Photopolymerizations are widely used in medicine to create polymer networks for use in applications such as bone restorations and coatings for artificial implants. These photopolymerizations occur by directly exposing materials to light in “open” environments such as the oral cavity or during invasive procedures such as surgery. We hypothesized that light, which penetrates tissue including skin, could cause a photopolymerization indirectly. Liquid materials then could be injected s.c. and solidified by exposing the exterior surface of the skin to light. To test this hypothesis, the penetration of UVA and visible light through skin was studied. Modeling predicted the feasibility of transdermal polymerization with only 2 min of light exposure required to photopolymerize an implant underneath human skin. To establish the validity of these modeling studies, transdermal photopolymerization first was applied to tissue engineering by using “injectable” cartilage as a model system. Polymer/chondrocyte constructs were injected s.c. and transdermally photopolymerized. Implants harvested at 2, 4, and 7 weeks demonstrated collagen and proteoglycan production and histology with tissue structure comparable to native neocartilage. To further examine this phenomenon and test the applicability of transdermal photopolymerization for drug release devices, albumin, a model protein, was released for 1 week from photopolymerized hydrogels. With further study, transdermal photpolymerization potentially could be used to create a variety of new, minimally invasive surgical procedures in applications ranging from plastic and orthopedic surgery to tissue engineering and drug delivery.

Engineering a healing immune response Infections, surgeries, and trauma can all cause major tissue damage. Biomaterial scaffolds, which help to guide regenerating tissue, are an exciting emerging therapeutic strategy to promote tissue repair. Sadtler et al. tested how biomaterial scaffolds interact with the immune system in damaged tissue to promote repair (see the Perspective by Badylak). Scaffolds derived from cardiac muscle and bone extracellular matrix components trigger a tissue-reparative T cell immune response in mice with injured muscles. Science , this issue p. 366 ; see also p. 298

A photopolymerizing hydrogel system provides an efficient method to encapsulate cells. The present work describes the in vitro analysis of bovine and ovine chondrocytes encapsulated in a poly(ethylene oxide)-dimethacrylate and poly(ethylene glycol) semi-interpenetrating network using a photopolymerization process. One day after encapsulation, (3-[4,5-dimethylthiazol-2-y1]-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide) (MTT) and light microscopy showed chondrocyte survival and a dispersed cell population composed of ovoid and elongated cells. Biochemical analysis demonstrated proteoglycan and collagen contents that increased over 2 weeks of static incubation. Cell content of the gels initially decreased and stabilized. Biomechanical analysis demonstrated the presence of a functional extracellular matrix with equilibrium moduli, dynamic stiffness, and streaming potentials that increased with time. These findings suggest the feasibility of photoencapsulation for tissue engineering and drug delivery purposes. © 2000 John Wiley & Sons, Inc. J Biomed Mater Res, 51, 164–171, 2000.

Mesenchymal stem cells (MSCs) from skeletally mature goats were encapsulated in a photopolymerizing poly(ethylene glycol)-based hydrogel and cultured with or without transforming growth factor β1 (TGF) to study the potential for chondrogenesis in a hydrogel scaffold system amenable to minimally invasive implantation. Chondrogenic differentiation was evaluated by histological, biochemical, and RNA analyses for the expression of cartilage extracellular matrix components. The two control groups studied were MSCs cultured in monolayer and MSCs encapsulated in the hydrogel and cultured for 6 weeks in chondrogenic medium without TGF-β1 (6wk-TGF). The three experimental time points for encapsulated cells studied were 0 days (0d), 3 weeks, and 6 weeks in chondrogenic medium with TGF-β1 at 10 ng/ml (3wk + TGF and 6wk + TGF). MSCs proliferated in the hydrogels with TGF-β1. Glycosaminoglycan (GAG) and total collagen content of the hydrogels increased to 3.5% dry weight and 5.0% dry weight, respectively, in 6wk + TGF constructs. Immunohistochemistry revealed the presence of aggrecan, link protein, and type II collagen. Upregulation of aggrecan and type II collagen gene expression compared with monolayer MSCs was demonstrated. Type I collagen gene expression decreased from 3 to 6 weeks in the presence of TGF-β1. 6wk-TGF hydrogels produced no GAG and only moderate amounts of collagen. However, immunohistochemistry and RT-PCR demonstrated a small amount of spontaneous differentiation in this control group. This study demonstrates the ability to encapsulate MSCs to form cartilage-like tissue in vitro in a photopolymerizing hydrogel. This system may be useful for minimally invasive implantation, MSC differentiation, and engineering of composite tissue structures with multiple cellular phenotypes.

Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSCs) have strong potential in regeneration of musculoskeletal tissues including cartilage and bone. The microenvironment, comprising of scaffold and soluble factors, plays a pivotal role in determining the efficacy of cartilage tissue regeneration from MSCs. In this study, we investigated the effect of a three-dimensional synthetic–biological composite hydrogel scaffold comprised of poly (ethylene glycol) (PEG) and chondroitin sulfate (CS) on chondrogenesis of MSCs. The cells in CS-based bioactive hydrogels aggregated in a fashion which mimicked the mesenchymal condensation and produced cartilaginous tissues with characteristic morphology and basophilic extracellular matrix production. The aggregation of cells resulted in an enhancement of both chondrogenic gene expressions and cartilage specific matrix production compared to control PEG hydrogels containing no CS-moieties. Moreover, a significant down-regulation of type X collagen expression was observed in PEG/CS hydrogels, indicating that CS inhibits the further differentiation of MSCs into hypertrophic chondrocytes. Overall, this study demonstrates the morphogenetic role of bioactive scaffold-mediated microenvironment on temporal pattern of cartilage specific gene expressions and subsequent matrix production during MSC chondrogenesis.

Biomaterials serve as the basis of implants, tissue engineering scaffolds, and multiple other biomedical therapeutics. New technologies, such as single cell RNA sequencing (scRNAseq), are enabling characterization of the biomaterial response to an unprecedented level of detail, facilitating new discoveries in the complex cellular environment surrounding materials. We performed scRNAseq and integrated data sets from multiple experiments to create a single cell atlas of the biomaterials response that contains 42,156 cells from biological extracellular matrix (ECM)-derived and synthetic polyester (polycaprolactone, PCL) scaffold biomaterials implanted in murine muscle wounds. We identified 18 clusters of cells, including natural killer (NK) cells, multiple subsets of fibroblasts, and myeloid cells, many of which were previously unknown in the biomaterial response. To determine intra and intercellular signaling occurring between the numerous cell subsets, including immune-stromal interactions in the biomaterial response, we developed Domino (github.com/chris-cherry/domino), a computational tool which allows for identification of condition specific intercellular signaling patterns connected to transcription factor activation from single cell data. The Domino networks self-assembled into signaling modules and cellular subsets involved in signaling independent of clustering, defining interactions between immune, fibroblast, and tissue-specific modules with biomaterials-specific communication patterns. Further compilation and integration of biomaterials single cell data sets will delineate the impact of materials chemical and physical properties and biological factors, such as anatomical placement, age, or systemic disease, that will direct biomaterials design.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is an aggressive malignancy characterized by a heterogeneous tumor microenvironment (TME) that is enriched with cancer associated fibroblasts (CAFs) 1 . Cell-cell interactions involving these CAFs promote an immunosuppressive phenotype with altered inflammatory gene expression. While single-cell transcriptomics provides a tool to dissect the complex intercellular pathways that regulate cancer-associated inflammation in human tumors, complementary experimental systems for mechanistic validation remain limited. This study integrated single-cell data from human tumors and novel organoid co-cultures to study the PDAC TME. We derived a comprehensive atlas of PDAC gene expression from six published human single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) datasets 2–7 to characterize intercellular signaling pathways between epithelial tumor cells and CAFs that regulate the inflammatory TME. Analysis of the epithelial cell compartment identified global gene expression pathways that modulate inflammatory signaling and are correlated with CAF composition. We then generated patient-derived organoid-CAF co-cultures to serve as a biological model of the cellular interactions learned from human tissue in the atlas. Transfer learning analysis to additional scRNA-seq data of this co-culture system and mechanistic experiments confirmed the epithelial response to fibroblast signaling. This bidirectional approach of complementary computational and in vitro applications provides a framework for future studies identifying important mechanisms of intercellular interactions in PDAC.

Abstract Aging is associated with immunological changes that compromise response to infections and vaccines, exacerbate inflammatory diseases and could potentially mitigate tissue repair. Even so, age-related changes to the immune response to tissue damage and regenerative medicine therapies remain unknown. Here, we characterized how aging induces senescence and immunological changes that inhibit tissue repair and therapeutic response to a clinical regenerative biological scaffold derived from extracellular matrix. Tissue signatures of inflammation and interleukin (IL)-17 signaling increased with injury and treatment in aged animals, and computational analysis uncovered age-associated senescent-T cell communication that promotes type 3 immunity in T cells. Local inhibition of type 3 immune activation using IL17-neutralizing antibodies improved healing and restored therapeutic response to the regenerative biomaterial, promoting muscle repair in older animals. These results provide insights into tissue immune dysregulation that occurs with aging that can be targeted to rejuvenate repair.

Abstract Senescent cells (SnCs) contribute to normal tissue development and repair but accumulate with aging where they are implicated in a number of pathologies and diseases. Despite their pathological role and therapeutic interest, SnC phenotype and function in vivo remains unclear due to the challenges in identifying and isolating these rare cells. Here, we developed an in vivo -derived senescence gene expression signature using a model of the foreign body response (FBR) fibrosis in a p16 Ink4a - reporter mouse, a cell cycle inhibitor commonly used to identify SnCs. We identified stromal cells (CD45 - CD31 - CD29 + ) as the primary p16 Ink4a expressing cell type in the FBR and collected the cells to produce a SnC transcriptomic signature with bulk RNA sequencing. To computationally identify SnCs in bulk and single-cell data sets across species and tissues, we used this signature with transfer learning to generate a SnC signature score (SenSig). We found senescent pericyte and cartilage-like fibroblasts in newly collected single cell RNAseq (scRNASeq) data sets of murine and human FBR suggesting populations associated with angiogenesis and secretion of fibrotic extracellular matrix, respectively. Application of the senescence signature to human scRNAseq data sets from idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) and the basal cell carcinoma microenvironment identified both conserved and tissue-specific SnC phenotypes, including epithelial-derived basaloid and endothelial cells. In a wound healing model, ligand-receptor signaling prediction identified putative interactions between SnC SASP and myeloid cells that were validated by immunofluorescent staining and in vitro coculture of SnCs and macrophages. Collectively, we have found that our SenSig transfer learning strategy from an in vivo signature outperforms in vitro -derived signatures and identifies conserved and tissue-specific SnCs and their SASP, independent of p16 Ink4a expression, and may be broadly applied to elucidate SnC identity and function in vivo .

Abstract B cells are an adaptive immune target of biomaterials development in vaccine research but despite their role in wound healing have not been studied in tissue engineering and regenerative medicine. We evaluated the B cell response to biomaterial scaffold materials implanted in a muscle wound; a biological extracellular matrix (ECM) and synthetic polyester polycaprolactone. In the local muscle tissue, small numbers of B cells are recruited in response to tissue injury and biomaterial implantation. ECM materials induced plasmablasts in lymph nodes and antigen presentation in the spleen while the synthetic PCL implants delayed B cell migration and induced an antigen presenting phenotype. In muMt − mice lacking B cells, the fibrotic response to the synthetic biomaterials decreased. Immunofluorescence confirmed antigen presenting B cells in fibrotic tissue surrounding silicone breast implants. In sum, the adaptive B cell immune response to biomaterial depends on composition and induces local, regional and systemic immunological changes.