Rationale: Atherosclerotic lesions are known for their cellular heterogeneity, yet the molecular complexity within the cells of human plaques has not been fully assessed. Objective: Using single-cell transcriptomics and chromatin accessibility, we gained a better understanding of the pathophysiology underlying human atherosclerosis. Methods and Results: We performed single-cell RNA and single-cell ATAC sequencing on human carotid atherosclerotic plaques to define the cells at play and determine their transcriptomic and epigenomic characteristics. We identified 14 distinct cell populations including endothelial cells, smooth muscle cells, mast cells, B cells, myeloid cells, and T cells and identified multiple cellular activation states and suggested cellular interconversions. Within the endothelial cell population, we defined subsets with angiogenic capacity plus clear signs of endothelial to mesenchymal transition. CD4 + and CD8 + T cells showed activation-based subclasses, each with a gradual decline from a cytotoxic to a more quiescent phenotype. Myeloid cells included 2 populations of proinflammatory macrophages showing IL (interleukin) 1B or TNF (tumor necrosis factor) expression as well as a foam cell-like population expressing TREM2 (triggering receptor expressed on myeloid cells 2) and displaying a fibrosis-promoting phenotype. ATACseq data identified specific transcription factors associated with the myeloid subpopulation and T cell cytokine profiles underlying mutual activation between both cell types. Finally, cardiovascular disease susceptibility genes identified using public genome-wide association studies data were particularly enriched in lesional macrophages, endothelial, and smooth muscle cells. Conclusions: This study provides a transcriptome-based cellular landscape of human atherosclerotic plaques and highlights cellular plasticity and intercellular communication at the site of disease. This detailed definition of cell communities at play in atherosclerosis will facilitate cell-based mapping of novel interventional targets with direct functional relevance for the treatment of human disease.

BACKGROUND: Cell phenotype switching is increasingly being recognized in atherosclerosis. However, our understanding of the exact stimuli for such cellular transformations and their significance for human atherosclerosis is still evolving. Intraplaque hemorrhage is thought to be a major contributor to plaque progression in part by stimulating the influx of CD163 + macrophages. Here, we explored the hypothesis that CD163 + macrophages cause plaque progression through the induction of proapoptotic endothelial-to-mesenchymal transition (EndMT) within the fibrous cap. METHODS: Human coronary artery sections from CVPath’s autopsy registry were selected for pathological analysis. Athero-prone ApoE −/− and ApoE −/− /CD163 −/− mice were used for in vivo studies. Human peripheral blood mononuclear cell–induced macrophages and human aortic endothelial cells were used for in vitro experiments. RESULTS: In 107 lesions with acute coronary plaque rupture, 55% had pathological evidence of intraplaque hemorrhage in nonculprit vessels/lesions. Thinner fibrous cap, greater CD163 + macrophage accumulation, and a larger number of CD31/FSP-1 (fibroblast specific protein-1) double-positive cells and TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase-dUTP nick end labeling) positive cells in the fibrous cap were observed in nonculprit intraplaque hemorrhage lesions, as well as in culprit rupture sections versus nonculprit fibroatheroma sections. Human aortic endothelial cells cultured with supernatants from hemoglobin/haptoglobin-exposed macrophages showed that increased mesenchymal marker proteins (transgelin and FSP-1) while endothelial markers (VE-cadherin and CD31) were reduced, suggesting EndMT induction. Activation of NF-κB (nuclear factor kappa β) signaling by proinflammatory cytokines released from CD163 + macrophages directly regulated the expression of Snail, a critical transcription factor during EndMT induction. Western blot analysis for cleaved caspase-3 and microarray analysis of human aortic endothelial cells indicated that apoptosis was stimulated during CD163 + macrophage–induced EndMT. Additionally, CD163 deletion in athero-prone mice suggested that CD163 is required for EndMT and plaque progression. Using single-cell RNA sequencing from human carotid endarterectomy lesions, a population of EndMT was detected, which demonstrated significant upregulation of apoptosis-related genes. CONCLUSIONS: CD163 + macrophages provoke EndMT, which may promote plaque progression through fibrous cap thinning.

Abstract Sex differences are evident in the clinical presentation and underlying histology of atherosclerotic disease with women developing more stable atherosclerotic lesions than men. It is unknown whether this is explained by sex differences in gene regulation in cellular compartments of atherosclerotic plaques. To study sex differences in gene regulation we performed genome-wide DNA methylation and transcriptomics analysis on plaques of 485 carotid endarterectomy patients (31% female). Sex-differential DNA methylation at 4,848 sites in the autosome was enriched for cell-fate commitment and developmental processes, and its deconvolution predicted more smooth muscle cells in females, as compared to more immune cells in males. RNA-sequencing of the same plaques corroborated the sex differences in DNA methylation predicted cell-types, in which genes that were higher expressed in females were enriched for TGF-beta signaling and extracellular matrix biology. In addition, female-biased genes were enriched for targeting by regulatory loci based on sex differential methylation. Lastly, by using single-cell RNA sequencing we showed that these female-biased genes are mostly expressed in smooth muscle cells, and higher expressed in smooth muscle cells from female (predominantly stable) plaques as compared to male (relatively unstable) plaques. Our approach identified female-biased genes in smooth muscle cells in fibrous atherosclerotic plaques. This points towards new mechanisms in smooth muscle cell biology of stable atherosclerotic plaques and offers new directions for research to develop new sex-specific therapeutics for atherosclerotic disease.

Abstract Rationale Endothelial cells can differentiate into mesenchymal-like cells via endothelial to mesenchymal transition (EndoMT). In murine models, cell transitions of EndoMT have been assessed with lineage tracing techniques. Knowledge on molecular mechanisms of EndoMT in human vascular lesions is scarce as studies in human atherosclerosis are limited by observational study designs such as histo-pathological studies. Objective We aim to identify a human EndoMT gene expression signature by combining experimentally induced in vitro EndoMT with lineage-traced pathways from atherosclerotic mice and extrapolate this to human plaque scRNA-seq data. Methods and results First, we stimulated human coronary artery endothelial cells (HCAEC) with TNFα and TFGβ to trigger EndoMT. We executed transcriptomic analyses and defined multiple temporal patterns of gene expression changes during EndoMT. We used Cdh5-Cre ERT2 Rosa-eYFP apoE -/- lineage traced mouse scRNA-seq data to demonstrate that the temporal in vitro gene expression changes are reflected in EndoMT trajectories in mice plaque tissue. Finally, we constructed three candidate EndoMT lineages across multiple subpopulations of ECs and SMCs in human carotid scRNA-seq data (n=46). We examined gene expression over the course of these lineages and identified 73 markers for the presence of EndoMT such as NRG1 and DEPP1 . Conclusion This study reveals the gene expression profile of EndoMT trajectories in human atherosclerotic plaques by combining RNA-seq data from in vitro models with single-cell transcriptomic datasets. Our gene expression atlas of EndoMT in atherosclerosis could serve as a reference for future studies, providing novel inroads to study atherosclerotic mechanisms for the development of novel therapies.

Women presenting with coronary artery disease (CAD) more often present with fibrous atherosclerotic plaques, which are currently understudied. Phenotypically modulated smooth muscle cells (SMCs) contribute to atherosclerosis in women. How these phenotypically modulated SMCs shape female versus male plaques is unknown. Here, we show sex-stratified gene regulatory networks (GRNs) from human carotid atherosclerotic tissue. Prioritization of these networks identified two main SMC GRNs in late-stage atherosclerosis. Single-cell RNA-sequencing mapped these GRNs to two SMC phenotypes: a phenotypically modulated myofibroblast-like SMC network and a contractile SMC network. The myofibroblast-like GRN was mostly expressed in plaques that were vulnerable in females. Finally, mice orthologs of the female myofibroblast-like genes showed retained expression in advanced plaques from female mice but were downregulated in male mice during atherosclerosis progression. Female atherosclerosis is driven by GRNs that promote a fibrous vulnerable plaque rich in myofibroblast-like SMCs.

Abstract Plaque smooth muscle cells are critical players in the initiation and advancement of atherosclerotic disease. They produce extracellular matrix (ECM) components, which play a role in lesion progression and stabilization. Despite clear phenotypic differences between plaque smooth muscle cells and vascular smooth muscle cells (VSMCs), VSMCs are still widely used as a model system in atherosclerotic research. Here we present a conditioned outgrowth method to isolate plaque smooth muscle cells. We obtained plaque cells from 27 donors (24 carotid and 3 femoral endarterectomies). We show that these cells keep their proliferative capacity for eight passages, are transcriptionally stable, retain donor-specific gene expression programs, and express extracellular matrix proteins ( FN1, COL1A1, DCN ) and smooth muscle cell markers ( ACTA2, MYH11, CNN1 ). Single-cell transcriptomics of plaque tissue and cultured cells reveals that cultured plaque cells closely resemble the myofibroblast fraction of plaque smooth muscle cells. Chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) shows the presence of histone H3 lysine 4 dimethylation (H3K4me2) at the MYH11 promoter, pointing to their smooth muscle cell origin. Finally, we demonstrated that plaque cells can be efficiently transduced (>97%) and are capable to take up oxidized LDL (oxLDL) and undergo calcification. In conclusion, we present a method to isolate and culture primary human plaque cells that retain plaque myofibroblast-like cells’ phenotypical and functional capabilities - making them a suitable in vitro model for studying selected mechanisms of atherosclerosis.