Computational reconstruction of the signalling networks surrounding implanted biomaterials from single-cell transcriptomics

细胞生物学 计算生物学 生物 信号 转录组 计算机科学 细胞 基因表达 化学 材料科学 纳米技术 基因 生物化学
作者
Christopher Cherry,David R. Maestas,Jin Han,James I. Andorko,Patrick Cahan,Elana J. Fertig,Lana X. Garmire,Jennifer H. Elisseeff
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Springer Nature]
卷期号:5 (10): 1228-1238 被引量:59
标识
DOI:10.1038/s41551-021-00770-5
摘要

The understanding of the foreign-body responses to implanted biomaterials would benefit from the reconstruction of intracellular and intercellular signalling networks in the microenvironment surrounding the implant. Here, by leveraging single-cell RNA-sequencing data from 42,156 cells collected from the site of implantation of either polycaprolactone or an extracellular-matrix-derived scaffold in a mouse model of volumetric muscle loss, we report a computational analysis of intercellular signalling networks reconstructed from predictions of transcription-factor activation. We found that intercellular signalling networks can be clustered into modules associated with specific cell subsets, and that biomaterial-specific responses can be characterized by interactions between signalling modules for immune, fibroblast and tissue-specific cells. In a Il17ra–/– mouse model, we validated that predicted interleukin-17-linked transcriptional targets led to concomitant changes in gene expression. Moreover, we identified cell subsets that had not been implicated in the responses to implanted biomaterials. Single-cell atlases of the cellular responses to implanted biomaterials will facilitate the design of implantable biomaterials and the understanding of the ensuing cellular responses. Cellular signalling networks in the microenvironment of implanted biomaterial scaffolds can be computationally reconstructed from single-cell RNA-sequencing data of cells collected from the implantation site.
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