target of rapamycin (serine/threonine kinase) Ndufs2 NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S protein 2 Ndufs3 NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S protein 3 Ndufs7 NADH dehydrogenase (ubiquinone) Fe-S protein 7 Ndufv1 NADH dehydrogenase (ubiquinone) flavoprotein 1 Ndufv2 NADH dehydrogenase (ubiquinone) flavoprotein 2 Nos3 nitric oxide synthase 3, endothelial cell

Notch1 Notch gene homolog 1 (Drosophila) Nppa natriuretic peptide type A Ogn osteoglycin

Pdgfrab platelet derived growth factor receptor, beta polypeptide Ptk2 PTK2 protein tyrosine kinase 2 Pxn paxillin Rbpj recombination signal binding protein for immunoglobulin kappa J region

Serpinb2 serine (or cysteine) peptidase inhibitor, clade B, member 2 Rictor RPTOR Independent Companion Of MTOR Complex 2 Runx2 Runt Related Transcription Factor 2 Shc1 src homology 2 domain-containing transforming protein C1 Snai2 snail homolog 2 (Drosophila) Sost sclerostin

Sparc SPARC Tgfb2 transforming growth factor, beta 2 Tnc tenascin C

Twist1 twist homolog 1 (Drosophila) Vegfa vascular endothelial growth factor A Vegfc vascular endothelial growth factor C

  Article  1,  Duchamp  et  al,  Nature  Communications,  2018    

101  

   

  Article  2,  Abou-­‐Khalil  et  al,  Stem  Cells,  2015    

102  

  Article  2,  Abou-­‐Khalil  et  al,  Stem  Cells,  2015    

103  

Article  2  

   

Role of Muscle Stem Cells During SkeletalRegenerationRANA ABOU–KHALIL,a FRANK YANG,b SHIRLEY LIEU,b ANAIS JULIEN,a JASELLE PERRY,b CATIA PEREIRA,aFREDERIC RELAIX,c THEODORE MICLAU,b RALPH MARCUCIO,b CELINE COLNOTaKey Words. Bone • Cre-loxP system • In vivo tracking • Satellite cells • Stem cell transplantation• CartilageABSTRACTAlthough the importance of muscle in skeletal regeneration is well recognized clinically, themechanisms by which muscle supports bone repair have remained elusive. Muscle flaps areoften used to cover the damaged bone after traumatic injury yet their contribution to bonehealing is not known. Here, we show that direct bone-muscle interactions are required for peri-osteum activation and callus formation, and that muscle grafts provide a source of stem cellsfor skeletal regeneration. We investigated the role of satellite cells, the muscle stem cells. Satel-lite cells loss in Pax72/2 mice and satellite cell ablation in Pax7CreERT2/1;DTAf/f mice impairedbone regeneration. Although satellite cells did not contribute as a large source of cells endoge-nously, they exhibited a potential to contribute to bone repair after transplantation. The frac-ture healing phenotype in Pax7CreERT2/1;DTAf/f mice was associated with decreased bonemorphogenetic proteins (BMPs), insulin-like growth factor 1, and fibroblast growth factor 2expression that are normally upregulated in response to fracture in satellite cells. ExogenousrhBMP2 improved bone healing in Pax7CreERT2/1;DTAf/f mice further supporting the role of satel-lite cells as a source of growth factors. These results provide the first functional evidence for adirect contribution of muscle to bone regeneration with important clinical implications as itmay impact the use of muscle flaps, muscle stem cells, and growth factors in orthopedic appli-cations. STEM CELLS 2015;33:1501–1511INTRODUCTION

Skeletal muscle and bone are closely linkedacross development, growth, and aging [1–3].Given their common mesodermal origin, it isnot surprising that the dependent associationof muscle and bone arises at the earlieststages of development. Muscle provides asource of mechanical stimuli for bone [4, 5].Muscle mass, bone mass, and strength arehighly correlated. Decreased muscle function,arising with disease or age, is clearly accompa-nied by diminished bone mass and morphol-ogy [1, 6, 7].

The functional interactions between mus-cle and bone are also critical during adult tis-sue regeneration. The clinical importance ofmuscle in fracture repair is clear as illustratedby the increased rate of delayed union andnonunion in patients with extreme traumaand soft tissue damage [8]. The lack of intactmuscle around the fracture site may hinderproper vascularization, release of osteogenicfactors, and/or recruitment of stem cells.Treatments for these fractures include antibi-otic therapy to prevent infection, fracture sta-bilization, bone grafting in case of critical size

defects, and soft tissue grafting such as fascio-cutaneous or muscle flaps [9]. Soft tissue cov-erage is important for protecting the woundor exposed tissues, reducing infection rate,and possibly increasing the blood supply [10].Muscle coverage of open fractures increasesthe rate of healing compared to fasciocutane-ous tissue [11, 12]. However, the specific rolesof muscle to support bone repair have notbeen elucidated at the cellular and molecularlevels.

Skeletal muscle and bone exhibit very effi-cient regenerative capacities supported byendogenous muscle stem cells, also called satel-lite cells, and skeletal stem cells, respectively. Inadult skeletal muscle, satellite cells are essentialfor the maintenance of muscle mass and formuscle regeneration [13, 14]. Pax3 and Pax7,two related paired-box transcription factors,mark the satellite cell population and areinvolved in the specification, maintenance ofskeletal muscle progenitors, and their engage-ment in the myogenic program during embryo-genesis [15–17]. While, Pax7 is considered asthe universal marker of adult satellite cells, Pax3expression is only confined to a subpopulation

aINSERM UMR1163,Universit!e Paris Descartes-Sorbonne Paris Cit!e, InstitutImagine, Hopital NeckerEnfants Malades, Paris,France; bDepartment ofOrthopaedic Surgery,University of California, SanFrancisco, San FranciscoGeneral Hospital,Orthopaedic TraumaInstitute, San Francisco,California, USA; cINSERM,U955, IMRB, UPEC, Cr!eteil,Paris, France

Correspondence: C!eline Colnot,Ph.D., INSERM UMR1163,Universit!e Paris Descartes-Sorbonne Paris Cit!e-InstitutImagine, Hopital Necker EnfantsMalades, 24 Boulevard duMontparnasse-75015 Paris,France. Telephone: 33-(0)1-42-75-42-33;e-mail: [email protected]

Received September 24, 2014;accepted for publicationDecember 7, 2014; firstpublished online in STEM CELLS

EXPRESS January 16, 2015.

VC AlphaMed Press1066-5099/2014/$30.00/0

http://dx.doi.org/10.1002/stem.1945

STEM CELLS 2015;33:1501–1511 www.StemCells.com VC AlphaMed Press 2015

REGENERATIVE MEDICINE

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of satellite cells that express Pax7 after birth [13, 15–17].Whether muscle stem cells are involved in the muscle-boneinteractions in response to tissue injury is not known.

Following bone injury, skeletal stem cells are activatedduring the inflammatory phase of repair [18, 19]. We haveshown that skeletal muscle regulates inflammation duringbone regeneration [20]. Tumor necrosis factor-a can enhancebone healing and induce the differentiation of stromal cellspresent in muscle toward osteogenic and chondrogenic line-ages [21]. Although skeletal stem cells originate primarilyfrom the local periosteum [22–24], muscle-derived stem cellsmay also secondarily contribute to bone repair [25–27].Indeed, satellite cells can differentiate into osteoblasts andchondrocytes in vitro and in vivo [25, 28–30]. The recruitmentof skeletal stem cells is stimulated by growth factors includingbone morphogenetic proteins (BMPs) secreted at the fracturesite by inflammatory cells and bone cells [31–33]. Further-more, skeletal muscle produces numerous growth factors andcytokines such as insulin-like growth factor 1 (IGF1) and fibro-blast growth factor 2 (FGF2), two well-known osteogenic-related factors [5, 34]. Inversely, myostatin secreted by myo-fibers has negative effects on bone repair [5, 34, 35]. Theseobservations reveal important biochemical interactionsbetween muscle and bone, which have not been functionallyexamined so far.

Here, we provide functional evidence for the local cellularand molecular interactions between muscle and bone. Weconcentrate on the role of satellite cells that mediate thedirect muscle-bone interactions required for callus formation.We show that loss and ablation of satellite cells in miceimpair bone regeneration. We investigate the role of satellitecells as a source of cells and molecular signals, and show thatsatellite cells are activated in the muscle adjacent to the frac-tured bone leading to increased production of growth factorsthat are essential for bone regeneration. Hence, we establishthe cooperation of two adjacent tissues during musculoskel-etal regeneration, via the concomitant stimulation of stemcells within these tissues.MATERIALS AND METHODSAnimalsC57BL/6, Pax7CreERT2 beta-actin-GFP, Pax72/2, Pax3Cre, DTAf/f

(DTA5 diphtheria toxin fragment A), R26RLacZ, and R26R

eYFP

mice were obtained from Jackson Laboratory (Bar Harbor,ME) [17, 36, 37]. Pax7

CreERT2 were mated with DTAf/f,

R26RLacZ, and R26R

eYFP mice. Pax3Cre mice were bred with

R26RLacZ. Three-month-old male mice and age-matched wild-

type male littermates were used to conduct all experiments.To induce Cre recombinase activity, mice received intraperito-neal injections of Tamoxifen (Tmx) (Sigma, St. Louis, Missouri)at 3 mg/40 g b.wt. daily for 3 days, 1 week prior to fractureinjury. For satellite cell ablation in Pax7

CreERT2/1;DTA

f/f mice,due to lethality of mice [38], Tmx injections were adminis-trated 24 hours prior to fracture, immediately following frac-ture, and 24 hours later. In our hands, cre recombination andsatellite cell ablation efficiency was !80% (Supporting Infor-mation Fig. S1). All experiments were conducted according tothe Institutional Animal Care and Use Committee of Universityof California San Francisco and Paris Descartes University.

Closed Nonstabilized FracturesClosed standardized nonstabilized tibial fractures were createdunder anesthesia in the mid-diaphysis of the right tibia viathree-point bending as previously described [18, 20]. The tibiawas placed on the fracture jig, and a 500 g weight wasdropped from 3.5 cm to create the fracture. Mice wererevived and monitored closely until sacrifice.rhBMP2 TreatmentAt the time of the fracture, Tmx-induced Pax7

CreERT2/1;DTA

f/f

mice received a single injection of 10 mg of recombinanthuman BMP2 (rhBMP2) (Medtronic, Minneapolis, MN) inphosphate buffered saline (0.7 mg/ml) between the fracturedtibia ends using a syringe and 30-gauge needle (Hamilton,Reno, NV) [39].Open Nonstabilized FracturesOpen nonstabilized tibial fractures were produced by osteot-omy as previously described [20, 23]. The anterior tibial sur-face was exposed by separating the bone from thesurrounding muscles. Three holes were drilled in the tibialcortex using a 0.4 mm drill bit. Bone was cut until a fracturewas created. Prior to the open fracture, a 0.4 mm soft Milli-pore filter was placed at the periosteal surface of the boneand wrapped around the tibia at the level of the fracture cov-ering 3–4 mm distally and posteriorly. Precaution was takennot to damage the periosteum when separating periosteumand muscle using fine scissors and forceps during the proce-dure. The soft filter was placed on the posterior part of thetibia in-between muscle and bone. Following osteotomy, themuscles were sutured on the anterior part of the tibia inorder to hold the filter in place and to cover the entire sur-face of the tibia. In control samples, the muscle was sepa-rated from the muscle without disrupting the periosteum. Thesame procedure was followed except for the placement ofthe filter.Histological and Histomorphometric AnalysesHistomorphometric analyses were performed as previouslydescribed [20]. Briefly, mice were sacrificed following anesthe-sia and callus tissues were collected at days 5, 7, 14, and 21postfracture (n5 5 or 6 per group). Samples were fixed in 4%paraformaldehyde (PFA) overnight, decalcified in 19% EDTA(pH 7.4) for 14 days and, embedded in paraffin. Serial 10 mmlongitudinal paraffin sections were stained with Safranin-O/Fast Green to detect cartilage and modified Milligan’s Tri-chrome to detect bone. Images were captured using a LeicaDM 5000 B light microscope (Leica Microsystems GmbH, Ger-many) with an attached camera (Diagnostic Instruments, Inc.,Sterling Heights, MI), and Olympus CAST system (Olympus,Center Valley, PA). Images were analyzed with Adobe Photo-shop (Adobe, Inc., San Jose, CA) and Visiopharm (Visiopharm,Hørsholm, Denmark) to determine the component volumes ofbone and cartilage formation and reference volumes of callustissues as described in [20, 40, 41].Transplantation of Bone GraftsBone grafts, with or without muscle, were isolated from thetibia of Rosa26 donor mice that expressed LacZ ubiquitouslyas described in [23]. To follow cells derived from Rosa26

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muscle combined with the periosteum, muscle was leftattached to the periosteum. Bone grafts containing intact per-iosteum, with or without muscle, were placed in a tibial corti-cal bone defect adjacent to the fracture site of 3-month-oldrecipient C57BL/6 male mice [23].Muscle TransplantationA whole EDL (extensor digitorum longus) muscle was carefullyisolated from beta-actin-GFP donor mice, expressing green flu-orescent protein (GFP) ubiquitously, and transplanted into 3-month-old recipient C57BL/6 host male mice as described in[42]. Prior to open nonstabilized fracture injury, GFP-EDL mus-cle was transplanted adjacent to the tibia. The short proximaltendon of the graft was sutured to the tendon between thepatella and the knee of the host. The distal long tendon ofthe graft was sutured to the distal tendon of the host pero-neus muscle. Mice were revived and monitored closely untilsacrifice (n5 5).Myoblast CultureHind limb muscles were dissected from 2-month-old beta-

actin-GFP male mice and digested as previously described inBrack et al. [43]. Briefly, hind limb muscles were digestedwith 400 UI/ml collagenase type II (Life Technology, Carlsbad,CA) for 90 minutes at 37!C. Digested muscles were mechani-cally dissociated into single myofibers by repeated triturationusing Pasteur Pipette. Subsequently, myofiber fragments weredigested with 0.5 U/ml Dispase and 0.2% collagenase type II(Life Technologies, Carlsbad, CA) for 30 minutes at 37!C. Satel-lite cells were liberated from myofibers and plated into cul-ture dish in growth media (Hams F-10, 20% fetal bovineserum (FBS), 5 ng/ml bFGF). Primary myoblast cultures wereenriched by negatively selecting fibroblasts that attach to non-coated dishes. Only pure low-passage-myoblasts ("95%) wereused for transplantation.Fluorescent-Activated Cell Sorting of Satellite CellsMuscle stem cells (satellite cells) were freshly sorted fromTamoxifen-induced 2-month-old Pax7CreERT2/1;R26ReYFP/1 malemice. Briefly as described above, myogenic mononucleatedcells were enzymatically isolated from hind limb muscles. Cellswere incubated in Hams F-10 supplemented with 10% FBSand satellite cells were freshly sorted based on the expressionof YFP (yellow fluorescent protein). Flow cytometry cell sort-ing was performed using BD FACS Aria (Becton Dickinson[BD], Franklin Lakes, NJ) through Imagine Institute FlowCytometry Core Facility. Live cells were identified by negativestaining for Sytox Blue (1 mg/ml) (Invitrogen, Carlsbad, CA).Satellite cell sorting was optimized to achieve maximal cellpurity and viability. Only pure sorted satellite cells ("99%)were used for cell transplantation.Cell TransplantationAn open tibial fracture was performed as described above on 3-month-old recipient C57BL/6 host male mice. To transplant thecells to the fracture site, Tissucol kit (Baxter, France) was usedaccording to the manufacturer’s instructions and as previouslydescribed [44]. Myoblasts and freshly sorted muscle stem cells(105 cells) were embedded in highly and fast resorbable Tissu-col fibrin scaffold obtained by adding 15 ml of fibrinogen(30 mg/ml) followed by 15 ml of thrombin (18 mg/ml). After

gentle mixing, cells embedded into resorbable fibrin scaffoldwere transplanted into the fracture site of the C57BL/6 hostmice (n5 5). Mice were revived and monitored closely untilsacrifice.AntibodiesAffinity-purified rat anti-mouse CD31/PECAM antibody waspurchased from BD Pharmingen (San Diego, CA) to detectendothelial cells. Affinity-purified Chicken anti-GFP antibodywas purchased from Life Technologies to detect GFP or YFPproteins.ImmunofluorescenceFollowing transplantation of GFP-EDL, GFP myoblasts, andfreshly sorted Pax7 YFP1 satellite cells into the fracture site,fracture calluses were harvested. Samples were fixed in 4%paraformaldehyde overnight, decalcified in 19% EDTA (pH 7.4)for 14 days at 4!C and, subsequently, embedded for cryostatsectioning. Immunofluorescence was performed on slides pre-pared from sections located 300 mm apart throughout the cal-lus. Tissue sections for immunohistochemistry were fixed in4% PFA for 10 minutes, washed, permeabilized in 0.2% PBS,Triton X-100, and incubated with blocking solution (10% goatserum) for 30 minutes. Sections were stained in GFP antibodyovernight at 4!C and subsequently revealed with Alexa fluoro-phore conjugated chicken anti-IgG antibodies with DAPI for 1hour at room temperature.PECAM Immunohistochemistry and StereologicalAnalysesAnti-PECAM immunohistochemistry was performed on tissuesections located 300 mm apart throughout the callus as previ-ously described [20]. Briefly, after deparaffinization, sectionswere treated with 0.1% trypsin in PBS 13 for retrieval of anti-genicity. Endogenous peroxidase activity and nonspecific bind-ing sites were blocked by incubating sections in 0.3% H2O2 inphosphate buffer saline (PBS) 13 and 5% goat serum in PBS13 for 30 minutes and 90 minutes, respectively. Sectionswere then incubated with diluted primary antibody in 5%goat serum (1:100) at 4!C overnight. Sections were next incu-bated with diluted secondary antibody in 5% goat serum(1:250). Subsequently, sections were incubated with avidin/biotin enzyme complex (Vector Laboratories, Inc., Burlingame,CA) in PBS 13. Staining was detected using diaminobenzidine,and the tissue was counterstained with 0.02% Fast Green.Stereological analyses of endothelial cell surface density wereperformed as previously described [20].X-gal Staining and QuantificationBeta-galactosidase activity was detected by X-gal (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-D-b-galactoside) staining as previouslydescribed [45]. Briefly, cryosections located 300 mm apartthroughout the callus were fixed in 0.2% glutaraldehyde solu-tion, washed three times for 15 minutes in a solution contain-ing 2 mM MgCl2, 0.01% sodium deoxycholate, 0.02% NonidetP40 in PBS, and stained overnight in wash solution containing1 mg/ml X-gal, 2.1 mg/ml potassium ferrocyanide, 1.64 mg/ml potassium ferricyanide, and 20 mM Tris-HCl, pH 7.3, andlightly counterstained with eosin. To exclude X-Gal stainingdue to endogenous b-galactosidase activity in osteoclasts, weperformed double staining for b-galactosidase followed by

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tartrate resistant acid phosphatase (TRAP) staining with a leu-kocyte acid phosphatase kit (Sigma, St. Louis, MO) [23]. Quan-tification of LacZ donor contribution was performed byfollowing the histomorphometric method described in Luet al. [40] to count X-gal-positive cells excluding the bonemarrow compartment (n5 5 or 6 per group).RNA Isolation and RTqPCRNonstabilized tibial fractures in Pax7

CreERT2/1;DTA

f/f and theirage-matched wild-type littermate were created as describedabove. Mice were sacrificed as described above at days 3 and5 postfracture. Following removal of surrounding skin, callustissues and all adjacent tissues located 0.5 cm distal and prox-imal to the callus boundaries were collected at day 5 post-fracture to analyze osteogenic and chondrogenic markers. Toassess the molecular contribution of muscle during boneregeneration, only the adjacent muscles surrounding calluswere collected after 3 days of bone regeneration. Total RNAwas extracted from muscles using Trizol reagent (Life Technol-ogies). Freshly fluorescence-activated cell-sorted (FACS) mus-cle stem cells were collected from muscle surrounding callusfrom uninjured or 3 days regenerating tibia of 3-month-oldPax7CreERT2/1;R26ReYFP/1mice. Total RNA was isolated fromFACS-sorted muscle stem cells using Qiagen Kit (Germantown,MD). The quantity of extracted RNA was confirmed using aNanoDrop 2000 UV-Vis Spectrophotometer (Thermo Scientific,Wilmington, DE). Commercially available primers (SupportingInformation Table S1) were purchased from Qiagen (German-town, MD). cDNA synthesis was performed using an iScriptcDNA Synthesis Kit (Bio-Rad, Hercules, CA). Real-time PCR wasperformed using a QuantiTect SYBR Green PCR Kit (Qiagen)and detected using a CFX96 Touch Real-Time PCR DetectionSystem (Bio-Rad, Hercules, CA). GAPDH was used as an inter-nal control for all genes.Statistical AnalysesA minimum of five samples was used for each group. Statisti-cal significance was calculated with GraphPad Prism v6.0a.Student’s t test, one-way, and two-way ANOVA were used forstatistical analyses. In all experiments, p values <.05 wereconsidered significant.RESULTSTo functionally assess the role of skeletal muscle during boneregeneration, we blocked the physical contact between mus-cle and bone using an open tibial fracture model. At the timeof fracture, a Millipore filter was placed at the periosteal sur-face, preventing direct physical interactions between boneand muscle. Although callus size was comparable in the twogroups due to the presence of the filter and fibrous tissue(data not shown), the composition of the callus was signifi-cantly affected. At 7 and 10 days postfracture, relative carti-lage and relative bone volumes were significantly decreasedin the presence of the filter compared to calluses without fil-ter (Fig. 1A, 1B), indicating a delay in cartilage and bone dep-osition. We observed a deficient periosteal reaction in areaswhere the filter was in direct contact with the bone (Fig. 1C,asterisk). This was not due to periosteal damage or delayedangiogenesis as shown by the presence of blood vessels

stained with PECAM in areas where periosteal reaction wasimpaired (Fig. 1C). By day 10, periosteal reaction was eventu-ally noticeable but shifted in distal parts of the tibia, adjacentto the filter, while cartilage was mostly found at the level ofthe fracture site in the control group (Fig. 1C, arrows). Thiswas followed by a delay in cartilage resorption in the pres-ence of the filter as shown by an increase in the relative carti-lage volume by days 14 and 21 compared to controls (Fig.1C). Relative bone volume remained significantly lower in thepresence of the filter through day 21 indicating a sustaineddelay in bone deposition (Fig. 1B). Moreover, histological anal-yses showed that bone bridging was disrupted in areas wherethe filter was close to the fracture site (Fig. 1D).

Since direct interactions between muscle and bone appearnecessary for callus formation, we assessed the relative cellu-lar contribution of periosteum and muscle using bone graftingand genetic cell tracing [23]. As previously shown, Rosa26periosteal grafts transplanted into the fracture site of wild-type mice contribute locally to cartilage and bone within thecallus as illustrated by the presence of LacZ1 chondrocytesand osteoblasts within the callus (Fig. 2A). When muscle wasleft attached to the graft the percentage of LacZ1 graft con-tribution to the callus was significantly increased (Fig. 2B, 2C).To test the cellular contribution of muscle independent of theperiosteum, we transplanted an EDL muscle expressing GFPubiquitously adjacent to an open fracture of wild-type hostmice (Fig. 2D). At day 14, we observed GFP1 chondrocytes incartilage that stained for Safranin-O within the callus (Fig. 2E),indicating the muscle can provide a source of chondroprogeni-tors during bone regeneration.

To determine the role of satellite cells during boneregeneration, we assessed bone regeneration in Pax72/2

mice that exhibit progressive loss of satellite cells afterbirth [17]. Although the majority of Pax7-deficient mice dieat 2 weeks of age, the surviving Pax7-deficient mice weresmaller but exhibited normal tibia length by 3 months(Supporting Information Fig. S2) and survived until adult-hood [46, 47]. Pax7-deficient mice showed impaired boneregeneration as shown by the decrease in callus size, carti-lage, and bone volumes compared to wild-type mice (Fig.3A–3C). Impaired bone regeneration in Pax7

2/2 mice wasnot linked to a defect in angiogenesis as shown by theincrease in capillary surface compared to wild-type mice(Fig. 3F, 3G).

To confirm the importance of satellite cells during boneregeneration, satellite cells were ablated at the time of frac-ture after tamoxifen (Tmx) induction of Pax7CreERT2/1;DTAf/f

mice (Cre mice) and their Cre-negative control littermates(Ctrl) (Fig. 4A). In our experiments, Cre recombination andsatellite cell ablation efficiency was !80%, which is consistentwith previous reports [37]. By day 5 and day 7, callus size,cartilage, and bone volumes were significantly decreased inCre mice compared to Ctrl (Fig. 4B–4D). Long-term studieswere precluded due to the lethality of Pax7CreERT2/1;DTAf/f

mice 5–7 days after Tmx injections [38]. Histological analysesconfirmed the decrease in cartilage and bone matrix deposi-tion in Cre mice (Fig. 4E). This was correlated with adecreased expression of cartilage markers (collagen 2, col2

and collagen 10, col10) and bone markers (collagen 1, col1and osteocalcin, oc) (Fig. 4F). As observed in Pax72/2 mice, asignificant increase in capillary surface was observed in Cre

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mice compared to Ctrl. Thus, impaired bone healing after sat-ellite cell loss or ablation uncovers the role of satellite cellsduring bone regeneration either as an endogenous source ofstem cells or growth factors.

To assess the endogenous contribution of satellite cells tobone regeneration, we used Pax3

Cre/1;R26R

LacZ/1 mice, toinduce LacZ expression in all satellite cells and their progeni-tors during myogenesis [15]. Fourteen days after fracture inadult mice, we detected LacZ1/TRAP2 cells within the callusthat were derived from Pax3-expressing satellite cells (Sup-porting Information Fig. S3B, SB1, SC1). Rare LacZ1/TRAP2chondrocytes colocalized within the Safranin-O stained carti-lage matrix (Supporting Information Fig. S1A). We confirmedsatellite cell contribution to bone regeneration using celltransplantation approaches. We isolated satellite cells frombeta-actin-GFP transgenic mice and cultured them to obtainmyoblasts or proliferating activated satellite cells. We trans-planted Tissucol-embedded GFP1 myoblasts directly into thefracture site (Fig. 5A). After 14 days of bone regeneration, weobserved GFP1 chondrocytes in the callus as shown bySafranin-O staining on an adjacent section (Fig. 5B). Next, wetransplanted freshly sorted quiescent satellite cells directlyinto the fracture site. Quiescent satellite cells were isolated

by FACS sorting YFP1 cells from hind limb muscles ofTamoxifen-induced Pax7CreERT2/1;R26ReYFP/1 mice (Fig. 5C). Weverified the purity of the FACS sorted Pax7-YFP1 satellite cellsby Pax7 immunofluorescence (!98%). Immediately after sort-ing, Pax7-YFP1 cells were embedded in Tissucol and trans-planted into the fracture site of wild-type mice (Fig. 5D).After 14 days, we observed GFP1 cells within the callus (Fig.5E). These GFP1 cells were again detected within the carti-lage matrix that was stained by Safranin-O (Fig. 5E), confirm-ing that transplanted quiescent satellite cells can alsocontribute to the tissue regenerate.

Since the cellular contribution of satellite cells within thefracture callus was not substantial, we assessed the ability ofsatellite cells to produce growth factors that are essential forbone regeneration. Three days after fracture in Tamoxifen-induced Pax7

CreERT2/1;R26R

eYFP/1 mice, muscles surroundingthe callus (day 3) and from uninjured collateral leg (day 0)were harvested. Satellite cells were purified by FACS and ana-lyzed for expression of key growth factors. We previouslyshowed that skeletal cell fate decisions occur within 3 daysafter fracture [18], therefore we chose this early time point toidentify potential muscle-derived factors that may influenceperiosteal activation. We observed a significant increase in

Figure 1. Interactions between muscle and bone are required for callus formation. Histomorphometric analyses of (A) relative cartilagevolume and (B) relative bone volume at days 7 (d7), 10 (d10), 14 (d14), and 21 (d21) post-tibial fracture in the absence or the presenceof a Millipore filter around the fracture site. (C): SO staining of longitudinal sections of callus tissue in the absence (Fx) or the presenceof a Millipore filter (Fx1 Filter, filter5dashed line) at day 7 (d7) (top panel) and day 10 (d10) (bottom) of bone regeneration(arrow5 cartilage in red). Asterisks show deficient periosteal reaction and cartilage deposition in contact with the filter. PECAM immu-nohistochemical staining (area corresponding to box in SO) on adjacent sections shows normal vascularization in areas between the fil-ter and the periosteum. (D): TC staining of longitudinal sections of callus tissue in the absence or the presence of a Millipore filter(dashed line) at day 14 (d14) of bone regeneration indicate bone matrix deposition (Blue, arrowheads). The filter delayed bone bridging(asterisks). Error bars represent 6SEM. One-way, two-way ANOVA and unpaired Student’s t test, p values *, p< .05; **, p< .001; ***,p< 0.0005 (n5 5 or 6 per group). Scale bar5 1 mm. Abbreviations: SO, Safranin-O; TC, trichrome.

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expression of bmp-2, 24, 26, and 27 in satellite cells after 3days of bone regeneration compared to quiescent satellitecells at day 0 (Fig. 6A). Expression of other growth factorssuch as Igf1 and Fgf2 was also increased in satellite cells atday 3 (Fig. 6A). We next determined the effect of satellite cellablation in Pax7

CreERT2/1;DTA

f/f (Cre) mice on the expressionof these growth factors during bone repair (Fig. 6B). Threedays after fracture, expression of bmp2, bmp4, bmp7 as wellas igf1 and fgf2 was significantly decreased in muscles sur-rounding the callus of Cre mice compared to Ctrl mice (Fig.6B). These results indicate that satellite cells express growthfactors, including BMPs, in response to injury and that thesemuscle-derived growth factors are significantly decreased inthe muscle surrounding the fracture callus following satellitecell ablation.

To determine whether impaired bone healing in Pax7-CreERT2/1

;DTAf/f mice is due to the decrease in muscle stem

cell-derived growth factors after satellite cell ablation, weinjected 10 mg of recombinant human BMP2 (rhBMP2)

directly to the fracture site in tamoxifen-treated Pax7-CreERT2/1

;DTAf/f mice (Fig. 6C). After 5 days of bone regenera-

tion, rhBMP2 treatment significantly increased callus size andboth cartilage and bone volumes compared to untreated con-trol mice (Ctrl) (Fig. 6C). Altogether our data provide strongfunctional evidence for the role of satellite cell-derived BMPduring bone regeneration.DISCUSSIONBone has a remarkable ability to regenerate following injury.However, in approximately 10% of all skeletal injuries boneregeneration is delayed or impaired, and there is even greaterrisk of delayed union or nonunion in patients with soft tissuedamage [8]. Muscle may be essential at several stages of thebone repair process. Our data provide a mechanism wherebythe muscle supports the normal process of bone healing by adirect interaction with the periosteum and by providing

Figure 2. Muscle improves the cellular contribution of periosteum during bone regeneration and directly contributes to cartilage. Bonegrafts (orange dotted lines, g: graft) with intact PO (A) or with intact periosteum and adjacent muscle (PO1muscle) (B) isolated fromRosa26 mice were grafted at the fracture site of wild-type mice. Sections through the fracture callus 10 days postfracture and bonegrafting stained with SO (top) and XGAL (bottom). (A): PO grafts gave rise to chondrocytes and osteoblasts/osteocytes (arrows) at theperiosteal surface. (B): PO combined with muscle increased the proportion of graft-derived cartilage and bone within the callus (arrows).(C): Stereological quantification of LacZ contribution within the callus. (D): EDL muscle isolated from beta-actin-GFP mice and trans-planted adjacent to the open tibial fracture of wild-type host mice (n5 5). (E): SO staining (left) of longitudinal sections of callus tissuesat day 14 (d14). Immunofluorescence of GFP (green) and DAPI (blue) (right) shows GFP1 cells within callus (delimited by a dotted line)on adjacent sections. Low magnification of GFP staining (top) corresponds to area in the black box in SO. White arrowhead points tothe GFP1 EDL graft. High magnifications of SO and GFP1 chondrocytes within cartilage (bottom) correspond to white box in GFP panel.Error bars represent 6SEM. Unpaired Student’s t test, p values **, p< .001 (n5 5 or 6 per group). Scale bar5 1 mm (A), 500 mm (E).Abbreviations: GFP, green fluorescent protein; PO, periosteum; SO, Safranin-O.

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osteogenic/chondrogenic factors through activation of satellitecells in the muscle adjacent to the fracture callus. Disruptingthese interactions may underlie the increased rate of nonun-ions in patients with significant soft-tissue injuries. Further-more, our results provide a mechanism by which musclegrafts covering soft tissue injuries stimulate healing [12].

The periosteum plays an indispensible role in bone regen-eration and is a major source of skeletal stem cells for carti-lage and bone formation [22, 23]. We used a model ofnonstabilized tibial fracture, which allowed us to amplify theendochondral ossification process and periosteal activation inorder to better represent the role of satellite cells and musclein fracture repair. We show that skeletal muscle adjacent tobone interacts with the periosteum and is essential for itsactivation in response to bone injury. Muscle obstruction,using a porous filter, impaired bone regeneration by inhibitingperiosteal activation in areas where direct muscle-periosteuminteractions were blocked, delaying chondrogenesis and osteo-genesis, and most importantly preventing bone bridging atlater time points. Using a periosteal graft model, we also

showed that muscle enhanced the periosteal contribution tobone regeneration confirming the importance of skeletal mus-cle during bone regeneration as a source of growth factorsand/or stem cells.

We established the cellular contribution of muscle duringbone regeneration by transplanting whole GFP-EDL muscleadjacent to a fracture site that gave rise to GFP1 chondro-cytes within the facture callus. We showed that satellite cellsplay a crucial role in bone regeneration as satellite cell loss inPax7

2/2 mice and satellite cell ablation in Pax7CreERT2/1

;DTAf/f

mice severely impaired bone regeneration. Interestingly, inboth the Pax7

2/2 and Pax7CreERT2/1

;DTAf/f mice, angiogenesis

was increased indicating that skeletal progenitors within bloodvessels did not compensate for the defect in bone regenera-tion [48]. Muscle-lineage analyses in Pax3

Cre/1;R26R

LacZ/1

mice revealed a contribution of satellite cells as an endoge-nous source of chondrocytes during bone regeneration. Localmuscle injury surrounding the callus activates satellites cellsin regenerating fibers. These activated satellite cells may bereleased to be integrated in the callus and become exposed

Figure 3. Loss of muscle stem cells impairs bone regeneration. Histomorphometric measurements of (A) total callus volume, (B) totalcartilage volume, and (C) total bone volume at days 7 (d7), 14 (d14), and 21 (d21) postfracture in control wild-type (Ctrl) and Pax7

2/2

mice. (D): SO staining of longitudinal sections of Ctrl and Pax72/2 callus tissues at day 7 (d7) (cartilage in red, callus outlined by a dot-

ted line). (E): TC staining of sections of Ctrl and Pax72/2 callus tissues at day 14 (d14) (bone matrix deposition in blue). (F): PECAM

immunostaining (arrowheads) of Ctrl and Pax72/2 fracture calluses after 7 days (d7) of bone regeneration (area corresponds to boxesin D). (G): Stereological quantification of blood vessels within the callus of Ctrl and Pax7

2/2 mice. Error bars represent 6SEM. One-way, two-way ANOVA and unpaired Student’s t test, p values *, p< .05; **, p< .001 (n5 5 or 6 per group). Scale bar5 1 mm. Abbrevi-ations: B, bone; Cg, cartilage; SO, Safranin-O; TC, trichrome.

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osteogenic/chondrogenic factors through activation of satellitecells in the muscle adjacent to the fracture callus. Disruptingthese interactions may underlie the increased rate of nonun-ions in patients with significant soft-tissue injuries. Further-more, our results provide a mechanism by which musclegrafts covering soft tissue injuries stimulate healing [12].

The periosteum plays an indispensible role in bone regen-eration and is a major source of skeletal stem cells for carti-lage and bone formation [22, 23]. We used a model ofnonstabilized tibial fracture, which allowed us to amplify theendochondral ossification process and periosteal activation inorder to better represent the role of satellite cells and musclein fracture repair. We show that skeletal muscle adjacent tobone interacts with the periosteum and is essential for itsactivation in response to bone injury. Muscle obstruction,using a porous filter, impaired bone regeneration by inhibitingperiosteal activation in areas where direct muscle-periosteuminteractions were blocked, delaying chondrogenesis and osteo-genesis, and most importantly preventing bone bridging atlater time points. Using a periosteal graft model, we also

showed that muscle enhanced the periosteal contribution tobone regeneration confirming the importance of skeletal mus-cle during bone regeneration as a source of growth factorsand/or stem cells.

We established the cellular contribution of muscle duringbone regeneration by transplanting whole GFP-EDL muscleadjacent to a fracture site that gave rise to GFP1 chondro-cytes within the facture callus. We showed that satellite cellsplay a crucial role in bone regeneration as satellite cell loss inPax7

2/2 mice and satellite cell ablation in Pax7CreERT2/1

;DTAf/f

mice severely impaired bone regeneration. Interestingly, inboth the Pax7

2/2 and Pax7CreERT2/1

;DTAf/f mice, angiogenesis

was increased indicating that skeletal progenitors within bloodvessels did not compensate for the defect in bone regenera-tion [48]. Muscle-lineage analyses in Pax3

Cre/1;R26R

LacZ/1

mice revealed a contribution of satellite cells as an endoge-nous source of chondrocytes during bone regeneration. Localmuscle injury surrounding the callus activates satellites cellsin regenerating fibers. These activated satellite cells may bereleased to be integrated in the callus and become exposed

Figure 3. Loss of muscle stem cells impairs bone regeneration. Histomorphometric measurements of (A) total callus volume, (B) totalcartilage volume, and (C) total bone volume at days 7 (d7), 14 (d14), and 21 (d21) postfracture in control wild-type (Ctrl) and Pax7

2/2

mice. (D): SO staining of longitudinal sections of Ctrl and Pax72/2 callus tissues at day 7 (d7) (cartilage in red, callus outlined by a dot-

ted line). (E): TC staining of sections of Ctrl and Pax72/2 callus tissues at day 14 (d14) (bone matrix deposition in blue). (F): PECAM

immunostaining (arrowheads) of Ctrl and Pax72/2 fracture calluses after 7 days (d7) of bone regeneration (area corresponds to boxesin D). (G): Stereological quantification of blood vessels within the callus of Ctrl and Pax7

2/2 mice. Error bars represent 6SEM. One-way, two-way ANOVA and unpaired Student’s t test, p values *, p< .05; **, p< .001 (n5 5 or 6 per group). Scale bar5 1 mm. Abbrevi-ations: B, bone; Cg, cartilage; SO, Safranin-O; TC, trichrome.

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to signals that induce their differentiation within the chondro-genic lineage. Since the endogenous contribution of satellitecells was minimal, we do not exclude that other muscle-resident nonmyogenic, nonsatellite stem cells may also be asource of osteochondroprogenitors that also participate inbone regeneration. However, when transplanted directly intothe fracture site, freshly purified quiescent satellite cells andproliferating satellite cells (myoblasts) differentiated intochondrocytes and contributed to bone regeneration. Herealso the transplanted cells were directly exposed to chondro-genic signals in the fracture environment that induced theirdifferentiation into chondrocytes. These results confirm thebone regenerative potential of satellite cells in vivo. However,when transplanting GFP-myoblasts, we observed a better

Figure 5. Cellular contribution of transplanted myoblasts andmuscle stem cells to bone regeneration. (A): TissuCol embedded-GFP myoblasts transplanted into the open tibial fracture site ofwild-type host mice. (B): SO staining (left) of longitudinal sectionsof callus tissues at day 14 (d14) after fracture; immunofluores-cence of GFP (green), DAPI (blue) (right) on adjacent sectionsshows GFP1 cells within callus (outlined by a dotted line). Highmagnification of SO and GFP1 chondrocytes within cartilage (bot-tom; areas correspond to black and white boxes, respectively).(C): Representative fluorescence-activated cell sorting (FACS) plotof sorted Pax7 YFP1 muscle stem cells from Tamoxifen-inducedPax7CreERT2/1;R26ReYFP/1 mice. (D): TissuCol embedded-freshlyFACS sorted Pax7 YFP1 satellite cells were transplanted into theopen tibial fracture site of wild-type host mice. (E): SO staining(left) of longitudinal sections of callus tissues at day 14 (d14) ofbone regeneration; immunofluorescence of GFP (green), DAPI(blue) (right) on adjacent sections shows GFP1 cells within callus.High magnification of SO and GFP1 cells within cartilage (bot-tom; areas correspond to black and white boxes, respectively).Scale bar5 500 mm (B, E). Abbreviations: GFP, green fluorescentprotein; SO, Safranin-O; YFP, yellow fluorescent protein.

Figure 4. Ablation of muscle stem cells impairs bone regenera-tion. (A): Pax7CreERT2/1;DTAf/f mice (Cre mice) and their Cre-negative control littermates (Ctrl) received Tmx injections 24hours prior to fracture, immediately following fracture, and 24hours later. Histomorphometric measurements of (B) total callusvolume, (C) total cartilage volume, and (D) total bone volume atdays 5 (d5) and 7 (d7) postfracture in Ctrl and Cre mice. (E): SOstaining (top) and TC staining (bottom) of longitudinal sections ofCtrl and Cre callus tissues at day 7 (d7) of bone regeneration(cartilage in red and bone matrix in blue, arrowheads, respec-tively). Callus is outlined with dashed line. (F): RQ by RTqPCR ofchondrogenic markers, collagen 2 (col2), collagen 10 (col10), andosteogenic markers, collagen 1 (col1) and osteocalcin (oc) mRNAwithin Ctrl and Cre calluses at day 7. Expression level was nor-malized to GAPDH mRNA. (G): Stereological quantification ofblood vessels within the callus of Ctrl and Cre mice followingPECAM immunohistochemical staining. Error bars represent6SEM. One-way, two-way ANOVA and unpaired Student’s t test,p values *, p< .05; **, p< .001; ***, p< .0005; ****, p< .0001(n5 5 or 6 per group). Scale bar5 1 mm. Abbreviations: RQ, rel-ative quantification; SO, Safranin-O; TC, trichrome.

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contribution to cartilage within the callus compared to sortedsatellite cells, suggesting that the GFP-myoblast cell popula-tion was maybe a heterogeneous cell population allowing abetter contribution to cartilage within the callus. Future invitro analyses may help further elucidate the cellular versusmolecular contributions of myogenic cells during bone repair.

More significantly, we show that satellite cells provide asource of growth factors during bone regeneration. The fac-tors regulating musculoskeletal interactions have not beenelucidated. BMPs may be produced by many cell types atthe fracture site including inflammatory cells, bone matrix,

and bone cells [33, 49]. We show that BMPS producedlocally by muscle stem cells are among the growth factorsprovided by muscle to support bone regeneration. Indeed,muscle stem cells expressed other growth factors such asIGF1 and FGF2 that are also crucial for bone regeneration[5, 34]. When treated with rhBMP2, the delayed bone regen-eration in Pax7

CreERT2/1;DTA

f/f mice was improved. Musclestem cells may play a role, in addition to other cell types,by regulating the BMP-dependent activation of skeletal stemcells within periosteum and callus formation [31, 39, 50],providing a functional explanation for the critical interactions

Figure 6. Molecular contribution of satellite cells to bone regeneration. (A): Pax7CreERT2/1;R26ReYFP/1 mice received Tamoxifen injec-tions daily for 3 days, 1 week prior to closed nonstabilized tibial fracture. Muscles surrounding callus were harvested and Pax7 YFP1satellite cells were freshly fluorescence-activated cell sorted (FACS) at d0 and d3. RQ by RTqPCR of bmp2, bmp4, bmp6, bmp7, igf1, fgf2mRNA, within freshly FACS sorted Pax7 YFP1 satellite cells at d0 (d0 SC) and d3 (d3 SC) of bone regeneration. Expression level was nor-malized to GAPDH mRNA. (B): Tamoxifen injections and closed-nonstabilized fracture of 3-month-old Pax7CreERT2/1;DTAf/f (Cre) mice andtheir matched control (Ctrl) littermates. Muscles surrounding callus were harvested at 3 days (d3). RQ by RTqPCR of bmp2, bmp4,bmp7, igf1, fgf2 mRNA within surrounding muscle at d3 of bone regeneration of Ctrl and Cre mice. Expression level was normalized toGAPDH mRNA. Error bars represent 6SEM. Unpaired Student’s t test, p values *, p< .05; **, p< .001 (n5 5 or 6 per group). (C):Tamoxifen injections and closed nonstabilized tibial fracture in 3-month-old Pax7CreERT2/1;DTAf/f (Cre) mice. Ten micrograms of rhBMP2in phosphate buffered saline was injected at the time of the fracture. Histomorphometric measurements of total callus volume (left),total cartilage volume (center), and total bone volume (right) at day 5 (d5) postfracture in Ctrl and BMP2-treated Cre mice. (D): Repre-sentative Safranin-O (top) and Trichrome (bottom) staining of callus sections of Ctrl and BMP2-treated Cre mice (arrowheads point toenhanced periosteal reaction and cartilage formation in treated mice). Error bars represent 6SEM. Unpaired Student’s t test, p values *,p< .05; **, p< .001 (n 55 or 6 per group). Scale bar5 1 mm. Abbreviations: RQ, relative quantification; SO, Safranin-O; TC, trichrome.

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contribution to cartilage within the callus compared to sortedsatellite cells, suggesting that the GFP-myoblast cell popula-tion was maybe a heterogeneous cell population allowing abetter contribution to cartilage within the callus. Future invitro analyses may help further elucidate the cellular versusmolecular contributions of myogenic cells during bone repair.

More significantly, we show that satellite cells provide asource of growth factors during bone regeneration. The fac-tors regulating musculoskeletal interactions have not beenelucidated. BMPs may be produced by many cell types atthe fracture site including inflammatory cells, bone matrix,

and bone cells [33, 49]. We show that BMPS producedlocally by muscle stem cells are among the growth factorsprovided by muscle to support bone regeneration. Indeed,muscle stem cells expressed other growth factors such asIGF1 and FGF2 that are also crucial for bone regeneration[5, 34]. When treated with rhBMP2, the delayed bone regen-eration in Pax7

CreERT2/1;DTA

f/f mice was improved. Musclestem cells may play a role, in addition to other cell types,by regulating the BMP-dependent activation of skeletal stemcells within periosteum and callus formation [31, 39, 50],providing a functional explanation for the critical interactions

Figure 6. Molecular contribution of satellite cells to bone regeneration. (A): Pax7CreERT2/1;R26ReYFP/1 mice received Tamoxifen injec-tions daily for 3 days, 1 week prior to closed nonstabilized tibial fracture. Muscles surrounding callus were harvested and Pax7 YFP1satellite cells were freshly fluorescence-activated cell sorted (FACS) at d0 and d3. RQ by RTqPCR of bmp2, bmp4, bmp6, bmp7, igf1, fgf2mRNA, within freshly FACS sorted Pax7 YFP1 satellite cells at d0 (d0 SC) and d3 (d3 SC) of bone regeneration. Expression level was nor-malized to GAPDH mRNA. (B): Tamoxifen injections and closed-nonstabilized fracture of 3-month-old Pax7CreERT2/1;DTAf/f (Cre) mice andtheir matched control (Ctrl) littermates. Muscles surrounding callus were harvested at 3 days (d3). RQ by RTqPCR of bmp2, bmp4,bmp7, igf1, fgf2 mRNA within surrounding muscle at d3 of bone regeneration of Ctrl and Cre mice. Expression level was normalized toGAPDH mRNA. Error bars represent 6SEM. Unpaired Student’s t test, p values *, p< .05; **, p< .001 (n5 5 or 6 per group). (C):Tamoxifen injections and closed nonstabilized tibial fracture in 3-month-old Pax7CreERT2/1;DTAf/f (Cre) mice. Ten micrograms of rhBMP2in phosphate buffered saline was injected at the time of the fracture. Histomorphometric measurements of total callus volume (left),total cartilage volume (center), and total bone volume (right) at day 5 (d5) postfracture in Ctrl and BMP2-treated Cre mice. (D): Repre-sentative Safranin-O (top) and Trichrome (bottom) staining of callus sections of Ctrl and BMP2-treated Cre mice (arrowheads point toenhanced periosteal reaction and cartilage formation in treated mice). Error bars represent 6SEM. Unpaired Student’s t test, p values *,p< .05; **, p< .001 (n 55 or 6 per group). Scale bar5 1 mm. Abbreviations: RQ, relative quantification; SO, Safranin-O; TC, trichrome.

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between muscle and bone that are required for periostealactivation. The role of muscle in periosteal activation via aBMP-dependent mechanism may be particularly relevant inthe context of endochondral ossification, as we previouslyshowed that cell fate within the periosteum was regulatedby BMP2 [39].CONCLUSIONSAltogether, our results elucidate the functional role of muscleduring bone regeneration, via the cellular and molecular con-tribution of satellite cells, the muscle stem cells, in the pro-cess of endochondral ossification. Muscle-derived growthfactors are primary actors in this context. Understanding themechanism by which skeletal muscle enhances bone regener-ation is crucial to define the causes for tissue repair dysfunc-tions after severe trauma, which often affects several tissues.By identifying the potential of satellite cells to provide asource of growth factors and skeletal stem cells in vivo, ourfindings may lead to direct clinical applications for the treat-ment of nonunion and for better understanding the bases ofmusculoskeletal repair defects associated with musculoskeletaldiseases and with musculoskeletal trauma. In future clinicalapplications, muscle flaps may not only help covering bonedefects and prevent infections, but also supporting bone heal-ing more directly. Indeed, muscle may provide a more effi-cient source of stem cells for cell therapies, as muscle stemcells may reveal superior in vivo regenerative capacities com-pared to bone marrow-derived mesenchymal stem cells usedwidely in tissue engineering approaches.

ACKNOWLEDGMENTSWe thank Caroline Carvalho for technical assistance and Cor-inne Cordier at the Imagine Institute flow cytometry corefacility. This work was supported by NIH-NIAMS R01AR057344, ANR-13-BSV1-001-01, INSERM ATIP-Avenir andSanofi R10071KS, FP7 Marie Curie IRG-268227, Osteosynthesisand Trauma Care Foundation 2011-CCSP, National ScienceFoundation Science Master’s Program Award (DGE-1011717),CIRM Bridges Master’s Training Grant (TBI-01194).AUTHOR CONTRIBUTIONSR.A.-K.: conception and design, collection and assembly ofdata, data analysis and interpretation, and manuscript writing;F.Y.: collection and assembly of data, data analysis and inter-pretation, and manuscript writing; S.L.: collection and assem-bly of data and data analysis; A.J.: collection and assembly ofdata and data analysis and interpretation; J.P. and C.P.: collec-tion and assembly of data; F.R.: provision of study material,data interpretation, and final approval of manuscript; T.M.and R.M.: financial support, data interpretation, and finalapproval of manuscript; C.C.: conception and design, financialsupport, collection and assembly of data, data analysis andinterpretation, manuscript writing, and final approval ofmanuscript. R.A.-K. and F.Y. contributed equally to this work.DISCLOSURE OF POTENTIAL CONFLICTS OF INTERESTThe authors indicate no potential conflicts of interest.REFERENCES1 Brotto M. Aging, sarcopenia and store-

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42 Grounds MD, Partridge TA. Isoenzymestudies of whole muscle grafts and move-ment of muscle precursor cells. Cell TissueRes 1983;230:677–688.43 Brack AS, Conboy MJ, Roy S et al.Increased Wnt signaling during aging altersmuscle stem cell fate and increases fibrosis.Science 2007;317:807–810.44 Bensaid W, Triffit JT, Blanchat C et al. Abiodegradable fibrin scaffold for mesenchy-mal stem cell transplantation. Biomaterials2003;24:2497–2502.45 Colnot C, Huang S, Helms J. Analyzingthe cellular contribution of bone marrow tofracture healing using bone marrow trans-plantation in mice. Biochem Biophys ResCommun 2006;350:557–561.46 Oustanina S, Hause G, Braun T. Pax7directs postnatal renewal and propagation ofmyogenic satellite cells but not their specifi-cation. EMBO J 2004;23:3430–3439.47 Kuang S, Charge SB, Seale P et al. Dis-tinct roles for Pax7 and Pax3 in adult regen-erative myogenesis. J Cell Biol 2006;172:103–113.48 Grcevic D, Pejda S, Matthews BG et al.In vivo fate mapping identifies mesenchymalprogenitor cells. Stem Cells 2012;30:187–196.49 Dimitriou R, Tsiridis E, Giannoudis PV.Current concepts of molecular aspects ofbone healing. Injury 2005;36:1392–1404.50 Lai X, Price C, Lu XL et al. Imaging andquantifying solute transport across perios-teum: Implications for muscle-bone crosstalk.Bone 2014;66:82–89.

See www.StemCells.com for supporting information available online.

Abou-Khalil, Yang, Lieu et al. 1511

www.StemCells.com VC AlphaMed Press 2015

  Article  2,  Abou-­‐Khalil  et  al,  Stem  Cells,  2015    

116  

     

Supplementary  Figures            

Role  of  muscle  stem  cells  during  skeletal  regeneration            

Abou-­‐Khalil  et  al.    

  Article  2,  Abou-­‐Khalil  et  al,  Stem  Cells,  2015    

117  

 

BA

Ctrl Cre

Pax7

/lam

inin

/DA

PI

Ctrl Cre0

15

30

Nb

of P

ax7+

cel

ls/s

ectio

n

***

Supplemental Figure 1: Efficiency of satellite cell depletion after tamoxifen induction of Pax7CreERT/+;DTAfl/fl mice and Cre-negative controls. (A) Numeric counts of Pax7+ cells located in EDL (extensor digitorum longus) muscle overlying callus tissues at day 5 post-fracture in control wild type (Ctrl) and tamoxifen-induced Pax7CreERT2/+;DTA f/f mice (Cre). Error bars represent ±SEM. Unpaired student’s t-test, P values *** P <0.0005 (n =5 per group). (B) Immunofluorescence staining of Pax7 (green), laminin (red) and DAPI (blue) on axial sections of Ctrl and Cre EDL muscle overlying callus tissues at day 5 post-fracture shows Pax7+ DAPI+ cells between basal lamina as indicated by white arrowheads.

  Article  2,  Abou-­‐Khalil  et  al,  Stem  Cells,  2015    

118  

  Article  2,  Abou-­‐Khalil  et  al,  Stem  Cells,  2015    

119  

   

Supplemental Figure 3: Endogenous contribution of muscle stem cells during bone regeneration

(A) Safranin-O (SO) staining of longitudinal sections of Pax3Cre/+;R26RLacZ/+ callus tissues at day 14 (d14)

of bone regeneration, dashed line delimitates callus area. (B) XGAL staining of adjacent sections of

Pax3Cre/+;R26RLacZ/+ callus tissues at day 14 (d14) of bone regeneration (area corresponds to dashed box

in SO staining) shows LacZ+ chondrocytes within the callus. (B.1) Representative LacZ+ chondrocytes within

the callus (area corresponds to Box 1 in XGAL staining). (B.2) Representative LacZ+ bone lining cells (area

corresponds to Box 2 in XGAL staining). (C) Representative TRAP staining on adjacent sections of

Pax3Cre/+;R26RLacZ/+ callus tissues at day 14 (d14) of bone regeneration. (C.1) LacZ+ chondrocytes within

callus are TRAP- (area corresponds to Box1 in TRAP staining), while LacZ+ osteoclasts (C.2) are TRAP+

(area corresponds to Box2 in TRAP staining). Mu: muscle; ca: callus; B: bone; Cg: cartilage. Scale bar: 1 mm (A)

XGAL

TRAP

A B

B.2

B.1

C.1

C.2

C

mu

ca

B

B

Cg

Cg

B

mu

ca

1

1

2

2

B

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

120  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

121  

Article  3  (en  cours  de  soumission)        Muscle-­‐derived   profibrotic   progenitors   impair   bone  

healing  in  musculoskeletal  trauma  

 Julien   Anais1   ,   Kanagalingam   Anuya1   ,   Megret   Jérome2   ,   Relaix   Frédéric3     and   Colnot  

Céline1,*  

 

1  INSERM  U1163,  Imagine  Institute,  Paris  Descartes  University,  75015,  Paris,  France  

2   INSERM   US24   -­‐   CNRS   UMS3633   Cytometry   Platform,   Paris   Descartes   University,  

75015,  Paris,  France  

3  INSERM  IMRB  U955,  Paris  Est-­‐Créteil  University,  94000,  Créteil,  France  

 

*Correspondence:  [email protected]  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

122  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

123  

ABSTRACT  

 

Tissue   regeneration   relies   on   resident   stem   cells   that   are   generally   activated   locally  

within   the   injured  tissue  or  organ.  Failure   to  regenerate  after   injury  can  be  associated  

with  abnormal  stem  cell   function,   inflammation  and  vascularization,  as  well  as   fibrous  

tissue  accumulation.  The  origin  of   fibrosis   is   a  main   concern   in   regenerative  medicine  

and   chronic   diseases   as   it   interferes   with   tissue   regeneration.   In   the  musculoskeletal  

system,   the   regenerative   process   depends   on   tissue-­‐specific   stem   cells   residing   in  

muscle  and  bone,  i.e.  satellite  cells  and  periosteal  cells  respectively.  Here  we  show  that  

bone  injury  leads  to  the  recruitment  of  skeletal  stem/progenitor  cells  not  only  from  the  

periosteum  but  also  from  adjacent  skeletal  muscles.  Lineage  tracing  experiments  reveal  

that  skeletal  stem/progenitor  cells  within  bone  and  muscle  are  derived  from  a  common  

mesenchymal   lineage,  marked   by   Prx1   and   PDGFRα,   and   cooperate   to   repair   bone   in  

adult.   In   a   mouse   model   of   bone   fracture   combined   with   muscle   injury   mimicking  

musculoskeletal  trauma  in  human,  skeletal  stem/progenitor  cells  within  periosteum  and  

muscle   are   compromised   leading   to   impaired   bone   healing.   Absence   of   fracture  

consolidation  in  this  poly-­‐trauma  model  is  characterized  by  the  accumulation  of  fibrous  

tissue   produced   by   muscle   interstitial   cells   also   derived   from   the   Prx1   lineage   and  

overlapping   with   fibro-­‐adipoprogenitors.   Inhibition   of   PDGFRα   signalling   with  

Imatinib®   in  this  mouse  model   improves   fibrotic  remodelling  and  bone  repair.   In  sum,  

the   results   reveal   a   supporting   role   of   skeletal   muscle   as   a   source   of   skeletal  

stem/progenitor  cells  during  bone  repair  and  uncover  skeletal  muscle  as  the  source  of  

fracture   callus   fibrosis   in  musculoskeletal   trauma.  This  dual   role   of   skeletal  muscle   in  

bone   regeneration   suggests   new   pharmacological   and   cell-­‐based   approaches   to   treat  

musculoskeletal  trauma.  

 

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

124  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

125  

INTRODUCTION  

 

The   hallmark   of   tissue   regeneration   is   the   recruitment   of   tissue   resident   stem   cells  

concomitant   with   a   controlled   inflammatory   response   and   transient   fibrous   tissue  

deposition1,2.   These   initial   steps   of   regeneration   are   then   followed   by   new   tissue  

formation   that   necessitates   a   resolving   phase   of   inflammation   and   removal   of   fibrotic  

cells   and   associated   extra-­‐cellular   matrix.   This   regenerative   process   can   be  

compromised   in   severe   trauma   and   in   pathological   conditions   such   as   chronic  

inflammatory   and   fibrotic   diseases   including   cardiovascular   diseases,   kidney   diseases  

and  muscular  dystrophy.  Deregulated  inflammation,  unresorbed  fibrous  tissue  together  

with  deficient  stem  cell  function  prevents  functional  recovery  of  the  tissue3,4.  

 

Bone  regeneration  is  usually  described  as  a  scare-­‐less  and  efficient  regenerative  process,  

involving   skeletal   stem   cells   producing   cartilage   and   bone   that   are   then   slowly  

remodelled  to  reconstitute  the  initial  shape  and  function  of  the  injured  bone.  The  origin  

and  role  of  fibrosis  in  this  process  is  unknown  although  fibrous  tissue  has  been  reported  

clinically   in   trauma  patients5.  Moreover,   the  nature  of   the  skeletal  stem  cells  and  their  

tissue  origins  is  still  not  entirely  elucidated  as  we  lack  tissue-­‐specific  markers.  Although  

bone   marrow   has   long   been   studied   as   the   source   of   skeletal   progenitors   for   bone,  

recent   advances   have   shown   that   periosteum   lying   at   the   outer   surface   of   bone   is   a  

major  source  of  skeletal  stem/progenitors  during  endogenous  repair6-­‐10.  Other  reports  

have   also   pointed   at   the   contribution   of   surrounding   tissues   such   as  muscle11-­‐14.   It   is  

known  clinically   that  an   intact  muscle  around  bone   is   required   for  bone  repair  as  soft  

tissue  damage  can  severely  impair  bone  healing,  but  the  role  of  muscle  in  the  context  of  

musculoskeletal  trauma  is  not  understood15-­‐17.  

 

Bone-­‐muscle  interactions  are  essential  in  bone  physiology.  Skeletal  muscle  is  the  source  

of   mechanical   signals   regulating   bone   development   and   contributing   to   bone   loss  

associated  with  aging18,19.  Skeletal  muscle  is  also  the  source  of  paracrine  signals  in  bone  

homeostasis  and  repair14,20.  The  presence  of  bone  forming  cells  in  muscle  has  also  been  

suspected  since  Urist  first  showed  that  bone  formation  can  be  induced  within  muscle21.  

Given   the  close  physical   interactions  between  muscle  and  bone,   traumatic  bone   injury  

necessarily   leads   to   concomitant   injury   to   the   adjacent   skeletal   muscle.   Following  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

126  

muscle  injury,  muscle  resident  stem  cells,  the  satellite  cells,  generate  new  muscle  fibers  

while  reconstituting  a  pool  of  stem  cells22.  In  parallel,  a  population  of  muscle  interstitial  

cells,   the   fibro/adipogenic   progenitors,   also   expands,   allowing   satellite   cell   activation,  

and  then  disappears  to  allow  muscle  regeneration  to  proceed23-­‐25.  Muscle  regeneration  

and   the   cross   talk   with   the   adjacent   regenerating   bone   after  musculoskeletal   trauma  

have   never   been   investigated   due,   in   part,   to   the   lack   of   appropriate   experimental  

models   of   traumatic   injury.   In   models   of   volumetric   muscle   loss,   removal   of   muscle  

tissue  causes  a  complete  deficit  of  muscle  repair  that  normally  relies  on  the  presence  of  

satellite   cell   and   basal   lamina   preventing   the   assessment   of   muscle   cells   in   the   bone  

repair   process26,27.   Here,   we   report   a   new  musculoskeletal   trauma  model,   combining  

fracture  and  mechanical  injury  to  muscles  surrounding  the  fracture  site,  in  which  muscle  

and  bone  regeneration  are  impaired.  Using  cell  lineage  tracing  in  genetic  mouse  models  

and   tissue  grafting,  we   show   that  osteochondroprogenitors   are   recruited   from  muscle  

during   bone   repair   in   addition   to   cells   recruited   from   the   periosteum.   In   the   trauma  

environment,   osteochondroprogenitors   from   muscle   and   periosteum   are   both  

compromised  and   fibrogenic  progenitors   coming   from  muscle  adjacent   to   the   fracture  

cause   fibrosis   accumulating   in   the   callus.   These   skeletal   muscle-­‐derived  

osteochondroprogenitors   and   profibrotic   progenitors   overlap   with   the   muscle  

fibro/adipogenic   progenitor   population  marked   by   PDGFRa.   Treatment   with   Imatinib  

ameliorates  fibrotic  remodelling  and  bone  repair  after  musculoskeletal  trauma.    

 

 

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

127  

RESULTS  

 

Periosteum   and   muscle   cooperate   to   repair   bone   but   are   compromised   after  

trauma    

 

To  assess  the  coordinated  cellular  and  molecular  events  of  muscle  and  bone  healing,  we  

developed  a  clinically  relevant  mouse  model  of  musculoskeletal   trauma.   In   this  model,  

bone   fracture   is   induced   in  adult  mouse   tibia  and  combined  with  mechanical   injury   to  

surrounding  skeletal  muscles  to  mimic  soft  tissue  trauma  (Fig  1).  While  centronucleated  

fibers  are  present  in  the  entire  regenerating  muscle  after  CTX  or  BaCl2  injections28,  the  

mechanical  injury  leads  to  heterogeneous  and  delayed  muscle  regeneration  as  shown  by  

areas  containing  regenerating  muscle  fibers  and  areas  containing  fibrous  tissue  at  days  

14  and  30  post-­‐injury  (Fig.  1A).  When  combined  with  tibial   fracture,   injury  to  muscles  

surrounding   the   tibia   impairs   bone   healing  marked  by   a   delay   in   callus,   cartilage   and  

bone   formation   by   day   7   post-­‐injury,   followed   by   a   delay   in   cartilage   resorption   and  

bone   remodelling   (Fig.   1B).  Histological   analyses   reveal   a   complete  disorganization  of  

the  callus  with  the  presence  of  unresorbed  cartilage  islands,  the  presence  of  fibrosis  and  

an  absence  of  bone  bridging  by  day  21.  By  day  56,  bone  bridging  was  still  not  observed  

confirming  the  fracture  non-­‐union  (Fig.  1C).  Bone  healing  was  not  impaired  when  only  

the   tibialis  anterior   (TA)  muscle  was   injured   indicating   that   the  proximity  of   an   intact  

muscle   is   essential   for   bone   repair   and   that   a   threshold   of   soft   tissue   trauma   exists  

above  which  bone  healing  cannot  occur  efficiently  (Supplementary  Fig  1).    

To  evaluate   the   impact  of  musculoskeletal   trauma  on  cells   residing  within  periosteum  

and   muscle,   we   traced   GFP   labelled   periosteum-­‐derived   cells   and   Tomato   labelled  

muscle-­‐derived  cells  after  tissue  grafting  at  the  fracture  site  of  wild  type  mice  (Fig  2A).  

In   mice   with   fracture   alone,   concomitant   recruitment   of   cells   from   muscle   and  

periosteum  occurs  in  the  callus  with  both  GFP-­‐positive  and  Tomato-­‐positive  cells  found  

in   cartilage   and   bone   (Fig.   2B-­‐C).   To   confirm   the   physiological   role   of   muscle,   we  

induced   the   fracture   one   month   after   muscle   transplant   to   allow   muscle   graft  

regeneration  and  observed  again  donor  muscle-­‐derived  cells  in  cartilage  and  bone  (Fig  

2D-­‐F).  When  muscle  or  periosteum  was   transplanted   in   the  poly-­‐trauma  environment,  

the  cellular   contribution   to  cartilage  was  decreased   (Fig  2G-­‐H).  Further,  muscle   injury  

did  not   impact  healing  via   intramembranous  ossification,  which   is   correlated  with   the  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

128  

absence  of  cellular  contribution  of  muscle  in  this  process  (Supplementary  Fig  2).  Muscle  

and  periosteum  thus  cooperate  by  providing  a  source  of  cells  to  support  the  process  of  

endochondral  ossification,  which  is  a  predominant  mode  of  tissue  repair  after  fracture.  

Combined  trauma  to  muscle  and  bone  reduces  this  coordinated  contribution  of  muscle  

and  periosteum  to  bone  healing  leading  the  absence  of  fracture  consolidation.    

 

Periosteum   and   muscle   cooperate   to   repair   bone   but   are   compromised   after  

trauma    

 

To  assess  the  coordinated  cellular  and  molecular  events  of  muscle  and  bone  healing,  we  

developed  a  clinically  relevant  mouse  model  of  musculoskeletal   trauma.   In   this  model,  

bone   fracture   is   induced   in  adult  mouse   tibia  and  combined  with  mechanical   injury   to  

surrounding  skeletal  muscles  to  mimic  soft  tissue  trauma  (Fig  1).  While  centronucleated  

fibers  are  present  in  the  entire  regenerating  muscle  after  CTX  or  BaCl2  injections28,  the  

mechanical  injury  leads  to  heterogeneous  and  delayed  muscle  regeneration  as  shown  by  

areas  containing  regenerating  muscle  fibers  and  areas  containing  fibrous  tissue  at  days  

14  and  30  post-­‐injury  (Fig.  1A).  When  combined  with  tibial   fracture,   injury  to  muscles  

surrounding   the   tibia   impairs   bone   healing  marked  by   a   delay   in   callus,   cartilage   and  

bone   formation   by   day   7   post-­‐injury,   followed   by   a   delay   in   cartilage   resorption   and  

bone   remodelling   (Fig.   1B).  Histological   analyses   reveal   a   complete  disorganization  of  

the  callus  with  the  presence  of  unresorbed  cartilage  islands,  the  presence  of  fibrosis  and  

an  absence  of  bone  bridging  by  day  21.  By  day  56,  bone  bridging  was  still  not  observed  

confirming  the  fracture  non-­‐union  (Fig.  1C).  Bone  healing  was  not  impaired  when  only  

the   tibialis  anterior   (TA)  muscle  was   injured   indicating   that   the  proximity  of   an   intact  

muscle   is   essential   for   bone   repair   and   that   a   threshold   of   soft   tissue   trauma   exists  

above  which  bone  healing  cannot  occur  efficiently  (Supplementary  Fig  1).    

To  evaluate   the   impact  of  musculoskeletal   trauma  on  cells   residing  within  periosteum  

and   muscle,   we   traced   GFP   labelled   periosteum-­‐derived   cells   and   Tomato   labelled  

muscle-­‐derived  cells  after  tissue  grafting  at  the  fracture  site  of  wild  type  mice  (Fig  2A).  

In   mice   with   fracture   alone,   concomitant   recruitment   of   cells   from   muscle   and  

periosteum  occurs  in  the  callus  with  both  GFP-­‐positive  and  Tomato-­‐positive  cells  found  

in   cartilage   and   bone   (Fig.   2B-­‐C).   To   confirm   the   physiological   role   of   muscle,   we  

induced   the   fracture   one   month   after   muscle   transplant   to   allow   muscle   graft  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

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regeneration  and  observed  again  donor  muscle-­‐derived  cells  in  cartilage  and  bone  (Fig  

2D-­‐F).  When  muscle  or  periosteum  was   transplanted   in   the  poly-­‐trauma  environment,  

the  cellular   contribution   to  cartilage  was  decreased   (Fig  2G-­‐H).  Further,  muscle   injury  

did  not   impact  healing  via   intramembranous  ossification,  which   is   correlated  with   the  

absence  of  cellular  contribution  of  muscle  in  this  process  (Supplementary  Fig  2).  Muscle  

and  periosteum  thus  cooperate  by  providing  a  source  of  cells  to  support  the  process  of  

endochondral  ossification,  which  is  a  predominant  mode  of  tissue  repair  after  fracture.  

Combined  trauma  to  muscle  and  bone  reduces  this  coordinated  contribution  of  muscle  

and  periosteum  to  bone  healing  leading  the  absence  of  fracture  consolidation.    

 

Common  mesenchymal  lineages  in  muscle  and  periosteum  repair  bone  

 

To  characterize  the  muscle  cell  population  recruited  during  bone  repair,  we  performed  

genetic  lineage  tracing  using  Prx1Cre;mTmG  and  PdgfrαCreERT;mTmG  mouse  lines.  Prx1  

and  Pdgfra  are  markers  of  bone  marrow  stromal  cells  and  periosteal  cells10,29,30.  Pdgfrα  

has   also   been   shown   to   label   a   population  of  mesenchymal   progenitors   in   the  muscle  

interstitium  called   fibro/adipogenic  progenitors   (FAP)24.  All   skeletal   stem/progenitors  

giving  rise  to  cartilage  and  bone  are  derived  from  the  Prx1  lineage  in  the  fracture  callus  

of   Prx1Cre;mTmG   mice   (Fig   3A   and   10)   whereas   60%   of   cells   were   derived   from   the  

Pdgfrα   lineage   in   tamoxifen-­‐induced   PdgfrαCreERT2;mTmG  mice   (Fig.   3A).   EDL   and  

periosteum  grafts   from  Prx1Cre;mTmG  donors   transplanted  at   the   fracture  site  of  wild  

type  host  give  rise  to  chondrocytes  and  osteoblasts/osteocytes  strictly  derived  from  the  

Prx1  lineage  in  the  callus  (Fig  3B-­‐C).  EDL  and  periosteum  grafts  from  tamoxifen-­‐induced  

PdgfrαCreERT2;mTmG  mice   provide   GFP-­‐positive  Pdgfrα-­‐derived   and   Tomato-­‐positive  

non-­‐Pdgfrα-­‐derived   chondrocytes   and   osteoblasts/osteocytes,   indicating   that   PDGFRα  

does  not   label  all   skeletal  progenitors  due   to   the  60%  recombination  efficiency  of   this  

inducible  Cre  line  (data  not  shown).  To  confirm  that  muscle  tissue  itself  contains  Prx1-­‐

labelled   skeletal   stem/progenitors,  we   isolated  muscle   cells   from  Prx1Cre;mTmG  mice  

after  removing  fascia,  tendon  and  fat.  Transplanted  Prx1-­‐derived  muscle  cells  integrate  

into   cartilage   and   bone   while   non-­‐Prx1-­‐derived   cells   did   not   (Fig   3D,   E).   Therefore,  

periosteum  and  muscle  contain  Prx1-­‐derived  skeletal  stem/progenitors  that  participate  

in  bone  repair  and  that  are  also  marked  by  Pdgfrα.  We  previously  observed  that  freshly  

isolated  Pax7+  muscle  stem  cells  can  give  rise  to  rare  chondrocytes  when  transplanted  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

130  

at  the  fracture  site14.  However,  the  physiological  contribution  of  muscle  stem  cells  was  

not  detected  when  we  performed  fracture  in  Pax7CreERT2;mTmG  mice  or  transplanted  

Pax7CreERT2;mTmG   EDL   grafts   at   the   fracture   site   of   wild   type  mice,   even  when   the  

fracture   was   combined   with   muscle   injury,   thus   excluding   endogenous   contribution  

from  the  myogenic  lineage  itself  (Supplementary  Figure  3).  

 

Prx1-­‐derived   muscle   interstitial   cells   comprise   osteo-­‐chondrogenic   and   fibro-­‐

adipogenic  progenitors    

 

In  intact  Prx1Cre;mTmG  TA  muscle,  Prx1-­‐derived  GFP-­‐labelled  cells  are  localized  in  the  

muscle   interstitium  next   to  capillaries  and  are  distinct   from  CD31-­‐positive  endothelial  

cells,   αSMA-­‐positive   vascular   smooth   muscle   cells.   Prx1-­‐derived   muscle   cells   also  

express  the  markers  CD29  and  PDGFRα,  and  some  of  them  are  positive  for  the  pericyte  

markers  NG2  and  PDGFRβ  (Fig  4A).  FACs  analyses  of   freshly   isolated  cells   from   intact  

muscles   surrounding   the   tibia   in   Prx1Cre  ;YFPfl/+  mice   show   that   Prx1-­‐derived   cells  

represent  32%  of  mononucleated  cells  within  muscle  and  are  CD45-­‐CD11b-­‐CD31-­‐  (CDs-­‐).    

Some   Prx1-­‐derived   muscle   cells   are   CD34+   and  α7integrin+   and   the   majority   are  

PDGFRα+,   Sca1+   and   CD29+   (Fig   4B).   Prx1-­‐derived   muscle   cells   thus   overlap   with  

osteochondroprogenitors   (OCP)  defined  as  CDs-­‐Sca1+CD34-­‐   cells   and   fibro-­‐adipogenic  

progenitors   (FAP)   defined   as   CDs-­‐Sca1+CD34+   cells   10,25,31,32.   Double   positive  

PDGFRα+/Prx1-­‐derived  YFP+   cells   are   found   in   both  OCPs   and   FAPs   populations   (Fig  

4C).  RT-­‐qPCR  analysis  of  Prx1-­‐derived  YFP+  muscle  cells  at  P1  show  expression  of  CD34,  

fibro-­‐mesenchymal  markers  Cxcl12,  Gremlin,  Mx1,  Pdgfrα,  Nestin,  Leptin  Receptor,  PW1,  

Tcf4,   αSMA   and   Vimentin,   and   pericyte   markers   NG2   and   Pdfgrβ .   We   detected  

expression   of   the   tendon  markers   Tenomodulin   (Tnmd)   and   Tenasin   C   (TnC)   but   not  

Scleraxis   (scx).   The   satellite   cell  marker  Pax7  was   not   detected   excluding   any   overlap  

between   the   Prx1-­‐derived   lineage   and   the   myogenic   lineage   (Fig.   4D).   CFU-­‐F   assay  

shows   that   Prx1-­‐derived   muscle   cells   exhibit   higher   clonogenicity   than   non-­‐Prx1  

derived  muscle  cells  (Fig  4E).   In  vitro  analyses   further  show  that  Prx1-­‐derived  muscle  

cells  can  differentiate  into  osteogenic,  adipogenic,  chondrogenic  and  fibrogenic  lineages  

but  fail  to  achieve  myogenic  differentiation  (Fig  4F).    

 

 

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

131  

Muscle  is  the  source  of  callus  fibrosis  in  musculoskeletal  trauma    

 

In   response   to   a   bone   fracture,   we   observed   expansion   of   the   Prx1+   cell   population  

within  muscle  around  the  tibia  at  day  3  and  a  decrease  by  day  21  around  the  callus.  In  

the   poly-­‐trauma   environment,   the   Prx1+   cell   population   expands   largely   throughout  

injured  muscles  and  persists  within  muscles  surrounding  the  callus  by  day  21  (Fig  5A).  

The   expansion   of   the   Prx1+   cell   population   coincides   with   the   progression   of   callus  

fibrosis,   which   is   detected   by   day   7   after   fracture   and   decreases   rapidly   during   the  

course   of   fracture   repair   but   persists   after   musculoskeletal   trauma   (Fig   5B,  

Supplementary  Figure  4).  The   fibrous   tissue   in   the   fracture   callus   is   also   composed  of  

cells   derived   from   the   Prx1   lineage,   and   expresses   the   fibrotic  markers   Periostin   and  

PDGFRα   (Fig   5C)33,34.   Lineage   analysis   of   muscle   and   periosteum-­‐derived   cells   in   the  

poly-­‐trauma  environment  showed  that  Prx1Cre;mTmG  EDL  grafts  give  rise  to  bone  and  

fibrous  tissue  in  the  callus  of  wild  type  hosts,  while  periosteum  grafts  only  give  rise  to  

bone   by   day   21(Fig   5D).   To   attenuate   fibrosis,   we   treated   mice   with   the   clinically  

approved   tyrosine   kinase   inhibitor   Imatinib   that   inhibits   receptor   phosphorylation  

including  PDGFRα35,36.  Imatinib®  treatment  had  no  effect  on  bone  repair  at  day  7  post-­‐

fracture  combined  with  muscle  injury.  However,  by  day  21  post-­‐fracture  combined  with  

muscle  injury,  mice  injected  with  Imatinib®  exhibit  an  improved  bone  repair  phenotype  

with  decreased  cartilage,  bone  and   fibrosis  volumes  compared   to  control  mice   treated  

with  PBS  (Fig.  5E,  F).  Prx1-­‐derived  cells  within  muscle  surrounding  the  fracture  site  are  

therefore  the  origin  of  callus  fibrosis  that  can  be  targeted  pharmacologically  to  improve  

bone  repair  after  musculoskeletal  trauma.  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

132  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

133  

DISCUSSION    

 

The   role   of   muscle   during   bone   regeneration   is   well   recognized   clinically   but   the  

underlying  cellular  and  molecular  mechanisms  are  poorly  understood37.  In  the  absence  

of   a   relevant   animal   model   to   study   muscle-­‐bone   interactions   during   skeletal  

regeneration,  we  developed  a  model  of  bone  fracture  combined  with  a  mechanical  injury  

of  skeletal  muscle.  As  observed  in  human,  muscle  injury  in  this  model  leads  to  fracture  

non-­‐union  displayed  by  delayed  callus  formation,  abnormal  replacement  of  cartilage  by  

bone   and   absence   of   bone   bridging.   This   phenotype   is   correlated   with   impaired  

contribution  to  repair  of  periosteum-­‐  and  muscle-­‐derived  skeletal  stem/progenitor  cells  

that   cooperate   to   support   endochondral  ossification  and   fracture   consolidation.   In   the  

context  of  poly-­‐trauma  this  coordinated  regenerative  process  mediated  by  periosteum  

and   skeletal   muscles   is   disrupted,   and   skeletal   muscle   adjacent   to   the   fracture   callus  

becomes   the   source   of   persistent   callus   fibrosis   compromising   the   repair   process.  

Although  previous  reports  have  suggested  a  potential  contribution  of  muscle  only  after  

periosteum   stripping13,   we   clearly   establish   a   direct   role   of   muscle   both   in   the  

physiological   response   to   bone   facture   and   in   trauma   as   a   source   of   skeletal  

stem/progenitor  cells.  The  role  of  the  myogenic  lineage  has  been  suggested  previously  

due  to  the  ability  of  muscle  stem  cells  to  differentiate  into  osteoblasts  and  chondrocytes  

in   vitro   and   following   in   vivo   transplantation14,38.   Muscle   contribution   to   fracture  

healing  has  also  been  observed  using  the  myogenic-­‐specific  Cre  lines  such  as  MyoD-­‐Cre  

and  Pax3-­‐Cre  although  the  contribution  was  negligible  in  Pax3-­‐Cre  line13,14.  Our  results  

based  on  the  Prx1-­‐Cre  and  Pax7-­‐CreERT  lines  indicate  that  the  endogenous  contribution  

of   the  myogenic   lineage  does  not  occur  physiologically  or   in   response   to  poly-­‐trauma.  

Instead,  we   identify  a  significant  contribution   from  the   interstitial  compartment  of   the  

muscle  to  bone  regeneration.  

 

The   findings  reveal   that  a  unique  characteristic  of   the  skeletal   regeneration  process   is  

the  multiple  tissue  origins  of  skeletal  stem/progenitor  cells  residing  in  adjacent  tissues  

(bone  marrow,  periosteum,   skeletal  muscle)   and   recruited   to   form   the   fracture   callus.  

The   Prx1-­‐derived  muscle   cells   share   common   features  with   periosteal   cells   (PCs)   and  

BMSCs   such   as   their   in   vitro   differentiation   potential,   bone   repair   contribution   to  

cartilage  and  bone,  and  marker  profiles.  These  results  suggest  the  therapeutic  potential  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

134  

of   muscle-­‐derived   cells   for   bone   repair.   Previous   reports   showed   that   non-­‐skeletal  

mesenchymal  stromal  cells  (MSCs)  expressing  CD146  in  human  skeletal  muscle  do  not  

have   chondro-­‐osteogenic   properties   but   instead   myogenic   potential   in   vitro31.   Our  

results   show   that   Prx1-­‐derived   and   PDGFRα-­‐positive   muscle   interstitial   cells  

physiologically  form  cartilage  and  bone  in  the  fracture  callus  and  other  studies  have  also  

highlighted  the  involvement  PDGFRα-­‐positive  muscle  cells  in  heterotopic  ossification39.  

However,  we  never  observed  intramuscular  ossification  in  the  musculoskeletal   trauma  

model.   Further,   we   show   that   the   Prx1-­‐derived   muscle   interstitial   cells   do   not   have  

myogenic  potential  both  in  vitro  and  in  vivo,  and  are  derived  from  the  same  lineage  as  

BMSCs   and   PCs10.   The   bone   regenerative   potential   of   muscle   interstitial   cells   is   thus  

defined  by  their  embryonic  origin,  not  by  their  tissue  of  origin.  Currently,   there  are  no  

known   markers   available   to   isolate   tissue-­‐specific   MSCs,   discriminate   their   tissue  

origins  and  track  their  fate  in  vivo  40-­‐44.  Some  markers  have  been  identified  for  BMSCs  as  

“skeletal  stem  cell  (SSC)  markers”40-­‐48.  However,  these  markers  seem  to  define  various  

sub-­‐populations  and  are  also  expressed  in  PCs10  and  in  muscle-­‐derived  MSCs  as  shown  

in   this   study.   Hence,   our   experimental   model   combining   genetic   lineage   tracing   and  

tissue  grafting  is  a  powerful  tool  to  differentiate  the  contribution  of  the  various  sources  

of  cells  and  their  functions  in  musculoskeletal  regeneration.  

 

Although   muscle   interstitial   cells   contributing   to   bone   repair   share   common  

characteristics  with  bone  marrow-­‐derived  and  periosteum-­‐derived  cells,  they  also  have  

a   fibrogenic  potential  not  observed   for  periosteal   cells   and  cause   callus   fibrosis   in   the  

polytrauma  environment.  Fibrosis  is  a  dynamic  process  that  is  common  to  many  tissue  

regeneration   processes.   Fibrotic   tissue   supports   activation   and   proliferation   of   tissue  

resident  stem/progenitor  cells  and  has  to  be  remodelled  to  allow  stem/progenitors  cells  

differentiate   and   achieve   regeneration1,49.   The   dynamic   of   fibrosis   has   never   been  

studied  in  bone  repair.  We  show  that  callus  fibrosis  follows  the  same  pattern  as  in  other  

tissues  and  that  impaired  fibrotic  remodelling  leads  to  absence  of  bone  repair.  Targeting  

fibrotic  cells  is  essential  to  develop  treatments  modulating  fibrotic  remodelling  but  the  

cellular   origin   of   fibrotic   cells   remains   elusive   in   many   organs.   We   show   that   Prx1-­‐

derived   OCP   but   also   fibrogenic   cells   within   skeletal   muscle   are   peri-­‐vascular   as  

previously  reported  for  cells  causing  fibrosis  in  other  tissues,  and  they  are  distinct  from  

endothelial   cells   and   myogenic   cells50-­‐54.   The   population   of   mesenchymal   stromal  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

135  

cells/myofibroblasts   responsible   for   fibrosis   in   various   tissues   such   as   kidney,   lung,  

heart,   skin,   skeletal   muscle   or   bone   marrow   has   been   described   as   being   highly  

heterogeneous23,52,53,55-­‐59.  Over  the  past  years  several  markers  such  as  PDGFRα,  Gli1  or  

PDGFRβ   have  been  used   to   identify   pro-­‐fibrogenic   cells   in   various   tissues1.   In   skeletal  

muscle,  fibro-­‐adipogenic  progenitors  (FAPs)  have  been  described  as  the  major  source  of  

pro-­‐fibrotic  cells24,25.  Here,  we  show  that  FAP  and  osteo-­‐chondrogenic  progenitor  (OCP)  

populations  within  skeletal  muscle  overlap.  This  result  uncovers  new  functions  of  FAPs  

as  a  plastic  population,  which  adapts  its  fate  according  to  the  environment.    

 

This   work   thus   highlights   added   complexity   and   cellular   heterogeneity   in  

musculoskeletal   regeneration,   as   it   involves   resident   skeletal   stem/progenitor   cells  

within   bone   as   well   as   interstitial   cells   recruited   from   the   adjacent   muscle   that   can  

support  repair  or  have  a  negative  impact  when  triggered  down  the  fibrogenic  pathway.  

Several  molecular  therapies  have  been  developed  to  treat  fibrosis  and  many  of  them  are  

currently   in   clinics   as   Imatinib®,   an   inhibitor   of   PDGFR,   Bcr-­‐abl   and   c-­‐kit   signalling  

pathways60,61   62.   Due   to   the   implication   of   PDGFRα-­‐positive   cells   in   skeletal   muscle  

fibrosis,   dystrophic  mice   have   been   treated  with   Imatinib®   and   exhibit   a   decrease   in  

skeletal  muscle  fibrosis.  In  our  model  of  musculoskeletal  trauma,  daily  administration  of  

Imatinib®  ameliorates   the   late   stages   of   bone   repair   post-­‐trauma   but   does   not   affect  

early  steps  of  regeneration.  Imatinib®  or  other  related  drugs  may  offer  new  strategies  in  

orthopaedics  to  enhance  bone  regeneration.    

 

In  conclusion,  our  results  brings  new  knowledge  on  the  role  muscle  plays  during  bone  

repair,   and   how   soft   tissues   and   specifically   muscle-­‐derived   cells   may   be   used   or  

targeted  to  improve  bone  repair  in  patients.  We  identify  muscle  interstitial  cells  marked  

by  Prx1-­‐lineage   and  PDGFRα   that   participate   directly   in   cartilage   and  bone   formation  

during   fracture   repair  but   fail   to  do   so  after   traumatic   injury   to  become   the   source  of  

fibrosis  causing  fracture  non-­‐union.  This  study  provides  a  cellular  basis  for  delayed  bone  

regeneration  in  trauma  and  suggests  new  cell-­‐based  and  drug-­‐based  strategies  to  treat  

patients  affected  by  musculoskeletal  injuries.  

 

 

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

136  

METHODS    

 

Mice  

C57BL/6ScNj,  beta-­‐actin  GFP,  Prx1Cre/+,  PdgfrαCreERT/+,  Pax7CreERT2/+,  Rosa-­‐tdTomato-­‐EGFP  

(mTmG),   RosaYFP   and   RosaDTA/+   mice   were   obtained   from   Jackson   Laboratory   (Bar  

Harbor,  ME).  All  primers   for  PCR  genotyping  were  purchased   from  Eurofins  Scientific,  

France  (Supplementary  Table  1).  All  procedures  were  approved  by  the  Paris  Descartes  

University   Ethical   Committee.   For   inducible   Cre   recombination,   Tamoxifen   (TMX,   ref  

T5648,   Sigma)   was   prepared   at   a   concentration   of   10mg/mL   diluted   in   corn   oil   and  

heated  at  60°C  for  2h.  TMX  (300μL)  was  injected  intraperitoneally  24h  before  fracture,  

at   the   time   of   fracture   and   24h   post-­‐fracture  when   using  PdgfrαCreERT/+,   and   daily   for  

three  consecutives  day  one  week  prior  surgery  when  using  Pax7CreERT2/+.  

 

Tibial  fractures  and  Imatinib  treatment    

For  all  surgical  procedures,  mice  were  anesthetized  with  an  intraperitoneal  injection  of  

Ketamine   (50mg/mL)   and   Metedomidine   (1mg/kg)   and   received   a   subcutaneous  

injection   of   Buprenorphine   (0.1mg/kg)   for   analgesia.   Mice   were   revived   with   an  

intraperitoneal  injection  of  atipamezole  (1mg/mL)  and  allowed  to  ambulate  freely.  Mice  

received   post-­‐operative   doses   of   analgesia   and   were   monitored   daily.   As   described  

previously,  open  non-­‐stabilized  tibial  fractures  were  produced  by  osteotomy  in  the  mid-­‐

diaphysis  after  exposing  the  tibial  surface10.  For  Imatinib  treatment,  mice  received  daily  

intraperitoneal   injections   of   Imatinib®   (50mg/kg/day,   ref   STI571,   Selleckchem)   or  

vehicle  (PBS)  from  the  day  of  fracture  until  sacrifice.    

 

Muscle  injury      

Under  anaesthesia,  a  skin   incision  was  made  over   the  anterior-­‐proximal  surface  of   the  

right  tibia  of  ten  to  12-­‐week-­‐old  wild  type  mice.  Muscles,  including  tibialis  anterior  (TA),  

tibialis   posterior,   extensor   digitorum   longus   (EDL),   soleus,   gastrocnemius   muscles,  

surrounding  the  tibia  were  compressed  along  their  entire  length  using  a  hemostat  in  a  

standardized   and   reproducible   procedure.   Each   compression   was   applied   for   five  

seconds.   Mice   were   revived   as   described   above   and   received   soft   food   to   facilitate  

recovery.    

EDL  muscle  and  periosteum  transplantation  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

137  

Donor   mice   were   sacrificed   by   cervical   dislocation.   EDL-­‐muscle   was   dissected   from  

tendon   to   tendon   and   transplanted   adjacent   to   the   fractured   tibia   as   previously  

described14.  When  fracture  was  induced  one  month  after  EDL  muscle  grafting,  the  tibia  

was   exposed   as   described   above   to   perform   osteotomy   without   affecting   the   grafted  

muscle.  Periosteal  grafts  were  collected  from  donor  mice  and  transplanted  at  the  site  of  

fracture  as  previously  described6,10.    

 

Cells  transplantation  

Open   fracture  was  performed  as  described  above.  150  000   freshly  sorted  muscle  cells  

were   embedded   in   TissuCol®   kit   TISSEEL   (human   fibrogen   15mg/mL   and   thrombin  

9mg/mL,  Baxter,  France)  and  were  transplanted  at  the  fracture  site  as  described  in10,14.    

 

Sample  processing,  histology  and  histomorphometry    

Mice  were  sacrificed  by  cervical  dislocation  and  fractured  tibias  were  harvested  at  days  

7,   14,   21,   28  or  56  post-­‐surgery.   Samples  were   fixed  24  hours   in  4%  PFA   (ref  15714,  

Euromedex)   and  decalcified   in   19%  EDTA   (pH  7.4)   (ref   EU00084,   Euromedex)   for   21  

days  at  4°C.  Samples  were  embedded  in  paraffin  or  cryopreserved  to  allow  detection  of  

fluorescent  reporters.  For  cryosections,  samples  were  incubated  in  sucrose  30%  at  4°C  

over   night,   then   embedded   in   OCT   (ref   F/62550-­‐1,   MMFrance)   and   stored   at   -­‐80°C.  

Serials   sections   were   collected   throughout   the   entire   callus   and   histomorphometric  

analysis  performed  on  Safranin’o  (SO),  modified  Massons’  Trichrome  (TC)  or  Picrosirius  

(PS)  stained  sections  using  a  Zeiss  Imager  D1  AX10  light  microscope  and  ZEN  software  

(Carl  Zeiss  Microscopy  GmbH)63.  Muscle   tibialis  anterior  (TA)  samples  were  harvested  

at  specific  time  point,  fixed  for  3  hours  in  PFA  4%,  incubated  in  sucrose  30%  for  2  hours  

and  embedded  in  OCT  for  cryosection.    

 

Immunofluorescence  

Anti-­‐GFP   (1/1000,   ref   ab13970   Abcam)   and   anti-­‐Periostin   (1/400,   ref   AF2955   R&D)  

immunofluorescence   was   performed   as   described   in10,14.   For   anti-­‐αSMA  

immunofluorescence,  muscle  cryosections  were  rehydrated  in  PBS  for  5min,  blocked  in  

goat  anti-­‐mouse  IgG  fragment  diluted  in  PBS  (1/100,  ref  115-­‐007-­‐003,  Jackson  Immuno  

Research)  and  incubated  over  night  at  4°C  with  mouse  anti-­‐mouse  αSMA  (1/200,  A2547  

Sigma).  Slides  were  rinsed  for  3x5min  in  PBS  1x,   incubated  for  1hour  with  anti-­‐mouse  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

138  

AF647   (1/1000,   ref   A21236   Life   Technologies)   and  mounted  with   Fluoromount   with  

DAPI.    

For   anti-­‐NG2,   anti-­‐PDGFRα   and   anti-­‐CD31   immunofluorescences,   muscle   cryosections  

were  rehydrated  in  PBS  for  5min,  post-­‐fixed  in  PFA  4%  for  5min,  rinsed  3x5min  in  0.5%  

PBST,  blocked  in  5%  serum  in  0.5%PBST  and  incubated  over  night  at  4°C  with  primary  

antibody:   rabbit   anti-­‐NG2   (1/50   ref   AB5320   Merck),   goat   anti-­‐PDGFRα   (1/200,   ref  

AF1062   R&D),   goat   anti-­‐CD29   (1/100,   ref   AF2405   R&D)   or   rat   anti-­‐CD31   (1/50,   ref  

533370   Pharmigen).   Slides   were   rinsed   in   PBS   3x5min   and   then   incubated   for   1h   at  

room  temperature  in  goat  anti-­‐rabbit  (1/250,  ref  21245  Life  Technologies),  donkey  anti-­‐

goat  (1/500,  ref  ab150135  Abcam)  or  goat  anti-­‐rat  (1/50,  ab6565  Abcam).  Slides  were  

mounted   with   Fluoromount   with   DAPI   (ref   495952,   eBiosciences).   For   anti-­‐CD29  

immunofluorescence,  muscle   cryosections  were   rehydrated,   post-­‐fixed   in   PFA   4%   for  

10min,  washed,  permeabilized  in  PBS-­‐Triton  0.25%,  blocked  in  1%  BSA  for  15min  and  

incubated   with   goat   anti-­‐mouse   CD29   (1/50,   ref   026202,   R&D)   overnight   at   at   4°C.  

Slides  were  next  rinsed  and  incubated  in  donkey  anti-­‐goat  AF647  (1/500,  ref  ab150135  

Abcam).  Slides  were  mounted  with  Fluoromount  with  DAPI.  Pictures  were  taken  using  a  

Zeiss  Imager  D1  AX10  light  microscope.  

For  anti-­‐αSMA  immunocytofluorescence,  cells  were  fixed  in  PFA  4%  for  15min,  rinsed  in  

PBS,  permeabilized  in  PBS-­‐Triton  0.25%,  blocked  in  5%  NGS,  incubated  with  anti-­‐αSMA-­‐

Cy5  (ref  AC12-­‐0159-­‐11,  Clinisciences)  for  1  hour  and  mounted  with  Fluoromount  with  

DAPI.  Pictures  were  taken  using  a  Zeiss  Axio  Vertical  A1  light  microscope.  

 

Primary  culture  of  muscle  cells  and  periosteal  cells  

For  primary   culture  of  muscle   cells,   10-­‐12  weeks  old  mice  were   sacrificed  by   cervical  

dislocation.  Skin  and  fascia  were  removed.  Tibialis  anterior  (TA),  extensor  digitus  lengus  

(EDL),  plantaris  and  soleus  muscles  surrounding  the  tibia  were  dissected  from  tendon  to  

tendon.  In  a  petri  dish  with  1mL  of  DMEM  medium  (ref  21063029,  Invitrogen),  tendon  

and  fat  were  removed  and  muscles  were  cut  in  small  pieces  using  scissors.  Muscles  were  

transferred   in   digesting  medium:  DMEM   (ref   21063029,   Invitrogen)  with   1%  Trypsin  

(ref  210234,  Roche)  and  1%  collagenase  D  (ref  11088866001,  Roche)  and  incubated  at  

37°C  for  a  minimum  of  2  hours  to  digest  all  muscles.  Every  20  min  individualised  cells  

were   removed   and   transferred   into   growth  media   on   ice:   αMEM   (ref   32561029,   Life  

Technologies)  with  1%  penicillin-­‐streptomycin  (P/S)  (ref  15140122,  Life  Technologies),  

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

139  

20%   lot-­‐selected   non-­‐heat-­‐inactivated   foetal   bovine   serum   (ref   10270106,   Life  

Technologies)   and   10ng/ml   bFGF   (ref   3139-­‐FB-­‐025/CF,   R&D)   and   digesting   medium  

was  changed.  Cells  were  then  filtered  through  100μm  filters  and  40μm  filters.  Cells  were  

centrifuged  10min  at  1500  rpm  and  resuspended  in  10ml  of  growth  medium.    

 

Primary   culture   of   periosteal   cells   was   performed   as   previously   described10.  

Briefly,  4-­‐6  week  old  mice  were  sacrificed  and  flushed  femurs  and  tibia  were  placed  in  

culture  in  growth  media  supplemented  with  FBS  and  bFGF  as  indicated  above  to  allow  

PCs  to  migrate  out  of  the  bone.  When  PCs  reached  confluence,  bones  were  removed  and  

cells  were  trypsinised  (ref  25200056,  Life  Technologies)  and  replated.  PCs  were  used  at  

P1   for   all   experiments.   In  vitro  adipogenesis,   chondrogenesis,   osteogenesis   and  CFU-­‐F  

assays  were   performed   as   previously   described10.   For  myogenic   differentiation,   Prx1-­‐

derived   muscle   cells   were   plated   at   1000   cells   per   cm2   and   induced   with   myogenic  

medium   containing   F10   (ref   31550-­‐02,   Life   Technologies),   2%   horse   serum   (ref  

26050088,   Life   Technologies)   and   1%   P/S   for   3   days.   For   fibrogenic   differentiation,  

Prx1-­‐derived  muscle   cells   were   grown   until   subconfluency   and   induced   to   fibrogenic  

differentiation  with   DMEM   high-­‐glucose   (ref   10566016,   Life   Technologies),   10%   FBS,  

1%  P/S  and  TGF-­‐β1  at  1ng/mL  (ref  T7039,  Sigma).    

 

Cell  sorting  and  flow  cytometry  analyses  

For  cell  sorting,  cultured  muscle  cells  and  PCs  at  P1  were  trypsinised  and  resuspended  

in  growth  medium.  Cells  were  centrifuged  at  1500  rpm  for  10min,  resuspended  in  F10  

media   (ref   31550-­‐023,   Life   Technologies)   and   filtered   through   40μm   filters.   Freshly  

digested  cells  were  centrifuged  after  filtering  through  40μm  filters  and  resuspended  in  

F10   media.   Sytox   blue   (1/1000,   ref   S34857,   Thermofischer)   was   added   just   before  

sorting.  Cell  sorting  was  performed  on  BD  FACS  Aria  II  SORP  (BD  Biosciences).  For  flow  

cytometry   analysis,   100   000   cells   were   incubated   with   CD31-­‐PECy7   (PECAM-­‐1,   ref  

561410  BD  Biosciences);  CD45-­‐PECy7  (leukocyte  common  antigen,  Ly-­‐5,  ref  552848  BD  

Biosciences);   CD11b-­‐PECy7   (integrin   αM   chain,   ref   552850   BD   Biosciences);   CD34-­‐

AF700   (ref   560518   BD   Biosciences);   Sca1-­‐APC   (ref   130-­‐102-­‐343   Miltenyi   Biotec).  

Analyses   were   performed   on   BD   LSR   Fortessa   SORP   (BD   Biosciences)   and   results  

analysed  using  FlowJo,  LLC  software,  version  10.2.    

 

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

140  

RTqPCR  analysis  

Cells   pellets   were   freezed   at   -­‐80°C   directly   trypsinization.   RNA   extraction   was  

performed  with  RNAeasy  Kit  (ref  74134,  Qiagen)  following  manufacture’s   instructions.  

Amount   of   RNA   was   quantified   using   NanoDrop   2000   UV-­‐Vis   Spectrophotometer  

(Thermo   Scientific).   500μg   of   RNA  was   used   to   synthetized   cDNA.   RNAs   were  mixed  

with  1μL  of  oligo(dT)12-­‐18  (ref  18418-­‐012,  Life  Technologies)  and  1μL  10mMdNTP  Mix  

(ref  18427-­‐013,  Life  Technologies)  and  heated  at  65°C  for  5min  and  left  on  ice  for  1min.  

Next,   4μL   5X   First-­‐Strand   buffer,   1μL   0.1M  DTT,   1μL   Superscript   III   RT®   (ref   18080-­‐

044,  Life  Technologies)  and  1μL  RNaseOUT®  (ref  10777-­‐019,  Life  Technologies)  were  

added  and  incubated  at  50°C  for  1h.  The  reaction  was  inactivated  by  heating  at  70°C  for  

15min.  qPCR  mix  was  composed  by  1μL  of  primers  (see  sup  table),  4μL  of  RNAse   free  

H2O,   10μL   of   SYBR   green   Master   Mix   (ref   11744-­‐100,   Life   Technologies)   and   5μL   of  

cDNA   and   qPCR   reactioin   was   performed   using   7300   Real-­‐Time   PCR   System  

(Thermofischer  Scientific).  Mouse  Gapdh  was  used  as  internal  calibrator.  qPCR  analysis  

was  done  following  ΔΔCT  methods  as  previously  described10.  

 

Statistical  analyses  

Statistical  significance  was  determined  with  two-­‐sided  Mann-­‐Whitney  test  and  reported  

in  GraphPad  Prism  v6.0a.  P-­‐values  were  determined  as  follows:  *p≤0.05;  **p<0.01.  

 

 

 

 

 

ACKNOWLEDGMENTS    

We  thank  M.  Garfa-­‐Traoré,  N.  Goudin,  C.  Cordier,  O.  Duchamp  de  Lageneste  and  R.  Prota  

for   advice   and/or   technical   assistance.   This   work   was   supported   by   INSERM   ATIP-­‐

Avenir,  FP7  Marie  Curie   IRG-­‐268227  to  C.C.,  ANR-­‐13-­‐BSV1-­‐001-­‐01  to  C.C.  and  F.R.  and  

NIAMS  R01  AR057344  and  R01  AR072707  to  C.C.  and  T.  Miclau  

 

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

141  

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  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

145  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

146  

Figure  1:  Musculoskeletal  trauma  impairs  bone  healing.    (A)   Tibialis   anterior  muscle   sections   at   14   and   30   days   post-­‐injury   (upper   and   lower  

panel  respectively)  stained  with  Hematoxylin  and  Eosin  (HE)  and  Picrosirius  (PS).  High  

magnifications  show  centronucleated  myofibers  (arrowheads)  in  the  regenerating  area  

(boxes  1,3)  and  centronucleated  myofibers  surrounded  by   fibrous   tissue  (asterisks)   in  

the   fibrotic   area   (boxes   2,4).   (B)  Histomorphometric   quantification   of   callus,   cartilage  

and  bone  volume  in  tibial  fractures  with  or  without  muscle  injury  at  days  7,  14,  21,  28  

and   56   post-­‐fracture.   (C)   Representative   callus   sections   stained  with   Safranin-­‐O   (SO),  

Trichrome   (TC)   and   PS   at   days   21   and   56   showing   fully   ossified   callus   in   fractures  

without  muscle  injury  (b,  bone;  boxes  1,  2).    Fracture  calluses  with  muscle  injury  exhibit  

unresorbed  cartilage  (c),   fibrous  tissue  (f,  box  3)  and  absence  of  bone  bridging  (box  4,  

orange   arrowheads).   Scale   bars:   low   magnification   of   muscle   and   fracture   calluses=  

1mm;   boxed   areas=200μm.   Statistical   analyses   were   performed   following   Mann-­‐

Whitney  test  (*  p-­‐value<0,05;  **  p-­‐value<0,01,  n=5  per  group).  All  data  represent  mean  

±  SD.  

 

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

147  

   

B

Fracture Fracture with muscle injury

12

1 1

33

3

4

d14

d30

A

Cartilage8

d7 d14 d21 d28 d56

Volu

me

(mm

3 )

0

2

4

6

Bone

d7 d14 d21 d28 d560

5

10

15

Volu

me

(mm

3 )

Callus

0

20

40

60

d7 d14 d21 d28 d56

Volu

me

(mm

3 )

C

4

HE

d21

SO

SO

Regenerating area Fibrotic area

HE

2

4

Muscle injury

Fracture

Fracture

**

**

*

**

** *

*

d56

PS

PS

PS

2

PS

HE

HE PS

PS

TC

SO

PS

PS

PS

PS TC

TC

**

*

*

c

b

f

b

HE

HE

12

1 2

34

3 4Fracture with muscle injury

Figure 1

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

148  

Figure  2:  Musculoskeletal  trauma  impacts  muscle  and  periosteum  contribution  to  

bone  healing.    

 

(A)   Experimental   design   of   combined   GFP   periosteum   and   mTmG   EDL   muscle  

transplantation  at  the  fracture  site  of  wild  type  hosts.  (B)  Callus  sections  at  14  days  post-­‐

fracture  stained  with  Safranin-­‐O  (SO,  left).  Adjacent  sections  mounted  with  DAPI  (right)  

show   EDL   muscle   graft   outside   the   callus   (ca,   limited   by   a   yellow   dotted   line)   and  

muscle-­‐derived  cells  within  the  callus  (Tomato  signal,  red  arrow)  as  well  as  periosteum  

graft  (PO  graft,   limited  by  a  green  dotted  line)  and  periosteum-­‐derived  cells  within  the  

callus  (GFP  signal,  green  arrow).  (C)  High  magnifications  of  the  callus  showing  cartilage  

(left)   and  bone   (right)   stained  with  SO  and  TC   (top  panel),   and  derived   from   the  EDL  

graft   (red,   middle   panel)   or   from   the   periosteum   graft   (green,   bottom   panel).   Both  

muscle   and   periosteum   derived   cells   are   found   in   cartilage   (c)   and   bone   (b,   white  

arrowhead).  (D)  Experimental  design  of  GFP-­‐EDL  muscle  graft  transplanted  next  to  un-­‐

injured   tibia   of  wild-­‐type  host,   and   tibial   fracture   induced   after   one  month.   (E)  Callus  

sections   at   14   days   post-­‐fracture   stained   with   SO   (left,   top)   and  mounted   with   DAPI  

(right,  top)  showing  GFP-­‐EDL  muscle  graft  outside  the  callus  (limited  by  a  yellow  dotted  

line)  and  muscle-­‐derived  cells  in  callus  (GFP  signal).  (F)  High  magnification  of  cartilage  

(box  1,   c,   left)   and  bone   (box  2,   right,  white   dotted   line)   containing  GFP-­‐positive  EDL  

muscle-­‐derived   chondrocytes   and   osteocytes   respectively   (white   arrow).   (G)  

Experimental   design   of   GFP-­‐EDL  muscle   or   GFP-­‐periosteum   graft   transplanted   at   the  

fracture   site   with   or   without   muscle   injury.   (H)   Histomorphometric   analyses   of   the  

percentage   of   GFP   positive   cartilage   in   the   total   GFP   volume   within   callus   showing  

decreased  contribution  to  cartilage  of  EDL  and  periosteum  grafts  in  fracture  with  muscle  

injury   compared   to   fracture   alone.   c:   cartilage,   b:   bone,   bm:  bone  marrow.   Scale  bars:  

B=500μm,   C=100μm   (scale   bar   for   E   and   F?).   Statistical   analyses   were   performed  

following  Mann-­‐Whitney  test  (*  p-­‐value<0,05;  **  p-­‐value<0,01,  n=5  per  groups).  All  data  

represent  mean  ±  SD.  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

149  

   

ca

EDL Graft

PO Graft

G Periosteum graftEDL graft

Fracture Fracture with muscle injury% G

FP in

car

tilag

e /

GFP

tota

l in

callu

s

GFP donor Periosteum graft

Fracture w/wo muscle injury

or

Callus - d14

c

A Cartilage Bone

ED

LP

erio

steu

mb

b

SO

GFP/Tomato/DAPI

b bbm

bm

EDL

010

20

30

4050 **

0

30

60

90 *

cGFP/Tomato/DAPI

bbm TCSO

GFP/Tomato/DAPIGFP/Tomato/DAPI

GFP donor

Periosteum graft

EDL graft

and

Fracture

mTmG donor

C

E

D

callus-d14

cSO

1

1

2

GFP/DAPI GFP/DAPI

TC 2

EDL graft

WT host - no fracture

1 month

FractureGFP donor

EDL

Callus

1

2

GFP/DAPI

SO EDL

Callus

b

bm

GFP/Tomato/DAPI

Cartilage Bone

B

F

H

c

Figure 2

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

150  

Figure   3:   Prx1   and   PDGFRa   mark   muscle   and   periosteum-­‐derived   cells   during  

bone  repair.    

 

(A)   Localization   of   Prx1-­‐   and   PDGFRα-­‐derived   cells   in   the   fracture   callus   of  

Prx1Cre;mTmG  or  tamoxifen-­‐induced  PDGFRαCreERT;mTmG  mice  respectively  at  day  14  

post  tibial  fracture.  Longitudinal  callus  sections  were  stained  with  Safranin-­‐O  (SO,   left)  

or  mounted  with  DAPI  (right)  to  visualize  GFP  and  Tomato  signals.  High  magnifications  

show   that   in   the   calluses   of  Prx1Cre;mTmG  mice   all   chondrocytes   in   cartilage   (c)   and  

osteocytes   in   bone   (b,   white   arrows)   are   Prx1-­‐derived   GFP-­‐positive.   In  

PDGFRαCreERT;mTmG   calluses,   cartilage   and   bone   contains   GFP   positive   PDGFRα-­‐

derived   chondrocytes   and   osteocytes,   as   well   as   Tomato-­‐positive   cells   that   are   not  

PDGFRα-­‐derived.  (B)  Experimental  design  of  EDL  muscle-­‐  and  periosteum-­‐  grafts  from  

Prx1Cre;mTmG   or   tamoxifen-­‐induced   PDGFRαCreERT;mTmG   mice   transplanted   at   the  

fracture  site  of  wild  type  hosts.  (C)  Longitudinal  callus  sections  stained  with  SO  at  day  

14  post-­‐fracture   (left)   and  adjacent   sections  at  high  magnification   show  EDL-­‐   (top)  or  

periosteum-­‐derived  (bottom)  cells  within  the  callus.  Prx1Cre;mTmG  EDL  and  periosteum  

grafts  (bottom)  give  rise  exclusively  to  Prx1-­‐derived  GFP-­‐positive  chondrocytes  (white  

arrowheads)   and   osteocytes   (white   arrows)   in   the   callus.   PDGFRαCreERT;mTmG   EDL  

and   periosteum   grafts   (right)   give   rise   to   GFP-­‐positive  PDGFRα-­‐derived   chondrocytes  

(white  arrowheads)  and  osteocytes  (white  arrows)  but  also  to  Tomato-­‐positive  PDGFRα-­‐

derived   chondrocytes   (orange   arrowhead).   (D)   Experimental   design   of   muscle   cells  

isolation   from   hind   limbs   of  Prx1Cre;mTmG  donor  mice   and   transplantation   of   sorted  

Prx1-­‐derived   cells   (GFP+)   or   non   Prx1-­‐derived   cells   (Tomato+)   at   the   fracture   site   of  

wild-­‐type  hosts.  (E)  Longitudinal  callus  sections  at  days  14  and  21  post-­‐transplantation  

stained   with   SO   and   Masson’s   trichrome   (TC)   respectively.   High   magnifications   of  

adjacent  sections  show  that  Prx1-­‐derived  cells  can  form  cartilage  (c)  by  day  14  and  bone  

(b)  and  bone  marrow  (bm,  orange  arrowhead)  by  day  21  unlike  non-­‐Prx1  derived  cells  

that   are  not  detected   in   the   callus.   Scale  bars:   SO=1mm,  high  magnification=50μm   for  

cartilage  and  25μm  for  bone,  n=3  per  groups.  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

151  

   

A PdgfraCreERT;mT/mG

B

Prx1Cre;mT/mG

cartilage cartilagebone bone

ED

Lp

erio

ste

um

cartilage bone bone

C

Prx1Cre;mT/mG or

PdgfraCreERT;mT/mGdonor

wild type host

Periosteum

graft

EDL graft

or

GFP/Tomato/DAPI GFP/Tomato/DAPI GFP/Tomato/DAPI GFP/Tomato/DAPI

c

cb

bm bm

b

PdgfraCreERT;mT/mGPrx1Cre;mT/mG

SO

SO

Lineage

tracing

Prx1Cre;mT/mG Transplant at

the fracture siteCell sorting

FSC-A

Prx

1:G

FP

Muscle cell

digestion

DGFP+

cells

GFP-

cells

or

c

GFP/Tomato/DAPI

c

b

c

ca

muscle

GFP/Tomato/DAPI

GFP/Tomato/DAPIbm

b

bmb

GFP/Tomato/DAPI

GFP/Tomato/DAPI

cartilage

c

c

muscle

ca

GFP/Tomato/DAPI

GFP/Tomato/DAPIbm

b

b

bmGFP/Tomato/DAPI

GFP/Tomato/DAPI

cb

GFP/Tomato/DAPI

TCSO

Non-Prx1

derived cells

Prx1

derived cells

Prx1

derived cells

d14 post-transplantation d21 post-transplantation

GFP/Tomato/DAPIb

bm

E

SO

Fracture

Figure 3

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

152  

Figure   4:   Characterization   of   Prx1-­‐derived   muscle   cells   recruited   during   bone  

repair.  

 

(A)  Localization  of  Prx1-­‐derived  cells  in  adult  skeletal  muscle.  Transverse  sections  of  TA  

muscle   from   Prx1Cre;mTmG   mice   stained   with   CD31,   αSMA,   PDGFRβ,   NG2,   CD29   or  

PDGFRα  (magenta).  Nuclei  are  detected  with  DAPI.  Prx1-­‐derived  cells  are  GFP-­‐positive  

and   non   Prx1-­‐derived   are   Tomato-­‐positive.   (B,   C)   Flow   cytometry   analyses   of   freshly  

isolated  cells  from  muscles  surrounding  the  tibia  of  Prx1Cre;YFPfl/+  adult  mice.  (B)  Prx1-­‐

derived  YFP+  cells   represent  32%  of   the   total  muscle   cell  population,   are  negative   for  

CD31,   CD11b   and   CD45,   and   positive   for   CD34   (35,2%),   α7integrin   (11,1%),   PDGFRα  

(81%),   Sca1   (77,5%)  and  CD29   (95,2%).  Red   curve   represents   experimental   tube  and  

blue  curve  fluorescence  minus  one  (FMO)  control.  (C)  FAP  and  OCP  populations  contain  

Prx1   derived   cells   (YFP+)   and   PDGFRα   expressing   cells   (right   panel).   (D)   RT-­‐qPCR  

analysis  on  Prx1-­‐derived  muscle  YFP+  cells  at  P1  showed  expression   for  CD34,  Cxcl12,  

Gremlin,   Mx1,   Pdgfrα,   Nestin,   Leptin   Receptor,   PW1,   Tcf4,   αSMA   and   Vimentin,   NG2,  

Pdfgrβ,  Tensomodulin  (Tnmd),  Tenasin  C  (TnC)  but  not  for  Scleraxis  (scx)  and  Pax7.  (E)  

Prx1-­‐derived  cells  form  more  CFU-­‐F  and  have  a  higher  clonogenicity  capacity  than  non-­‐

Prx1-­‐derived  cells.  (F)  Osteogenic,  adipogenic,  chondrogenic,  fibrogenic  and  myogenic  in  

vitro   differentiation   of   Prx1-­‐derived   muscle   cells.   Prx1-­‐derived   muscle   cells   (P1)  

undergo  osteogenic,  chondrogenic,  adipogenic  and   fibrogenic  differentiation  but   fail   to  

achieve  myogenic  differentiation.  Statistical  analyses  were  performed   following  Mann-­‐

Whitney  test  (*  p-­‐value<0,05,  n=3  per  group).  All  data  represent  mean  ±  SD.  

 

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

153  

   

A Prx1Cre;mTmG muscle

B

CD31 CD11b CD45

Prx

1:Y

FP

CD34

0

20

40

60

80

Sca1

77,5%

0 1030

20

40

60

80

PDGFRα

81%

10410

0 103

0

104

103

102

10

0 1030

20

40

60

80

35,2%

0 103 104

0 103

0

20

40

60

80

a7integrin

11,1%

10

0 1030

20

40

60

80

95,2%

104

100

CD29

Co

un

tC

ou

nt

Co

un

tC

ou

nt

Co

un

t

32%

CD31 aSMA

CD29NG2 PDGFRα

PDGFRβ

GFP/Tomato/DAPI

C

0

104

103

10

10 0 104103

1,44%

8,39%22,3%

67,9%

CD34

Sca

1

CD31- CD11b- CD45-

0

104

103

10

102

10 0 104103

51,6%27,9%

8,76% 11,8%

10 0 104103

104

103

10

102

0

10,6%1,29%

14,8% 73,2%

PDGFRα

Prx

1:Y

FP

Prx

1+

mu

scle

ce

lls

Osteo Adipo Chondro Myogenic

D

FibroF

CD

34

Cxcl1

2

Gre

mlin

Mx1

PD

GF

Ra

Ne

stin

Le

pR

PW

1

Tcf4

aS

MA

Vim

en

tin

NG

2

PD

GF

Rb

Scx

Tn

md

Tn

C

Pax7

0

0.15

0.5

1.0

aSMA/DAPI

20

40

60

80

100

*

0

YFP+ YFP-

% C

FU

-F

Prx1+ muscle cells at P1E

OCP FAP

Figure 4

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

154  

Figure   5:   Callus   fibrosis   is   produced   by   muscle   Prx1-­‐derived   profibrotic  

progenitors  and  can  be  targeted  by  Imatinib  to  improve  bone  healing.  

 

(A)  Transverse  sections  of  intact  tibia  and  muscle  (d0)  of  Prx1Cre;mTmG  mice,  and  days  

3  and  21  post-­‐fracture  alone  or  fracture  with  muscle  injury.  Prx1+  derived  cells  (GFP+)  

are  detected   at   d3  within   the  muscle   adjacent   to   the   fracture   site   and   throughout   the  

muscle   after   fracture   combined   with   muscle   injury.   By   day   21   post-­‐surgery,   Prx1+  

derived   cells   are   not   observed   in   muscle   surrounding   the   fracture   callus   but   are  

detected   within   the   fibrous   tissue   thin   muscle   after   fracture   combined   with   muscle  

injury.  (B)  Histomorphometric  quantification  of   fibrosis  volume  in  tibial   fractures  with  

or  without  muscle   injury   at   days   7,   14,   21,   28   and   56   post-­‐fracture.   (C)  Upper   panel:  

longitudinal   sections   of   fracture   callus   21   days   post-­‐fracture   with   muscle   injury   of  

Prx1Cre;mTmG  mice  stained  with  picrosirus  (PS)  showing   fibrosis   (black  arrowhead,   f,  

boxed  area)  and  adjacent  sections  showing  Prx1-­‐derived  GFP+  cells  (white  arrowhead,  

f)   in   fibrous   tissue.   Lower   panel:   PDGFRα   (left)   and   Periostin   (right)  

immunofluorescence  on  callus  section  of  fracture  with  muscle  injury  d21  post-­‐fracture  

of  wild  type  mice  show  staining  in  fibrous  tissue.  (D)  Upper  panel:  experimental  design  

of  injured  EDL  muscle  graft  or  periosteum  graft  from  Prx1Cre;mTmG  mice  transplanted  

at   the   fracture   site   of   wild   type   hosts   with   muscle   injury.   Lower   panel:   longitudinal  

callus  sections  stained  with  PS  show  fibrous  tissue  (f)  within  callus  at  day  21.  Adjacent  

sections   show  Prx1-­‐derived  muscle   cells   (GFP+)   in   fibrosis   (f)   and   in  bone   (b)  but  no  

Tomato+  cells  (top  panel).  Periosteum  derived  GFP+  cells  are  detected  in  bone  (b)  but  

not   in   fibrous   tissue   (asterisk)   (E)   Experimental   design   of   Imatinib®   treatment.  

Fractures  with  muscle  injury  were  performed  on  wild-­‐type  mice.  Mice  were  daily  treated  

with  Imatinib®  (50mg/kg/day)  or  vehicle  (PBS)  from  the  time  of  surgery  to  harvesting  

at   days   7   or   21.   (F)   Histomorphometric   analyses   of   total   callus,   cartilage,   bone   and  

fibrosis  volume  of  wild  type  mice  with  fracture  combined  to  muscle  injury  daily  treated  

with   Imatinib®   (50mg/kg/day)   or   vehicle   (PBS).   c:   cartilage,   b:   bone,   f:   fibrosis,   m:  

muscle.   Scale   bars:   low   magnification=1mm,   high   magnification=100μm.   Statistical  

analyses  were  performed  following  Mann-­‐Whitney  test  (*  p-­‐value<0,05;  **  p-­‐value<0,01,  

n=5  per  group).  All  data  represent  mean  ±  SD.  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

155  

   Figure 5A

D

c

bf

Prx

1C

re;m

Tm

G

CE

DL

Pe

rio

ste

um

Prx1Cre;mT/mG

Periosteum

graft

injured EDL graft

or

Fracture

+

muscle injury

graft

b f*

f

graft

f f

f

graft

graft

b

GFP/Tomato/DAPI

GFP/Tomato/DAPI

PS

GFP/Tomato/DAPI

PS

b

Fracture with muscle injury (d21)

Postn/DAPIPDGFRa/DAPI PS

PS

f

E

b b

d7 d14 d21 d28 d56

*

*

**

0

4

8

Volu

me (

mm

3)

C5

7B

L6

FractureFracture with

muscle injury

c

*

PBS Imatinib

*

*

Volu

me (

mm

3)

Callus

0

20

40

60

Cartilage

0

2

4

0

2

4

Volu

me (

mm

3)

6

Volu

me (

mm

3)

Bone

0

2

4

6

8

Fibrosis

Volu

me (

mm

3)

d21d21d7 d7d21d21d7 d7

Uninjured

d3

Fracture

with muscle injury

callus

callustibia

fibula

d3

d21 d21

Fracture

Prx1Cre;mTmG hindlimb

GFP/Tomato/DAPIcallus

callus

f

m

m

m

m

Callus fibrosis

B

d0

Fracture + muscle injury

Daily injection

of Imatinib or PBS

Harvest

d7/d21

F

f

f

f

f

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

156  

   

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

157  

               

Supplementary  Figures            

Muscle-­‐derived  profibrotic  progenitors  impair  bone  

healing  in  musculoskeletal  trauma        

Julien  A.  et  al.    

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

158  

d7 d14 d21 d280

20

40

60

Callus volume (mm3)

*

*

0

2

4

6

8 **

*

****

****

0

5

10

15

*

**

*

No muscle injury Fracture and total muscle injuryFracture and TA muscle injury

Cartilage volume (mm3) Bone volume (mm3)

d7 d14 d21 d28 d7 d14 d21 d28

Supplementary Figure 1

Supplementary figure 1: Tibialis anterior (TA) muscle injury does not severely impact bone repair. Histomorphometric quantification of callus, cartilage and bone volumes in tibial fractures without muscle injury, with total muscle injury (as shown in Figure 1) or with TA muscle injury at days 7, 14, 21 and 28 post-fracture. Statistical analyses were performed following Mann-Whitney test (* p-value<0,05; ** p-value<0,01, n=5 per group). All data represent mean ± SD.

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

159  

A

No muscle injury Muscle injury

Cortical defect

no muscle injury muscle injury

0.0

0.4

d7 d21

0.00

0.05

0.10

d7 d21

Callus Bone

Volu

me (

mm

3)

d2

1

nsns ns ns

B

GFP donor

EDL graft

Cortical defect

GFP/DAPIcortex

EDLSO

Volu

me (

mm

3)

cortex

d7

TC TC

Supplementary figure 2: Bone repair of cortical defects via intramembranous ossification is not affected by muscle injury. (A) Upper panel: Representative longitudinal sections stained with Masson’s trichrome (TC) of mouse tibia at days 21 post cortical defect (black arrows) with or without muscle injury in wild type mice. Lower panel: Histomorphometric quantification of callus and bone volumes of cortical defect with or without muscle injury at day 7 and day 21 post-surgery shows no significant differences between the two groups. (B) Upper panel: experimental design of GFP -EDL muscle grafts transplanted next to a cortical defect. Lower panel: longitudinal sections of cortical defect with GFP-EDL-muscle graft stained with safranin’o (SO) and mounted with DAPI. No GFP+ muscle-derived cells are detected within the cortical defect. Scale bar = 500μm. Statistical analyses were performed following Mann-Whitney test (* p-value<0,05; ** p-value<0,01, n=4 per group). All data represent mean ± SD

Supplementary Figure 2

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

160  

   

EDL

callus

c

GFP/Tomato/DAPI GFP/Tomato/DAPI

SO

Pax7CreERT;mT/mGdonor

wild type host

EDL graft

c

c

Pax7CreERT;mT/mG miceA

B

C SO1

1

2

2

2

callus

cb

SO

*

Fracture

Fracture with muscle injury

callus

GFP/Tomato/DAPI

cb

GFP/Tomato/DAPI

GFP/Tomato/DAPI

SO

GFP/Tomato/DAPI

m

m

muscle

GFP/Tomato/DAPI

1

1 2

2

1

1

2

2 GFP/Tomato/DAPI

muscle

Supplementary figure 3: Pax7 does not mark muscle-derived cells during bone repair. (A) Localization of Pax7-derived cells in the fracture callus of tamoxifen-induced Pax7CreERT2;mTmG mice at day 14 post tibial fracture with or without muscle injury. Longitudinal callus sections stained with Safranin-O (SO, left) or mounted with DAPI (right) to visualize GFP and Tomato signals. High magnification shows that in the calluses of Pax7CreERT2;mTmG mice all chondrocytes in cartilage (c) and osteocytes in bone (b) are not Pax7-derived (Tomato-positive). In muscle (m) surrounding the fracture, new GFP+ Pax7-derived muscle fibers are not detected but around the fracture combined with muscle injury, all regenerating muscle fibers are GFP+. (B) Experimental design of EDL muscle grafts from Pax7CreERT2;mTmG mice transplanted adjacent to the fractured tibia of wild type hosts. (C) Longitudinal callus sections stained with SO at day 14 post-fracture (top) and adjacent section at high magnification shows EDL-derived cells (bottom) within the callus (delimited by a yellow line). Regenerating myofibers are visible within the EDL graft (GFP+, asterisk). Pax7CreERT2;mTmG EDL gives rise exclusively to non Pax7-derived chondrocytes (Tomato+) in the callus. Scale bar: SO=1mm, high magnification= 50μm.

Supplementary Figure 3

  Article  3,  Julien  et  al,  En  cours  de  soumission    

161  

   

Fracture

SO PS

b

d7

d14

d21

SO PS

SO PS

SO PS

SO PS

d28

d56

Fracture + muscle injury

SO PS

SO PS

SO PS

SO PS

SO PS

b

b

f

c c

cbb

f

f

f

f

f

cb

b

b

b

Supplementary figure 4: Timing of fibrous tissue formation and remodeling during fracture repair. Representative sections of fracture calluses stained with SO and PS at days 7, 14, 21, 28 and 56 of post fracture alone (left panels) and fracture with muscle injury (right panels). In fracture calluses without muscle injury, fibrotic tissue (f ) is detected from day 7, , decreases by d14 and is undetectable from day 21. Fracture calluses with muscle injury exhibit fibrous tissue accumulates until d56. f: fibrosis, c: cartilage, b: bone, Scale bar=1mm, box areas =50μm.

Supplementary Figure 4

  Discussion    

162  

   

  Discussion    

163  

Discussion    

La  régénération  tissulaire  dépend  du  recrutement,  de  l’activation  et  de  la  différenciation  

de   cellules   souches.   Déterminer   la   nature   de   l’origine   des   cellules   souches   est   une  

question   fondamentale   pour   la   compréhension   des   mécanismes   de   régénération  

tissulaire.  Les  cellules  impliquées  dans  la  régénération  osseuse  proviennent  de  sources  

tissulaires   multiples.   La   recherche   fondamentale   et   translationnelle   porte  

principalement  sur   les  CSMOs.  Cependant,  nous  avons  montré  dans   la  première  partie  

des  résultats  que  le  périoste  contient  des  cellules  osseuses  dotées  d’une  capacité  d’auto-­‐

renouvellement  et  dont  le  potentiel  de  régénération  est  plus  élevé  que  celui  des  CSMOs.  

Dans   la   deuxième   partie,   avons   montré   que   le   muscle   squelettique   joue   un   rôle  

important   au   cours  de   la   régénération  osseuse   comme  source  de   facteurs   sécrétés,   en  

partie  par   les  cellules  souches  musculaires   ,   les  cellules  satellites,  et  comme  source  de  

cellules  participant  directement  à  la  formation  du  cartilage  dans  le  cal.  Dans  la  troisième  

partie   de  ma   thèse,   nous   avons   caractérisé   les   OCPs   provenant   du  muscle   et   l’impact  

d’un   traumatisme   musculosquelettique   sur   les   OCPs   et   le   processus   de   régénération  

osseuse.   Nous   avons   développé   un   nouveau   modèle   de   traumatisme  

musculosquelettique  combinant  une  fracture  et  une  blessure  mécanique  du  muscle  qui  

conduit  à  une  absence  de  consolidation  osseuse.  Les  OCPs  provenant  du  muscle  pendant  

la   régénération   osseuse   constituent   une   population   de   cellules   interstitielles  

musculaires   dérivant   du   lignage   mésenchymateux   Prx1,   exprimant   PDGFRα   un  

marqueur  des  FAPs  dans  le  muscle.  Cependant,  dans  le  cas  d’une  blessure  traumatique,  

les   cellules   dérivées   du   lignage   Prx1   sont   aussi   source   de   fibrose   contribuant  

négativement   au   processus   de   régénération.   Afin   de   diminuer   l’accumulation   de   tissu  

fibrotique,  nous  avons  utilisé  un  inhibiteur  de  la  voie  PDGFR,  l’Imatinib®.  Le  traitement  

avec   l’Imatinib®   améliore   la   régénération   osseuse   après   un   traumatisme  

musculosquelettique.  

 

 

 

 

 

  Discussion    

164  

Quelles  sont  les  origines  des  cellules  souches  squelettiques  activées  en  réponse  à  

une  fracture  ?  

 

De   nombreux   tissus   ont   de   grandes   capacités   de   régénération   et   les   mécanismes  

cellulaires   impliqués   sont   variés.   La   régénération   musculaire   est   basée   sur   le  

recrutement,   l’activation   et   la   différenciation   des   cellules   souches   spécifiques,   les  

cellules  satellites[250,  251,  253].  La  régénération  des  glomérules  rénaux  est  permise  grâce  à  

la   transdifférenciation   des   cellules   tubulaires   épithéliales   [418,   419].   Après   une   lésion  

hépatique,  les  hépatocytes  prolifèrent  afin  de  restaurer  la  masse  et  la  fonction  hépatique  [420,   421].   Ces   différents   mécanismes   ne   sont   pas   exclusifs   et   la   régénération   tissulaire  

peut  faire  intervenir  plusieurs  d’entre  eux.  Dans  le  foie  par  exemple,  les  cellules  ovales  

sont   décrites   comme   des   cellules   souches   hépatiques   potentielles   et   pourraient   se  

différencier   directement   en   hépatocytes   en   parallèle   de   la   prolifération   des  

hépatocytes[422].   Cependant,   quelque   soit   le   tissu,   la   question   de   l’origine   des   cellules  

impliquées   dans   le   processus   de   régénération   est   fondamentale.   La   contribution   des  

cellules   résidentes   au   cours   de   la   régénération   tissulaire   est   bien   décrite,   mais   la  

contribution   de   cellules   non-­‐résidentes,   recrutées   à   partir   des   tissus   adjacents   ou   de  

manière   systémique   via   la   vascularisation   est   peu   caractérisée.   La   contribution   de  

cellules  circulantes  telles  que  les  CSMOs  ou  les  cellules  CD34+  a  été  envisagée  au  cours  

de   la   régénération   de   différents   tissus   [423-­‐430]   mais   reste   minoritaire   comparée   à   la  

contribution  des  cellules  résidentes[431-­‐433].  Néanmoins,  ces  cellules  circulantes  peuvent  

participer  à  la  régénération  tissulaire  via  leur  fusion  avec  les  cellules  résidentes  et  non  

en  tant  que  cellules  souches/progénitrices  au  sens  propre  du  terme[434-­‐438].  Les  cellules  

circulantes  ont  aussi  un  rôle  indirect  nécessaire  comme  source  de  facteurs  par  exemple.  

La  contribution  directe  d’un  tissu  adjacent  au  tissu  blessé  n’est  pas  renseignée  dans   la  

littérature.  Cette  question  est  pourtant  essentielle  puisque  qu’un  traumatisme   impacte  

généralement   plusieurs   tissus   adjacents.   Dans   le   cas   de   la   régénération   osseuse,   les  

travaux  du  laboratoire  indiquent  que  le  périoste  est  la  source  majeure  d’OCPs  alors  que  

les  CSMOs  agissent  indirectement  comme  source  de  facteurs.  La  source  majeure  d’OCPs  

semble  donc  être   locale.   L’étude  menée  pendant  ma   thèse  apporte  plusieurs   éléments  

concernant   le   rôle   du   muscle   adjacent   à   l’os.   Nous   avons   montré   que   le   muscle  

squelettique   est   une   source   importante   de   cellules   squelettiques   au   cours   de   la  

régénération   osseuse.   Si   les   cellules   satellites   contribuent   principalement   en   tant   que  

  Discussion    

165  

source  de  facteurs,  les  cellules  interstitielles  dérivant  du  lignage  Prx1+  contribuent  à  la  

régénération  osseuse  en  formant  des  chondrocytes,  des  ostéoblastes  et  des  ostéocytes.    

 

Comment  distinguer  les  cellules  provenant  de  tissus  adjacents  pendant  la  

régénération  osseuse  ?  

 

Les   cellules   du   périoste   qui   contribuent   à   la   régénération   osseuse   dérivent   aussi   du  

lignage  Prx1,  comme  les  cellules  du  muscle  squelettique.  Actuellement,  il  n’existe  aucun  

marqueur  tissu-­‐spécifique  permettant  de  distinguer  les  cellules  provenant  du  périoste  et  

celles  provenant  du  muscle  squelettique[174].  Nous  avons  donc  utilisé  des  approches  de  

greffes  tissulaires  de  périoste  et  de  muscle  pour  évaluer  le  potentiel  de  ces  deux  tissus  

lors  de  la  formation  du  cal.  Cependant,  la  transplantation  d’un  muscle  ou  d’une  portion  

de   périoste   reflète   une   partie   seulement   de   leur   contribution   et   ne   permet   pas   de  

visualiser  la  contribution  endogène  totale  et  relative  de  ces  deux  tissus.  Pour  cela,  nous  

développons  actuellement  des  approches  de  greffes  segmentaires  de  tibias  combinées  à  

du   lignage   génétique.   Si   la   contribution   des   cellules   du   muscle   Prx1   au   cours   de   la  

régénération  osseuse  est  maintenant  établie,   il   reste  à  savoir  si  elle  est  nécessaire  à   la  

régénération  osseuse  et  si  leur  absence  altère  ce  processus.    

Nos  travaux  montrent  que  les  CSMOs,  les  PCs  et  les  cellules  du  muscle  qui  contribuent  à  

la   régénération   osseuse   ont   de   nombreux   points   communs.   Dans   le   but   de   mieux  

caractériser   les  CSMOs  et  d’identifier  un  marqueur  des   cellules   souches   squelettiques,  

les   marqueurs   Mx1,   Gremlin   1[186],   LeptinR[187],   Nestin[181,   439],   PDGFRα[440],   Prx1[182],  

Cxcl12[441]   et   Osterix[51]   chez   la   souris  ou   CD146   chez   l’Homme[172]   ont   été   identifiés  

dans  la  moelle  osseuse.  Par  des  analyses  moléculaires  et  de  lignage  cellulaire  nous  avons  

montré  que  la  plupart  de  ces  marqueurs  sont  aussi  exprimés  dans  les  PCs  et  les  cellules  

interstitielles   du  muscle.   Des   analyses   à   l’échelle   de   la   cellule   unique   pourraient   être  

utiles  pour  mieux  comprendre  l’architecture  des  populations  de  cellules  impliquées  lors  

de   la   régénération   osseuse   et   pour   trouver   un   marqueur   permettant   de   discriminer  

l’origine  tissulaire  des  cellules.    

 

 

 

 

  Discussion    

166  

Quels  sont  les  mécanismes  de  recrutement  des  cellules  souches  en  réponse  à  une  

fracture  ?    

 

La  compréhension  des  mécanismes  d’activation  et  de  recrutement  des  cellules  souches  

au  cours  d’un  processus  de  régénération  est  fondamentale.  L’analyse  par  microarray  des  

PCs   et   CSMOs   avant   fracture   et   3   jours   après   fracture   nous   a   permis   d’identifier  

Périostine   (Postn)   comme   un   facteur   essentiel   de   la   niche   des   cellules   souches   du  

périoste.   En   absence   de  Postn,   les   cellules   souches   du   périoste   perdent   leur   potentiel  

d’auto-­‐renouvellement   et   leur   capacité   d’intégration   à   long   terme.   Nous   cherchons  

maintenant  à  comprendre  les  mécanismes  d’activation  des  cellules  recrutées  du  muscle  

et   leurs   interactions   avec   les   cellules   de   l’os   au   cours   de   la   régénération   osseuse.   De  

nombreuses  voies  de  signalisation  telles  que  Notch,  IGF-­‐1,  HGF  ou  BMP  ont  été  décrites  

comme   étant   impliqués   dans   les   mécanismes   d’activation,   de   recrutement   et   de  

différenciation   des   cellules   souches   au   cours   de   la   régénération[442-­‐444].   La   voie   de  

signalisation  BMP  est  essentielle  au  cours  du  développement  osseux  et  musculaire[29,  40,  

445],   lors  de   l’homéostasie   tissulaire[247,  446]  et  au  cours  de   la  régénération[106,  447-­‐449].  La  

voie  de  signalisation  BMP  canonique  est  activée  via   la   fixation  des   ligands  BMP  sur   les  

récepteurs   de   type   1   et   2,   ce   qui   entraine   leur   dimérisation   puis   leur   auto-­‐

phosphorylation.   Cela   induit   le   recrutement   du   complexe   de   molécules   effectrices  

Smad1/5/8  qui  sont  à  leur  tour  phosphorylées.  La  protéine  Smad4  est  alors  recrutée  par  

le   complexe  pSmad1/5/8.   Le   complexe  pSmad1/5/8-­‐Smad4  est   ensuite   transloqué   au  

niveau  du  noyau  pour  agir  au  niveau  des  gènes  cibles[450].  Les  souris  Prx1Cre/+;Bmp2fl/fl  

présentent   une   régénération   imparfaite   avec   une   absence   de   formation   du   cal   après  

fracture[106].   BMP2   n’est   pas   nécessaire   au   maintien   du   pool   de   progéniteurs  

squelettique   au   sein   du   périoste.   Néanmoins,   BMP2   est   essentiel   à   l’activation   et   à   la  

différentiation   chondrogénique   des   cellules   du   périoste   lors   de   la   régénération  

osseuse[107,  113,  447].   Dans   la   deuxième   partie   des   résultats,   nous   avons  montré   que   les  

cellules   satellites   des   muscles   entourant   le   tibia   sécrètent   des   facteurs   de   croissance  

dont   les   BMPs   en   réponse   à   la   fracture.   Les   cellules   satellites   sont   donc   une   source  

supplémentaire  de  BMP  pour   la   régénération  osseuse.  Au  sein  du   tissu  musculaire,   au  

cours  de   l’homéostasie   tissulaire,   les  BMPs  permettent   l’expansion  du  pool  de   cellules  

souches  en  retardant  la  différenciation  myogénique.  Une  régulation  négative  de  la  voie  

BMP   conduit   à   une   réduction   de   la   taille   des   fibres   régénérées   de   40%   et   à   une  

  Discussion    

167  

augmentation   de   la   fibrose[449,   451].   Les   BMPs   ont   aussi   un   rôle   dans   la   régénération  

musculaire.  Les  gènes  Id  sont  connus  pour  être  des  cibles  directes  de  la  voie  BMP  et  il  a  

été  montré  que  chez  les  souris  Id1/Id3  KO,   la  régénération  musculaire  est  retardée[448].  

Le   rôle   de   la   voie   BMPs   dans   les   interactions   os-­‐muscle   reste   encore   à   éclaircir.   Afin  

d’élucider   les   mécanismes   d’activation   des   OCPs   du   muscle   squelettique   pendant   la  

régénération  osseuse,  nous  travaillons  sur  un  modèle  murin  de  déplétion  du  récepteur  1  

au  BMP  (BMPR1a)  dans  les  cellules  PDGFRα+.  Pour  cela,  nous  avons  induit  des  fractures  

sur   les   souris   PDGFRαCreERT2/+  ;Alk3fl/fl   et   les   souris   contrôles   PDGFRα+/+  ;Alk3fl/fl   après  

induction  au  tamoxifène.  Les  premiers  résultats  montrent  un  retard  de  régénération  au  

jour   14   post-­‐fracture,   ce   qui   suggère   un   rôle   de   la   voie   BMP   au   sein   des   cellules    

PDGFRα+   au   cours   de   la   régénération   osseuse.   Ce   phénotype   reste   à   décrire   plus   en  

détails,   et   une   déplétion   génétique   combinée   à   des   approches   de   transplantation  

tissulaire  sera  nécessaire  afin  de  distinguer  le  rôle  de  la  voie  BMPs  au  niveau  des  OCPs  

du  muscle   et   du   périoste.   Des   études   à   grandes   échelles   seront   aussi   nécessaires   afin  

d’identifier  de  nouveaux  facteurs  intervenant  dans  l’activation  des  OCPs  au  cours  de  la  

régénération  osseuse.    

 

Quelles  sont  les  causes  d’une  régénération  osseuse  imparfaite    et  quel  est  le  rôle  

de  la  réponse  fibrotique  ?    

 

Le   processus   de   régénération   tissulaire   est   généralement   divisé   en   quatre   étapes  :   la  

formation  de   l’hématome,   la  phase   inflammatoire,   la  phase  proliférative  et   la  phase  de  

remodelage[452-­‐454].   Le   timing   de   chaque   phase   est   finement   régulé   et   la   dérégulation  

d’une  phase  peut   altérer   la   régénération.   Les  origines  des  déficiences  de   régénération  

tissulaire  peuvent  être  multiples  mais  le  potentiel  des  cellules  souches  est  rarement  mis  

en   cause.   Dans   le   cas   du   tissu   osseux   par   exemple,   un   environnement   mécanique  

instable  est  une  des  causes  de  régénération  imparfaite.  En  effet,   l’instabilité   induit  une  

accumulation   de   cartilage   non   résorbé   qui   peut   avoir   pour   conséquence   de  

compromettre   la   formation   du   pont   osseux[455,   456].   Cette   question   essentielle   de   la  

transition   cartilage-­‐os   n’a   pas   été   développée   au   cours   de  mes   travaux   de   thèse  mais  

notre  modèle  de  traumatisme  pourrait  être  un  outil  pour  l’étudier.    

Une   autre   cause   de   non-­‐régénération   peut-­‐être   une   dérégulation   de   la   phase  

inflammatoire   et   par   conséquence   une   mauvaise   régulation   des   cellules   du   tissu   de  

  Discussion    

168  

soutien  et   l’accumulation  de   tissu   fibrotique[281,  457-­‐459].  La   fibrose  est  définie  comme   la  

présence   anormale  de  matrice   extracellulaire   (collagène  notamment)   en   réponse   à  un  

dommage  aigue  ou  chronique,  ce  qui  entraine  un  disfonctionnement  du  tissu  lésé[460-­‐462].  

La  fibrose  est  une  problématique  majeure  dans  le  domaine  de  la  régénération  tissulaire.  

De   nombreuses   études   ont   établi   le   lien   entre   l’inflammation   et   la   formation   de   la  

fibrose,   renforçant   un   peu   plus   l’importance   du   contrôle   des   étapes   précoces   du  

processus   de   régénération[463,   464].   Concernant   le   tissu   osseux,   notre   laboratoire   a  

précédemment   montré   que   chez   les   souris   mdx,   modèle   murin   de   la   dystrophie   de  

Duchenne,   où   la   réponse   inflammatoire   est   continue,   la   régénération   osseuse   est  

retardée[404].  La  déplétion  des  macrophages  au  moment  de   la   fracture   induit  un  retard  

de   régénération   et   la   formation   de   tissu   fibrotique   au   sein   du   cal[73].   Cox2   est   un  

médiateur   de   l’inflammation   sécrété   à   la   fois   par   les   cellules   immunitaires   et   par   les  

OCPs.  Chez  les  souris  Cox2-­‐/-­‐   la  régénération  osseuse  est  retardée  et  du  tissu  fibrotique  

se   forme   au   sein   du   cal.   Des   greffes   segmentaires   de   tibias   ont   permis   de  mettre   en  

évidence  le  rôle  primordial  de  Cox2  lors  de  l’activation  des    progéniteurs  squelettiques  

du  périoste[465,  466].  Ces  expériences  mettent  en  évidence  les   interactions  directes  entre  

le   système   immunitaire,   les   progéniteurs   squelettiques   et   la   formation   de   tissu  

fibrotique[467].   Ces   interactions   sont   retrouvées   aussi   au   cours   de   la   régénération  

musculaire,  notamment  entre  les  cellules  satellites  et  les  macrophages[468-­‐470]  [463,  471,  472].  

En   utilisant   des   approches   génétiques,   il   a   été   montré   que   le   switch  

macrophage/monocyte   orchestre   la   régénération   musculaire  et   la   persistance   des  

macrophages   pro-­‐inflammatoires   conduit   à   la   formation   aberrante   de   tissu  

fibrotique[473].  Plusieurs  cytokines  et  facteurs  de  croissance  tels  que  IL-­‐10  ou  IGF-­‐1  sont  

sécrétés   par   les   cellules   immunitaires   dont   l’absence   conduit   à   une   régénération  

anormale  et   à   la   formation  de   tissu   fibrotique[474,  475].   L’origine  des   cellules   formant   le  

tissu  fibrotique  a  été  décrite  dans  certains  organes  ou  tissus  comme  le  rein  ou  le  muscle  

squelettique,   notamment   grâce   à   des   études   de   lignage   utilisant   différents  marqueurs  

tels  que  PDGFRα[326,  330,  476],  Gli1[477]  ou  ADAM12[298].  Chez  les  souris  dystrophiques,   les  

cellules  PDGFRα+  s’accumulent  et  sont  à  l’origine  de  la  fibrose[326,  330,  476,  478].  La  voie  de  

signalisation   TGF-­‐β   est   suractivée,   inhibant   l’apoptose   des   FAPs   et   induisant   la  

formation  de  tissu  fibrotique.  

La  formation  de  tissu  fibrotique  lors  des  étapes  précoces  reste  cependant  essentielle  à  la  

régénération   tissulaire.   Dans   le   muscle   squelettique,   après   une   blessure   aigue,   les  

  Discussion    

169  

éosinophiles  sécrètent  de  l’IL-­‐4  et  de  l’IL-­‐13  qui  inhibent  la  différentiation  adipogénique  

des  FAPs,  pour  promouvoir  leur  différentiation  en  fibroblastes  et  la  sécrétion  de  matrice  

extracellulaire   [328].   La   déplétion   conditionnelle   des   fibroblastes   Tcf4+   au   cours   de   la  

régénération   musculaire   entraine   une   régénération   incomplète[318].   Des   approches  

génétiques  ou  des  expériences  de   co-­‐culture  ont  montré  que   les   cellules   interstitielles  

musculaires   (FAP,   péricytes,   CSMs)   sont   une   source   de   facteurs   (IGF-­‐1,   Angpt)  

permettant   la   différentiation,   prolifération   et   fusion   des  myoblastes[289,  322,  479,  480].   Les  

cellules   interstitielles   musculaires,   et   plus   particulièrement   les   FAPs   et   les   cellules  

PDGFRα+,  ont  donc  un  rôle  ambivalent  au  cours  de  la  régénération  musculaire,  à  la  fois  

bénéfique   lorsque   leur  présence  est   transitoire  mais  délétère  si  elle  est  persistante.  La  

formation  de  tissu  fibrotique  au  début  de  la  régénération  tissulaire  est  donc  décrite  dans  

de  nombreux  tissus.  Si  ce  processus  est  bien  renseigné  dans  le  tissu  musculaire,  ce  n’est  

pas   le   cas   dans   l’os   où   l’origine   cellulaire   de   la   fibrose   n’est   pas   caractérisée   dans   la  

littérature.   Mes   travaux   de   thèse   ont   montré   que   la   formation   initiale   de   fibrose   fait  

partie  du  processus  physiologique  de  réparation  osseuse  comme  observé  dans  d’autres  

tissus   mais   que   la   persistance   de   la   fibrose   après   un   poly-­‐trauma   est   néfaste   au  

processus  de  régénération.  Mes  résultats  éclairent  aussi  sur  les  origines  tissulaires  de  la  

fibrose.   Dans   le   cas   d’une   fracture   combinée   à   une   blessure   du   muscle,   le   lignage  

musculaire  Prx1+   forme  à   la   fois  du   cartilage  et  de   l’os  mais   aussi  du   tissu   fibrotique,  

alors   que   le   périoste   ne   contribue   pas   à   la   formation   du   tissu   fibrotique   non-­‐résorbé.  

Cette  donnée  ouvre  la  voie  à  de  nouvelles  perspectives  thérapeutiques  pour  la  prise  en  

charge  des  fractures  complexes  associées  à  un  taux  régénération  imparfaite  élevé.  Au  vu  

de  l’essor  de  la  thérapie  cellulaire,  du  potentiel  de  régénération  des  cellules  du  muscle  et  

de   leur   accessibilité,   les   cellules   musculaires   interstitielles   apparaissent   comme   une  

source  potentielle  de  cellule  pour  le  traitement  des  fractures.  Cependant,  du  fait  de  leur  

potentiel   fibrogénique,   des   études   complémentaires   devront   être   menées   afin   de  

comprendre   comment   la   fibrogenèse   est   induite   dans   ces   cellules.   Au   vu   de   tous   ces  

éléments,   nous   pouvons   penser   que,   dans   le   modèle   de   blessure   traumatique,  

l’environnement   inflammatoire   est  dérégulé   et   les   cellules  Prx1+   sont  orientés   vers   la  

voie  fibrogénique.  

De   nombreuses  molécules   ont   été   développées   dans   le   but   de   traiter   la   fibrose.   Elles  

ciblent  différentes  étapes  du  processus  fibrotique  comme  la  formation  ou  la  maturation  

des  fibres  de  collagène,  ou  encore  la  prolifération  ou  la  présence  des  fibrocytes[481,  482].  

  Discussion    

170  

Afin  de  traiter  les  dystrophies  musculaires  et  de  réduire  la  formation  de  tissu  fibrotique,  

différentes  molécules  ciblant  la  voie  de  signalisation  PDGFRα  telles  que  l’Imatinib®  ou  le  

Nilotinib®  par  exemple  ont  été   testées.  Ces  molécules  sont  utilisées  cliniquement  dans  

d’autres  pathologies,  notamment  pour  traiter  certains  cancers[483,  484].  Le  traitement  de  

souris  mdx  par  les  inhibiteurs  de  la  voie  de  signalisation  PDGFRα  améliore  le  phénotype  

dystrophique   en   inhibant   l’action   du   TGF-­‐β,   un   facteur   pro-­‐fibrogénique[210,   332,   333].  

D’autres   études   démontrent   le   potentiel   anti-­‐fibrotique   de   l’Imatinib®   dans   des  

blessures  chroniques  d’organes  tels  que  le  foie  ou  les  poumons[281,  485,  486].  Cependant,  il  

n’existe  aucune  étude  menée  sur  leur  action  sur  le  tissu  osseux.  Notre  étude  démontre  

ainsi   le   potentiel   thérapeutique   de   l’Imatinib®   dans   le   traitement   des   fractures  

complexes.  Malgré  ces  résultats  encourageants,  certaines  études  démontrent  la  toxicité  

de   l’Imatinib®,   notamment   au   niveau  de   la   peau[487],   du   cœur   où   l’Imatinib®  induit   un  

stress  du  réticulum  endoplasmique  et  un  dysfonctionnement  de  l’autophagie  conduisant  

à  la  mort  par  apoptose  des  cellules[488],  et  de  l’os  en  stimulant  la  formation  osseuse  par  

les   ostéoblastes[489,   490].   Ces   effets   pléiotropiques   peuvent   s’expliquer   par   la   non-­‐

spécificité  de   l’Imatinib®  qui  a  pour  cible  PDGFR,  Bcr-­‐abl  ou  c-­‐Kit  en  particulier  et  par  

l’expression  pan-­‐tissulaire  de  ces  protéines.  Des  traitements  locaux  pourront  donc  être  

envisagés.    

Ces   résultats   apportent   donc   de   nouvelles   perspectives   en   thérapie   cellulaire   et/ou  

pharmacologiques.    

 

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  Références    

210  

   

Curriculum  Vitae    

211  

Curriculum  Vitae   Anaïs JULIEN 27/04/1991

16 Avenue du fort +33 6 77 51 33 26 92120 Montrouge, France [email protected]

Formations**

2015% % Diplôme%universitaire%d’expérimentation%animale%niveau%1%9%Université%Paris%Descartes%% % % %% %%

201492018% Doctorat%en%Biologie%Cellulaire%9%Université%Paris%Descartes,%Paris,%France%201292014% Master%de%Génétique%9%Magistère%Européen%de%Génétique,%Université%Paris%Diderot,%Paris,%France%(Mention%Bien)%201192012% License%de%Génétique%9%Magistère%Européen%de%Génétique,%Université%Paris%Diderot,%Paris,%France%(Mention%Assez%Bien)%200992011% Classe%préparatoire%aux%grandes%écoles%section%BCPST,%Lycée%Thiers,%Marseille,%France%

*Expériences*professionnelles*

*

201492018%% Doctorat%à%l’Institut%IMAGINE,%Paris,%France.%PI:%Dr%COLNOT%Céline%Etudes' des' interactions' os.muscle' lors' de' la' régénération' osseuse.' Développement% d’un% modèle% de% blessure%musculosquelettique%et%caractérisation%des%cellules%interstitielles%du%muscle%squelettique%contribuant%à%la%régénération%osseuse%Rédaction%d’un%article%scientifique%en%cours%de%soumission%

%

2014% % Stage%de%Master%2%à%l’Institut%IMAGINE,%Paris,%France.%PI:%Dr%COLNOT%Céline%Etude'des'relations'os.muscle'pendant'la'régénération'osseuse'

'

2013% % Stage%de%Master%1%à%Cold%Spring%Harbor%Laboratory,%USA.%PI:%Dr%DUBNAU%Joshua%Etude'de'l’impact'de'la'mobilisation'du'rétrotransposon'Gypsy'dans'le'système'nerveux'

%

2012% % Stage%de%License%à%«%Umeå%Center%for%Molecular%Medecine%»,%Suède.%PI:%Dr%WILSON%Sara%Study'of'PUNC'gene,'potential'candidate'in'Netrin'1'pathway'in'neural'chick'development'

%

2009% Stage%volontaire%d’observation%à%l’Institut%de%Recherche%et%de%Développement%et%à%l’Université%de%Montpellier,%sous%la%direction%de%Dr.%Sylvie%Hurtrez9Bousses.%%%

Publications*scientifiques*

*

2018% Muscle8derived* profibrotic* progenitors* impair* bone* healing* in*musculoskeletal* trauma.% Julien* A,% Kanagalingam% A,%Megret%J,%Relaix%F%and%Colnot%C.%En%cours%de%soumission%Periosteum%contains%skeletal%stem%cells%with%high%bone%regenerative%potential%controlled%by%Periostin.%%Duchamp%de% Lageneste%O,% Julien*A,%Abou9Khalil% R,% Frangi%G,%Carvalho%C,%Cagnard%N,%Cordier%C,%Conway%SJ,% Colnot%C.%Nature%Communications.%2018%Feb%22;9(1):773.%

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2017% BMP% signaling% regulates% satellite% cell9dependent% postnatal% muscle% growth.% Stantzou% A,% Schirwis% E,% Swist% S,% Alonso9Martin%S,%Polydorou% I,%Zarrouki%F,%Mouisel%E,%Beley%C,%Julien*A,%Le%Grand%F,%Garcia%L,%Colnot%C,%Birchmeier%C,%Braun%T,%Schuelke%M,%Relaix%F,%Amthor%H.%Development.%2017%Aug%1;144(15):273792747%

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2015% Role%of%muscle%stem%cells%during%skeletal%regeneration.%Abou9Khalil%R,%Yang%F,%Lieu%S,%Julien*A,%Perry%J,%Pereira%C,%Relaix%F,%Miclau%T,%Marcucio%R,%Colnot%C.%Stem%Cells.%2015%May;33(5):1501911%

*Congrès*scientifiques*et*Prix*

*

2018% *% Julien*A,%Kanagalingam%A,%Duchamp%O,%Megret% J,%Relaix%F%and%Colnot%C.%Muscle' interstitial' cells' contribute' to'bone'repair' and' cause' fibrosis' in' musculoskeletal' trauma.% Congrès% annuel% de% l’American% Society% for% Bone% and% Mineral%Research%(ASBMR)'(Montréal)'.'Poster%*% Julien*A,%Kanagalingam%A,%Duchamp%O,%Megret% J,%Relaix%F%and%Colnot%C.%Muscle' interstitial' cells' contribute' to'bone'repair'and'cause'fibrosis' in'musculoskeletal'trauma.%Conférence%«%Exercise,% locomotion%and%musculoskeletal%system%»%(Lyon)%9%Pitch%poster%(Primé)%et%Poster%

% *%Julien*A,%Kanagalingam%A,%Megret%J,%Relaix%F%and%Colnot%C.%Muscle%interstitial%cells%contribute%to%bone%repair%and%cause%fibrosis%in%musculoskeletal%trauma.%Congrès%annuel%des%Jeunes%Chercheurs%de%l’Institut%IMAGINE%(Paris)%–%Présentation%orale%(1er%Prix)%

%

2016% *% Julien* A,% Alsonso9Martin% S,% Carvalho% C,% Relaix% F% and% Colnot% C.% Identification' of' a' novel' mesenchymal' stem' cell'population' from'muscle' that' contributes' to' bone' regeneration.% Congrès% annuel% des% Jeunes% Chercheurs% de% l’Institut%IMAGINE'(Paris)%9%Présentation%orale%(2eme%Prix)%

% *% Julien* A,% Alsonso9Martin% S,% Carvalho% C,% Relaix% F% and% Colnot% C.% Identification' of' a' novel' mesenchymal' stem' cell'population' from' muscle' that' contributes' to' bone' regeneration.' Présentation% de% poster% au% Journées% Françaises% de%Biologie%des%Tissus%Minéralisés%(JFBTM)'(Nancy)%9%Poster%(1er%Prix)%

%

2015% *%Julien*A,%Alsonso9Martin%S,%Carvalho%C,%Relaix%F%and%Colnot%C.%A'novel'model'of'muscle'injury'to'elucidate'muscle.bone'interaction'during'bone'repair.%Congrès%annuel%des%Jeunes%Chercheurs%de%l’Institut%IMAGINE%(Paris)%9%Présentation%orale%

% *%Julien*A,%Alsonso9Martin%S,%Carvalho%C,%Relaix%F%and%Colnot%C.%Muscle%injury%impairs%bone%regeneration%in%adult%mice.%Journées%Françaises%de%Biologie%des%Tissus%Minéralisés%(JFBTM)'(Clermon.Ferrand)%–%Présentation%Orale%

%Activités*et*loisirs*

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Activité%associative%Secrétaire%de%l’Association%des%Jeunes%Chercheurs%de%l’Institut%IMAGINE%(2018)%% %% % Directrice%du%comité%organisateur%du%Congrès%annuel%des%Jeunes%Chercheurs%de%l’Institut%IMAGINE%(2018)%%

Loisirs% % Football%(pratiqué%depuis%1998),%Cuisine%/%Gastronomie,%Lecture%