Tissue Engineering

Page 1 of 37 

© Mary Ann Liebert, Inc. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

 

DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242 

1

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys?  Richard J Miron1,2*, Dieter D. Bosshardt3*  1

Department  of  Periodontics  and  Oral  Medicine,  University  of  Michigan  School  of 

Dentistry,  Ann  Arbor,  Michigan,  USA.2  Department  of  Periodontology,  College  of  Dental  Medicine, Nova Southeastern University, Fort Lauderdale, Florida, USA.      3 

Head of Oral Histology, Dental School, University of Bern, Bern, Switzerland 

  * Corresponding authors:    Richard J. Miron  Department of Periodontics and Oral Medicine  University of Michigan School of Dentistry  1011 N. University Ave.  Ann Arbor, MI 48109‐1078  USA  Email: [email protected]    Dieter D. Bosshardt  Head of the Robert K. Schenk Laboratory of Oral Histology  University of Bern, Bern, Switzerland  Email: [email protected] 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

     

Page 2 of 37 

2  Abstract:    Multi‐nucleated giant cells (MNGCs) are a special class of giant cell formed by the fusion of  monocytes/macrophages abundantly found in human tissues. While historically their role  around certain classes of biomaterials have been directly linked to a foreign body reaction  leading  to  material  rejection,  recent  accumulating  evidence  has  put  into  question  their  role  around  certain  classes  of  bone  biomaterials.  It  was  once  thought  that  specifically  in  bone  tissues,  all  giant  cells  were  considered  osteoclasts  characterized  by  their  ability  to  resorb and replace bone grafts with newly formed native bone. More recently however, a  special subclass of bone biomaterials has been found bordered by large MNGCs virtually  incapable of resorbing bone substitutes even years after their implantation yet surrounded  by stable bone. Interestingly, research from the field of cardiovascular disease has further  shown  how  a  shift  in  macrophage  polarization  from  M1  ‘tissue‐inflammatory’  macrophages  towards  M2  ‘wound‐healing’  macrophages  in  atherosclerotic  plaque  may  lead  to  MNGC  formation  and  ectopic  calcification  of  arteries.  Despite  the  growing  observation  that  MNGC  formation  occurs  around  certain  bone  biomaterials,  their  role  in  these  tissues  remains  extremely  poorly  understood  and  characterized.  In  summary,  four  central  aspects  of  this  review  are  discussed  with  a  focus  on  1)  the  role  of  MNGCs  in  bone/tissue biology, and their ability to induce vascularization/new bone formation, their  role  around  2)  bone  substitutes  for  bone  augmentation,  3)  dental  implants  as  well  as  4)  during  peri‐implant  infection.  The  authors  express  the  necessity  to  no  longer  refer  to  MNGCs as ‘good’ or ‘bad’ cells, but instead point towards the necessity to more specifically  characterize  them  scientifically  and  appropriately  as  M1‐MNGC  and  M2‐MNGC  accordingly.  Future  research  investigating  the  factors  influencing  their  polarization  as  a  ‘center  of  control’  is  also  likely  to  act  as  a  key  factor  in  the  progression/resolution  of  various diseases.    Keywords: Macrophage, bone regeneration, osteoimmunology, biomaterial integration,  multi‐nucleated giant cells, foreign body cells 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 3 of 37 

      3  1. Introduction   

 

Multi‐nucleated giant cells (MNGCs) are an intriguing cell‐type derived from the fusion of  monocytes/macrophages. Interestingly, giant cells are most frequently found in the human  body as multi‐nucleated osteoclasts located in bone tissues responsible for the resorption  of  bone,  but  more  recently  observed  around  implanted  biomedical  devices  due  to  their  growing  use.  In  the  latter  group,  MNGCs  have  frequently  been  associated  with  a  foreign  body  reaction  whereby  a  large  invasion  of  accumulated  macrophages  collected  on  the  implanted biomaterial surface leads to MNGC formation followed by material rejection in  many cases (1, 2). In bone tissues, the usage of implanted bone biomaterials not only in  the  dental,  oral  and  craniofacial  field,  but  also  in  orthopedics  and  neurosurgery  has  continued to rise with major increases in bone biomaterials brought to market (3). While it  was  once  thought  in  the  bone  structure  context  that  all  giant  cells  were  osteoclasts  capable of resorbing and replacing implanted bone biomaterials with newly formed bone,  recent evidence now shows that many clinically used bone biomaterials are surrounded by  MNGCs virtually incapable of resorbing bone grafts (4).    Monocytes  and  macrophages  are  some  of  the  most  abundant  cell  types  found  in  the  human  body  and  act  as  key  implicators  in  bone‐biomaterial  integration  since  they  represent  the  first  cell‐types  in  contact  with  these  materials  (5).  It  is  noteworthy  that  macrophages  are  one  of  the  most‐broad  ranging  cell‐types  capable  of  polarizing  entirely  from  contributors  of  tissue  inflammation  (M1  macrophage)  towards  contributors  of  wound‐healing  (M2  macrophage)  (6).  Due  to  their  broad  role  in  regulating  tissue  homeostasis,  they  have  extensively  been  studied  in  innate  and  adaptive  immunity,  as  modulators of wound healing, hematopoiesis as well as malignancy (6).     Despite  their  widespread  role  in  regulating  tissue  homeostasis  and  integration,  a  recent  systematic review found that in the field of bone‐biomaterial integration, less than 10% of 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 4 of 37 

     

4  all studies focused on the osteo‐immunological reaction of cells towards biomaterials with  over  90%  of  research  focused  primarily  on  osteoblast/fibroblast  behavior  to  implanted  bone biomaterials (7). This discrepancy is difficult to understand given the fact monocytes  and  macrophages  are  the  first  cells  to  come  in  contact  with  implanted  biomaterials  and  the major modulators of tissue biomaterial integration (8).    Interestingly,  certain  classes  of  bone  biomaterials  such  as  high‐temperature  sintered  xenografts  and  certain  zirconia  dental  implants  are  known  inducers  of  MNGC  formation,  yet these biomaterials fully integrate readily in vivo (4, 9). In certain clinical situations, such  bone  substitute  materials  are  favorably  utilized  due  to  their  ‘low‐substitution’  rate  meaning that bone volume can be maintained for long periods. Clinician often choose to  apply  such  materials  in  areas  such  as  the  labial  surface  in  the  maxillary  esthetic  zone  following dental implant placement whereby such biomaterials can “maintain space” due  to low bone turnover and limited material resorption.  While we have been continuously  intrigued  by  the  role  of  MNGCs  in  bone‐biomaterial  integration,  recent  studies  investigating atherosclerotic plaque from the past 3‐5 years have provided evidence that  immune cells (macrophages and MNGCs) are the responsible cell‐type controlling ectopic  calcification in arterial walls (10‐14). It therefore is of relevance that while MNGCs around  atherosclerotic plaque are considered pathological due their role in arterial calcification (a  life  threatening  situation),  a  similar  MNGC  around  a  bone  biomaterial  may  actually  be  considered  a  natural  turnover  mechanism  if  performing  a  similar  role,  thereby  creating  high interest in the field of bone‐biomaterial research.    Therefore,  the  purpose  of  this  review  article  is  to  further  summarize  knowledge  acquired to date on MNGC with the following specific aims: 1) to present and summarize  MNGC biology in bone tissues including their fusion from their precursor cells; the osteal  macrophage (OsteoMac). 2) We then describe and compare macrophage polarization and  MNGC  formation  around  ectopic  calcification  of  arteries.  3)  Lastly,  this  review  article  discusses  the  role  of  MNGCs  around  A)  bone  grafts,  B)  dental  implants  and  more 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 5 of 37 

      5  specifically C) during peri‐implant infection/regeneration as a potential shift between M1‐ MNGC  and  M2‐MNGC  polarization.  In  summary,  the  authors  express  the  requisite  to  no  longer refer to MNGCs as ‘good’ or ‘bad’ cells, but instead point towards the necessity to  better characterize these giant cells scientifically and appropriately as M1‐MNGC and M2‐ MNGC accordingly.      2.1 MNGC biology in bone tissues including their fusion from precursor cells    Over the years, basic science research has revealed the dynamic interactions between the  skeletal  and  immune  systems  thereby  rendering  the  creation  of  an  entire  field  termed  ‘osteo‐immunology’  to  further  study  bone‐immune  interactions  (15‐17).  With  respect  to  bone  tissues,  precursor  cells  of  MNGCs  are  thought  to  be  derived  from  osteal  macrophages  (‘OsteoMacs’),  a  distinct  population  of  macrophages  residing  within  bone  actively participating in bone modeling and remodeling throughout the lifespan of mature  osteoblasts (17). Initial macrophage experiments identified their ability to polarize towards  2 specific phenotypes, classical M1 pro‐inflammatory macrophages and M2 wound healing  macrophages.  Classical  M1  macrophages  are  induced  in  response  to  LPS  expressing  pro‐ inflammatory  cytokines  such  as  TNF‐alpha  (18,  19),  IL‐6  (20,  21)  and  IL‐1β  (18,  22)  all  contributing to tissue inflammation and osteoclastogenesis.  M2 macrophages are induced  by IL‐4 and IL‐13 and typically produce TGF‐β and arginase, both factors implicated in the  tissue‐repair  process  (23‐26).  Although  macrophages  were  initially  and  more  commonly  known  as  being  implicated  in  the  inflammatory  process,  a  series  of    mechanistic  experiments have also revealed their essential roles in bone development, formation and  repair  by  releasing  M2‐related  cytokines  and  growth  factors  (27‐31).  Nevertheless,  the  differentiation and polarization of monocytes towards M1 or M2 macrophages, as well as  their  fusion  to  osteoclasts  or  MNGCs  in  response  to  external  stimuli  and/or  bone  biomaterials remains to this day, extremely poorly understood. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 6 of 37 

     

6    Previously  we  reviewed  how  the  monocyte/macrophage  lineage  polarize  and  differentiate  towards  MNGCs  and  osteoclasts  (Figure  1).  Due  to  common  precursors,  OsteoMacs have been the favored precursor cell of MNGCs (5). Interestingly, differences in  surface  markers  and  gene  expression  between  osteoclasts  and  MNGCs  have  been  reviewed  recently  (32).  To  date,  the  transcriptional  regulation  responsible  for  the  formation  of  osteoclasts  versus  MNGCs  from  precursor  cells  in  bone  tissues  is  poorly  characterized  with  much  greater  investigation  needed.  Emerging  findings  from  our  laboratories as well as others have shown that MNGCs are also capable of polarizing much  like  macrophages  towards  M1  and  M2  phenotypes  (27),  thereby  opening  the  possibility  that  they  act  as  key  regulators  during  biomaterial  integration  and  peri‐implant  infection/resolution.       2.2 Giant‐cell formation and function    While  it  is  known  that  MNGC  formation  is  the  result  of  cells  derived  from  the  monocyte/macrophage  lineage,  over  the  years  a  variety  of  different  names  have  been  given  based  on  their  perceived  roles  in  tissues  including  foreign  body  cell  (FBC),  foreign  body giant cell (FBGC), multinucleated cell (MNC), multinucleated giant cell (MNGC), giant‐ body foreign cell (GBFC), or ‘foam’ cell. Despite this, it is important to note that these cells  are  phenotypically  derived  from  the  same  precursor  cells  and  often  confused  in  terminology.  Early  in  vitro  experiments  dealt  primarily  with  demonstrating  their  role  in  response to pathogens; an obvious inflammatory state. In those studies, large MNGCs with  15  nuclei  or  more  were  routinely  found  in  response  to  high‐virulence  mycobacterium  thereby inducing a ‘foreign body’ terminology for MNGC described as FBGCs (33). Simply  put,  these  ‘unhappy’  macrophages  were  shown  to  routinely  fuse  in  response  to  foreign  pathogens and thus given the working name FBGCs.  

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 7 of 37 

      7    More recently, much advancement has been made with respect to MNGCs. Many  biological aspects of their behavior have been discovered from biomaterials implanted in  soft  tissues  including  their  recognition  motifs,  adhesion  molecules,  fusion  pathways,  as  well as specific intercellular and intracellular signaling pathways (34, 35). Yet with respect  to  bone  biomaterials,  a  great  deal  of  information  is  still  lacking  regarding  their  cellular  control and since their binding motifs are often presented in response to hydroxyapatite‐ derived  surfaces  onto  bone‐biomaterial  surfaces,  great  differences  are  expected  in  comparison to soft tissue biomaterials yet this field of research remains entirely unstudied.    It  is  also  interesting  to  note  that  MNGCs  in  response  to  biomaterials  form  in  response to foreign particles greater in size than permitted for macrophage phagocytosis  to occur (36). In response, ‘frustrated’ macrophages fuse into larger MNGCs in an attempt  to  thereafter  phagocytize  larger  foreign  particles  (36).  In  the  context  of  soft‐tissue  biomaterial  integration,  it  has  been  proposed  that  ‘FBGCs  are  generated  by  macrophage  fusion and serve the same purpose as osteoclasts, degradation/resorption/removal of the  underlying substrate’ (37). While this may be the case in soft‐tissues and the authors do  not oppose this view, it is interesting to point out that MNGCs are also found around bone  biomaterials,  characteristically  different  than  osteoclasts  by  their  inability  to  resorb  and  replace bone grafts and dental implants. Therefore, and as previously stated: ‘If these cells  serve the same purpose as osteoclasts in bone, one has to ask the question why are these  cells found in bone altogether?’ (5).    3. Macrophage Polarization and MNGCs in Atherosclerosis    A major pathway for the development of calcifying arteries in atherosclerosis is the critical  role and involvement of immune cells/macrophages during ectopic bone formation. While  it  is  known  that  initially,  classically  activated  M1  macrophages  are  present  within  these 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 8 of 37 

     

8  tissues expressing high levels of IFN‐gamma (38, 39), it was recently discovered that they  later  polarize  towards  M2  wound  healing  macrophages  thereby  causing  ectopic  bone  calcification  within  arterial  walls  (40).  Within  the  inner  most  intimal  layer  of  the  artery,  monocytes  have  been  shown  to  accumulate  and  differentiate  into  macrophages  where  they  ingest  modified  lipoproteins  via  scavenger  receptors  and  secrete  inflammatory  mediators giving rise to lipid‐rich macrophages (foam cells) responsible for the lipid core  buildup. For yet an unknown mechanism, a transient shift of polarization of these cells has  been observed from M1 to M2 macrophages subsequently causing ectopic bone formation  and calcification of arteries (41).    Interestingly,  it  has  been  demonstrated  that  the  formation  of  M2  macrophages  was  primarily  activated  by  endoplasmic  reticulum  (ER)  stress,  an  ongoing  area  of  research  in  the  cardiovascular  field  (40).  Current  research  in  this  field  has  proposed  actually  suppressing M2 macrophage phenotypes and attempt to modify/re‐polarize macrophages  back  to  pro‐inflammatory  M1  macrophages  in  order  to  prevent  ectopic  mineralization/calcification  of  arterial  walls;  a  scenario  highly  dangerous  and  life‐ threatening  (40).  Presently,  it  remains  poorly  understood  why  these  macrophages  shift  from M1 to M2 phenotypes in these tissues. Nevertheless, it remains interesting to note  how  in  one  clinical  scenario,  M2‐macrophage  accumulation  and  MNGC  ‘foam  cells’  in  calcified  arteries  producing  ectopic  bone  are  considered  pathological  and  potentially  life  threatening,  whereas  that  same  cell‐type  located  around  certain  classes  of  bone  biomaterials  would  ultimately  be  considered  greatly  therapeutic,  thus  necessitating  the  need for future research in these fields.    4.1 MNGCs around Bone Biomaterials    It  was  once  thought  that  all  MNGCs  surrounding  bone  biomaterials  were  osteoclasts due to their similarities in histological features between both cell types. More 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 9 of 37 

      9  recent  research  derived  from  soft  tissue  biomaterial  integration  has  however  revealed  marked differences between MNGC formation and osteoclasts (42,  43). One  of the main  difficulties  encountered  to  date  in  the  bone  biology  field  has  been  to  characterize  giant  cells  from  bone  biopsies.  MNGCs  assessed  around  dental  implant  surfaces  are  routinely  embedded  in  resins  (as  opposed  to  paraffin  due  to  the  presence  of  metal  or  ceramic),  thereby preventing the ability to use routine antibody staining and immunohistochemistry  or ‐fluorescent techniques commonly utilized in paraffin sections.    Interestingly,  initial  observations  noted  that  MNGCs  located  around  bone  grafts  appeared  to  be  distinctly  different  from  osteoclasts  (44).  In  this  study,  it  was  found  that  certain synthetic bone particles appeared to recruit MNGCs similar to osteoclasts by their  TRAP  activity,  ruffled  borders  with  calcitonin  receptor  expression;  however  an  obvious  inability  to  resorb  bone  particles  was  observed  (44).  What  was  the  role  of  these  cells  in  bone tissues?    Some  years  later,  Kelly  and  Schneider  implanted  mineralized  and  demineralized  bone, as well as composite (non‐mineralized) materials into the dorsal body wall of young  adult  rats  and  found  that  only  a  small  population  of  MNGCs  was  observed  on  the  composite  implant  whereas  MNGCs  on  demineralized  implants  demonstrated  high  TRAP  expression  similar  to  osteoclasts  (45).  Around  the  same  time,  Marks  and  Chambers  observed  giant  cells  to  mineralized  bone  particles  in  subcutaneous  tissues  that  did  not  share similar functional features and enzymatic activity as osteoclasts (46). Interestingly, in  1995  Dersot  et  al.  renamed  these  giant  cells  ‘macrophage  polykaryons’  after  confirming  certain  differences  between  the  MNGCs  recruited  to  a  synthetic  material  fabricated  of  hydroxyapatite  revealing  that  ‘they  did  not  exhibit  the  morphologic,  enzymatic  and  functional characteristics of osteoclasts’ (47).   

 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 10 of 37 

     

10  Interestingly, a recent review article by our group characterized cell surface marker  differences between osteoclasts and MNGCs. Out of 19 potential markers which have been  previously  utilized  to  identify  osteoclasts  from  MNGCs,  only  5  markers  were  found  to  represent ideal candidates whereby expressed in only 1 of the 2 cell types. These included  calcitonin receptor and RANK in osteoclasts and CD86 (B7‐2), CD206 and HLA‐DR in MNGCs  (32).  Of  the  remaining,  6  were  found  more  highly  expressed  in  one  cell  type  versus  the  other  including  TRAP,  cathepsin  K  and  MMP9  in  osteoclasts  and  CD68,  CD98  and  B7‐H1  (PD‐L1)  in  MNGCs.  The  remaining  8  markers  including  CD9,  CD13,  CD14,  CD40,  CD44,  CD51,  CD147  and  EMR1  (F4/80)  showed  no  preference  for  either  cell  type  (32).  While  these  markers  have  now  been  identified  in  giant  cells  around  various  bone  biomaterials,  much further research is needed to fully characterize them.    Therefore, research dating back over 20 years has hinted at the fact that giant cells  around bone grafts are different from osteoclasts either morphologically, enzymatically or  functionally,  yet  the  ability  to  accurately  characterize  them  accordingly  by  cell  surface  markers and receptors did not exist at that time. Furthermore, their role was much more  frequently  associated  with  a  foreign  body  reaction  as  it  relates  to  bone‐biomaterial  integration.  Here  we  present  evidence  that  MNGCs  may  also  serve  as  a  bone‐enhancing  cell‐type similar to those found around atherosclerotic calcification.      4.2 Evidence that MNGCs induce vascularization and new bone formation    The  role  of  macrophages  and  MNGCs  around  bone  grafting  materials  has  gained  tremendous  momentum  with  the  advancements  made  in  the  field  of  osteoimmunology  (48).  Despite  the  growing  trend  to  study  macrophage  behavior  and  polarization  around  bone biomaterials, this review focuses only on MNGC function as it relates to their ability  to induce vascularization and ultimately new bone formation. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 11 of 37 

     

11    Abshagen  and  colleagues  were  one  of  the  first  to  show  the  implications  of  MNGCs  in  vascularization  (49).  Owing  to  the  importance  of  adequate  vascularization  during  bone  augmentation  procedures,  they  studied  the  effects  of  NanoBone,  a  fully  synthetic  nanocrystalline bone graft, in a murine dorsal skinfold model. It was found that NanoBone  markedly increased ingrowth of vascularized fibrous tissue associated with an increase in  MNGC formation (49).    In 2011, Ghanaati et al. found that implanting fibroin scaffolds with previously harvested  osteoblasts served to instruct host endothelial cells to migrate, proliferate, and initiate the  process of scaffold vascularization (50). It was concluded that the robust effect on scaffold  vascularization at least appeared at the time to occur in concert with the pro‐angiogenic  stimuli arising from host immune cells, most notably macrophages and MNGCs (50). It was  later  shown  histologically  by  this  same  group  in  a  split‐mouth  design  in  8  oral  cancer  patients, that both NanoBone as well as DBBM led to MNGC formation with similar new  bone  volume  after  a  6  month  healing  period  (51).  This  study  confirmed  the  presence  of  MNGCs in stable bone even in oral cancer patients (51).    In  2014,  Tour  et  al.  showed  that  bone  marrow  stromal  cells  (BMSCs)  enhanced  the  osteogenic properties of hydroxyapatite scaffolds by modulating the foreign body reaction  (52).  They  loaded  (BMSC)‐incorporated  biomimetic  constructs  composed  of  hydroxyapatite into rat calvarial critical‐sized defects (8 mm) (52). Therefore, BMSC‐loaded  biomimetic constructs significantly enhanced bone repair by modulating the foreign body  reaction  and  MNGC  formation  (52),  confirming  the  previous  report  by  Ghanaati  and  co‐ workers (51). Others have also shown that cell incorporation into bone grafts leads to an  increase in MNGC formation and subsequent angiogenesis (53, 54).   

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 12 of 37 

     

12  An  interesting  study  revealed  that  when  zinc  was  added  to  tricalcium  phosphate  (TCP)  bone  grafts,  RAW264.7  cells  cultured  with  different  dosages  of  zinc  supplements  demonstrated that zinc could influence both the activity and the formation of MNGCs (55).  After  a  12‐week  implantation  period  in  the  paraspinal  muscle  of  canines,  de  novo  bone  formation  and  bone  incidence  increased  with  increasing  zinc  content  (and  MNGC  formation),  indicating  that  zinc  incorporated  in  TCP  can  modulate  bone  metabolism  and  render TCP osteoinductive through MNGC formation (55). This group later showed that by  using  liposomal  clodronate  to  inhibit  the  formation  of  macrophage/MNGC/osteoclast  progenitors,  no  ectopic  bone  formation  could  take  place  around  osteoinductive  bone  grafts  at  least  partially  implicating  immune  cells  in  the  formation  of  ectopic  bone  (56).  Later, Davison et al. demonstrated that the scale of TCP biomaterial surface architecture  could further affect MNGC/osteoclast cellular resorption (57).     

Jensen  et  al.  showed  in  both  a  human  and  animal  study  that  the  presence  of 

MNGCs was frequently found around DBBM bone grafts (4, 58). In a human study, it was  found  that  long‐term  stability  of  bone  augmentation  was  observed  histologically  in  12  human  biopsies  between  14  and  80  months  after  augmentation  surrounded  by  many  MNGCs displaying little to no bone resorption of such bone particles (4). In a minipig study  it was shown that two types of low‐resorbing bone grafting materials formed MNGCs on  the  surface of  bone  grafts  (58).  While  MNGCs  formed  sealing  zones  and  ruffled  borders,  both  features  of  mature  osteoclasts,  MNGCs  also  demonstrated  distinctly  different  histological features depending on the bone substitute material used with no evidence of  particle resorption (58).    In  a  human  study  the  material‐specific  tissue  response  to  the  synthetic,  hydroxyapatite‐based  bone  substitute  material  NanoBone  was  compared  with  that  of  DBBM  (59).  In  sinus  cavities  of  14  patients  augmented  with  NanoBone  and  DBBM  (split‐ mouth design), MNGCs were found on both bone graft particles with a significantly higher 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 13 of 37 

     

13  number  of  MNGCs  and  blood  vessels  in  the  NanoBone  group  compared  to  DBBM  group  (59).    The  influence  of  granule  size  of  2  biphasic  bone  substitutes  (BCP,  400‐700 μm  and  500‐ 1000 μm) was evaluated on the induction of MNGCs and implant bed vascularization in a  subcutaneous implantation model in rats (60). Higher numbers of MNGCs were detected in  the group with small granules starting on day 30, with higher vascularization. Furthermore,  the results revealed that a synthetic bone substitute material could induce tissue reactions  similar to those of some xenogeneic materials, thus pointing to a need to elucidate their  "ideal" physical characteristics (60). Another study showed that addition of monocytes to  bone  grafts  led  to  their  being  involved  in  the  tissue  response  to  a  biomaterial,  however  without  marked  changes  in  the  overall  tissue  reaction  (61).  Lastly,  high‐temperature  sintering  of  xenogeneic  bone  substitutes  was  found  to  increase  MNGC  formation  associated  with  enhanced  vascularization  (62).  These  results  revealed  that  high  heat  treatment  of  xenografts  led  to  an  elevation  in  the  inflammatory  tissue  response  to  the  biomaterial, and a combined enhancement in MNGC formation (62). In that study, it was  concluded  that:  “further  clarification  of  the  differentiation  of  the  multi‐nucleated  giant  cells  toward  so‐called  osteoclast‐like  cells  or  foreign‐body  giant  cells  is  needed  to  relate  these cells to the physicochemical composition of the material” (62).     

Interestingly,  in  2015  Katsuyama  et  al.  demonstrated  specifically  that  MNGCs  do 

not resorb bone but rather express M2 macrophage markers (63). They report the critical  findings  that  strongly  suggest  that  implant  failure  due  to  bone  loss  likely  resulted  as  a  direct  activity  from  osteoclasts  and  not  MNGCs  since  they  were  unable  to  resorb  bone  (63). This report highlights the fact that MNGCs can polarize towards M2 phenotypes with  much further research necessary to characterize their behavior around bone biomaterials.     

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 14 of 37 

     

14  4.3 Role of MNGCs around dental implants    It  remains  of  interest  to  note  that  to  this  day,  very  few  studies  beyond  bone  grafting  materials have focused on MNGC formation surrounding dental implants. This may be due  to the fact that along metal implant surfaces, observable differences between osteoclasts  and MNGCs are not as obvious as around bone grafts where MNGCs can be distinguished  based on their inability to resorb grafts. Since neither MNGCs nor osteoclasts can resorb  metals, samples around dental implants are typically embedded in paraffin where surface  marker characterization can be performed.  As such, very little research has investigated  MNGC versus osteoclasts with respect to dental implant biomaterials.     

It  remains  interesting  to  note  that  to  this  day,  some  dental  implants  and  other 

bone  biomaterials  are  lost  every  year  due  to  unknown  reasons.    It  is  hypothesized  that   such  failures  could  be  due  to  humoral  immunity  in  the  case  of  biomaterials,  a  field  of  research that continues to grow rapidly  (5, 64). This area of investigation has been one of  the  main  topics  of  focus  by  a  prominent  research  group  in  Sweden  working  in  implant  dentistry  for  many  decades  studying  the  foreign  body  reaction  of  host  tissues  to  dental  implants (65, 66). These concepts will be discussed later in the section: “Role of MNGCs in  peri‐implant infection.”    Based  on  questions  emanating  from  this  work,  new  parameters  used  to  quantify  the  number  and  formation  of  MNGCs  around  dental  implant  surfaces  termed  MNGC‐to‐ implant contact (MIC) and quantified the data in relation to bone‐to‐implant contact (BIC)  and  peri‐implant  bone  density  (BD)  have  been  established  (67).  It  was  found  that  significant differences in MNGCs were present on all tested implant surfaces, yet this was  not  associated  with  an  inflammatory  cell  infiltrate,  fibrous  encapsulation,  or  implant  osseointegration  in  the  miniature  pig  defect  model  (67).  Based  on  these  results,  it  is  difficult to assess the role of MNGCs/osteoclasts around dental implants as to date, there 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 15 of 37 

     

15  has  been  no  attempt  to  characterize  these  cells  using  cell  surface  markers.  While  other  studies  have  shown  that  implant  surface  topography/composition  has  an  influence  on  MNGC formation (68, 69), more studies remain necessary.     

  

4.4 Role of MNGCs in peri‐implant infections     Most of the research to date investigating MNGCs around dental implants has dealt with  the clinical condition of peri‐implantitis (65, 66, 70). A group of researchers from Sweden  has  revealed  the  marked  impact  of  MNGCs  around  dental  implants  during  peri‐implant‐ bone destruction. In a publication reviewing the foreign body reaction to biomaterials, a  hypothetical  view  on  the  mechanisms  leading  to  buildup  and  breakdown  of  osseointegrated dental implant interfaces was proposed (71). While the authors provide a  view  of  biomaterial  integration  as  it  relates  to  a  “foreign  body  reaction”  of  biomaterials  into  host  tissues,  it  is  difficult  to  gather  a  clear  description/understanding  of  the  role  of  MNGCs  or  FBGCs.  In  their  proposed  model  (Fig.  3E,  reprinted  with  permission),  they  theorize  the  mechanisms  whereby  invading  bacterial  pathogens  induce  the  fusion  of  macrophages  to  FBGCs  which  then  degrade  alveolar  bone  tissues  surrounding  implants  (71). While such a pathway might be possible, it has more recently been shown that fusing  macrophages into MNGCs (or FBGCs) are incapable of resorbing bone (Fig. 4) (42), thereby  refuting  the  hypothesis  that  MNGCs  or  FBGCs  are  responsible  for  resorption  of  bone  following  pathogenic  infection.  It  has  further  been  shown  that  MNGCs  have  minimal  capability  to  degrade  bone  when  compared  to  osteoclasts  with  a  40‐fold  decrease  in  efficiency  (42).  It  is  therefore  not  plausible  that  these  cells  are  directly  responsible  for  alveolar bone degradation and are more likely to interact with other cell types during this  process. This topic has been very superficially studied to date.   

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 16 of 37 

     

16  It goes without saying the complex nature of MNGC biology would greatly benefit  from  a  more  accurate  characterization  as  well  as  description  of  their  role  in  bone  tissue  hemostasis  and  disease.  It  is  most  likely  these  cells  are  reversibly  capable  of  shifting  polarization in a similar manner to macrophages in response to changes in cytokines and  various pathogens within their micro‐environment (72).  Interestingly, recent findings have  demonstrated  that  MNGCs  are  able  to  polarize  towards  wound  healing  M2‐MNGCs  thereby contributing to tissue wound healing and regeneration (27). As it relates to dental  implant biology, this field of research has thus far been left entirely unstudied.      5. Discussion and Future Research Outlooks    In  summary,  this  review  integrates  current  knowledge  to  date  as  it  relates  to  MNGC  behavior  associated  with  bone  biomaterials.  While  the  role  of  MNGCs  has  largely  been  associated with a foreign body reaction over the years, a more contemporary view is that  MNGCs  do  not  prevent  osseointegration  of  dental  implants  (67)  and  are  capable  of  expressing M2‐macrophage markers (27). Therefore, based on MNGC fusion from M1 and  M2‐macrophages,  we  propose  that  MNGCs  be  assessed  more  specifically  in  future  research  endeavors  as  M1‐MNGCs  and  M2‐MNGCs.  In  this  way,  their  polarization  and  subsequent fusion from macrophages can be better characterized in health and disease.     

The physiological behavior of MNGCs, especially as it relates to dental implants is a 

growing  area  of  research.  While  MNGCs  are  known  to  exist  on  various  dental  implant  surfaces (at least during the osseointegration phase), one of the key differences between  these tissues from others are that they are trans‐mucosal and thus bear the risk of being  invaded by bacterial pathogens found in the oral cavity (Fig. 6). If bacterial accumulation  occurs  on  an  implant  surface,  it  is  likely  that  both  macrophages  and/or  MNGCs  will  polarize  towards  M1‐macrophage  and  M1‐MNGCs  respectively,  creating  an  environment 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 17 of 37 

     

17  dictating tissue inflammation and further tissue breakdown. While but a hypothesis, it is  now  known  that  these  cells  are  completely  unable  to  resorb  bone  and  therefore  their  interaction  with  other  cells  such  as  osteoclasts  (direct  interaction  vs.  indirect  interaction  via.  e.g.  T‐cells,  se  before)  is  highly  probably.  How  cell‐cell  communication  occurs  (via  direct  cell  contact  or  paracrine  activity)  during  this  process  also  remains  completely  unstudied.     

At  the  same  time,  it  is  known  that  MNGCs  can  also  exist  on  the  surface  of  fully 

integrated biomaterials even years after their implantation. These MNGCs are often seen  surrounded by stable bone and our research team has now shown that these cells express  M2‐related  phenotypes  (unpublished  data).  Therefore,  evidence  that  MNGCs  are  both  capable  of  acting  as  M1  tissue  inflammatory  and/or  M2  tissue  wound  healing  MNGCs  in  various bone environments should therefore be characterized more appropriately as M1‐ MNGCs and M2‐MNGCs according to their role in tissue homeostasis. It is also interesting  to  point  out  that  very  similar  to  macrophage  biology,  MNGCs  lining  a  dental  implant  surface  could  potentially  co‐exist  as  M1‐MNGCs  at  the  coronal  portion  of  the  implant  surface during periodontal bacterial invasion, yet also exist as M2‐MNGCs at the protected  apical  portion  of  the  implant  not  yet  contaminated  by  bacterial  invasion.  While  this  hypothesis requires much further investigation, interestingly it has been shown by Spiller  et al. that macrophages proficiently polarize from M1 to M2 and vice versa in as little as 3  days (Figure 6) (72). It therefore remains of interest if MNGCs are capable of also shifting  their  polarization  as  readily  with  similar  efficiencies.  If  so,  one  future  strategy  to  resolve  peri‐implant infection might be to subsequently focus on macrophage/MNGC polarization  which  may  further  improve/enhance  current  strategies  attempting  to  resolve  peri‐ implantitis focused solely on strategies stimulating bone formation and suppressing bone  resorption  via  growth  factors  and  bioactive  materials.  While  only  a  hypothesis,  more  evidence now points to the marked impact of immune cells in the field of bone biomaterial  integration and homestasis.   

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 18 of 37 

     

18  Another  aspect  that  remains  of  interest  in  the  dental  field  is  the  influence  of  macrophage/MNGC  interactions  to  multiple  biomaterials  in  small  spaces.  For  example,  tooth  loss  in  the  esthetic  zone  is  commonly  replaced  by  dental  implants  fabricated  from  titanium  often  requiring  contour  augmentation  procedures  with  bovine‐derived  bone  grafting  materials  and  porcine  collagen  membranes  (73).  Therefore,  within  this  small  regenerated  area  (often  1mm  in  thickness),  macrophages  and  MNGCs  will  be  in  contact  with  1)  a  titanium  dental  implant,  2)  a  bovine  bone  graft  and  3)  a  porcine  collagen  membrane.  It  therefore  remains  unknown  how  polarization  of  macrophages/MNGCs  is  affected by the response of these cells to various materials simultaneously, nor has their  effect  on  cell‐cell  interactions  within  this  micro‐environment  including  osteoblasts,  osteoclasts,  osteocytes,  fibroblasts,  endothelial  cells,  and  leukocytes  been  investigated.  What  would  happen  if  one  class  of  biomaterial  favors  M2‐MNGC  formation  whereas  another favors M1‐MNGC? How then would tissue integration occur in such a limited‐sized  environment?  Furthermore,  there  are  many  patient‐related  risk  factors  such  as  (poly)‐ medications  that  may  further  increase  susceptibility  in  some  patients.  The  current  influence  of  the  large  array  of  medications  currently  utilized  on  immune  cells  and  their  influence  on  bone‐biomaterial  tissue  integration  is  another  field  of  research  completely  unstudied.  Interestingly,  a  category  of  bone  diseases  including  giant  cell  tumors,  cherubism,  and  Noonan's  syndrome  include  large  populations  of  MNGCs.  These  cells  are  associated  with  significant  areas  of  osteolysis  and  their  activities  have  been  "reversed"  with  a  disparate  group  of  medications  e.g.  interferon,  denosumab,  and  calcitonin.  Very  little  is  known to date regarding the specific characterization of these MNGCs as a potential third  population  of  giant  cells  or  M1‐/M2‐MNGCs.  Therefore,  it  remains  of  interest  to  further  investigate  MNGCs  found  in  the  above‐mentioned  bone  diseases  with  the  appropriate  markers comparing osteoclasts versus MNGCs and M1 versus M2 macrophage markers to  better  characterize  their  differences.  A  great  deal  of  new  information  could  be  learned  which may also further lead to new therapeutic strategies.   

In  summary,  it  is clear  that  much  future  research  is  needed  to  better  understand 

MNGC formation and behavior in bone tissue homeostasis. Within the present article, we 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 19 of 37 

     

19  introduce  the  notion  that  MNGCs  should  no  longer  be  referred  to  as  ‘good’  MNGCs  or  ‘bad’  FGBCs  and  instead  propose  the  necessity  to  better  characterize  them  scientifically  and appropriately as M1‐MNGC and M2‐MNGC accordingly. Future research investigating  the factors influencing their polarization as a ‘center of control’ is also likely to act as a key  factor in the progression/resolution of various diseases such as peri‐implantitis.    Conflict of Interest  The authors report no conflict of interests or financial disclosures.    Acknowledgements  The authors would like to thank Professor William Giannobile, University of Michigan, for  critically reviewing the manuscript.     

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

     

Page 20 of 37 

20  References    1.  Konttinen, Y.T., Ma, J., Lappalainen, R., Laine, P., Kitti, U., Santavirta, S., andTeronen, O.  Immunohistochemical  evaluation  of  inflammatory  mediators  in  failing  implants.  International Journal of Periodontics & Restorative Dentistry 262006.  2.  Olmedo, D., Paparella, M., Brandizzi, D., andCabrini, R. Reactive lesions of peri‐implant  mucosa associated with titanium dental implants: a report of 2 cases. International journal  of oral and maxillofacial surgery 39, 503, 2010.  3.  Major, M.R., Wong, V.W., Nelson, E.R., Longaker, M.T., andGurtner, G.C. The foreign body  response: at the interface of surgery and bioengineering. Plastic and reconstructive surgery  135, 1489, 2015.  4.    Jensen,  S.S.,  Bosshardt,  D.D.,  Gruber,  R.,  andBuser,  D.  Long‐term  stability  of  contour  augmentation  in  the  esthetic  zone:  histologic  and  histomorphometric  evaluation  of  12  human biopsies 14 to 80 months after augmentation. Journal of periodontology 85, 1549,  2014.  5.    Miron,  R.J.,  andBosshardt,  D.D.  OsteoMacs:  Key  players  around  bone  biomaterials.  Biomaterials 82, 1, 2016.  6.  Martinez, F.O., andGordon, S. The M1 and M2 paradigm of macrophage activation: time  for reassessment. F1000prime reports 6, 13, 2014.  7.  Thalji, G., andCooper, L.F. Molecular assessment of osseointegration in vitro: a review of  current literature. The International journal of oral & maxillofacial implants 29, e171, 2014.  8.  Chehroudi, B., Ghrebi, S., Murakami, H., Waterfield, J.D., Owen, G., andBrunette, D.M.  Bone  formation  on  rough,  but  not  polished,  subcutaneously  implanted  Ti  surfaces  is  preceded  by  macrophage  accumulation.  Journal  of  Biomedical  Materials  Research  Part  A  93, 724, 2010.  9.    Kohal,  R.J.,  Weng,  D.,  Bächle,  M.,  andStrub,  J.R.  Loaded  custom‐made  zirconia  and 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 21 of 37 

     

21  titanium  implants  show  similar  osseointegration:  an  animal  experiment.  Journal  of  periodontology 75, 1262, 2004.  10.    Chistiakov,  D.A.,  Bobryshev,  Y.V.,  Nikiforov,  N.G.,  Elizova,  N.V.,  Sobenin,  I.A.,  andOrekhov,  A.N.  Macrophage  phenotypic  plasticity  in  atherosclerosis:  The  associated  features  and  the  peculiarities  of  the  expression  of  inflammatory  genes.  International  journal of cardiology 184, 436, 2015.  11.    Chistiakov,  D.A.,  Bobryshev,  Y.V.,  andOrekhov,  A.N.  Changes  in  transcriptome  of  macrophages in atherosclerosis. Journal of cellular and molecular medicine 19, 1163, 2015.  12.    Mills,  C.D.,  Lenz,  L.L.,  andLey,  K.  Macrophages  at  the  fork  in  the  road  to  health  or  disease. Frontiers in immunology 6, 59, 2015.  13.    Roma‐Lavisse,  C.,  Tagzirt,  M.,  Zawadzki,  C.,  Lorenzi,  R.,  Vincentelli,  A.,  Haulon,  S.,  Juthier,  F.,  Rauch,  A.,  Corseaux,  D.,  Staels,  B.,  Jude,  B.,  Van  Belle,  E.,  Susen,  S.,  Chinetti‐ Gbaguidi,  G.,  andDupont,  A.  M1  and  M2  macrophage  proteolytic  and  angiogenic  profile  analysis in atherosclerotic patients reveals a distinctive profile in type 2 diabetes. Diabetes  & vascular disease research 12, 279, 2015.  14.  Swier, V.J., Tang, L., Radwan, M.M., Hunter, W.J., 3rd, andAgrawal, D.K. The role of high  cholesterol‐high  fructose  diet  on  coronary  arteriosclerosis.  Histology  and  histopathology,  11652, 2015.  15.  Arron, J.R., andChoi, Y. Bone versus immune system. Nature 408, 535, 2000.  16.    Hume,  D.A.,  Loutit,  J.F.,  andGordon,  S.  The  mononuclear  phagocyte  system  of  the  mouse  defined  by  immunohistochemical  localization  of  antigen  F4/80:  macrophages  of  bone and associated connective tissue. J Cell Sci 66, 189, 1984.  17.  Chang, M.K., Raggatt, L.J., Alexander, K.A., Kuliwaba, J.S., Fazzalari, N.L., Schroder, K.,  Maylin,  E.R.,  Ripoll,  V.M.,  Hume,  D.A.,  andPettit,  A.R.  Osteal  tissue  macrophages  are  intercalated  throughout  human  and  mouse  bone  lining  tissues  and  regulate  osteoblast  function  in  vitro  and  in  vivo.  Journal  of  immunology  (Baltimore,  Md  :  1950)  181,  1232,  2008. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

     

Page 22 of 37 

22  18.    Stacey,  K.J.,  Sweet,  M.J.,  andHume,  D.A.  Macrophages  ingest  and  are  activated  by  bacterial DNA. Journal of immunology (Baltimore, Md : 1950) 157, 2116, 1996.  19.  Kobayashi, K., Takahashi, N., Jimi, E., Udagawa, N., Takami, M., Kotake, S., Nakagawa,  N.,  Kinosaki,  M.,  Yamaguchi,  K.,  Shima,  N.,  Yasuda,  H.,  Morinaga,  T.,  Higashio,  K.,  Martin,  T.J.,  andSuda,  T.  Tumor  necrosis  factor  alpha  stimulates  osteoclast  differentiation  by  a  mechanism independent of the ODF/RANKL‐RANK interaction. The Journal of experimental  medicine 191, 275, 2000.  20.    Lipford,  G.B.,  Sparwasser,  T.,  Bauer,  M.,  Zimmermann,  S.,  Koch,  E.S.,  Heeg,  K.,  andWagner,  H.  Immunostimulatory  DNA:  sequence‐dependent  production  of  potentially  harmful or useful cytokines. European journal of immunology 27, 3420, 1997.  21.  Sparwasser, T., Miethke, T., Lipford, G., Erdmann, A., Hacker, H., Heeg, K., andWagner,  H.  Macrophages  sense  pathogens  via  DNA  motifs:  induction  of  tumor  necrosis  factor‐ alpha‐mediated shock. European journal of immunology 27, 1671, 1997.  22.    Jimi,  E.,  Nakamura,  I.,  Duong,  L.T.,  Ikebe,  T.,  Takahashi,  N.,  Rodan,  G.A.,  andSuda,  T.  Interleukin  1  induces  multinucleation  and  bone‐resorbing  activity  of  osteoclasts  in  the  absence of osteoblasts/stromal cells. Experimental cell research 247, 84, 1999.  23.   Moreira, A.P., andHogaboam,  C.M. Macrophages in allergic asthma: fine‐tuning their  pro‐ and anti‐inflammatory actions for disease resolution. Journal of interferon & cytokine  research  :  the  official  journal  of  the  International  Society  for  Interferon  and  Cytokine  Research 31, 485, 2011.  24.  Mosser, D.M., andEdwards, J.P. Exploring the full spectrum of macrophage activation.  Nature reviews Immunology 8, 958, 2008.  25.    Heymann,  F.,  Trautwein,  C.,  andTacke,  F.  Monocytes  and  macrophages  as  cellular  targets in liver fibrosis. Inflammation & allergy drug targets 8, 307, 2009.  26.    Ricardo,  S.D.,  van  Goor,  H.,  andEddy,  A.A.  Macrophage  diversity  in  renal  injury  and  repair. The Journal of clinical investigation 118, 3522, 2008.  27.  Vasconcelos, D.P., Costa, M., Amaral, I.F., Barbosa, M.A., Aguas, A.P., andBarbosa, J.N. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 23 of 37 

     

23  Modulation  of  the  inflammatory  response  to  chitosan  through  M2  macrophage  polarization using pro‐resolution mediators. Biomaterials 37, 116, 2015.  28.  Street, J., Bao, M., deGuzman, L., Bunting, S., Peale, F.V., Jr., Ferrara, N., Steinmetz, H.,  Hoeffel,  J.,  Cleland,  J.L.,  Daugherty,  A.,  van  Bruggen,  N.,  Redmond,  H.P.,  Carano,  R.A.,  andFilvaroff, E.H. Vascular endothelial growth factor stimulates bone repair by promoting  angiogenesis and bone turnover. Proceedings of the National Academy of Sciences of the  United States of America 99, 9656, 2002.  29.    Bourque,  W.T.,  Gross,  M.,  andHall,  B.K.  Expression  of  four  growth  factors  during  fracture repair. The International journal of developmental biology 37, 573, 1993.  30.  Einhorn, T.A. The cell and molecular biology of fracture healing. Clinical orthopaedics  and related research, S7, 1998.  31.  Gerstenfeld, L.C., Cullinane, D.M., Barnes, G.L., Graves, D.T., andEinhorn, T.A. Fracture  healing as a post‐natal developmental process: molecular, spatial, and temporal aspects of  its regulation. Journal of cellular biochemistry 88, 873, 2003.  32.    Miron,  R.J.,  Zohdi,  H.,  Fujioka‐Kobayashi,  M.,  andBosshardt,  D.D.  Giant  Cells  around  Bone Biomaterials: Osteoclasts or Multi‐Nucleated Giant Cells? Acta Biomater 2016.  33.  Lay, G., Poquet, Y., Salek‐Peyron, P., Puissegur, M.P., Botanch, C., Bon, H., Levillain, F.,  Duteyrat,  J.L.,  Emile,  J.F.,  andAltare,  F.  Langhans  giant  cells  from  M.  tuberculosis‐induced  human  granulomas  cannot  mediate  mycobacterial  uptake.  The  Journal  of  pathology  211,  76, 2007.  34.  Helming, L., andGordon, S. The molecular basis of macrophage fusion. Immunobiology  212, 785, 2007.  35.    Anderson,  J.M.,  Rodriguez,  A.,  andChang,  D.T.  Foreign  body  reaction  to  biomaterials.  Seminars in immunology 20, 86, 2008.  36.    Rao,  A.J.,  Gibon,  E.,  Ma,  T.,  Yao,  Z.,  Smith,  R.L.,  andGoodman,  S.B.  Revision  joint  replacement,  wear  particles,  and  macrophage  polarization.  Acta  biomaterialia  8,  2815,  2012. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

     

Page 24 of 37 

24  37.  Brodbeck, W.G., andAnderson, J.M. Giant cell formation and function. Current opinion  in hematology 16, 53, 2009.  38.    Tintut,  Y.,  Patel,  J.,  Territo,  M.,  Saini,  T.,  Parhami,  F.,  andDemer,  L.L.  Monocyte/macrophage  regulation  of  vascular  calcification  in  vitro.  Circulation  105,  650,  2002.  39.    Shioi,  A.,  Katagi,  M.,  Okuno,  Y.,  Mori,  K.,  Jono,  S.,  Koyama,  H.,  andNishizawa,  Y.  Induction of bone‐type alkaline phosphatase in human vascular smooth muscle cells: roles  of  tumor  necrosis  factor‐alpha  and  oncostatin  M  derived  from  macrophages.  Circulation  research 91, 9, 2002.  40.    Oh,  J.,  Riek,  A.E.,  Weng,  S.,  Petty,  M.,  Kim,  D.,  Colonna,  M.,  Cella,  M.,  andBernal‐ Mizrachi,  C.  Endoplasmic  reticulum  stress  controls  M2  macrophage  differentiation  and  foam cell formation. The Journal of biological chemistry 287, 11629, 2012.  41.    Landsman,  L.,  Bar‐On,  L.,  Zernecke,  A.,  Kim,  K.W.,  Krauthgamer,  R.,  Shagdarsuren,  E.,  Lira,  S.A.,  Weissman,  I.L.,  Weber,  C.,  andJung,  S.  CX3CR1  is  required  for  monocyte  homeostasis and atherogenesis by promoting cell survival. Blood 113, 963, 2009.  42.  ten Harkel, B., Schoenmaker, T., Picavet, D.I., Davison, N.L., de Vries, T.J., andEverts, V.  The  Foreign  Body  Giant  Cell  Cannot  Resorb  Bone,  But  Dissolves  Hydroxyapatite  Like  Osteoclasts. PloS one 10, e0139564, 2015.  43.    Barbeck,  M.,  Motta,  A.,  Migliaresi,  C.,  Sader,  R.,  Kirkpatrick,  C.J.,  andGhanaati,  S.  Heterogeneity  of  biomaterial‐induced  multinucleated  giant  cells:  Possible  importance  for  the regeneration process? Journal of biomedical materials research Part A 2015.  44.  Goldring, S.R., Roelke, M., andGlowacki, J. Multinucleated cells elicited in response to  implants of devitalized bone particles possess receptors for calcitonin. Journal of Bone and  Mineral Research 3, 117, 1988.  45.  Kelly, J.D., andSchneider, G.B. Morphological and histochemical comparison of the cells  elicited by ectopic bone implants and tibial osteoclasts. American journal of anatomy 192,  45, 1991. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 25 of 37 

     

25  46.  Marks, S.C., andChambers, T.J. The giant cells recruited by subcutaneous implants of  mineralized  bone  particles  and  slices  in  rabbits  are  not  osteoclasts.  Journal  of  Bone  and  Mineral Research 6, 395, 1991.  47.    Dersot,  J.M.,  Colombier,  M.L.,  Lafont,  J.,  Baroukh,  B.,  Septier,  D.,  andSaffar,  J.L.  Multinucleated giant cells elicited around hydroxyapatite particles implanted in craniotomy  defects are not osteoclasts. The Anatomical record 242, 166, 1995.  48.    Takayanagi,  H.  Osteoimmunology:  shared  mechanisms  and  crosstalk  between  the  immune and bone systems. Nature Reviews Immunology 7, 292, 2007.  49.  Abshagen, K., Schrodi, I., Gerber, T., andVollmar, B. In vivo analysis of biocompatibility  and  vascularization  of  the  synthetic  bone  grafting  substitute  NanoBone.  Journal  of  biomedical materials research Part A 91, 557, 2009.  50.  Ghanaati, S., Unger, R.E., Webber, M.J., Barbeck, M., Orth, C., Kirkpatrick, J.A., Booms,  P., Motta, A., Migliaresi, C., Sader, R.A., andKirkpatrick, C.J. Scaffold vascularization in vivo  driven by primary human osteoblasts in concert with host inflammatory cells. Biomaterials  32, 8150, 2011.  51.  Ghanaati, S., Barbeck, M., Lorenz, J., Stuebinger, S., Seitz, O., Landes, C., Kovacs, A.F.,  Kirkpatrick,  C.J.,  andSader,  R.A.  Synthetic  bone  substitute  material  comparable  with  xenogeneic  material  for  bone  tissue  regeneration  in  oral  cancer  patients:  First  and  preliminary  histological,  histomorphometrical  and  clinical  results.  Annals  of  maxillofacial  surgery 3, 126, 2013.  52.    Tour,  G.,  Wendel,  M.,  andTcacencu,  I.  Bone  marrow  stromal  cells  enhance  the  osteogenic properties of hydroxyapatite scaffolds by modulating the foreign body reaction.  Journal of tissue engineering and regenerative medicine 8, 841, 2014.  53.    Bouvet‐Gerbettaz,  S.,  Boukhechba,  F.,  Balaguer,  T.,  Schmid‐Antomarchi,  H.,  Michiels,  J.F., Scimeca, J.C., andRochet, N. Adaptive immune response inhibits ectopic mature bone  formation  induced  by  BMSCs/BCP/plasma  composite  in  immune‐competent  mice.  Tissue  engineering Part A 20, 2950, 2014. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

     

Page 26 of 37 

26  54.  Gamblin, A.L., Brennan, M.A., Renaud, A., Yagita, H., Lezot, F., Heymann, D., Trichet, V.,  andLayrolle,  P.  Bone  tissue  formation  with  human  mesenchymal  stem  cells  and  biphasic  calcium  phosphate  ceramics:  the  local  implication  of  osteoclasts  and  macrophages.  Biomaterials 35, 9660, 2014.  55.    Luo,  X.,  Barbieri,  D.,  Davison,  N.,  Yan,  Y.,  de  Bruijn,  J.D.,  andYuan,  H.  Zinc  in  calcium  phosphate  mediates  bone  induction:  in  vitro  and  in  vivo  model.  Acta  Biomater  10,  477,  2014.  56.  Davison, N.L., Gamblin, A.L., Layrolle, P., Yuan, H., de Bruijn, J.D., andBarrere‐de Groot,  F.  Liposomal  clodronate  inhibition  of  osteoclastogenesis  and  osteoinduction  by  submicrostructured beta‐tricalcium phosphate. Biomaterials 35, 5088, 2014.  57.  Davison, N.L., ten Harkel, B., Schoenmaker, T., Luo, X., Yuan, H., Everts, V., Barrere‐de  Groot, F., andde Bruijn, J.D. Osteoclast resorption of beta‐tricalcium phosphate controlled  by surface architecture. Biomaterials 35, 7441, 2014.  58.    Jensen,  S.S.,  Gruber,  R.,  Buser,  D.,  andBosshardt,  D.D.  Osteoclast‐like  cells  on  deproteinized bovine bone mineral and biphasic calcium phosphate: light and transmission  electron microscopical observations. Clinical oral implants research 26, 859, 2015.  59.  Lorenz, J., Kubesch, A., Korzinskas, T., Barbeck, M., Landes, C., Sader, R.A., Kirkpatrick,  C.J., andGhanaati, S. TRAP‐Positive Multinucleated Giant Cells Are Foreign Body Giant Cells  Rather Than Osteoclasts: Results From a Split‐Mouth Study in Humans. The Journal of oral  implantology 41, e257, 2015.  60.  Barbeck, M., Dard, M., Kokkinopoulou, M., Markl, J., Booms, P., Sader, R.A., Kirkpatrick,  C.J., andGhanaati, S. Small‐sized granules of biphasic bone substitutes support fast implant  bed vascularization. Biomatter 5, e1056943, 2015.  61.    Barbeck,  M.,  Unger,  R.E.,  Booms,  P.,  Dohle,  E.,  Sader,  R.A.,  Kirkpatrick,  C.J.,  andGhanaati, S. Monocyte preseeding leads to an increased implant bed vascularization of  biphasic calcium phosphate bone substitutes via vessel maturation. Journal of biomedical  materials research Part A 2016. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 27 of 37 

     

27  62.    Barbeck,  M.,  Udeabor,  S.,  Lorenz,  J.,  Schlee,  M.,  Holthaus,  M.G.,  Raetscho,  N.,  Choukroun,  J.,  Sader,  R.,  Kirkpatrick,  C.J.,  andGhanaati,  S.  High‐Temperature  Sintering  of  Xenogeneic  Bone  Substitutes  Leads  to  Increased  Multinucleated  Giant  Cell  Formation:  In  Vivo and Preliminary Clinical Results. The Journal of oral implantology 41, e212, 2015.  63.  Katsuyama, E., Miyamoto, H., Kobayashi, T., Sato, Y., Hao, W., Kanagawa, H., Fujie, A.,  Tando,  T.,  Watanabe,  R.,  Morita,  M.,  Miyamoto,  K.,  Niki,  Y.,  Morioka,  H.,  Matsumoto,  M.,  Toyama, Y.,  andMiyamoto,  T. Interleukin‐1 receptor‐associated kinase‐4 (IRAK4) promotes  inflammatory osteolysis by activating osteoclasts and inhibiting formation of foreign body  giant cells. The Journal of biological chemistry 290, 716, 2015.  64.    Kronström,  M.,  Svensson,  B.,  Erickson,  E.,  Houston,  L.,  Braham,  P.,  andPersson,  G.R.  Humoral  immunity  host  factors  in  subjects  with  failing  or  successful  titanium  dental  implants. Journal of clinical periodontology 27, 875, 2000.  65.    Albrektsson,  T.,  Dahlin,  C.,  Jemt,  T.,  Sennerby,  L.,  Turri,  A.,  andWennerberg,  A.  Is  marginal  bone  loss  around  oral  implants  the  result  of  a  provoked  foreign  body  reaction?  Clinical implant dentistry and related research 16, 155, 2014.  66.  Trindade, R., Albrektsson, T., Tengvall, P., andWennerberg, A. Foreign Body Reaction to  Biomaterials:  On  Mechanisms  for  Buildup  and  Breakdown  of  Osseointegration.  Clinical  implant dentistry and related research 2014.  67.    Chappuis,  V.,  Cavusoglu,  Y.,  Gruber,  R.,  Kuchler,  U.,  Buser,  D.,  andBosshardt,  D.D.  Osseointegration of Zirconia in the Presence of Multinucleated Giant Cells. Clinical implant  dentistry and related research 18, 686, 2016.  68.  Saulacic, N., Bosshardt, D.D., Bornstein, M.M., Berner, S., andBuser, D. Bone apposition  to  a  titanium‐zirconium  alloy  implant,  as  compared  to  two  other  titanium‐containing  implants. European cells & materials 23, 273, 2012.  69.    Saulacic,  N.,  Erdosi,  R.,  Bosshardt,  D.D.,  Gruber,  R.,  andBuser,  D.  Acid  and  alkaline  etching  of  sandblasted  zirconia  implants:  a  histomorphometric  study  in  miniature  pigs.  Clinical implant dentistry and related research 16, 313, 2014. 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 28 of 37 

     

28  70.    Trindade,  R.,  Albrektsson,  T.,  andWennerberg,  A.  Current  concepts  for  the  biological  basis of dental implants: foreign body equilibrium and osseointegration dynamics. Oral and  maxillofacial surgery clinics of North America 27, 175, 2015.  71.  Trindade, R., Albrektsson, T., Tengvall, P., andWennerberg, A. Foreign Body Reaction to  Biomaterials:  On  Mechanisms  for  Buildup  and  Breakdown  of  Osseointegration.  Clinical  implant dentistry and related research 18, 192, 2016.  72.    Spiller,  K.L.,  Nassiri,  S.,  Witherel,  C.E.,  Anfang,  R.R.,  Ng,  J.,  Nakazawa,  K.R.,  Yu,  T.,  andVunjak‐Novakovic, G. Sequential delivery of immunomodulatory cytokines to facilitate  the  M1‐to‐M2  transition  of  macrophages  and  enhance  vascularization  of  bone  scaffolds.  Biomaterials 37, 194, 2015.  73.    Buser,  D.,  Chappuis,  V.,  Kuchler,  U.,  Bornstein,  M.M.,  Wittneben,  J.G.,  Buser,  R.,  Cavusoglu, Y., andBelser, U.C. Long‐term stability of early implant placement with contour  augmentation. J Dent Res 92, 176s, 2013.     

 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 29 of 37 

     

29  Table 1: Supporting Evidence that multi‐nucleated giant cells (MNGCs) are associated with  increased vascularization and/or new bone formation when around bone biomaterials.  Main Findings  NanoBone, a fully synthetic nanocrystalline bone graft was 

Author 

Year 

Abshagen 

2009 

Ghanaati 

2011 

Ghanaati 

2013 

Tour 

2014 

Tuo 

2014 

Davison 

2014a 

Davison 

2014b 

An adaptive immune response in compromised nude mice 

Bouvet‐

2014 

inhibits ectopic mature bone formation induced by 

Gerbettaz 

found to markedly increased ingrowth of vascularized fibrous  tissue associated with an increase in MNGC formation in a  mouse dorsal skinfold model  A robust effect on scaffold vascularization occurred in  concert with the pro‐angiogenic stimuli arising from host  immune cells, most notably macrophage and MNGCs, when  silk fibrin scaffolds were pre‐loaded with osteoblasts. The  host immune system (macrophages and MNGCs) were  thought to be key players in the angiogenic findings  Both NanoBone and DBBM formed MNGCs in stable bone  after 6 months of healing in patients whereby host bone  could be maintained stable with MNGCs  Bone marrow stromal cells enhance the osteogenic  properties of hydroxyapatite scaffolds by modulating the  foreign body reaction  Zinc‐incorporated TCP bone grafts induced MNGC formation  later leading to the osteoinductivity of these bone grafts  Liposomal clodronate to inhibit of macrophage/MNGC  progenitor cells inhibited the osteoinductive potential of  bone graft confirming the role of macrophage/MNGCs in  bone biology  The scale of bone grafting material surface architecture of  TCP affects MNGC/osteoclast formation and ability for graft  resorption 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 30 of 37 

     

30  BMSCs/BCP/plasma composite which was suppressed when  MNGC formation was lost  BMSCs loaded onto BCP bone grafts induce a foreign reaction  Gambin 

2014 

thereby attracting circulating haematopoietic stem cells and  inducing their differentiation into macrophages and MNGCs  in nude mice, thus favouring new bone formation  In a human study, it was found that long‐term stability of 

Jensen 

2014 

Jensen 

2015 

Lorenz 

2015 

Barbeck 

2015 

Barbeck 

2015 

Katsuyama 

2015 

Barbeck 

2016 

bone augmentation was observed histologically in 12 human  biopsies between 14 and 80 months after augmentation  surrounded by MNGCs years after augmentation procedures   Osteoclast‐like cells (MNGCs) found around DBBM and BCP  particles in 3 minipigs. Shown not capable of resorbing bone  yet MNGCs demonstrated distinctly different histological  features depending on the bone substitute material used  MNGCs observed within the NanoBone implantation bed  were characteristics more similar to those of foreign body  giant cells when compared to DBBM yet also demonstrated  higher blood vessel formation  investigated the influence of granule size of 2 biphasic bone  substitutes (BoneCeramic® 400‐700 μm and 500‐1000 μm)  on the induction of multinucleated giant cells (MNGCs) and  implant bed vascularization in a subcutaneous implantation  model in rats  Addition of monocytes to bone biomaterials leads to their  being involved in the tissue response to a biomaterial,  however without marked changes in the overall reaction.  MNGC formation still occurred in relatively similar numbers  Demonstrated that MNGCs do not resorb bone and are  capable of expressing M2 macrophage markers  High‐temperature sintering of xenogeneic bone substitutes 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 31 of 37 

      31 

leads to an increase in MNGC formation associated with  enhanced vascularization 

 

   

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

     

 

Page 32 of 37 

32 

Figure Legends   

 

Figure  1:  Monocyte  differentiation  including  expression  markers  into  Osteoclasts,  M1, 

M2a,  M2b,  M2c  macrophages  and  MNGCs.  Reprinted  with  permission  form  Miron  and 

Bosshardt 2016. 

 

 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 33 of 37 

      33 

 

Figure  2:  MNGC  on  the  surface  of  a  bone  grafting  material  deproteinized  bovine  bone  mineral (DBBM) stained for DAPI (top left), HLA‐DR (top right), combined (bottom left) and  H&E  (bottom  right).  HLA‐DR  is  a  marker  only  expressed  in  MNGCs  and  non‐expressed  in 

osteoclasts confirming the presence of MNGC‐specific cells around bone biomaterials. 

 

   

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

     

 

Page 34 of 37 

34 

 

Figure 3: Proposed peri‐implant defect progression from Trindade et al. (2016). Notice the 

illustration  that  foreign  body  giant  cells  are  resorbing  bone.    “A–E,  Osseointegration 

breakdown,  with  the  loss  of  the  foreign  body  reaction  balance  and  consequent  peri‐

implant  bone  loss.  FBGC = foreign  body  giant  cell;  L = lymphocyte;  MΦ = macrophage; 

O = osteoblast; Oc = osteoclast; Ost = osteocyte; Green bodies = bacteria.”. Reprinted with 

permission (71). 

 

 

Multi‐Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (DOI: 10.1089/ten.TEB.2017.0242)  This paper has been peer‐reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. 

Tissue Engineering Part B: Reviews Multi-Nucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys? (doi: 10.1089/ten.TEB.2017.0242) This article has been peer-reviewed and accepted for publication, but has yet to undergo copyediting and proof correction. The final published version may differ from this proof. Tissue Engineering  Downloaded by University Of Utah from online.liebertpub.com at 08/24/17. For personal use only.

Page 35 of 37 

     

35 

    Figure 4: Bone resorption by osteoclasts and foreign body giant cells (FBGCs) by ten Harkel  et  al.  (2015).  “After  25  days,  cells  were  stained  with  Richardson’s  staining  solution  (a‐e)  and resorption pits were visualized (c‐f) and quantified (g) using Coomassie brilliant blue  (CBB). Osteoclasts created resorption pits (Howship’s lacunae) (a; black arrow) and formed  a ruffled border (white arrow). No resorption pits nor ruffled borders were visible in the  FBGC  cultures  (d,  e).  In  the  resorption  pits,  collagen  fibrils  were  visible  (b;  black  arrow).  Numerous resorption pits were seen in the osteoclast culture (c; black arrow), but no signs  of resorption were apparent in the FBGC cultures. Osteoclasts resorbed more than 20% of  the bone surface (g). The percent bone resorption graph represents the mean area ± S.D.  per 0.25 cm2 bone surface. Scale bar is 10 μm for panels a, b, d, e. Scale bar is 100 μm for  panels c and f.” Red asterisk = bone. *p

Multinucleated Giant Cells: Good Guys or Bad Guys?

Multinucleated giant cells (MNGCs) are a special class of giant cell formed by the fusion of monocytes/macrophages abundantly found in human tissues. ...
2MB Sizes 3 Downloads 11 Views