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 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.

Withdrawal statement The authors have withdrawn their manuscript owing to failure to repeat some of the findings. Therefore, the authors do not wish this work to be cited as reference for the project. If you have any questions, please contact the corresponding author.

Abstract Precision medicine in immune-mediated inflammatory diseases (IMIDs) requires an understanding of how cellular networks change following therapy. We describe a therapeutic atlas for Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC) following anti-tumour necrosis factor (TNF) therapy. We generated ~1 million single-cell transcriptomes, organised into 109 cell states, from 216 gut biopsies from 38 patients and three controls, revealing disease- and therapy-specific differences. A systems-biology analysis identified distinct spatially-resolved cellular microenvironments: granuloma signatures in CD and interferon (IFN)-response signatures localising to T-cell aggregates and epithelial damage in CD and UC. Longitudinal comparisons demonstrated that disease progression in non-responders associated with myeloid and stromal cell perturbations in CD and increased multi-cellular IFN signalling in UC. IFN signalling was also observed in rheumatoid arthritis (RA) synovium with a lymphoid pathotype. Our therapeutic atlas informs drug positioning across IMIDs, and suggests a rationale for the use of janus kinase (JAK) inhibition following anti-TNF resistance.

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.

In healthy joints, synovial fibroblasts (SFs) provide the microenvironment required to mediate homeostasis but are recognized to adopt a pathological role in rheumatoid arthritis (RA), promoting the infiltration and activation of immune cells to perpetuate local inflammation, pain and joint destruction. Carbohydrates (glycans) attached to cell surface proteins are fundamental regulators of cellular interactions between stromal and immune cells, but very little is known about the glycome of SFs or how glycosylation regulates their biology. Here we fill these gaps in our understanding of stromal guided pathophysiology by systematically mapping glycosylation pathways in healthy and arthritic SFs. We used a combination of transcriptomic and glycomic analysis to show that transformation of fibroblasts into pro-inflammatory cells in RA is associated with profound glycan remodeling, a process that involves reduction of α2-6 terminal sialylation that is mostly mediated by TNFα-dependent inhibition of the glycosyltransferase ST6Gal1. We also show that sialylation of SFs correlates with distinct disease stages and SFs functional subsets in both human RA and models of mouse arthritis. We propose that pro-inflammatory cytokines in the joint remodel the SF-glycome, transforming a regulatory tissue intended to preserve local homeostasis, into an under-sialylated and highly pro-inflammatory microenvironment that contributes to an amplificatory inflammatory network that perpetuates chronic inflammation. These results highlight the importance of cell glycosylation in stromal immunology.