Molecular analysis of psoriatic arthrιtis for determination of susceptibility, activity and response to treatment signatures

Abstract

Psoriatic Arthritis (PsA) is a chronic, immune-mediated disease that affects up to one-third of patients with psoriasis (PsO) and manifests with skin and musculoskeletal inflammation. The introduction of biological disease-modifying anti-rheumatic drugs (bDMARDS) targeting T cells, cytokines of the TNFα and IL-12/-23 axis has led to a major improvement in the management of the disease, reflecting the crucial role of these cells and cytokines in PsA pathophysiology. However, a significant proportion of patients fail to respond optimally to these treatments. Diagnostic and prognostic biomarkers lack in PsA, and many aspects of the pathogenetic mechanism still need to be clarified. Gene expression studies, primarily conducted with microarray platforms, have provided an initial glimpse into the molecular heterogeneity of the disease. The transcriptional landscape remains, though still widely unexplored. In this study we conducted a comprehensive profiling of peripheral blood and skin fibroblasts “transcriptomic architecture” implementing high-throughput sequencing. Specifically, we performed longitudinal whole blood RNA-seq in 30 subjects with PsA at the beginning (baseline), one- and six-months after treatment, utilizing various bioinformatic tools to interpret our findings. We complemented our investigation with flow cytometry and deconvolution analysis to characterize the peripheral blood immune cell profile. Furthermore, in a subset of affected individuals and healthy controls, we performed RNA-seq on skin fibroblasts and conducted CellChat analysis to identify interactions between blood immune cells (periphery) and skin fibroblasts (target tissue). Our results revealed a distinct "activity" gene signature in peripheral blood in PsA, characterized by TNFα and IFN-driven inflammation, and dysregulated cholesterol and fatty acid metabolism. We also noticed an expansion of pro-inflammatory non-classical monocytes in patients with active disease. Comparison with the blood transcriptome of other conditions like rheumatoid arthritis (RA), PsO, and systemic lupus erythematosus (SLE) unveiled a "PsA-specific signature," particularly enriched in extracellular matrix remodeling. This observation was further supported by the gene expression profile of skin fibroblasts, which displayed an activated, proliferating phenotype, and by the skin-blood interactome analysis, revealing interactions with circulating immune cells via WNT and PDGF pathways, and immune-related semaphorins. We identified a molecular signature associated with treatment resistance, linked to aberrant TGFβ signaling and persistent elevation of non-classical monocytes. Conversely, early response to treatment was characterized by pro-inflammatory pathways related to platelet activation and Hippo signaling. Overall, our study provides novel insights into PsA's pathogenesis, emphasizing the potential role of stromal cells, and proposes molecular biomarkers with diagnostic and prognostic implications, laying the groundwork for a novel molecular stratification of PsA patients.

Η Ψωριασική Αρθρίτιδα (ΨΑ) είναι μια χρόνια, ανοσολογικά μεσολαβούμενη φλεγμονώδης αρθρίτιδα που παρουσιάζεται σε ποσοστό έως και 30% των ασθενών που πάσχουν από Ψωρίαση και εμφανίζει ευρύ φάσμα κλινικών εκδηλώσεων τόσο στο μυοσκελετικό σύστημα όσο και σε όργανα-στόχους που βρίσκονται έξω από αυτό.Η εισαγωγή βιολογικών φαρμάκων τροποποίησης της νόσου (bDMARDS) που στοχεύουν στα T λεμφοκύτταρα, στις κυτταροκίνες του άξονα TNFα και IL-12/-23 οδήγησε σε σημαντική βελτίωση στη διαχείριση της νόσου, αντικατοπτρίζοντας τον κρίσιμο ρόλο αυτών των κυττάρων και κυτοκινών στην παθογένεια της ΨΑ. Παρ’όλα αυτά, ένα σημαντικό ποσοστό ασθενών αποτυγχάνει να ανταποκριθεί σε αυτά τα φάρμακα. Επιπλέον, διαγνωστικοί και προγνωστικοί βιοδείκτες απουσιάζουν στην ΨΑ ενώ σημαντικό μέρος της παθοφυσιολογίας της νόσου παραμένει αδιευκρίνιστο. Οι μελέτες έκφρασης γονιδίων, πραγματοποιημένες με πλατφόρμες μικροσυστοιχίας, προσέφεραν μια αρχική ματιά στην μοριακή ετερογένεια της νόσου. Το μεταγραφικό τοπίο της νόσου παραμένει, ωστόσο, ευρέως ανεξερεύνητο.Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε ανάλυση μεταγραφώματος στο περιφερικό αίμα και στους ινοβλάστες δέρματος ασθενών με ΨΑ μέσω αλληλούχισης του RNA. Ειδικότερα, πραγματοποιήσαμε αλληλούχιση του RNA σε αίμα από 30 ασθενείς με ΨΑ στην αρχή (μηνας ο), έναν μήνα και έξι μήνες μετά τη έναρξη θεραπείας, χρησιμοποιώντας βιοπληροφορικά εργαλεία για την ερμηνεία των ευρημάτων. Συμπληρωματικά, πραγματοποιήθηκε κυτταρομετρία ροής σε συνδυασμό με ψηφιακή κυτταρομετρία (deconvoluèon) για την ανοσοφαινοτύπηση των κυττάρων του περιφερικού αίματος. Επιπλέον, σε ένα υποσύνολο ασθενών με ΨΑ και υγιών μαρτύρων, πραγματοποιήσαμε αλληλούχιση του RNA σε δερματικούς ινοβλάστες και διεξήγαμε ανάλυση “CellChat” για να αναγνωρίσουμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κυττάρων του αίματος και των δερματικών ινοβλαστών.Τα αποτελέσματά μας αποκάλυψαν μια διακριτή υπογραφή γονιδίων "ενεργότητας" στο περιφερικό αίμα, που χαρακτηρίζεται από υπερέκφραση των μονοπατιών του TNF-α και IFN, και απορρύθμιση του μεταβολισμού της χοληστερόλης και των λιπαρών οξέων. Παράλληλα, διαπιστώσαμε αύξηση του αριθμού των προφλεγμονωδών μη κλασικών μονοκυττάρων σε ασθενείς με ενεργό νόσο. Η σύγκριση με το μεταγραφικό προφίλ του αίματος άλλων νοσημάτων όπως η ρευματοειδής αρθρίτιδα, η ψωρίαση και ο συστηματικός ερυθηματώδης λύκος αποκάλυψε μια "ειδική για την ΨΑ υπογραφή", που χαρακτηρίζεται από αναδιοργάνωση της εξωκυττάριας θεμέλιας ουσίας. Αυτή η παρατήρηση υποστηρίχθηκε περαιτέρω από την ανάλυση του προφίλ έκφρασης γονιδίων των δερματικών ινοβλαστών, το οποίο αποκάλυψε ένα ενεργοποιημένο φαινότυπο, καθώς και από την ανάλυση της αλληλεπίδρασης ινοβλαστών – κυττάρων αίματος, αποκαλύπτοντας αλληλεπιδράσεις με κυκλοφορούντα ανοσοποιητικά κύτταρα μέσω των μορίων WNT, PDGF, και semaphorins. Επιπλέον, ανιχνεύθηκε μια μοριακή υπογραφή που σχετίζεται με την αντίσταση στη θεραπεία, χαρακτηριζόμενη από παθολογική σήμανση TGFβ και αύξηση των μη κλασικών μονοκυττάρων. Αντιθέτως, η πρώιμη ανταπόκριση στη θεραπεία χαρακτηρίζεται από προφλεγμονώδη μονοπάτια που σχετίζονται με την ενεργοποίηση των αιμοπεταλίων και τη σήμανση του μονοπατιού Hippo.Συνολικά, η μελέτη παρέχει νέες πληροφορίες σχετικά με την παθογένεια της ΨΑ, υπογραμμίζοντας τον δυνητικό ρόλο των στρωματικών κυττάρων και προτείνοντας μοριακούς βιοδείκτες με διαγνωστική και προγνωστική αξία, θέτοντας τις βάσεις για μια νέα μοριακή ταξινόμηση των ασθενών με ΨΑ.