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.

Abstract Objective To investigate the immune cell profiling and their longitudinal changes in systemic lupus erythematosus (SLE). Methods We employed mass cytometry with three different 38-39 marker panels (Immunophenotyping, T cell/monocyte, and B cell) in cryopreserved peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from nine patients with early SLE, 15 patients with established SLE, and 14 non-inflammatory controls. We used machine learning-driven clustering, FlowSOM (Flow Self-Organizing Maps) and dimensional reduction with tSNE (t-distributed Stochastic Neighbor Embedding) to identify unique cell populations in early and established SLE. For the nine early SLE patients, longitudinal mass cytometry analysis was applied to PBMCs at three time points (at enrollment, six months post-enrollment, and one year post-enrollment). Serum samples were also assayed for 65 cytokines by Luminex multiplex assay, and associations between cell types and cytokines/chemokines assessed. Results T peripheral helper cells (Tph cells), T follicular helper cells (Tfh cells) and several Ki67 + proliferating subsets (ICOS + Ki67 + CD8 T cells, Ki67 + regulatory T cells, CD19 int Ki67 hi plasmablasts, and Ki67 hi PU.1 hi monocytes) were increased in early SLE. Longitudinal mass cytometry and multiplex serum cytokine assays of samples from early SLE patients revealed that Tfh cells and CXCL10 decreased at one year post-enrollment. CXCL13 correlated positively with several of the expanded cell populations in early SLE. Conclusions Two major helper T cell subsets and unique Ki67 + proliferating immune cell subsets were expanded in the early phase of SLE, and the immunologic features characteristic of early SLE evolved over time.

Abstract Skeletal stem and progenitor cells are critical for bone homeostasis and healing, but their identity and diversity in humans are not well understood. In this study, we compared stromal populations in matched tissues from the femoral head and neck of 21 human participants using spectral flow cytometry of freshly isolated cells. High-level analysis indicated significant differences in marker distribution between periosteum, articular cartilage, endosteum and bone marrow stromal populations, and identified populations that were highly enriched or unique to specific tissues. Periosteum-enriched markers included CD90 and CD34. Articular cartilage, which has very poor regenerative potential, showed enrichment of multiple markers, including the PDPN+CD73+CD164+ population previously reported to represent human skeletal stem cells. We further characterized periosteal populations by combining CD90 with other strongly expressed markers. CD90+CD34+ cells sorted directly from periosteum showed significant colony-forming unit fibroblasts (CFU-F) enrichment, rapid expansion, and consistent multi-lineage differentiation of clonal populations. In situ, CD90+CD34+ cells include a perivascular population in the outer layer of the periosteum and non-perivascular cells closer to the bone surface. In conclusion, our study indicates considerable diversity in the stromal cell populations in different tissue compartments within the adult human skeleton, and suggests that periosteal stem cells reside within the CD90+CD34+ population.

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.

Abstract The periosteum is the major source of cells involved in fracture healing. We sought to characterize progenitor cells and their contribution to bone fracture healing. The periosteum is highly enriched for progenitor cells, including Sca1+ cells, CFU-F and label-retaining cells compared to the endosteum and bone marrow. Using lineage tracing, we demonstrate that αSMA identifies long-term, slow-cycling, self-renewing osteochondroprogenitors in the adult periosteum that are functionally important for bone formation during fracture healing. In addition, Col2.3CreER-labeled osteoblast cells contribute around 10% of osteoblasts, but no chondrocytes in fracture calluses. Most periosteal osteochondroprogenitors following fracture, can be targeted by αSMACreER. Previously identified skeletal stem cell populations were common in periosteum, but contained high proportions of mature osteoblasts. We have demonstrated that the periosteum is highly enriched for skeletal progenitor cells and there is heterogeneity in the populations of cells that contribute to mature lineages during periosteal fracture healing.