Lupus nephritis (LN) is a frequent manifestation of systemic lupus erythematosus, and fewer than half of patients achieve complete renal response with standard immunosuppressants. Identifying non-invasive, blood-based pathologic immune alterations associated with renal injury could aid therapeutic decisions. Here, we used mass cytometry immunophenotyping of peripheral blood mononuclear cells in 145 patients with biopsy-proven LN and 40 healthy controls to evaluate the heterogeneity of immune activation in patients with LN and to identify correlates of renal parameters and treatment response. Unbiased analysis identified 3 immunologically distinct groups of patients with LN that were associated with different patterns of histopathology, renal cell infiltrates, urine proteomic profiles, and treatment response at one year. Patients with enriched circulating granzyme B+ T cells at baseline showed more severe disease and increased numbers of activated CD8 T cells in the kidney, yet they had the highest likelihood of treatment response. A second group characterized primarily by a high type I interferon signature had a lower likelihood of response to therapy, while a third group appeared immunologically inactive by immunophenotyping at enrollment but with chronic renal injuries. Main immune profiles could be distilled down to 5 simple cytometric parameters that recapitulate several of the associations, highlighting the potential for blood immune profiling to translate to clinically useful non-invasive metrics to assess immune-mediated disease in LN.

Rheumatoid arthritis (RA) is a systemic autoimmune disease with currently no universally highly effective prevention strategies. Identifying pathogenic immune phenotypes in 'At-Risk' populations prior to clinical disease onset is crucial to establishing effective prevention strategies. Here, we applied mass cytometry to deeply characterize the immunophenotypes in blood from At-Risk individuals identified through the presence of serum antibodies to citrullinated protein antigens (ACPA) and/or first-degree relative (FDR) status (n=52), as compared to established RA (n=67), and healthy controls (n=48). We identified significant cell expansions in At-Risk individuals compared with controls, including CCR2+CD4+ T cells, T peripheral helper (Tph) cells, type 1 T helper cells, and CXCR5+CD8+ T cells. We also found that CD15+ classical monocytes were specifically expanded in ACPA-negative FDRs, and an activated PAX5 low naïve B cell population was expanded in ACPA-positive FDRs. Further, we developed an "RA immunophenotype score" classification method based on the degree of enrichment of cell states relevant to established RA patients. This score significantly distinguished At-Risk individuals from controls. In all, we systematically identified activated lymphocyte phenotypes in At-Risk individuals, along with immunophenotypic differences among both ACPA+ and ACPA-FDR At-Risk subpopulations. Our classification model provides a promising approach for understanding RA pathogenesis with the goal to further improve prevention strategies and identify novel therapeutic targets.

Background

 Lupus nephritis (LN) is a common and severe complication of systemic lupus erythematosus requiring renal biopsy to guide treatment decisions. Despite standard-of-care therapy, a third of patients with LN class III, IV, or V show a progressive decline in kidney function. Identifying distinct inflammatory processes associated with LN using non-invasive tools may improve treatment targeting. 

Method

 We applied mass cytometry using four 48-marker panels to characterize peripheral blood mononuclear cells from 140 patients with active, biopsy-proven proliferative (class III or IV +/- V, n=98) or membranous (class V, n=42) nephritis and 40 healthy controls in the Accelerated Medicine Partnership RA/SLE Network Phase II study. Renal response was determined at 1 year (n=107), and longitudinal samples were collected (n=49). 

Results

 By applying covarying neighborhood analysis, we observed a marked enrichment of cell neighborhoods that expressed type I interferon (IFN-I)-induced proteins, including MX1 (figure 1A) and Siglec1, reflecting a simple cytometric detection of an IFN-I signature. Specific immunophenotypic alterations, including activated and proliferating cells (Ki67hi) across immune cell types, such as plasmablasts (B8) and Tph (T11), were associated with IFN-I signaling (figure 1B). Amongst cells strongly associated with IFN-I, we identified a naive-like (CD45RA+CCR7+) CD4 T cell cluster (T12) expressing low levels of TCF1, suggesting early activation (figure 1C). We confirmed that IFN-I had an additive effect with TCR stimulation in decreasing TCF1 (TCF7 gene) expression in naive T cells using a recently published bulk RNAseq dataset1 (figure 2). Longitudinally, the cell subsets strongly associated with IFN-I, including T12, did not change in abundance over time independently from the renal outcome (longitudinal mixed effect model in complete responders p = 0.37, non-responder p = 0.62). As IFN-I signaling and the frequency of cell subsets varied across individuals, we stratified all samples using an unsupervised analysis based on 55 immune cell subsets. We identified 3 LN patient subgroups: the first group (G0) included all controls and 20% baseline LN patients; the two others (G1, G2) included only LN patients (46 patients each). G2 was associated with an increased proportion of GZMB+ T cells which were not correlated with IFN-I score (figure 1C). G1 displayed the highest cytometric IFN- I scores and was driven mainly by cells enriched with IFN-I-induced proteins, including T12 (figure 3A). Additionally, IFN-I cytometric score was strongly correlated with an IFN-I score in kidney leukocytes from paired samples (rho = 0.73, p < 0.001). Finally, after adjusting for a history of previous biopsy and immunosuppression at baseline, group G1 was significantly associated with non-response at 1 year (figure 3B). 

Conclusion

 IFN-I signaling in LN patients is associated with persistent enrichment of altered and activated immune cells, despite immunosuppression. Patients with increased IFN-I signaling in the peripheral blood have increased IFN-I signaling in the kidney and represent a group with poor response to standard-of-care. 

Reference

 Sumida T, et al. Type I interferon transcriptional network regulates expression of coinhibitory receptors in human T cells, Nature Immunology. 2022;23(4):632–42.