# name
A single-cell RNA sequencing approach to understand the mechanisms underlying response and resistance to tofacitinib in ulcerative colitis

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Facultat de Farmàcia i Ciències de l'Alimentació

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Ulcerative colitis (UC) is a chronic inflammatory bowel disease that represents a major
health problem worldwide due to its increasing prevalence and the lack of effective
treatments. Tofacitinib is a JAK inhibitor that has been approved for the treatment of
moderate-to-severe UC patients who presented an intolerance, insufficient response or loss
of response to conventional or biological treatments. Despite its proven efficacy,
approximately one-third of patients remain unresponsive, raising the risk of surgery and
long-term disability.
In this thesis, we explored for the first time the mechanisms underlying both response and
resistance to tofacitinib in UC patients, aiming to provide insights into the factors
contributing to treatment failure and to identify potential biomarkers of treatment
response.
To achieve this, we employed single-cell RNA sequencing analysis on colonic biopsies from
UC patients before and after treatment with tofacitinib. Among the recruited patients, 40%
responded to tofacitinib, showing improvement at a clinical, endoscopic and histological
level. This response was also associated with significant changes in the abundance and
inflammatory signatures of most intestinal cells, including neutrophils and inflammatory
fibroblasts and macrophages. In contrast, non-responders experienced a worsening of the
disease following treatment with tofacitinib, characterized by increased histological severity
and increased abundance and enhanced activation of macrophages and fibroblasts.
In vitro experiments confirmed that tofacitinib exerted opposing effects on macrophages
depending on the type of activation. Lipopolysaccharide, but not TNF- or IFNγ-stimulated
macrophages, produced abundant IL-10, which when blocked by tofacitinib, drove the
enhanced activation of macrophages. Interestingly, tofacitinib did not directly induce an
inflammatory effect on fibroblasts; rather, the pro-inflammatory state of fibroblasts
appeared to be a secondary effect of macrophage hyperactivation.
Remarkably, our research revealed that tofacitinib responders had higher baseline JAK-STAT
activity compared to non-responders, suggesting that this pathway is a key driver of
inflammation in these patients. In contrast, non-responders exhibited increased baseline
NF-kB pathway activity and higher IL-10 signaling in macrophages compared to responders.
This confirmed that IL-10 signaling was more prevalent in NR and may potentially assist in a
regulatory control that tofacitinib interferes with, resulting in disease worsening in this
subset of patients.
Overall, we conclude that resistance to tofacitinib is mediated by macrophage
hyperactivation, with IL-10-dependent macrophages identified as a key cellular subset
contributing to this resistance. These findings highlight potential new targets for developing
alternative treatments and offer valuable clinical insights into predicting responses to JAK
inhibition, which could potentially aid in guiding more effective and personalized treatment
strategies for UC patients.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[spa[ La colitis ulcerosa (CU) es una enfermedad inflamatoria intestinal crónica que representa un
importante problema de salud a nivel mundial debido al aumento de su prevalencia y la falta
de tratamientos efectivos. Tofacitinib es un inhibidor de JAK aprobado para el tratamiento
de pacientes con CU que no responden a tratamientos biológicos. Sin embargo, un tercio de
los pacientes no responden, lo que aumenta el riesgo de cirugía y discapacidad a largo plazo.
En esta tesis, exploramos por primera vez los mecanismos subyacentes tanto a la respuesta
como a la resistencia a tofacitinib en pacientes con CU, con el objetivo de proporcionar
información sobre los factores que contribuyen a la falta de respuesta e identificar
potenciales biomarcadores de respuesta al tratamiento.
Para ello, empleamos análisis de secuenciación de ARN de célula única en biopsias colónicas
de pacientes con CU antes y después del tratamiento con tofacitinib. Un 40% de los
pacientes incluidos en este estudio respondieron a tofacitinib, mostrando mejora a nivel
clínico, endoscópico e histológico. Esta respuesta también se asoció con cambios
significativos en la abundancia y el perfil inflamatorio de la mayoría de las células de la
mucosa intestinal, incluidos fibroblastos y macrófagos inflamatorios. Por el contrario, los
pacientes que no respondieron a tofacitinib experimentaron un empeoramiento de la
enfermedad tras el tratamiento con tofacitinib, caracterizado por un aumento de la
severidad histológica y una mayor abundancia y activación de macrófagos y fibroblastos.
Experimentos in vitro confirmaron que tofacitinib ejercía efectos opuestos en los
macrófagos en función del tipo de activación de estos. Los macrófagos estimulados con
lipopolisacárido, pero no aquellos estimulados con TNF o IFNγ, producían abundante IL-10,
la cual al ser bloqueada por tofacitinib, conducía a una mayor activación de estos. Tofacitinib
no indujo un efecto inflamatorio directo sobre los fibroblastos. El estado proinflamatorio de
estos parece un efecto secundario de la hiperactivación de los macrófagos.
Nuestra investigación revela que los pacientes que responden a tofacitinib tienen una mayor
actividad basal de la vía JAK-STAT. Por el contrario, los pacientes que no responden
presentan una mayor actividad basal de la vía NF-kB y una mayor señalización de IL-10 en
macrófagos en comparación con los pacientes que responden. Esto confirma que la
señalización de IL-10 es más predominante en los no respondedores y podría desempeñar
un papel regulador en la inflamación, con el que tofacitinib interfiere, provocando así el
empeoramiento de la enfermedad en este grupo de pacientes.
En resumen, concluimos que la resistencia a tofacitinib está mediada por la hiperactivación
de los macrófagos de la mucosa intestinal, identificando los macrófagos dependientes de IL-
10 como uno tipo celular clave que contribuye a dicha resistencia. Estos resultados destacan
potenciales nuevas dianas terapéuticas para el desarrollo de tratamientos alternativos y
ofrecen valiosas perspectivas clínicas para predecir la respuesta a la inhibición de JAK.

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Tesis Doctorals - Facultat - Farmàcia i Ciències de l'Alimentació

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A single-cell RNA sequencing approach to understand the mechanisms underlying response and resistance to tofacitinib in ulcerative colitis