Lupus nephritis is a potentially fatal autoimmune disease for which the current treatment is ineffective and often toxic. To develop mechanistic hypotheses of disease, we analyzed kidney samples from patients with lupus nephritis and from healthy control subjects using single-cell RNA sequencing. Our analysis revealed 21 subsets of leukocytes active in disease, including multiple populations of myeloid cells, T cells, natural killer cells and B cells that demonstrated both pro-inflammatory responses and inflammation-resolving responses. We found evidence of local activation of B cells correlated with an age-associated B-cell signature and evidence of progressive stages of monocyte differentiation within the kidney. A clear interferon response was observed in most cells. Two chemokine receptors, CXCR4 and CX3CR1, were broadly expressed, implying a potentially central role in cell trafficking. Gene expression of immune cells in urine and kidney was highly correlated, which would suggest that urine might serve as a surrogate for kidney biopsies. Much about the kidney-resident immune populations is a black box. Hacohen and colleagues use single cell RNA sequencing of kidney, skin and urine from lupus nephritis patients to describe the transcriptional state of the immune cells present in each compartment.

OBJECTIVE: There is a critical need to define the cells that mediate tissue damage in lupus nephritis. Here we aimed to establish a protocol to preserve lupus nephritis kidney biopsies and urine cell samples obtained at multiple clinical sites for subsequent isolation and transcriptomic analysis of single cells. METHODS: Fresh and cryopreserved kidney tissue from tumor nephrectomies and lupus nephritis kidney biopsies were disaggregated by enzymatic digestion. Cell yields and cell composition were assessed by flow cytometry. Transcriptomes of leukocytes and epithelial cells were evaluated by low-input and single cell RNA-seq. RESULTS: Cryopreserved kidney tissue from tumor nephrectomies and lupus nephritis biopsies can be thawed and dissociated to yield intact, viable leukocytes and epithelial cells. Cryopreservation of intact kidney tissue provides higher epithelial cell yields compared to cryopreservation of single cell suspensions from dissociated kidneys. Cell yields and flow cytometric cell phenotypes are comparable between cryopreserved kidney samples and paired kidney samples shipped overnight on wet ice. High-quality single cell and low-input transcriptomic data were generated from leukocytes from both cryopreserved lupus nephritis kidney biopsies and urine, as well as from a subset of kidney epithelial cells. CONCLUSION: The AMP RA/SLE cryopreserved tissue analysis pipeline provides a method for centralized processing of lupus nephritis kidney biopsies and urine samples to generate robust transcriptomic analyses in multi-center studies.

Lupus nephritis is a potentially fatal autoimmune disease, whose current treatment is ineffective and often toxic. To gain insights into disease mechanisms, we analyzed kidney samples from lupus nephritis patients and healthy controls using single-cell RNA-seq. Our analysis revealed 21 subsets of leukocytes active in disease, including multiple populations of myeloid, T, NK and B cells, demonstrating both pro-inflammatory and resolving responses. We found evidence of local activation of B cells correlated with an age-associated B cell signature, and of progressive stages of monocyte differentiation within the kidney. A clear interferon response was observed in most cells. Two chemokine receptors, CXCR4 and CX3CR1, were broadly expressed, pointing to potential therapeutic targets. Gene expression of immune cells in urine and kidney was highly correlated, suggesting urine may be a surrogate for kidney biopsies. Our results provide a first comprehensive view of the complex network of leukocytes active in lupus nephritis kidneys.