Dissecting the cellular basis of Inflammatory Bowel Disease through Single-cell RNA sequencing

Abstract

[eng] Crohn’s disease and ulcerative colitis are chronic inflammatory bowel diseases that show perplexing heterogeneity which is poorly understood at a cellular level. We applied single-cell RNA sequencing and CosMxTM Spatial Molecular Imaging to human colon and observed profound changes in the epithelium of IBD patients with the presence of cell loss and the increase of markers linked to inflammation. Additionally, we found the highest diversity among patients in the myeloid and stromal compartment. We characterized for the first time the transcriptional signatures of intestinal neutrophils finding three different neutrophil states, including a CXCR4+ population not found in blood. We detected, in both healthy and inflamed colon, a novel resident macrophage population (M0), that differs from the previously described M2. In addition, we found uniquely in patients a variety of classical inflammatory M1 macrophages and a previously undescribed population that we called Inflammation-Dependent Alternative (IDA) macrophages. Single-cell transcriptomic, spatial data and immunostaining uncovered two distinct populations of IDA macrophages: subepithelial IDA macrophages highly expressing NRG1 that can act on the epithelium; and NRG1low IDA macrophages, which were expanded within the submucosa and in Crohn’s disease granulomas. NRG1 was found to be highly upregulated in IBD, especially UC. Remarkably, we also detected expression of NRG1 in peri-cryptal S2b fibroblasts in healthy tissue and in other fibroblast populations in IBD. Additionally, S2b fibroblasts express the neuromodulator NPY in healthy samples and was profoundly downregulated in IBD patients. Lamina propria S1 fibroblasts decrease in IBD but remaining cells show an increase in the expression of pro- inflammatory genes. Thus, the peri-cryptal and S1 fibroblasts suffer a rewiring in IBD. We also identified a population of inflammatory fibroblasts in IBD which had a unique transcriptomic profile. Remarkably, we observed high co-localization of inflammatory fibroblasts and novel IDA macrophages through CosMx SMI, suggesting cellular crosstalk. The combination of single-cell sequencing and spatial analysis allowed us to unravel the complexity of cell populations in inflammatory bowel disease and find potential cross- talks between cell types that could help in understanding the disease and identifying new therapeutic targets.

[spa] La enfermedad de Crohn (EC) y la colitis ulcerosa (CU) son enfermedades crónicas inflamatorias del intestino (EEI) que muestran una heterogeneidad desconcertante que no está bien descrita a nivel celular. En este estudio hemos aplicado secuenciación de ARN de célula única y CosMxTM Spatial Molecular Imaging al colon humano y hemos observado cambios profundos en el epitelio de pacientes con EII con la presencia de pérdida celular y el aumento de marcadores vinculados a la inflamación. Además, encontramos la mayor diversidad entre pacientes en el compartimento mieloide y estromal. Caracterizamos por primera vez las firmas transcripcionales de los neutrófilos intestinales, encontrando tres estados diferentes de neutrófilos, incluida una población CXCR4+ no encontrada en sangre. Detectamos, tanto en el colon sano como inflamado, una nueva población de macrófagos residentes (M0), que difiere de la M2 descrita previamente. Además, encontramos de manera única en pacientes una variedad de macrófagos inflamatorios clásicos M1 y una población previamente no descrita que llamamos macrófagos alternativos dependientes de la inflamación (IDA). Los datos transcriptómicos de células únicas, espaciales y de inmunotinción nos permitieron descubrir dos poblaciones distintas de macrófagos IDA: macrófagos IDA subepiteliales altamente expresando NRG1 que pueden actuar sobre el epitelio; y macrófagos IDA con expresión baja de NRG1, que se expanden dentro de la submucosa y en los granulomas de un paciente de EC. Observamos que NRG1 estaba altamente regulado en la EII, especialmente en la CU. Sorprendentemente, también detectamos la expresión de NRG1 en fibroblastos S2b peri- criptales en tejido sano y en otras poblaciones de fibroblastos en EII. Además, los fibroblastos S2b expresan el neuromodulador NPY en muestras sanas y se redujeron profundamente en pacientes con EII. Los fibroblastos S1 de la lámina propia disminuyen en la EII pero las células restantes muestran un aumento en la expresión de genes proinflamatorios. Así, los fibroblastos peri-criptales y S1 sufren un recableado en la EII. También identificamos una población de fibroblastos inflamatorios en la EII que tenía un perfil transcriptómico único. Sorprendentemente, observamos una alta co-localización de fibroblastos inflamatorios y nuevos macrófagos IDA a través de CosMx SMI, lo que sugiere una diafonía celular. La combinación de secuenciación unicelular y análisis espacial nos permitió desentrañar la complejidad de las poblaciones celulares en la enfermedad inflamatoria intestinal y encontrar posibles interacciones cruzadas entre tipos celulares que podrían ayudar a comprender la enfermedad e identificar nuevos objetivos terapéuticos.