Paradigm-shifting studies in the mouse have identified tissue macrophage heterogeneity as a critical determinant of immune responses. In contrast, surprisingly little is known regarding macrophage heterogeneity in humans. Macrophages within the mouse heart are partitioned into CCR2− and CCR2+ subsets with divergent origins, repopulation mechanisms, and functions. Here, we demonstrate that the human myocardium also contains distinct subsets of CCR2− and CCR2+ macrophages. Analysis of sex-mismatched heart transplant recipients revealed that CCR2− macrophages are a tissue-resident population exclusively replenished through local proliferation, whereas CCR2+ macrophages are maintained through monocyte recruitment and proliferation. Moreover, CCR2− and CCR2+ macrophages have distinct functional properties, analogous to reparative CCR2− and inflammatory CCR2+ macrophages in the mouse heart. Clinically, CCR2+ macrophage abundance is associated with left ventricular remodeling and systolic function in heart failure patients. Collectively, these observations provide initial evidence for the functional importance of macrophage heterogeneity in the human heart. Study of macrophage heterogeneity in human hearts reveals a subset of inflammatory macrophages that is associated with cardiac dysfunction in patients with heart failure.

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 We dissect metabolic variability of mononuclear phagocyte (MNP) subpopulations across different tissues through integrative analysis of three large scale datasets. Specifically, we introduce ImmGen MNP Open Source dataset that profiled 337 samples and extended previous ImmGen effort which included 202 samples of mononuclear phagocytes and their progenitors. Next, we analysed Tabula Muris Senis dataset to extract data for 51,364 myeloid cells from 18 tissues. Taken together, a compendium of data assembled in this work covers phagocytic populations found across 38 different tissues. To analyse common metabolic features, we developed novel network-based computational approach for unbiased identification of key metabolic subnetworks based on cellular transcriptional profiles in large-scale datasets. Using ImmGen MNP Open Source dataset as baseline, we define 9 metabolic subnetworks that encapsulate the metabolic differences within mononuclear phagocytes, and demonstrate that these features are robustly found across all three datasets, including lipid metabolism, cholesterol biosynthesis, glycolysis, and a set of fatty acid related metabolic pathways, as well as nucleotide and folate metabolism. We systematically define major features specific to macrophage and dendritic cell subpopulations. Among other things, we find that cholesterol synthesis appears particularly active within the migratory dendritic cells. We demonstrate that interference with this pathway through statins administration diminishes migratory capacity of the dendritic cells in vivo . This result demonstrates the power of our approach and highlights importance of metabolic diversity among mononuclear phagocytes.

Summary Cardiac macrophages represent a heterogeneous cell population with distinct origins, dynamics, and functions. Recent studies have revealed that C-C Chemokine Receptor 2 positive (CCR2+) macrophages derived from infiltrating monocytes regulate myocardial inflammation and heart failure pathogenesis. Comparatively little is known about the functions of tissue resident (CCR2−) macrophages. Herein, we identify an essential role for CCR2− macrophages in the chronically failing heart. Depletion of CCR2− macrophages in mice with dilated cardiomyopathy accelerated mortality and impaired ventricular remodeling and coronary angiogenesis, adaptive changes necessary to maintain cardiac output in the setting of reduced cardiac contractility. Mechanistically, CCR2− macrophages interacted with neighboring cardiomyocytes via focal adhesion complexes and were activated in response to mechanical stretch through a transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) dependent pathway that controlled growth factor expression. These findings establish a role for tissue resident macrophages in adaptive cardiac remodeling and introduce a new mechanism of cardiac macrophage activation.

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.