Recent advancements have brought to light the origins, complexity, and functions of tissue-resident macrophages. However, in the context of tissue injury or disease, large numbers of monocytes infiltrate the heart and are thought to contribute to adverse remodeling and heart failure pathogenesis. Little is understood about the diversity of monocytes and monocyte-derived macrophages recruited to the heart after myocardial injury, including the mechanisms that regulate monocyte recruitment and fate specification.We sought to test the hypothesis that distinct subsets of tissue-resident CCR2- (C-C chemokine receptor 2) and CCR2+ macrophages orchestrate monocyte recruitment and fate specification after myocardial injury.We reveal that in numerous mouse models of cardiomyocyte cell death (permanent myocardial infarction, reperfused myocardial infarction, and diphtheria toxin cardiomyocyte ablation), there is a shift in macrophage ontogeny whereby tissue-resident macrophages are predominately replaced by infiltrating monocytes and monocyte-derived macrophages. Using syngeneic cardiac transplantation to model ischemia-reperfusion injury and distinguish tissue-resident from recruited cell populations in combination with intravital 2-photon microscopy, we demonstrate that monocyte recruitment is differentially orchestrated by distinct subsets of tissue-resident cardiac macrophages. Tissue-resident CCR2+ macrophages promote monocyte recruitment through an MYD88 (myeloid differentiation primary response 88)-dependent mechanism that results in release of MCPs (monocyte chemoattractant proteins) and monocyte mobilization. In contrast, tissue-resident CCR2- macrophages inhibit monocyte recruitment. Using CD (cluster of differentiation) 169-DTR (diphtheria toxin receptor) and CCR2-DTR mice, we further show that selective depletion of either tissue-resident CCR2- or CCR2+ macrophages before myocardial infarction results in divergent effects on left ventricular function, myocardial remodeling, and monocyte recruitment. Finally, using single-cell RNA sequencing, we show that tissue-resident cardiac macrophages differentially instruct monocyte fate specification.Collectively, these observations establish the mechanistic basis by which monocytes are initially recruited to the injured heart and provide new insights into the heterogeneity of monocyte-derived macrophages.

Heart failure represents a major cause of morbidity and mortality worldwide. Single-cell transcriptomics have revolutionized our understanding of cell composition and associated gene expression. Through integrated analysis of single-cell and single-nucleus RNA-sequencing data generated from 27 healthy donors and 18 individuals with dilated cardiomyopathy, here we define the cell composition of the healthy and failing human heart. We identify cell-specific transcriptional signatures associated with age and heart failure and reveal the emergence of disease-associated cell states. Notably, cardiomyocytes converge toward common disease-associated cell states, whereas fibroblasts and myeloid cells undergo dramatic diversification. Endothelial cells and pericytes display global transcriptional shifts without changes in cell complexity. Collectively, our findings provide a comprehensive analysis of the cellular and transcriptomic landscape of human heart failure, identify cell type-specific transcriptional programs and disease-associated cell states and establish a valuable resource for the investigation of human heart failure.

Abstract Cardiac fibrosis is causally linked to heart failure pathogenesis and adverse clinical outcomes. However, the precise fibroblast populations that drive fibrosis in the human heart and the mechanisms that govern their emergence remain incompletely defined. Here, we performed Cellular Indexing of Transcriptomes and Epitomes by sequencing (CITE-seq) in 22 explanted human hearts from healthy donors, acute myocardial infarction (MI), and chronic ischemic and non-ischemic cardiomyopathy patients. We identified a fibroblast trajectory marked by fibroblast activator protein (FAP) and periostin (POSTN) expression that was independent of myofibroblasts, peaked early after MI, remained elevated in chronic heart failure, and displayed a transcriptional signature consistent with fibrotic activity. We assessed the applicability of cardiac fibrosis models and demonstrated that mouse MI, angiotensin II/phenylephrine infusion, and pressure overload models were superior compared to cultured human heart and dermal fibroblasts in recapitulating cardiac fibroblast diversity including pathogenic cell states. Ligand-receptor analysis and spatial transcriptomics predicted interactions between macrophages, T cells, and fibroblasts within spatially defined niches. CCR2 + monocyte and macrophage states were the dominant source of ligands targeting fibroblasts. Inhibition of IL-1β signaling to cardiac fibroblasts was sufficient to suppress fibrosis, emergence, and maturation of FAP + POSTN + fibroblasts. Herein, we identify a human fibroblast trajectory marked by FAP and POSTN expression that is associated with cardiac fibrosis and identify macrophage-fibroblast crosstalk mediated by IL-1β signaling as a key regulator of pathologic fibroblast differentiation and fibrosis.

Abstract Recovery of cardiac function is the ultimate goal of heart failure therapy. Unfortunately, cardiac recovery remains a rare and poorly understood phemomenon. Herein, we performed single nucleus RNA-sequencing (snRNA-seq) from non-diseased donors and heart failure patients. By comparing patients who recovered LV systolic function following LV assist device implantation to those who did not recover and donors, we defined the cellular and transcriptional landscape and predictors of cardiac recovery. We sequenced 40 hearts and recovered 185,881 nuclei with 13 distinct cell types. Using pseudobulk differential expression analysis to explicate cell specific signatures of cardiac recovery, we observed that recovered cardiomyocytes do not revert to a normal state, and instead, retain transcriptional signatures observed in heart failure. Macrophages and fibroblasts displayed the strongest signatures of recovery. While some evidence of reversion to a normal state was observed, many heart failure associated genes remained elevated and recovery signatures were predominately indicative of a biological state that was unique from donor and heart failure conditions. Acquisition of recovery states was associated with improved LV systolic function. Pro-inflammatory macrophages and inflammatory signaling in fibroblasts were identified as negative predictors of recovery. We identified downregulation of RUNX1 transcriptional activity in macrophages and fibroblasts as a central event associated with and predictive of cardiac recovery. In silico perturbation of RUNX1 in macrophages and fibroblasts recapitulated the transcriptional state of cardiac recovery. This prediction was corroborated in a mouse model of cardiac recovery mediated by BRD4 inhibition where we observed a decrease in macrophage and fibroblast Runx1 expression, diminished chromatin accessibility within peaks linked to the Runx1 locus, and acquisition of recovery signatures. These findings suggest that cardiac recovery is a unique biological state and identify RUNX1 as a possible therapeutic target to facilitate cardiac recovery.

Abstract Inflammation contributes to the pathogenesis of cardiac disease and represents a viable therapeutic target for heart failure. Cardiac injury elicits recruitment of neutrophils, monocytes, and T-cells. Monocytes and their progeny represent are highly abundant, display incredible functional diversity, and are key determinants of myocardial inflammation. Much remains to be learned regarding mechanisms and signaling events that instruct monocyte fate decisions. We devised a genetic lineage tracing strategy using Ccr2 crERT2 Rosa2 LSL-tdTomato mice in combination with single cell RNA-sequencing to map the fate and differentiation trajectories of monocytes that infiltrate the heart after reperfused myocardial infarction (MI). We observe that monocyte recruitment is restricted to the first 5 days following MI. Infiltrating monocytes give rise to transcriptionally distinct and spatially restricted macrophage and dendritic cell-like subsets, dynamically shift over time, and chronically persist within the myocardium. Pseudotime analysis predicted two differentiation trajectories of monocyte-derived macrophages that are initially partitioned into the border and infarct zones, respectively. Among these trajectories, we show that macrophages expressing a type I IFN responsive signature are an intermediate population localized within the border zone and promote myocardial protection. Collectively, these data uncover new complexities of monocyte differentiation in the infarcted heart and suggest that modulating monocyte fate decisions may have clinical implications.

Abstract Heart failure represents a major cause of morbidity and mortality worldwide. Single cell transcriptomics have revolutionized our understanding of cell composition and associated gene expression across human tissues. Through integrated analysis of single cell and single nucleus RNA sequencing data generated from 45 individuals, we define the cell composition of the healthy and failing human heart. We identify cell specific transcriptional signatures of heart failure and reveal the emergence of disease associated cell states. Intriguingly, cardiomyocytes converge towards a common disease associated cell state, while fibroblasts and myeloid cells undergo dramatic diversification. Endothelial cells and pericytes display global transcriptional shifts without changes in cell complexity. Collectively, our findings provide a comprehensive analysis of the cellular and transcriptomic landscape of human heart failure, identify cell type specific transcriptional programs and states associated with disease, and establish a valuable resource for the investigation of human heart failure.

Abstract Myocardial infarction initiates cardiac remodeling and is central to heart failure pathogenesis. Following myocardial ischemia reperfusion injury, monocytes enter the heart and differentiate into diverse subpopulations of macrophages. The mechanisms and dynamics of monocyte differentiation within this context are unknown. We investigated the role of macrophage hypoxia sensing on monocyte differentiation following reperfused myocardial infarction. We show that deletion of Hif1α , a hypoxia response transcription factor, in resident cardiac macrophages led to increased remodeling and overrepresentation of a macrophage subset marked by arginase 1 ( Arg1 ) expression. Arg1 + macrophages displayed an inflammatory gene signature and were predicted to represent an intermediate state within the monocyte differentiation cascade. Lineage tracing of Arg1 + macrophages revealed the existence of a monocyte differentiation trajectory consisting of multiple transcriptionally distinct macrophage states. We further showed that deletion of Hif1α in resident cardiac macrophages resulted in arrested progression through this trajectory and accumulation of an inflammatory intermediate state marked by persistent Arg1 expression. Collectively, our findings unveil distinct trajectories of monocyte differentiation and identify hypoxia sensing as an important determinant of monocyte differentiation following myocardial infarction.

Inflammation and tissue fibrosis co-exist and are causally linked to organ dysfunction. However, the molecular mechanisms driving immune-fibroblast crosstalk in human cardiac disease remains unexplored, and there are currently no approved treatments that directly target cardiac fibrosis. Here, we performed multi-omic single-cell gene expression, epitope mapping, and chromatin accessibility profiling in 45 donors, acutely infarcted, and chronically failing human hearts. We identified a disease-associated fibroblast trajectory marked by cell surface expression of fibroblast activator protein (FAP), which diverged into distinct myofibroblasts and pro-fibrotic fibroblast populations, the latter resembling matrifibrocytes. We lineage traced FAP fibroblasts in vivo and showed that they contribute to the POSTN lineage but not the myofibroblast lineage. We assessed the applicability of experimental systems to model tissue fibrosis and demonstrated that 3 different in vivo mouse models of cardiac injury were superior compared to cultured human heart and dermal fibroblasts in recapitulating the human disease phenotype. Ligand-receptor analysis and spatial transcriptomics predicted that interactions between C-C chemokine receptor type 2 (CCR2) macrophages and fibroblasts mediated by interleukin 1 beta (IL-1) signaling drove the emergence of pro-fibrotic fibroblasts within spatially defined niches. In vivo , we deleted the IL-1 receptor on fibroblasts, the IL-1 ligand in CCR2 monocytes and macrophages, and inhibited IL-1 signaling using a monoclonal antibody and showed fewer pro-fibrotic fibroblasts, decreased cardiac fibrosis, and improved cardiac function. Herein, we characterize fibroblast lineage diversification in the failing heart and showed a subset of macrophages signal to fibroblasts via IL-1 and rewire their gene regulatory network and differentiation trajectory towards a pro-fibrotic fibroblast phenotype. These findings highlight the broader therapeutic potential of targeting inflammation to treat tissue fibrosis and preserve organ function.