细胞外基质水凝胶治疗容积性肌肉损失：空间转录组学揭示大动物模型中炎症抑制与再生促进的机制

本研究针对容积性肌肉损失（VML）后纤维化瘢痕形成和功能恢复困难的临床难题，通过犬类VML模型结合空间转录组学（spGEX）和单核RNA测序（snRNA-seq）技术，系统解析了细胞外基质（ECM）水凝胶治疗对早期炎症反应、纤维化进程和肌肉再生的调控作用。研究发现ECM治疗通过限制免疫细胞空间分布、促进抗炎型巨噬细胞极化、增加Pax7+肌肉祖细胞浸润，显著改善组织修复微环境。该研究为临床VML治疗提供了重要的时空分子机制依据。

　　

当骨骼肌遭受爆炸伤、严重创伤或肿瘤切除等损伤导致大体积肌肉组织缺失时，会引发容积性肌肉损失（Volumetric Muscle Loss, VML）。这种损伤不仅造成持续性炎症和纤维化瘢痕，还会导致永久性肌力缺陷和长期功能障碍。尽管先前研究主要在啮齿类动物模型中探索VML后的分子机制，但这些发现向大动物和临床转化的有效性仍不明确。尤其令人困惑的是，为何有些治疗策略在小动物中表现良好，却难以在人体中重现再生效果？为了填补这一转化研究空白，本研究采用犬类VML模型，结合前沿的空间多组学技术，深入探究细胞外基质（ECM）水凝胶治疗如何调控损伤后的细胞网络动态。

该研究由美国密歇根大学和匹兹堡大学的研究团队合作完成，发表于《npj Regenerative Medicine》。研究人员通过手术在犬股二头肌上制作10×4×2–3 cm的全层肌肉缺损模型，模拟临床相关尺寸的VML损伤。分别设置未治疗组和ECM水凝胶治疗组，并在0、7和14天 post-injury（dpi）时间点采集组织样本。研究主要运用空间转录组学（spatial transcriptomics, spGEX）分析组织切片的基因表达空间分布，单核RNA测序（snRNA-seq）解析细胞类型特异性表达谱，免疫组织化学（IHC）标记巨噬细胞（IBA-1）、肌成纤维细胞（αSMA）和肌肉干细胞（Pax7），并通过组织学染色（Masson trichrome）评估纤维化和肌肉结构变化。此外，利用计算生物学方法（CellChat、SpatialTime）分析细胞间通信和空间时间动态。

未治疗VML损伤引发进行性纤维化并呈现特定免疫-间质细胞空间分布

研究通过组织学分析发现，7 dpi时损伤区域存在少量坏死肌肉和肉芽组织，至14 dpi时健康肌肉组织被纤维化组织替代。免疫标记显示IBA-1⁺巨噬细胞和αSMA⁺肌成纤维细胞显著增加，而Pax7⁺肌肉祖细胞仅残存于健康肌肉边缘。空间转录组学进一步揭示，7 dpi时出现成肌标志物（MyoG⁺, Myod1⁺），但14 dpi时被纤维化相关基因（Col1a1, Thbs2, Tnc）和炎症基因（S100a8, IL1rn）取代，同时伴随TGFβ通路激活和瘢痕相关巨噬细胞标志物（SPP1, TREM2）上调。

ECM水凝胶治疗促进构建性重塑并改变免疫-再生细胞动态

ECM治疗显著减少肉芽组织深度（p=0.0152）和紊乱胶原沉积，增加损伤区深层肌纤维数量。虽然巨噬细胞总数随时间增加，但ECM治疗组在14 dpi时IBA-1⁺细胞数量显著低于未治疗组（p=0.027）。更重要的是，ECM促使巨噬细胞向抗炎M2型（CD163⁺）极化，并降低促炎M1型（S100A8/A9⁺）表达。同时，治疗组Pax7⁺细胞数量显著增加（p=0.0007）且空间分布更广泛，αSMA⁺肌成纤维细胞则减少（p=0.011）。

单核表达谱分析显示ECM治疗调控FAP细胞纤维化分化轨迹

snRNA-seq鉴定出9种主要细胞类型，包括肌纤维细胞、内皮细胞、肌肉干细胞（MuSC）和纤维脂肪源性祖细胞（FAP）。未损伤组织中FAP高表达CCN4/WISP1等激活标志物，而损伤后逐渐表达肌成纤维细胞标志物（Acta2, Igfbp7）。CellChat分析显示，14 dpi时FAP和纤维细胞通过Tenascin、Thrombospondin等ECM成分增强信号交流，促进胶原网络形成。尽管ECM治疗未能完全阻断FAP向肌成纤维细胞分化，但改变了其空间分布和信号强度。

空间基因表达谱证实ECM治疗减少炎症和纤维化并增强再生信号

整合spGEX和snRNA-seq数据的空间映射显示，ECM治疗将免疫细胞限制在损伤表层，减少其向深层浸润。SpatialTime算法定量证实治疗组免疫和纤维化信号的空间扩散显著受限，同时肌肉干细胞和平滑肌细胞信号在深层区域富集。基因模块分析进一步发现，ECM治疗下调炎症反应和胶原组织相关通路，上调肌肉分化和再生相关基因。

本研究通过多组学技术在大动物模型中系统解析了ECM水凝胶治疗VML的机制：通过空间限制免疫反应、促进巨噬细胞向抗炎表型极化、增加肌肉祖细胞招募和保留存活肌纤维，从而抑制纤维化并促进再生微环境形成。该研究不仅验证了ECM治疗的临床转化潜力，更重要的是提供了时空分辨的分子机制框架，为开发靶向细胞空间组织的治疗策略奠定了理论基础。未来研究需关注长期功能恢复效果以及与其他生物材料的组合治疗策略。