Despite their crucial role in health and disease, our knowledge of immune cells within human tissues remains limited. We surveyed the immune compartment of 16 tissues from 12 adult donors by single-cell RNA sequencing and VDJ sequencing generating a dataset of ~360,000 cells. To systematically resolve immune cell heterogeneity across tissues, we developed CellTypist, a machine learning tool for rapid and precise cell type annotation. Using this approach, combined with detailed curation, we determined the tissue distribution of finely phenotyped immune cell types, revealing hitherto unappreciated tissue-specific features and clonal architecture of T and B cells. Our multitissue approach lays the foundation for identifying highly resolved immune cell types by leveraging a common reference dataset, tissue-integrated expression analysis, and antigen receptor sequencing.

Importance

 Within 2 decades of onset, 80% of untreated patients with relapsing-remitting multiple sclerosis (MS) convert to a phase of irreversible disability accrual termed secondary progressive MS. The association between disease-modifying treatments (DMTs), and this conversion has rarely been studied and never using a validated definition. 

Objective

 To determine the association between the use, the type of, and the timing of DMTs with the risk of conversion to secondary progressive MS diagnosed with a validated definition. 

Design, Setting, and Participants

 Cohort study with prospective data from 68 neurology centers in 21 countries examining patients with relapsing-remitting MS commencing DMTs (or clinical monitoring) between 1988-2012 with minimum 4 years’ follow-up. 

Exposures

 The use, type, and timing of the following DMTs: interferon beta, glatiramer acetate, fingolimod, natalizumab, or alemtuzumab. After propensity-score matching, 1555 patients were included (last follow-up, February 14, 2017). 

Main Outcome and Measure

 Conversion to objectively defined secondary progressive MS. 

Results

 Of the 1555 patients, 1123 were female (mean baseline age, 35 years [SD, 10]). Patients initially treated with glatiramer acetate or interferon beta had a lower hazard of conversion to secondary progressive MS than matched untreated patients (HR, 0.71; 95% CI, 0.61-0.81;P < .001; 5-year absolute risk, 12% [49 of 407] vs 27% [58 of 213]; median follow-up, 7.6 years [IQR, 5.8-9.6]), as did fingolimod (HR, 0.37; 95% CI, 0.22-0.62;P < .001; 5-year absolute risk, 7% [6 of 85] vs 32% [56 of 174]; median follow-up, 4.5 years [IQR, 4.3-5.1]); natalizumab (HR, 0.61; 95% CI, 0.43-0.86;P = .005; 5-year absolute risk, 19% [16 of 82] vs 38% [62 of 164]; median follow-up, 4.9 years [IQR, 4.4-5.8]); and alemtuzumab (HR, 0.52; 95% CI, 0.32-0.85;P = .009; 5-year absolute risk, 10% [4 of 44] vs 25% [23 of 92]; median follow-up, 7.4 years [IQR, 6.0-8.6]). Initial treatment with fingolimod, alemtuzumab, or natalizumab was associated with a lower risk of conversion than initial treatment with glatiramer acetate or interferon beta (HR, 0.66; 95% CI, 0.44-0.99;P = .046); 5-year absolute risk, 7% [16 of 235] vs 12% [46 of 380]; median follow-up, 5.8 years [IQR, 4.7-8.0]). The probability of conversion was lower when glatiramer acetate or interferon beta was started within 5 years of disease onset vs later (HR, 0.77; 95% CI, 0.61-0.98;P = .03; 5-year absolute risk, 3% [4 of 120] vs 6% [2 of 38]; median follow-up, 13.4 years [IQR, 11-18.1]). When glatiramer acetate or interferon beta were escalated to fingolimod, alemtuzumab, or natalizumab within 5 years vs later, the HR was 0.76 (95% CI, 0.66-0.88;P < .001; 5-year absolute risk, 8% [25 of 307] vs 14% [46 of 331], median follow-up, 5.3 years [IQR], 4.6-6.1). 

Conclusions and Relevance

 Among patients with relapsing-remitting MS, initial treatment with fingolimod, alemtuzumab, or natalizumab was associated with a lower risk of conversion to secondary progressive MS vs initial treatment with glatiramer acetate or interferon beta. These findings, considered along with these therapies’ risks, may help inform decisions about DMT selection.

Phase II clinical trials revealed that the lymphocyte-depleting humanized monoclonal antibody alemtuzumab (Campath-1H) is highly effective in the treatment of early relapsing-remitting multiple sclerosis. However, 30% of patients develop autoimmunity months to years after pulsed exposure to alemtuzumab, usually targeting the thyroid gland and, more rarely, blood components. In this study, we show that autoimmunity arose in those patients with greater T cell apoptosis and cell cycling in response to alemtuzumab-induced lymphocyte depletion, a phenomenon that is driven by higher levels of IL-21. Before treatment, patients who went on to develop secondary autoimmunity had more than 2-fold greater levels of serum IL-21 than the nonautoimmune group. We suggest that serum IL-21 may, therefore, serve as a biomarker for the risk of developing autoimmunity months to years after alemtuzumab treatment. This has implications for counseling those patients with multiple sclerosis who are considering lymphocyte-depleting therapy with alemtuzumab. Finally, we demonstrate through genotyping that IL-21 expression is genetically predetermined. We propose that, by driving cycles of T cell expansion and apoptosis to excess, IL-21 increases the stochastic opportunities for T cells to encounter self antigen and, hence, for autoimmunity.

Abstract Despite their crucial role in health and disease, our knowledge of immune cells within human tissues remains limited. Here, we surveyed the immune compartment of 15 tissues of six deceased adult donors by single-cell RNA sequencing and paired VDJ sequencing. To systematically resolve immune cell heterogeneity across tissues, we developed CellTypist, a machine learning tool for rapid and precise cell type annotation. Using this approach, combined with detailed curation, we determined the tissue distribution of 45 finely phenotyped immune cell types and states, revealing hitherto unappreciated tissue-specific features and clonal architecture of T and B cells. In summary, our multi-tissue approach lays the foundation for identifying highly resolved immune cell types by leveraging a common reference dataset, tissue-integrated expression analysis and antigen receptor sequencing. One Sentence Summary We provide an immune cell atlas, including antigen receptor repertoire profiling, across lymphoid and non-lymphoid human tissues.

During ontogeny, γδ T cells emerge from the thymus and directly seed peripheral tissues for in situ immunity. However, their functional role in humans has largely been defined from blood. Here, we analyzed the phenotype, transcriptome, function, and repertoire of human γδ T cells in blood and mucosal and lymphoid tissues from 176 donors across the life span, revealing distinct profiles in children compared with adults. In early life, clonally diverse Vδ1 subsets predominate across blood and tissues, comprising naïve and differentiated effector and tissue repair functions, whereas cytolytic Vδ2 subsets populate blood, spleen, and lungs. With age, Vδ1 and Vδ2 subsets exhibit clonal expansions and elevated cytolytic signatures, which are disseminated across sites. In adults, Vδ2 cells predominate in blood, whereas Vδ1 cells are enriched across tissues and express residency profiles. Thus, antigenic exposures over childhood drive the functional evolution and tissue compartmentalization of γδ T cells, leading to age-dependent roles in immunity.

Abstract As the dimensionality, throughput, and complexity of cytometry data increases, so does the demand for user-friendly, interactive analysis tools that leverage high-performance machine learning frameworks. Here we introduce FlowAtlas.jl: an interactive web application that bridges the user-friendly environment of FlowJo and computational tools in Julia developed by the scientific machine learning community. We demonstrate the capabilities of FlowAtlas using a novel human multi-tissue, multi-donor immune cell dataset, highlighting key immunological findings.

Abstract The retinoid X receptor (RXR) agonist bexarotene has recently been shown to promote remyelination in individuals with multiple sclerosis. Murine studies demonstrated that RXR agonists can have anti-inflammatory effects by enhancing the ability of all-trans-retinoic acid ( αt RA), the primary active metabolite of vitamin A, to promote T regulatory cell (Treg) induction and reduce Th17 differentiation in vitro , following stimulation of naïve CD4 cells in the presence of TGF- β . Stimulating naïve human CD4 T cells for 7 days, in the presence of either Treg or Th17 skewing cytokines ± bexarotene (1 μM), ± other RXR agonists (9 Cis RA and NRX 194204), or ± αt RA (100 nM) shows that RXR agonists, including bexarotene, are capable of tipping the human Treg/Th17 axis in favour of Treg induction. Furthermore, this occurs independently of αt RA and retinoic acid receptor (RAR) signalling. Tregs induced in the presence of bexarotene express many of the canonical markers of T cell regulation and are functionally suppressive in vitro. These findings support a potential immunomodulatory role for bexarotene and highlight the possible therapeutic application of RXR agonists in autoimmune disease, with bexarotene’s pro-remyelinating effects making multiple sclerosis a particularly attractive disease target. Significance Statement The pan-retinoid X receptor (RXR) agonist bexarotene has recently been shown to promote remyelination in patients with multiple sclerosis. Here we demonstrate that bexarotene, and other RXR agonists have immunomodulating effects, tipping the Th17/T regulatory cell (Treg) differentiation axis in favour of Treg development. These findings lend support to the idea of developing RXR agonists as treatments of autoimmune diseases, in particular multiple sclerosis.

The immune system comprises multiple cell lineages and heterogeneous subsets found in blood and tissues throughout the body. While human immune responses differ between sites and over age, the underlying sources of variation remain unclear as most studies are limited to peripheral blood. Here, we took a systems approach to comprehensively profile RNA and surface protein expression of over 1.25 million immune cells isolated from blood, lymphoid organs, and mucosal tissues of 24 organ donors aged 20-75 years. We applied a multimodal classifier to annotate the major immune cell lineages (T cells, B cells, innate lymphoid cells, and myeloid cells) and their corresponding subsets across the body, leveraging probabilistic modeling to define bases for immune variations across donors, tissue, and age. We identified dominant tissue-specific effects on immune cell composition and function across lineages for lymphoid sites, intestines, and blood-rich tissues. Age-associated effects were intrinsic to both lineage and site as manifested by macrophages in mucosal sites, B cells in lymphoid organs, and T and NK cells in blood-rich sites. Our results reveal tissue-specific signatures of immune homeostasis throughout the body and across different ages. This information provides a basis for defining the transcriptional underpinnings of immune variation and potential associations with disease-associated immune pathologies across the human lifespan.

Gastrointestinal microbiota and immune cells interact closely and display regional specificity, but little is known about how these communities differ with location. Here, we simultaneously assess microbiota and single immune cells across the healthy, adult human colon, with paired characterisation of immune cells in the mesenteric lymph nodes, to delineate colonic immune niches at steady-state. We describe distinct T helper cell activation and migration profiles along the colon and characterise the transcriptional adaptation trajectory of T regulatory cells between lymphoid tissue and colon. Finally, we show increasing B cell accumulation, clonal expansion and mutational frequency from caecum to sigmoid colon, and link this to the increasing number of reactive bacterial species.