骨关节炎进展的细胞轨迹：谱系可塑性、信号失调与HIF1A-ANGPTL4轴的调控作用

《Clinical and Experimental Medicine》：Lineage plasticity and signal dysregulation define the cellular trajectory of osteoarthritis progression

本研究针对骨关节炎（OA）病理机制不清、治疗靶点匮乏的难题，通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术系统解析了OA软骨细胞的异质性及动态演化轨迹。研究发现前纤维软骨细胞（PreFC）在缺氧与代谢重编程驱动下向纤维软骨细胞（FC）和前肥大软骨细胞（PreHTC）分化，并鉴定出HIF1A-ANGPTL4轴通过促进细胞外基质（ECM）降解、炎症因子释放和凋亡加剧OA进展。该研究为OA的精准干预提供了新的分子靶点和理论依据。

　　

骨关节炎（Osteoarthritis, OA）作为一种全球高发的退行性关节疾病，不仅导致患者关节疼痛和功能丧失，还带来沉重的社会经济负担。随着人口老龄化加剧，OA的患病率持续攀升，但其发病机制复杂，涉及机械负荷、炎症反应、代谢异常等多因素交互作用，使得治疗手段仍以缓解症状为主，缺乏针对疾病核心环节的有效干预策略。在这一背景下，深入揭示OA进展中的细胞行为变化和分子调控网络，成为突破当前治疗瓶颈的关键。

以往研究多局限于组织水平或批量测序，难以捕捉OA软骨中高度异质的细胞群体及其动态转化过程。近年来，单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术的兴起为在单细胞分辨率下解析OA病理过程提供了前所未有的机会。在此背景下，陈广浩团队在《Clinical and Experimental Medicine》上发表的研究，通过整合scRNA-seq、伪时间轨迹分析和功能实验，系统描绘了OA软骨细胞的谱系可塑性变化及其背后的信号失调机制，为理解OA进展提供了新的视角。

本研究主要依托公开数据库GSE220243中的12例样本（6例正常软骨、6例OA软骨）进行scRNA-seq分析，采用Seurat v4流程进行质控、标准化和聚类；通过GO/KEGG富集分析、转录因子活性推断（decoupleR包）及代谢通路评分（scMetabolism包）解析功能特征；利用Monocle2构建细胞分化轨迹；并在小鼠软骨细胞系ATDC5中通过慢病毒介导的基因敲降与过表达，结合Western blot、qPCR、ELISA和流式细胞术验证HIF1A-ANGPTL4轴在ECM降解、炎症和凋亡中的作用。

软骨细胞亚群鉴定显示OA中PreFC、FC和PreHTC比例升高

通过scRNA-seq分析，研究团队在人类正常和OA软骨中鉴定出11个细胞簇，进一步注释为10个细胞亚群，包括调节性软骨细胞（RegC）、稳态软骨细胞（HomC）、前纤维软骨细胞（PreFC）、肥大软骨细胞（HTC-1、HTC-2）、纤维软骨细胞（FC）、前肥大软骨细胞（PreHTC）、增殖/退变软骨细胞（PRG4+、ProFC）和巨噬细胞样群体。

基因表达热图和标志物可视化（如COL3A1、IGFBP6在FC中高表达，TNFAIP6、S100A4在PreHTC中特异）证实了分群的可靠性。值得注意的是，PreFC、FC和PreHTC在OA样本中比例显著升高，提示它们可能共同推动OA进展。

功能富集分析揭示OA软骨细胞外基质重组和炎症通路激活

GSEA显示，OA中富集的细胞亚群（如ProFC、FC）显著参与ECM组织、骨骼发育和连接形态发生等生物学过程；KEGG通路分析进一步提示TGF-β、TNF和ECM-受体相互作用通路在OA中被激活。相比之下，健康软骨细胞则富集于缺氧反应、氧化磷酸化和HIF-1信号通路，表明OA进程中软骨细胞从代谢稳定向炎症和基质重塑状态转变。

PreFC细胞在OA中呈现转录、信号和代谢重编程

针对PreFC亚群的深入分析发现，OA组中COL3A1、COL2A1、SPARC、CTGF和ANGPTL4等基质重塑基因表达上调，而PRG4、APOD等稳态标志物下调。GO/KEGG富集显示PreFC细胞参与ECM组织、折叠蛋白应答和TGF-β信号通路；转录因子活性分析提示SOX9、CREB1和ATF2等调控因子激活；代谢评分进一步表明OA PreFC中糖酵解、TCA循环等能量代谢通路增强，氧化磷酸化减弱，契合其纤维化表型所需的能量供应。

FC细胞表现应激-炎症-重塑交叉状态

在FC细胞中，OA条件下ANGPTL4、CTGF、SPARC等基因表达上升，伴随内质网应激、IL-17信号和PPAR通路激活。转录因子XBP1、HIF1A和CEBPB活性增强，代谢上同样呈现糖酵解和TCA循环上调，说明FC细胞通过转录重构和代谢适应主动参与OA微环境调控。

伪时间轨迹揭示PreFC向FC和PreHTC分化的疾病特异性路径

Monocle2构建的伪时间轨迹显示，PreFC作为起始节点，分化为FC和PreHTC两个分支。随伪时间推进，PRG4、COL2A1和APOD等稳态基因表达下降，而HIF1A、ANGPTL4、COL3A1、SPARC和CTGF等OA相关基因显著上调，尤其在PreHTC分支中更为明显，提示该路径与软骨终末肥大退变密切相关。

HIF1A-ANGPTL4轴促进软骨细胞ECM降解、炎症和凋亡

通过染色质免疫沉淀（ChIP）-qPCR验证，HIF1A可直接结合ANGPTL4启动子区域并调控其转录。功能实验表明，过表达ANGPTL4能上调ADAMTS5、MMP13表达，促进IL-6、IL-17分泌，并增加软骨细胞凋亡率；相反，敲降ANGPTL4则逆转上述效应。

研究结论与意义

本研究表明，OA软骨细胞表现出显著的谱系可塑性，PreFC在缺氧和代谢重编程驱动下向FC和PreHTC分化，这一过程伴随ECM降解、炎症反应和凋亡通路激活。HIF1A-ANGPTL4轴作为关键调控枢纽，直接参与OA核心病理环节。研究不仅深化了对OA细胞轨迹动态变化的理解，还为开发针对HIF1A-ANGPTL4信号的靶向治疗提供了实验依据。尽管存在样本年龄、性别匹配不足等局限，该工作通过多组学整合与功能验证，为OA的精准分子分型和干预策略奠定了重要基础。