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 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 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.

Synthetic biomaterials and medical devices suffer to varying levels from fibrosis via the foreign body response (FBR). To explore mechanistic connections between the immune response and fibrosis from the FBR, we first analyzed fibrotic capsule surrounding human breast implants and found increased numbers of interleukin (IL)17-producing γδ+ T cells and CD4+ TH17 cells as well as senescent cells. Further analysis in a murine model demonstrated an early innate IL17 response to synthetic implants, mediated by innate lymphoid cells and γδ+ T cells, was followed by a chronic adaptive antigen dependent CD4+ TH17 cell response. Mice deficient in IL17 signaling established that IL17 was required for the fibrotic response to materials and the development of p16INK4a senescent cells. Treatment with a senolytic agent reduced IL17 expression and fibrosis. Discovery of a feed-forward loop between the TH17 and senescence response to synthetic materials introduces new targets for therapeutic intervention in the foreign body response.

Macrophages play diverse roles in the immune response to infection, cancer, and wound healing where they respond to local environmental signals, yet identification and phenotypic characterization of functional subsets in vivo remains limited. We performed single cell RNA sequencing analysis on differentiated macrophages sorted from a biologic matrix-induced regenerative environment versus a synthetic biomaterial foreign body response (FBR), characterized by TH2/interleukin (IL)-4 and TH17/IL-17, respectively. In the regenerative environment, unbiased clustering and pseudo time analysis revealed distinct macrophage subsets responsible for antigen presentation, chemoattraction, and phagocytosis, as well as a small population with expression profiles of both dendritic cells and skeletal muscle. In the FBR environment, we identified a CD9hi+IL-36γ+ macrophage subset that expressed TH17-associated molecules characteristic of certain auto-immune responses that were virtually absent in mice lacking the IL-17 receptor. Surface marker combinations including CD9 and CD301b defined macrophage fibrotic and regenerative subsets enabling functional assessment and identification in human tissue. Application of the terminal macrophage subsets to train the SingleCellNet algorithm and comparison to human and mouse macrophages in tumor, lung, and liver suggest broad relevance of macrophage classification. These distinct macrophage subsets demonstrate previously unrecognized myeloid phenotypes involved in different tissue responses and provide new targets for potential therapeutic modulation of certain pathologic states and tissue repair.

Abstract The immune system is increasingly recognized as an important regulator of tissue repair. We developed a regenerative immunotherapy from the helminth Schistosoma mansoni soluble egg antigen (SEA) to stimulate production of interleukin (IL)-4 and other type 2-associated cytokines without negative infection-related sequelae. The regenerative SEA (rSEA) applied to a murine muscle injury induced accumulation of IL-4 expressing T helper cells, eosinophils, and regulatory T cells, and decreased expression of IL-17A in gamma delta (γδ) T cells, resulting in improved repair and decreased fibrosis. Encapsulation and controlled release of rSEA in a hydrogel further enhanced type 2 immunity and larger volumes of tissue repair. The broad regenerative capacity of rSEA was validated in articular joint and corneal injury models. These results introduce a new regenerative immunotherapy approach using natural helminth-derivatives. One-Sentence Summary Helminth-derived soluble egg antigen regenerative immunotherapies promote tissue repair in multiple injury models.