Characterization of pathogenic immune mechanisms in oligoarticular juvenile idiopathic arthritis applying single-cell transcriptomics and proteomics

Abstract

L'artritis idiopàtica juvenil (AIJ) és una malaltia reumàtica prevalent en nens, que comprèn set subtipus diferents. El subtipus més comú és l'AIJ oligoarticular (AIJo), que representa entre el 30 i el 60% de tots els casos, depenent de les sèries estudiades. Els pacients amb AIJo solen presentar artritis asimètrica i un risc elevat de desenvolupar uveïtis (AIJo-U), un fenotip greu i únic que poques vegades s'observa a l'artritis de l'adult. Mentre que els estudis sobre les cèl·lules T a l'oJIA s'han centrat principalment en les cèl·lules T CD4+ a causa de la seva forta associació amb els al·lels majors d'histocompatibilitat de classe II, la investigació sobre el paper de les cèl·lules T CD8+ a l'oJIA ha estat limitada. A més, cada cop es reconeix més la contribució dels membres del sistema immunitari innat a la patogènesi de l'oJIA. Per caracteritzar quines cèl·lules patògenes del sistema immunitari estan implicades en el desenvolupament de l'oJIA, realitzem anàlisi de seqüenciació de scRNA-Seq i TCR, examinant 132.824 cèl·lules mononuclears (CM) de sang perifèrica (SP) i líquid sinovial (SF) de tres pacients amb oJIA recent diagnosticada. També analitzem PBMC de quatre pacients amb oJIA-U i quatre controls sans (HC) a nivell unicel·lular. Utilitzant seqüenciació d'ARNm unicel·lular encapsulat en perles Chromium 10x Genomics (scRNA-seq), dilucidem diferents clústers cel·lulars no identificats prèviament en aquesta entitat. En una segona etapa, caracteritzem el perfil proteòmic del plasma de pacients amb oJIA recent diagnosticada, oJIA-U, HC i individus amb altres condicions relacionades amb el tractament, l'activitat de la malaltia i malalties com l'AR. Analitzem 235 proteïnes mitjançant l'assaig d'extensió de proximitat (PEA). Les nostres troballes van revelar la presència de monòcits intermedis, cèl·lules T reguladores, cèl·lules T CD8+ activades i cèl·lules T CD8+ de memòria efectores NKG2C+ a l'SF de pacients amb oJIA, cèl·lules no esperades en condicions normals. Es van observar diferències transcripcionals significatives a les cèl·lules T CD8+ de memòria efectores activades ia les cèl·lules T CD8+ de memòria efectores NKG2C+ del SL i la PB dels pacients amb oJIA en comparació amb els HC, mostrant una sobreexpressió dels gens CCL5, GMZA, GZMK, CXCL13, CXCR6, S100A6 i S100A11. En els pacients amb oJIA-U, observem una presència més gran de cèl·lules dendrítiques circulants dels tipus 1 i 4, així com de cèl·lules NK madures, en comparació tant amb els pacients amb oJIA sense uveïtis com amb els controls sans. En concret, les NK madures CD56+ dels pacients amb oJIA-U en comparació amb els pacients sense uveïtis i els HC sobreexpressen PRF1, FECR1G, CCL4 (MIP-1[Beta]) i B2M. L'anàlisi de les proteïnes plasmàtiques mitjançant l'assaig PEA va revelar un augment dels nivells de proteïnes crucials del sistema immunitari innat com FGF-23, TRAIL, C2, IL-18R1 i IL-6 als oJIA en comparació amb els HC. El perfil d'expressió proteica observat és coherent amb la implicació de cèl·lules del sistema immunitari innat com les NK a l'oJIA-U o els monòcits intermedis a l'oJIA. Els pacients en tractament amb antiTNF alfa presentaven majors nivells de TNF alfa. Aquest estudi representa el primer atles unicel·lular d'aquest tipus i proporciona coneixements valuosos sobre la dinàmica cel·lular i els possibles impulsors cel·lulars en el context de l'oJIA i l'oJIA-U. La investigació d'aquestes poblacions cel·lulars pot contribuir a una millor comprensió dels mecanismes subjacents i, en darrer terme, a la millora de les estratègies terapèutiques per a aquestes afeccions.

La artritis idiopática juvenil (AIJ) es una enfermedad reumática prevalente en niños, que comprende siete subtipos distintos. El subtipo más común es la AIJ oligoarticular (AIJo), que representa entre el 30 y el 60% de todos los casos, dependiendo de las series estudiadas. Los pacientes con AIJo suelen presentar artritis asimétrica y un riesgo elevado de desarrollar uveítis (AIJo-U), un fenotipo grave y único que rara vez se observa en la artritis del adulto. Mientras que los estudios sobre las células T en la oJIA se han centrado principalmente en las células T CD4+ debido a su fuerte asociación con los alelos mayores de histocompatibilidad de clase II, la investigación sobre el papel de las células T CD8+ en la oJIA ha sido limitada. Además, cada vez se reconoce más la contribución de los miembros del sistema inmunitario innato en la patogénesis de la oJIA. Para caracterizar qué células patógenas del sistema inmunitario están implicadas en el desarrollo de la oJIA, realizamos análisis de secuenciación de scRNA-Seq y TCR, examinando 132.824 células mononucleares (CM) de sangre periférica (SP) y líquido sinovial (SF) de tres pacientes con oJIA recién diagnosticada. También analizamos PBMC de cuatro pacientes con oJIA-U y cuatro controles sanos (HC) a nivel unicelular. Utilizando secuenciación de ARNm unicelular encapsulado en perlas Chromium 10x Genomics (scRNA-seq), dilucidamos diferentes clusters celulares no identificados previamente en esta entidad. En una segunda etapa, caracterizamos el perfil proteómico del plasma de pacientes con oJIA recién diagnosticada, oJIA-U, HC e individuos con otras condiciones relacionadas con el tratamiento, la actividad de la enfermedad y enfermedades como la AR. Analizamos 235 proteínas mediante el ensayo de extensión de proximidad (PEA). Nuestros hallazgos revelaron la presencia de monocitos intermedios, células T reguladoras, células T CD8+ activadas y células T CD8+ de memoria efectoras NKG2C+ en el SF de pacientes con oJIA, células no esperadas en condiciones normales. Se observaron diferencias transcripcionales significativas en las células T CD8+ de memoria efectoras activadas y en las células T CD8+ de memoria efectoras NKG2C+ del SL y la PB de los pacientes con oJIA en comparación con los HC, mostrando una sobreexpresión de los genes CCL5, GMZA, GZMK, CXCL13, CXCR6, S100A6 y S100A11. En los pacientes con oJIA-U, observamos una mayor presencia de células dendríticas circulantes de los tipos 1 y 4, así como de células NK maduras, en comparación tanto con los pacientes con oJIA sin uveítis como con los controles sanos. En concreto, las NK maduras CD56+ de los pacientes con oJIA-U en comparación con los pacientes sin uveítis y los HC sobreexpresan PRF1, FECR1G, CCL4 (MIP-1[Beta]) y B2M. El análisis de las proteínas plasmáticas mediante el ensayo PEA reveló un aumento de los niveles de proteínas cruciales del sistema inmunitario innato como FGF-23, TRAIL, C2, IL-18R1 e IL-6 en los oJIA en comparación con los HC. El perfil de expresión proteica observado es coherente con la implicación de células del sistema inmunitario innato como las NK en la oJIA-U o los monocitos intermedios en la oJIA. Los pacientes en tratamiento con anti-TNF alfa presentaban mayores niveles de TNF alfa. Este estudio representa el primer atlas unicelular de este tipo y proporciona valiosos conocimientos sobre la dinámica celular y los posibles impulsores celulares en el contexto de la oJIA y la oJIA-U. La investigación de estas poblaciones celulares puede contribuir a una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes y, en última instancia, a la mejora de las estrategias terapéuticas para estas afecciones.

Juvenile idiopathic arthritis (JIA) is a prevalent rheumatic disease in children, comprising seven distinct subtypes. The most common subtype is oligoarticular JIA (oJIA), which accounts for 30-60% of all cases depending on the series studied. oJIA patients typically experience asymmetrical arthritis and have an elevated risk of developing uveitis (oJIA-U), a severe and unique phenotype rarely seen in adult arthritis. While studies on T cells in oJIA have mainly focused on CD4+ T cells due to their strong association with major histocompatibility class II alleles, research on the role of CD8+ T cells in oJIA has been limited. Although CD8+ T cells have been described in the synovium of rheumatoid arthritis (RA) and have been implicated in germinal center formation, their role in oJIA remains understudied. In addition, the contribution of members of the innate immune system in the pathogenesis of oJIA is increasingly recognized. To characterize which pathogenic cells of the immune system are involved in the development of oJIA, we performed scRNA-Seq and TCR sequencing analysis, examining 132,824 peripheral blood (PB) and synovial fluid (SF) mononuclear cells (MCs) from three patients with newly diagnosed oJIA. We also analyzed PBMCs from four patients with oJIA-U and four healthy controls (HCs) at the single-cell level. Using single-cell mRNA sequencing encapsulated in Chromium 10x Genomics beads (scRNA-seq), we elucidated different cellular clusters not previously identified in this entity. In a second stage, we characterized the proteomic profile of plasma from patients with newly diagnosed oJIA, oJIA-U, HCs, and individuals with other conditions related to treatment, disease activity, and diseases such as RA. We analyzed 235 proteins using the proximity extension assay (PEA). Our findings revealed the presence of intermediate monocytes, regulatory T cells, activated CD8+ T cells and NKG2C+ effector memory CD8+ T cells in the SF of oJIA patients, cells not expected in normal conditions. Conversely, these cell populations showed reduced levels in the PB of oJIA patients compared to controls. This observation suggests the active recruitment of these cell types from blood into the inflamed synovium of oJIA patients and their importance in the pathology. We observed significant transcriptional differences in activated effector memory CD8+ T cells and NKG2C+ effector memory CD8+ T cells from FS and PB of oJIA patients compared to HCs, showing overexpression of CCL5, GMZA, GZMK, CXCL13, CXCR6, S100A6 and S100A11 genes. In patients with oJIA-U, we observed a higher presence of circulating dendritic cells of types 1 and 4, as well as mature NK cells, compared to both oJIA patients without uveitis and healthy controls. At the transcriptional level, the more abundant cells in PB from oJIA-U patients showed a marked up-regulation of type I and III interferon signaling pathway and antigen processing and peptide antigen presentation through MHC class I. Specifically, CD56+ dim mature NKs from patients with oJIA-U compared to patients without uveitis and HCs overexpress PRF1, FECR1G, CCL4 (MIP-1[Beta]), and B2M. Analysis of plasma proteins by PEA assay revealed increased levels of crucial innate immune system proteins such as FGF-23, TRAIL, C2, IL-18R1 and IL-6 in oJIAs compared to HCs. The observed protein expression profile is consistent with the involvement of innate immune system cells such as NKs in oJIA-U or intermediate monocytes in oJIA. Patients on anti-TNF alpha therapy had increased levels of TNF alpha. This study represents the first single-cell atlas of its kind and provide valuable insights into the cellular dynamics and potential cellular drivers in the context of oJIA and oJIA-U. Investigation of these cell populations may contribute to a better understanding of the underlying mechanisms and, ultimately, to the improvement of therapeutic strategies for these conditions.