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.

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 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.

Abstract Background Kidney macrophage infiltration is a histological hallmark of vasculitic lesions and is strongly linked to disease activity in anti-neutrophil cytoplasmic antibodies (ANCA)-associated glomerulonephritis (AGN). The precise mechanisms by which kidney macrophages influence local inflammation and long-term damage remain largely unknown. Methods Here, we investigate kidney macrophage diversity using single-cell transcriptome analysis of 25,485 freshly retrieved unfrozen, high-quality kidney CD45 + immune cells from five AGN patients, a lupus nephritis and nephrectomy control. Detailed subclustering of myeloid cells was performed to identify disease-specific macrophage subtypes. Next, transcriptome differences between macrophage subsets and disease serotypes were assessed. Findings were validated by immunostainings of an extended cohort of kidney biopsies and flow cytometric analysis of peripheral blood monocytes. Results Four main macrophage subsets were identified, including a classical monocyte-derived macrophage (MDM) subset expressing a chemotactic ( CXCL2, CXCL3, CXCL8 , CCL3 ) and pro-inflammatory ( IL1β, TNF ) set of markers and a osteopontin/SPP1 + lipid-associated macrophage ( SPP1 LAMs) subtype exhibiting distinctive upregulation of fibrotic genesets. AGN samples revealed a markedly increased proportion of CD163 + macrophages, predominantly composed of classical MDMs, accompanied by resident-like C1Q macrophages, and SPP1 LAMs. An analogous trend was observed in the expansion of peripheral blood classical monocytes during active disease. The proteinase 3 (PR3)-AGN subtype exhibited heightened classical MDM infiltration and markers of acute inflammation, while interferon signaling and markers of chronicity were reduced compared to myeloperoxidase (MPO)-AGN. Conclusions Our findings highlight the expression of inflammatory and fibrotic genes by kidney macrophage subsets in AGN. Classical monocyte dysregulation might contribute to inflammation in the pathogenesis of AGN. Targeting these specific monocyte/macrophage subsets may potentially control the inflammatory cascade and attenuate resulting fibrosis in AGN and kidney disease in general. Key points - Classical monocyte-derived macrophages are predominant in ANCA-associated glomerulonephritis and exhibit chemotactic and pro-inflammatory markers - Osteopontin/SPP1 + lipid-associated macrophages ( SPP1 LAMs) show distinctive upregulation of fibrotic genesets - Understanding of the macrophage immune response supports exploration of macrophage-directed therapies for the treatment of autoimmune kidney diseases

Abstract Funding Acknowledgements Type of funding sources: Public grant(s) – National budget only. Main funding source(s): Dutch Research Council Veni grant. Netherlands Heart Foundation Atherosclerosis is characterized by inflammation and lipid accumulation, leading to complications such as stroke and myocardial infarction. Various macrophage subsets are present in human atherosclerotic plaques. However, it is unclear how subsets are interrelated and contribute to the disease process and its clinical outcomes. Here, we employed single-cell RNA-seq (scRNA-seq) on blood and plaque material from carotid endarterectomy patients enrolled in the AtheroExpress (AE) cohort to define regulatory pathways of macrophage recruitment, differentiation, and development. Additionally, we used these scRNA-seq data to deconvolute a large AE bulk RNA-seq cohort to allow correlating cellular subsets in plaques with clinical traits. Interestingly, we found that macrophages and their subsets are the only cell population significantly associated with major adverse cardiac events (MACE) during a 3-year follow-up period. Subsequently, we could divide plaque macrophages into 3 populations: inflammatory, tissue-resident / lipid-associated (TREM2 high), and foamy macrophages (TREM1 high). While the latter two are correlated with MACE, the inflammatory macrophages are inversely correlated with statin use. Cellular fate analyses revealed two major paths of macrophage development in the plaque. First, non-classical monocytes entering the plaque, turning into inflammatory cells before becoming foamy and eventually dying. Second, resident-like macrophages that turn into either inflammatory- or lipid-associated macrophages, before meeting their foamy demise. Together, these findings provide important insights on macrophages in atherosclerosis and suggest new leads to discover therapeutic targets for this disease.

Abstract Funding Acknowledgements Type of funding sources: Foundation. Main funding source(s): Dutch Heart Foundation (Hartstichting) Aim Epigenetic processes are essential modulators of macrophage inflammatory responses. We postulate that interference in the epigenetic machinery of macrophages might offer novel approaches to combat atherosclerosis. Here, we investigate the repressive histone modification H3K27Me3 deposited by the polycomb repressive complex 2 (PRC2) with its catalytic component EZH2. We studied the therapeutic potential of macrophage EZH2 inhibition in the context of atherosclerosis. Methods Human monocyte-derived macrophages and murine peritoneal and bone-marrow derived macrophages were treated with the EZH2-specific inhibitor GSK126 and subsequently activated with LPS to mimic TLR4-inflammatory responses. The impact of Ezh2 inhibition on macrophage differentiation and activation compared to vehicle (DMSO) was assessed by RNA-seq, ChIP-seq, flow cytometry, western blot, and ELISA. To study its impact on atherosclerosis, female Ldlr-/- mice on a high-cholesterol diet (9weeks) were treated the last four weeks with GSK126 or control. Results Ezh2 inhibition by GSK126 in vitro lowered global H3K27Me3 levels without altering macrophage viability and differentiation, showcasing effective EZH2 inhibition. RNA-seq revealed that of more than one-third of the LPS-induced genes were significantly downregulated by EZH2 inhibition. Subsequent pathway analysis identified cytokine and interferon signaling, co-stimulation, and cell migration as the top down-regulated pathways (padj<0.05). Furthermore, ChIP-seq revealed considerably altered regulation of H3K27Me3 deposition. Indeed, we confirmed that gene and cytokine expression of the inflammatory mediators IL-6, IL-12, and TNF were reduced. Furthermore, membrane marker expression of co-stimulatory CD40, CD80, and CD86 were significantly decreased. In murine atherosclerosis, we observed a reduction in the Virmani plaque severity score and are currently assessing lesion size and composition. Conclusion Overall, we show that EZH2 inhibition reduces inflammatory responses in human and murine macrophages in vitro. We are currently assessing the impact of EZH2 inhibition on lesion size and composition in murine atherosclerosis. Additionally, we are performing ex vivo experiments on human endarterectomy plaques to assess the therapeutic potential of EZH2 inhibition on human atherosclerosis.