Abstract Rheumatoid arthritis is a prototypical autoimmune disease that causes joint inflammation and destruction 1 . There is currently no cure for rheumatoid arthritis, and the effectiveness of treatments varies across patients, suggesting an undefined pathogenic diversity 1,2 . Here, to deconstruct the cell states and pathways that characterize this pathogenic heterogeneity, we profiled the full spectrum of cells in inflamed synovium from patients with rheumatoid arthritis. We used multi-modal single-cell RNA-sequencing and surface protein data coupled with histology of synovial tissue from 79 donors to build single-cell atlas of rheumatoid arthritis synovial tissue that includes more than 314,000 cells. We stratified tissues into six groups, referred to as cell-type abundance phenotypes (CTAPs), each characterized by selectively enriched cell states. These CTAPs demonstrate the diversity of synovial inflammation in rheumatoid arthritis, ranging from samples enriched for T and B cells to those largely lacking lymphocytes. Disease-relevant cell states, cytokines, risk genes, histology and serology metrics are associated with particular CTAPs. CTAPs are dynamic and can predict treatment response, highlighting the clinical utility of classifying rheumatoid arthritis synovial phenotypes. This comprehensive atlas and molecular, tissue-based stratification of rheumatoid arthritis synovial tissue reveal new insights into rheumatoid arthritis pathology and heterogeneity that could inform novel targeted treatments.

Summary Pro-inflammatory fibroblasts are critical to pathogenesis in rheumatoid arthritis, inflammatory bowel disease, interstitial lung disease, and Sjögren’s syndrome, and represent a novel therapeutic target for chronic inflammatory disease. However, the heterogeneity of fibroblast phenotypes, exacerbated by the lack of a common cross-tissue taxonomy, has limited the understanding of which pathways are shared by multiple diseases. To investigate, we profiled patient-derived fibroblasts from inflamed and non-inflamed synovium, intestine, lung, and salivary glands with single-cell RNA-sequencing. We integrated all fibroblasts into a multi-tissue atlas to characterize shared and tissue-specific phenotypes. Two shared clusters, CXCL10 + CCL19 + immune-interacting and SPARC + COL3A1 + vascular-interacting fibroblasts were expanded in all inflamed tissues and additionally mapped to dermal analogues in a public atopic dermatitis atlas. We further confirmed these human pro-inflammatory fibroblasts in animal models of lung, joint, and intestinal inflammation. This work represents the first cross-tissue, single-cell fibroblast atlas revealing shared pathogenic activation states across four chronic inflammatory diseases.

Summary Rheumatoid arthritis (RA) is a prototypical autoimmune disease that causes destructive tissue inflammation in joints and elsewhere. Clinical challenges in RA include the empirical selection of drugs to treat patients, inadequate responders with incomplete disease remission, and lack of a cure. We profiled the full spectrum of cells in inflamed synovium from patients with RA with the goal of deconstructing the cell states and pathways characterizing pathogenic heterogeneity in RA. Our multicenter consortium effort used multi-modal CITE-seq, RNA-seq, and histology of synovial tissue from 79 donors to build a >314,000 single-cell RA synovial cell atlas with 77 cell states from T, B/plasma, natural killer, myeloid, stromal, and endothelial cells. We stratified tissue samples into six distinct cell type abundance phenotypes (CTAPs) individually enriched for specific cell states. These CTAPs demonstrate the striking diversity of RA synovial inflammation, ranging from marked enrichment of T and B cells (CTAP-TB) to a congregation of specific myeloid, fibroblast, and endothelial cells largely lacking lymphocytes (CTAP-EFM). Disease-relevant cytokines, histology, and serology metrics are associated with certain CTAPs. This comprehensive RA synovial atlas and molecular, tissue-based CTAP stratification reveal new insights into RA pathology and heterogeneity, which could lead to novel targeted-treatment approaches in RA.

Abstract Background Detailed molecular analyses of cells from rheumatoid arthritis (RA) synovium hold promise in identifying cellular phenotypes that drive tissue pathology and joint damage. The Accelerating Medicines Partnership (AMP) RA/SLE network aims to deconstruct autoimmune pathology by examining cells within target tissues through multiple high-dimensional assays. Robust standardized protocols need to be developed before cellular phenotypes at a single cell level can be effectively compared across patient samples. Methods Multiple clinical sites collected cryopreserved synovial tissue fragments from arthroplasty and synovial biopsy in a 10%-DMSO solution. Mechanical and enzymatic dissociation parameters were optimized for viable cell extraction and surface protein preservation for cell sorting and mass cytometry, as well as for reproducibility in RNA sequencing (RNA-seq). Cryopreserved synovial samples were collectively analyzed at a central processing site by a custom-designed and validated 35-marker mass cytometry panel. In parallel, each sample was flow sorted into fibroblast, T cell, B cell, and macrophage suspensions for bulk population RNA-seq and plate-based single cell CEL-Seq2 RNA-seq. Results Upon dissociation, cryopreserved synovial tissue fragments yielded a high frequency of viable cells, comparable to samples undergoing immediate processing. Optimization of synovial tissue dissociation across six clinical collection sites with ∼30 arthroplasty and ∼20 biopsy samples yielded a consensus digestion protocol using 100µg/mL of Liberase TL ™ enzyme. This protocol yielded immune and stromal cell lineages with preserved surface markers and minimized variability across replicate RNA-seq transcriptomes. Mass cytometry analysis of cells from cryopreserved synovium distinguished: 1) diverse fibroblast phenotypes, 2) distinct populations of memory B cells and antibody-secreting cells, and 3) multiple CD4+ and CD8+ T cell activation states. Bulk RNA sequencing of sorted cell populations demonstrated robust separation of synovial lymphocytes, fibroblasts, and macrophages. Single cell RNA-seq produced transcriptomes of over 1000 genes/cell, including transcripts encoding characteristic lineage markers identified. Conclusion We have established a robust protocol to acquire viable cells from cryopreserved synovial tissue with intact transcriptomes and cell surface phenotypes. A centralized pipeline to generate multiple high-dimensional analyses of synovial tissue samples collected across a collaborative network was developed. Integrated analysis of such datasets from large patient cohorts may help define molecular heterogeneity within RA pathology and identify new therapeutic targets and biomarkers.

Abstract Current inflammatory bowel disease (IBD) therapies are ineffective in a high proportion of patients. Combining bulk and single-cell transcriptomics, quantitative histopathology, and in situ localisation, we describe heterogeneity of the tissular inflammatory response in IBD treatment failure. Among inflammatory pathotypes, we found high neutrophil infiltration, activation of fibroblasts, and vascular remodelling at sites of deep ulceration was a feature of non-response to several anti-inflammatory therapies. Activated fibroblasts in the ulcer bed display neutrophil chemoattractant properties that are IL-1R- but not TNF-dependent. The identification of distinct, localised, tissular pathotypes associated with treatment non-response will aid precision targeting of current therapeutics and provide a biological rationale for IL-1 signalling blockade in ulcerating disease.

Abstract Synovial tissue inflammation is a hallmark of rheumatoid arthritis (RA). Recent work has identified prominent pathogenic cell states in inflamed RA synovial tissue, such as T peripheral helper cells; however, the epigenetic regulation of these states has yet to be defined. Here, we examine genome-wide open chromatin at single-cell resolution in 30 synovial tissue samples, including 12 samples with transcriptional data in multimodal experiments. We identify 24 chromatin classes and predict their associated transcription factors, including a CD8 + GZMK + class associated with EOMES and a lining fibroblast class associated with AP-1. By integrating with an RA tissue transcriptional atlas, we propose that these chromatin classes represent ‘superstates’ corresponding to multiple transcriptional cell states. Finally, we demonstrate the utility of this RA tissue chromatin atlas through the associations between disease phenotypes and chromatin class abundance, as well as the nomination of classes mediating the effects of putatively causal RA genetic variants.

Abstract Although rheumatoid arthritis is a systemic disease, flares typically occur in a subset of joints that is distinctive for each patient. Pursuing this intriguing pattern, we show that arthritis recurrence is mediated by long-lived synovial resident memory T cells (T RM ). In three murine models, CD8+ cells bearing T RM markers remain in previously inflamed joints during remission. These cells are bona fide T RM , exhibiting failure to migrate from joint to joint, preferential uptake of fatty acids, and long-term residency. Disease flares result from T RM activation by antigen, leading to CCL5-mediated recruitment of circulating effector cells. Correspondingly, T RM depletion ameliorates recurrence in a site-specific manner. Human rheumatoid arthritis joint tissues contain a comparable CD8+-predominant T RM population, most evident in late-stage non-inflamed synovium, exhibiting limited T cell receptor diversity and a pro-inflammatory transcriptomic signature. Together, these findings establish synovial T RM cells as a targetable mediator of disease chronicity in autoimmune arthritis.

Rheumatoid arthritis (RA) is an autoimmune disease involving antigen-specific T and B cells. Here, we perform single-cell RNA and repertoire sequencing on paired synovial tissue and blood samples from 12 seropositive RA patients. We identify clonally expanded CD4 + T cells, including CCL5+ cells and T peripheral helper (Tph) cells, which show a prominent transcriptomic signature of recent activation and effector function. CD8 + T cells show higher oligoclonality than CD4 + T cells, with the largest synovial clones enriched in GZMK+ cells. CD8 + T cells with possibly virus-reactive TCRs are distributed across transcriptomic clusters. In the B cell compartment, NR4A1+ activated B cells, and plasma cells are enriched in the synovium and demonstrate substantial clonal expansion. We identify synovial plasma cells that share BCRs with synovial ABC, memory, and activated B cells. Receptor-ligand analysis predicted IFNG and TNFRSF members as mediators of synovial Tph-B cell interactions. Together, these results reveal clonal relationships between functionally distinct lymphocyte populations that infiltrate the synovium of patients with RA.

In rheumatoid arthritis, inflammatory mediators extravasate from blood into joints via gaps between endothelial cells (ECs), but the contribution of ECs is not known. Sphingosine 1-phosphate receptor 1 (S1PR1), widely expressed on ECs, maintains the vascular barrier. Here, we assessed the contribution of vascular integrity and EC S1PR1 signaling to joint damage in mice exposed to serum-induced arthritis (SIA). EC-specific deletion of S1PR1 or pharmacological blockade of S1PR1 promoted vascular leak and amplified SIA, whereas overexpression of EC S1PR1 or treatment with an S1PR1 agonist delayed SIA. Blockade of EC S1PR1 induced membrane metalloproteinase-dependent cleavage of vascular endothelial cadherin (VE-cadherin), a principal adhesion molecule that maintains EC junctional integrity. We identified a disintegrin and a metalloproteinase domain 10 (ADAM10) as the principal VE-cadherin "sheddase." Mice expressing a stabilized VE-cadherin construct had decreased extravascular VE-cadherin and vascular leakage in response to S1PR1 blockade, and they were protected from SIA. Importantly, patients with active rheumatoid arthritis had decreased circulating S1P and microvascular expression of S1PR1, suggesting a dysregulated S1P/S1PR1 axis favoring vascular permeability and vulnerability. We present a model in which EC S1PR1 signaling maintains homeostatic vascular barrier function by limiting VE-cadherin shedding mediated by ADAM10 and suggest this signaling axis as a therapeutic target in inflammatory arthritis.

Fibroblasts play critical roles in tissue homeostasis, but in pathologic states can drive fibrosis, inflammation, and tissue destruction. In the joint synovium, fibroblasts provide homeostatic maintenance and lubrication. Little is known about what regulates the homeostatic functions of fibroblasts in healthy conditions. We performed RNA sequencing of healthy human synovial tissue and identified a fibroblast gene expression program characterized by enhanced fatty acid metabolism and lipid transport. We found that fat-conditioned media reproduces key aspects of the lipid-related gene signature in cultured fibroblasts. Fractionation and mass spectrometry identified cortisol in driving the healthy fibroblast phenotype, confirmed using glucocorticoid receptor gene ( NR3C1 ) deleted cells. Depletion of synovial adipocytes in mice resulted in loss of the healthy fibroblast phenotype and revealed adipocytes as a major contributor to active cortisol generation via Hsd11 β 1 expression. Cortisol signaling in fibroblasts mitigated matrix remodeling induced by TNFα- and TGFβ, while stimulation with these cytokines repressed cortisol signaling and adipogenesis. Together, these findings demonstrate the importance of adipocytes and cortisol signaling in driving the healthy synovial fibroblast state that is lost in disease.