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)1,2. 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 damage3–5. 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 fibroblast activation protein-α (FAPα)+ fibroblasts suppressed both inflammation and bone erosions in mouse models of resolving and persistent arthritis. Single-cell transcriptional analysis identified two distinct fibroblast subsets within the FAPα+ population: FAPα+THY1+ immune effector fibroblasts located in the synovial sub-lining, and FAPα+THY1− destructive fibroblasts restricted to the synovial lining layer. When adoptively transferred into the joint, FAPα+THY1− fibroblasts selectively mediate bone and cartilage damage with little effect on inflammation, whereas transfer of FAPα+ 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. Distinct subsets of fibroblasts, which differ in their expression of thymus cell antigen 1 (THY1), are responsible for inflammation and tissue damage in mouse models of arthritis.

Fibroblasts regulate tissue homeostasis, coordinate inflammatory responses, and mediate tissue damage. In rheumatoid arthritis (RA), synovial fibroblasts maintain chronic inflammation which leads to joint destruction. Little is known about fibroblast heterogeneity or if aberrations in fibroblast subsets relate to pathology. Here, we show functional and transcriptional differences between fibroblast subsets from human synovial tissues using bulk transcriptomics of targeted subpopulations and single-cell transcriptomics. We identify seven fibroblast subsets with distinct surface protein phenotypes, and collapse them into three subsets by integrating transcriptomic data. One fibroblast subset, characterized by the expression of proteins podoplanin, THY1 membrane glycoprotein and cadherin-11, but lacking CD34, is threefold expanded in patients with RA relative to patients with osteoarthritis. These fibroblasts localize to the perivascular zone in inflamed synovium, secrete proinflammatory cytokines, are proliferative, and have an in vitro phenotype characteristic of invasive cells. Our strategy may be used as a template to identify pathogenic stromal cellular subsets in other complex diseases.

The synovium is a mesenchymal tissue composed mainly of fibroblasts, with a lining and sublining that surround the joints. In rheumatoid arthritis the synovial tissue undergoes marked hyperplasia, becomes inflamed and invasive, and destroys the joint1,2. It has recently been shown that a subset of fibroblasts in the sublining undergoes a major expansion in rheumatoid arthritis that is linked to disease activity3–5; however, the molecular mechanism by which these fibroblasts differentiate and expand is unknown. Here we identify a critical role for NOTCH3 signalling in the differentiation of perivascular and sublining fibroblasts that express CD90 (encoded by THY1). Using single-cell RNA sequencing and synovial tissue organoids, we found that NOTCH3 signalling drives both transcriptional and spatial gradients—emanating from vascular endothelial cells outwards—in fibroblasts. In active rheumatoid arthritis, NOTCH3 and Notch target genes are markedly upregulated in synovial fibroblasts. In mice, the genetic deletion of Notch3 or the blockade of NOTCH3 signalling attenuates inflammation and prevents joint damage in inflammatory arthritis. Our results indicate that synovial fibroblasts exhibit a positional identity that is regulated by endothelium-derived Notch signalling, and that this stromal crosstalk pathway underlies inflammation and pathology in inflammatory arthritis. NOTCH3 signalling is shown to be the underlying driver of the differentiation and expansion of a subset of synovial fibroblasts implicated in the pathogenesis of rheumatoid arthritis.

Different subsets and/or polarized phenotypes of monocytes and macrophages may play distinct roles during the development and resolution of inflammation. Here, we demonstrate in a murine model of rheumatoid arthritis that nonclassical Ly6C− monocytes are required for the initiation and progression of sterile joint inflammation. Moreover, nonclassical Ly6C− monocytes differentiate into inflammatory macrophages (M1), which drive disease pathogenesis and display plasticity during the resolution phase. During the development of arthritis, these cells polarize toward an alternatively activated phenotype (M2), promoting the resolution of joint inflammation. The influx of Ly6C− monocytes and their subsequent classical and then alternative activation occurs without changes in synovial tissue-resident macrophages, which express markers of M2 polarization throughout the course of the arthritis and attenuate joint inflammation during the initiation phase. These data suggest that circulating Ly6C− monocytes recruited to the joint upon injury orchestrate the development and resolution of autoimmune joint inflammation.

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.

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 Tertiary lymphoid structures play important roles in autoimmune and non-autoimmune conditions. While many of the molecular mechanisms involved in tertiary lymphoid structure formation have been identified, the cellular sources and temporal and spatial relationship remain unknown. Here we use combine single-cell RNA-sequencing, spatial transcriptomics and proteomics of minor salivary glands of patients with Sjogren’s disease and Sicca Syndrome, with ex-vivo functional studies to construct a cellular and spatial map of key components involved in the formation and function of tertiary lymphoid structures. We confirm the presence of a fibroblast cell state and identify a pericyte/mural cell state with potential immunological functions. The identification of cellular properties associated with these structures and the molecular and functional interactions identified by this analysis may provide key therapeutic cues for tertiary lymphoid structures associated conditions in autoimmunity and cancer.

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.

Fibroblasts mediate normal tissue matrix remodeling, but they can cause fibrosis or tissue destruction following chronic inflammation. In rheumatoid arthritis (RA), synovial fibroblasts expand, degrade cartilage, and drive joint inflammation. Little is known about fibroblast heterogeneity or if aberrations in fibroblast subsets relate to disease pathology. Here, we used an integrative strategy, including bulk transcriptomics on targeted subpopulations and unbiased single-cell transcriptomics, to analyze fibroblasts from synovial tissues. We identify 7 phenotypic fibroblast subsets with distinct surface protein phenotypes, and these collapsed into 3 subsets based on transcriptomics data. One subset expressing PDPN, THY1, but lacking CD34 was 3-fold expanded in RA relative to osteoarthritis (P=0.007); most of these cells expressed CDH11. The subsets were found to differ in expression of cytokines and matrix metalloproteinases, localization in synovial microanatomy, and in response to TNF. Our approach provides a template to identify pathogenic stromal cellular subsets in complex diseases.