Analisi comparativa di tre approcci computazionali per investigare la comunicazione cellula-cellula in dati di single cell RNA-seq di tumore polmonare non a piccole cellule

Cell-cell communication is a fundamental process that enables cells to respond to changes in their environment. Understanding these interactions may be an important achievement for comprehending biological complexity. This project aims to observe whether bioinformatics can have an important role in increasing the knowledge about these biological processes through computational methods applied to single cell RNA-seq data. Additionally the project addresses the absence in the field of a benchmark that may allow for better comparisons between the different tools to assess relative performances. For the execution of this project an high-resolution single-cell atlas is used. This atlas comes from the dissection of the non-small cell lung cancer (NSCLC) tumor microenvironment by integrating 1,283,972 single cells and originates from the Centre for Chemistry and Biomedicine (CCB) of Innsbruck. Three tools, namely scSeqComm, CellphoneDB, and NicheNet, are tested on this data, each employing distinct statistical frameworks for cell-cell communication analysis. They utilise a count matrix representing RNA molecule counts for genes in individual cells within a sample. The focus is on intercellular communication, specifically ligand-receptor pairing. Each method works with a specific proper framework and gives different outputs, therefore the comparison among them considers the time required for calculations and output generation, the number of ligand-receptor pairs identified, and the influence of using different databases for providing prior knowledge. In conclusion, this project demonstrates that bioinformatics and computational tools for the analysis of cell-cell communication may play an important role in advancing knowledge in this field. However, it acknowledges the ongoing need for substantial efforts to achieve reliable results applicable in clinical practice.

La comunicazione cellula-cellula è un processo fondamentale che consente alle cellule di rispondere ai cambiamenti del loro ambiente. Capire queste interazioni può essere un risultato importante per la comprensione della complessità biologica. Questo progetto si propone di osservare se la bioinformatica possa avere un ruolo importante nell'aumentare la conoscenza di questi processi biologici attraverso metodi computazionali applicati a dati RNA-seq di singole cellule. Inoltre, il progetto affronta l'assenza nel campo di un benchmark che possa consentire un migliore confronto tra i diversi strumenti per valutarne le relative prestazioni. Per l'esecuzione di questo progetto viene utilizzato un atlante di cellule singole ad alta risoluzione. Questo atlante proviene dalla dissezione del microambiente del tumore polmonare non a piccole cellule (NSCLC) attraverso l'integrazione di 1.283.972 singole cellule ed è stato realizzato dal Centro di Chimica e Biomedicina (CCB) di Innsbruck. Su questi dati sono stati testati tre metodi, ossia scSeqComm, CellphoneDB e NicheNet, ciascuno dei quali impiega procedure statistiche distinte per l'analisi della comunicazione cellula-cellula. Essi utilizzano inoltre una matrice che rappresenta i conteggi delle molecole di RNA per i geni nelle singole cellule di un campione. L'attenzione è rivolta alla comunicazione intercellulare, in particolare all'accoppiamento ligando-recettore. Ogni metodo lavora seguendo procedure specifiche e fornisce risultati diversi, pertanto il confronto tra di essi tiene conto del tempo richiesto per i calcoli e la generazione dei risultati, del numero di coppie ligando-recettore identificate e dell'influenza dell'uso di diversi database per fornire conoscenze preliminari. In conclusione, questo progetto dimostra che gli strumenti bioinformatici e computazionali per l'analisi della comunicazione cellula-cellula possono svolgere un ruolo importante nell'avanzamento delle conoscenze in questo campo. Tuttavia, riconosce la continua necessità di sforzi sostanziali per ottenere risultati affidabili applicabili nella pratica clinica.