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 The key role of tertiary lymphoid structures in autoimmune and non-autoimmune conditions has been recently appreciated. While many of the molecular mechanisms involved in tertiary lymphoid structure (TLS) formation have been identified, their cellular sources and their temporal and spatial relationship to each other during the development of TLS remain unknown. Here we have constructed a cellular and functional map of key components involved in the formation of TLS in the minor salivary glands (SG) in humans. We have confirmed the presence of an immunofibroblast cell state and identified an undescribed immunopericyte cell state with potential immunological functions within TLS. The identification of TLS cellular and functional properties and their relevant modulators provided by this analysis provides key therapeutic cues for TLS associated conditions in autoimmunity and cancer.

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 Objective To assess the L-type amino acid transporter-1 (LAT1) as a possible therapeutic target for rheumatoid arthritis (RA). Methods Synovial LAT1 expression was monitored by immunohistochemistry and transcriptomic datasets. The contribution of LAT1 to gene expression and immune synapse formation was assessed by RNA-sequencing and total internal reflection fluorescent (TIRF) microscopy, respectively. Mouse models of RA were used to assess the impact of therapeutic targeting of LAT1. Results LAT1 was strongly expressed by CD4 + T cells in the synovial membrane of patients with active RA and the level of expression correlated with levels of ESR and CRP as well as DAS-28 scores. Deletion of LAT1 in murine CD4 + T cells inhibited the development of experimental arthritis and prevented the differentiation of CD4 + T cells expressing IFN-γ and TNF-α, without affecting regulatory T cells. LAT1 deficient CD4 + T cells demonstrated reduced transcription of genes associated with TCR/CD28 signalling, including Akt1, Akt2, Nfatc2, Nfkb1 and Nfkb2 . Functional studies using TIRF microscopy revealed a significant impairment of immune synapse formation with reduced recruitment of CD3ζ and phospho-tyrosine signalling molecules in LAT1 deficient CD4 + T cells from the inflamed joints but not the draining lymph nodes of arthritic mice. Finally, it was shown that a small molecule LAT1 inhibitor, currently undergoing clinical trials in man, was highly effective in treating experimental arthritis in mice. Conclusions It was concluded that LAT1 plays a critical role in activation of pathogenic T cell subsets under inflammatory conditions and represents a promising new therapeutic target for RA. Key Messages What is already known about this subject? LAT1 is an amino acid transporter that has previously been shown to play a role in T cell activation. What does this study add? LAT1 is expressed by synovial T cells in human rheumatoid arthritis and the level of expression correlates with disease severity. LAT1 expression by T cells is necessary for development of severe arthritis in animal models. LAT1 is required for immune synapse formation and activation of pathogenic CD4 + T cell subsets in the inflamed joint, but not the lymph nodes. A small molecular weight LAT1 inhibitor, currently in clinical trials for cancer, is highly effective in animal models of rheumatoid arthritis. How might this impact on clinical practice of future developments? The context-specific nature of LAT1 involvement in T cell activation positions it as an ideal therapeutic target to distinguish between pathogenic and protective T cell responses and this study provides the scientific rationale for clinical evaluation of LAT1 inhibitors in the treatment of rheumatoid 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.

The identification of lymphocyte subsets with non-overlapping effector functions has been pivotal to the development of targeted therapies in immune mediated inflammatory diseases (IMIDs). However it remains unclear whether fibroblast subclasses with non-overlapping functions also exist and are responsible for the wide variety of tissue driven processes observed in IMIDs such as inflammation and damage. Here we identify and describe the biology of distinct subsets of fibroblasts responsible for mediating either inflammation or tissue damage in arthritis. We show that deletion of FAP+ synovial cells suppressed both inflammation and bone erosions in murine models of resolving and persistent arthritis. Single cell transcriptional analysis identified two distinct fibroblast subsets: FAP+ THY1+ immune effector fibroblasts located in the synovial sub-lining, and FAP+ THY1- destructive fibroblasts restricted to the synovial lining. When adoptively transferred into the joint, FAP+ THY1- fibroblasts selectively mediate bone and cartilage damage with little effect on inflammation whereas transfer of FAP+ THY1+ fibroblasts resulted in a more severe and persistent inflammatory arthritis, with minimal effect on bone and cartilage. Our findings describing anatomically discrete, functionally distinct fibroblast subsets with non-overlapping functions have important implications for cell based therapies aimed at modulating inflammation and tissue damage.

To define the cell populations in rheumatoid arthritis (RA) driving joint inflammation, we applied single-cell RNA-seq (scRNA-seq), mass cytometry, bulk RNA-seq, and flow cytometry to sorted T cells, B cells, monocytes, and fibroblasts from 51 synovial tissue RA and osteoarthritis (OA) patient samples. Utilizing an integrated computational strategy based on canonical correlation analysis to 5,452 scRNA-seq profiles, we identified 18 unique cell populations. Combining mass cytometry and transcriptomics together revealed cell states expanded in RA synovia: THY1+HLAhigh sublining fibroblasts (OR=33.8), IL1B+ pro-inflammatory monocytes (OR=7.8), CD11c+T-bet+ autoimmune-associated B cells (OR=5.7), and PD-1+ Tph/Tfh (OR=3.0). We also defined CD8+ T cell subsets characterized by GZMK+, GZMB+, and GNLY+ expression. Using bulk and single-cell data, we mapped inflammatory mediators to source cell populations, for example attributing IL6 production to THY1+HLAhigh fibroblasts and naive B cells, and ILB to pro-inflammatory monocytes. These populations are potentially key mediators of RA pathogenesis.