To define the cell populations that drive joint inflammation in rheumatoid arthritis (RA), we applied single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), mass cytometry, bulk RNA sequencing (RNA-seq) and flow cytometry to T cells, B cells, monocytes, and fibroblasts from 51 samples of synovial tissue from patients with RA or osteoarthritis (OA). Utilizing an integrated strategy based on canonical correlation analysis of 5,265 scRNA-seq profiles, we identified 18 unique cell populations. Combining mass cytometry and transcriptomics revealed cell states expanded in RA synovia: THY1(CD90)+HLA-DRAhi sublining fibroblasts, IL1B+ pro-inflammatory monocytes, ITGAX+TBX21+ autoimmune-associated B cells and PDCD1+ peripheral helper T (TPH) cells and follicular helper T (TFH) cells. We defined distinct subsets of CD8+ T cells characterized by GZMK+, GZMB+, and GNLY+ phenotypes. We mapped inflammatory mediators to their source cell populations; for example, we attributed IL6 expression to THY1+HLA-DRAhi fibroblasts and IL1B production to pro-inflammatory monocytes. These populations are potentially key mediators of RA pathogenesis. Defining cell types and their activation status in rheumatoid arthritis (RA) is critical to understanding this disease. Raychaudhuri and colleagues leverage several single-cell -omics approaches to define the cellular processes and pathways in the human RA joint.

We studied the gross, histological, and vascular anatomy of the glenoid labrum in twenty-three fresh-frozen shoulders from cadavera to demonstrate its cross-sectional anatomy, its microvascularity, and its attachments. The superior and anterosuperior portions of the labrum are loosely attached to the glenoid, and the macro-anatomy of those portions is similar to that of the meniscus of the knee. The superior portion of the labrum also consistently inserts directly into the biceps tendon, while its inferior portion is firmly attached to the glenoid rim and appears as a fibrous, immobile extension of the articular cartilage. The arteries supplying the periphery of the glenoid labrum come from the suprascapular, circumflex scapular, and posterior circumflex humeral arteries. In general, the superior and anterosuperior parts of the labrum have less vascularity than do the posterosuperior and inferior parts, and the vascularity is limited to the periphery of the labrum. Vessels supplying the labrum originate from either capsular or periosteal vessels and not from the underlying bone.

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 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 Immune checkpoint inhibitor (ICI) therapies that promote T cell activation have improved outcomes for advanced malignancies yet also elicit harmful autoimmune reactions. The T cell mechanisms mediating these iatrogenic autoimmune events remain unclear. Here we assayed T cells from joints of patients affected by ICI-induced inflammatory arthritis (ICI-arthritis), which can present clinically indistinguishable from rheumatoid arthritis (RA). Compared to the autoimmune arthritides RA and psoriatic arthritis (PsA), ICI-arthritis joints contained an expanded CD38 hi CD127 − CD8 + T cell subset that displays cytotoxic, effector, and interferon (IFN) response signatures. The abundance of CD38 hi CD8 T cells in ICI-arthritis resulted from a limited number of clones that could be found proliferating in the joint. Exposure of synovial T cells to Type I IFN, more so than IFN-γ, induces the CD38 hi cytotoxic phenotype. Relative to other CD8 + T cell subsets in the joints, the CD38 hi population is distinct from a dysfunctional population and clonally most related to TCF7 + memory populations. Examination of synovial tissue from bilateral knee arthroplasty demonstrated considerable sharing of TCR clonotypes in the CD38 hi CD8 T cell fraction from both knees. These results define a distinct CD8 T cell subset that may be directly activated by ICI therapy and mediate a tissue-specific autoimmune cellular reaction in patient joints.

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 Inflammation of non-barrier immunologically quiescent tissues is associated with a massive influx of blood-borne innate and adaptive immune cells. Cues from the latter are likely to alter and expand the spectrum of states observed in cells that are constitutively resident. However, local communications between immigrant and resident cell types in human inflammatory disease remain poorly understood. Here, we explored heterogeneity of synovial fibroblasts (FLS) in inflamed joints of rheumatoid arthritis (RA) patients using paired single cell RNA and ATAC sequencing (scRNA/ATAC-seq), multiplexed imaging, and spatial transcriptomics along with in vitro modeling of cell extrinsic factor signaling. These analyses suggest that local exposures to myeloid and T cell derived cytokines, TNFα, IFNγ, IL-1β, or lack thereof, drive six distinct FLS states some of which closely resemble fibroblast states in other disease-affected tissues including skin and colon. Our results highlight a role for concurrent, spatially distributed cytokine signaling within the inflamed synovium.

Abstract 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.

ABSTRACT Ectopic lymphoid structures (ELS) can develop in rheumatoid arthritis (RA) synovial tissue, but the precise pathways of B cell activation and selection are not well understood. Here, we identified a unique B cell population in the synovium characterized by co-expression of a family of orphan nuclear receptors, NR4A1 (also known as NUR77), NR4A2 (NURR1) and NR4A3 (NOR1), that is highly enriched at both early and late stages of RA. NR4A B cells are rare in healthy peripheral blood, RA blood, and SLE kidney, but share markers with blood transcriptomic signatures that peak during RA disease flare. Using combined single cell transcriptomics and B cell receptor (BCR) sequencing, we demonstrate that NR4A synovial B cells have an activated transcriptomic profile that significantly overlaps with germinal center (GC) light zone (LZ) B cells and an accrual of somatic hypermutation that correlates with loss of naïve B cell status. NR4A B cells uniquely co-express lymphotoxin β and IL6, supporting important functions in ELS promotion and pro-inflammatory cytokine production. Further, the presence of shared clones in this activated B cell state and NR4A expressing synovial plasma cells (PC) and the rapid up-regulation with BCR stimulation points to in situ differentiation. Taken together, we identified a dynamic progression of B cell activation in RA synovial ELS, with NR4A transcription factors having an important role in antigen activation and local adaptive immune responses. One sentence summary B cells in the rheumatoid arthritis synovium undergo a spectrum of in situ activation, with the NR4A family of transcription factors having an important role in antigen stimulation, local adaptive immunity, and pathological B cell responses.

Intensive lifestyle interventions including modest reductions in daily caloric intake (i.e., continuous calorie energy reduction (CER)), are recommended by U.S. national professional health organizations (e.g. American Heart Association). However, they are less effective in Black communities. A burgeoning literature has reported the promise of intermittent fasting (IF) as an alternative strategy for weight loss. However, IF studies have been conducted with predominately White participants and provided participants resources not readily available in real-world situations.