Single-cell RNA analysis to investigate the role of phenotypic modulation of smooth muscle cells in the onset of atherosclerosis

Rationale: Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease responsible for nearly 50% of all deaths in western countries. It is characterized by the formation of lipid-laden plaques in the arterial wall reducing the lumen, decreasing the elasticity of the walls and causing many cardiovascular diseases. In response to environmental cues, vascular smooth muscle cells (SMCs) can de-differentiate, proliferate and migrate in a process known as phenotypic modulation. Recently, it has been shown that they can transdifferentiate into other cell types which are important for the formation of atherosclerotic plaques and which determine their ability to rupture and induce thrombosis. Objective: The purpose of this work is to use the most recent technologies in the field of transcriptomics, such as scRNAseq and spatial transcriptomics, to identify new SMCs-derived phenotypes induced by a pro-atherosclerotic environment and to characterize their role in the pathology, obtaining a specific gene signature that will help their identification in patients and consequentially to target them in the context of a precision medicine approach. Methods and Results: The SMC-deriving cells dissociated from the aortic arch and thoracic artery of a cohort of atheroprone ApoE knockout mice and of a control one, were analyzed by scRNAseq with 10x Genomics Chromium platform. Then, the bioinformatic analysis of the data was performed identifying a new SMC-derived cell cluster, characterized by the expression of the Adamtsl1 gene, not yet described in the literature. Furthermore, we found that this cell type is metabolically active, produces ECM, has a proinflammatory phenotype, and is a transitional state between contractile SMCs and other cellular phenotypes whose role within atherosclerotic plaques is already known. Subsequently, the presence of this cluster was also demonstrated in human and murine scRNAseq datasets from another work. Finally, two human atherosclerotic samples were analyzed using the Visium Spatial transcriptomics (10x genomics) highlighting the presence of this SMC phenotype within human plaques. Conclusions: The identified SMC-derived Adamtsl1+ cell type could be a good target to block the transdifferentiation of SMCs towards phenotypes involved in plaque formation and to improve the prognosis of patients with atherosclerosis.

Motivazione: l'aterosclerosi è una malattia infiammatoria cronica responsabile di quasi il 50% di tutti i decessi nei paesi occidentali. È caratterizzata dalla formazione di placche lipidiche nella parete arteriosa che riducono il lume, diminuiscono l'elasticità delle pareti e provocano molte malattie cardiovascolari. In risposta a segnali ambientali, le cellule muscolari lisce (SMC) dei vasi possono de-differenziarsi, proliferare e migrare in un processo noto come modulazione fenotipica. Recentemente è stato dimostrato che possono transdifferenziarsi in altri tipi cellulari che sono importanti per la formazione delle placche aterosclerotiche e che determinano la loro capacità di rompersi e indurre trombosi. Obiettivo: Lo scopo di questo lavoro è di utilizzare le più recenti tecnologie nel campo della trascrittomica, come l'scRNAseq e la trascrittomica spaziale, per identificare nuovi fenotipi derivati ​​dalle SMC indotti da un ambiente pro-aterosclerotico e per caratterizzare il loro ruolo nella patologia, ottenendo una firma genica specifica che aiuterà la loro identificazione nei pazienti e, conseguentemente, a bersagliarli nel contesto di un approccio di medicina di precisione. Metodi e risultati: Le cellule derivate dalle SMC dissociate dall'arco aortico e dall'arteria toracica di una coorte di topi knockout per ApoE prona a sviluppare l'aterosclerosi e di una di controllo, sono state analizzate con al tecnica del scRNAseq utilizzando la piattaforma Chromium della 10x Genomics. Successivamente è stata eseguita l'analisi bioinformatica dei dati individuando un nuovo cluster di cellule derivato dalle SMC, caratterizzato dall'espressione del gene Adamtsl1, non ancora descritto in letteratura. Inoltre, abbiamo scoperto che questo tipo cellulare è metabolicamente attivo, produce ECM, ha un fenotipo proinfiammatorio ed è uno stato di transizione tra le SMC contrattili e altri fenotipi cellulari il cui ruolo all'interno delle placche aterosclerotiche è già noto. Successivamente, la presenza di questo cluster è stata dimostrata anche in set di dati di scRNAseq umani e murini provenienti da un altro lavoro. Infine, due campioni aterosclerotici umani sono stati analizzati utilizzando la Visium Spatial transcriptomics (10x Genomics) evidenziando la presenza di questo fenotipo delle SMC all'interno delle placche umane. Conclusioni: Il tipo cellulare Adamtsl1+ derivato dalle SMC identificato potrebbe essere un buon bersaglio per bloccare la transdifferenziazione delle SMC verso i fenotipi coinvolti nella formazione della placca e per migliorare la prognosi dei pazienti con aterosclerosi.