揭秘膝关节纤维化：CCN2—— 连接细胞 “暗语” 的关键 “密码” 与潜在诊疗新希望

为解决膝关节纤维化（AF）发病机制不明、缺乏有效诊疗靶点的问题，上海交通大学附属第六人民医院的研究人员开展 AF 相关研究。他们发现 CCN2 或为潜在生物标志物，这为 AF 诊疗提供新思路，推荐科研读者阅读。

　　

在骨科领域，膝关节纤维化（Knee arthrofibrosis，AF）就像一个隐藏在暗处的 “小怪兽”，给患者带来了不少麻烦。它主要表现为膝关节主动屈伸活动范围受限，而且还不是由感染或其他特殊因素引起的。这一病症是常见的术后并发症，在进行前交叉韧带（ACL）重建手术后，有 2% - 35% 的患者会不幸中招；全膝关节置换术后，也有 0.2% - 10% 的患者会被它 “盯上” 。在美国，每年近 300 万患者需要接受与 AF 相关的治疗，这一庞大的数字背后，是无数患者的痛苦和沉重的医疗负担。

患者一旦患上膝关节纤维化，日常生活就会受到极大影响。跑步、下蹲变得困难，严重时连正常的坐立和上下楼梯都成了奢望。不仅如此，患者的经济压力也会陡然增加，与初次全膝关节置换手术相比，因膝关节纤维化再次治疗的住院费用会增加超过 7000 美元。面对这样的困境，医生们也很无奈，尽管关节松解手术（包括关节镜手术和开放手术）在不断发展，但目前的治疗效果仍不尽如人意。

从病理角度来看，膝关节纤维化通常是由手术或受伤引发的，它会搅乱人体先天和适应性免疫反应的 “平静湖面”，使得免疫细胞（如巨噬细胞、T 细胞和肥大细胞等）被激活，进而启动促纤维化级联反应。在这个过程中，促纤维化细胞因子会 “捣乱”，打破细胞外基质（ECM）生成和降解的平衡，导致大量胶原蛋白和非胶原蛋白基质蛋白沉积，尤其是 I 型胶原蛋白（COL1）。随着 ECM 成分的改变和广泛交联，它变得异常坚韧，难以被降解，最终导致膝关节纤维化。

为了揭开膝关节纤维化的神秘面纱，找到更好的治疗方法，上海交通大学附属第六人民医院的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Reviews Rheumatology》期刊上，论文题目是《Single-cell transcriptomic analysis reveals the fibroblast–macrophage interaction and identifies CCN2 as a potential biomarker in knee arthrofibrosis》 。通过一系列研究，他们发现了 CCN2 在膝关节纤维化中的关键作用，这一发现为膝关节纤维化的诊断和治疗带来了新的希望。

研究人员在这项研究中用到了多种先进技术方法。他们首先收集了患者的滑膜组织样本，然后利用流式细胞术（FCM）和单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，对样本中的细胞进行分析，了解细胞的类型和特征。接着，运用生物信息学分析，包括基因本体（GO）分析、RNA 速度分析、CellChat 分析和蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络分析等，来探究细胞间的相互作用和潜在的分子机制。此外，还进行了细胞实验，如细胞转染、RNA 提取和定量 RT - qPCR、Western blot 分析、细胞迁移和增殖实验等，以验证相关结论。

下面来看看具体的研究结果：

1. 综合单细胞图谱揭示细胞变化：研究人员通过 FCM 和 scRNA-seq 分析，绘制了人类滑膜组织的综合单细胞图谱。FCM 分析发现，与正常对照组（NC）相比，膝关节纤维化（AF）组滑膜组织中的巨噬细胞和成纤维细胞数量明显增多，而 T 细胞和内皮细胞数量减少。scRNA-seq 分析进一步将细胞分为六类，包括成纤维细胞、巨噬细胞、滑膜成纤维样细胞（FLS）、内皮细胞、血管平滑肌细胞（VSMC）和 T 细胞，并且发现 AF 组中巨噬细胞和成纤维细胞的比例显著增加。这就像是在 AF 组的滑膜组织中，巨噬细胞和成纤维细胞在 “疯狂生长”，而其他细胞的生存空间被挤压。
2. 成纤维细胞的纤维化特征：成纤维细胞是膝关节纤维化的 “关键角色”。研究人员利用单细胞转录组分析，发现成纤维细胞可以分为三个亚群：DPP4?成纤维细胞（Fib1）、TNC?成纤维细胞（Fib2）和 APOD?成纤维细胞（Fib3）。AF 组中 Fib1 的比例增加，Fib3 的比例下降。而且，Fib1 和 Fib2 高表达 COL1A1 和 COL1A2 等纤维化相关基因，被认为是肌成纤维细胞，在纤维化过程中起主要作用；Fib3 则可能是静止的成纤维细胞，与纤维化关系不大。RNA 速度分析还揭示了成纤维细胞的分化路径，主要是从 Fib1 向 Fib2 和 Fib3 分化。这表明 Fib1 就像纤维化进程中的 “先锋部队”，带领着其他成纤维细胞走向促纤维化的道路。
3. 巨噬细胞及其他细胞的特征：巨噬细胞也是膝关节纤维化中的重要参与者，并且具有高度的异质性。研究人员识别出三种巨噬细胞亚群：TREM2?巨噬细胞（Macro1）、TTN?巨噬细胞（Macro2）和 EGFR?巨噬细胞（Macro3）。AF 组中 Macro1 增加，Macro2 减少，Macro3 比例不变。功能分析发现，Macro1 和 Macro2 主要参与先天免疫反应，Macro3 则与细胞通讯密切相关，可能在纤维化过程中发挥重要作用。此外，研究人员还对 FLS、内皮细胞和 VSMC 进行了分析，发现它们在 AF 组和 NC 组中也存在一些差异，但与纤维化的关系相对较弱。巨噬细胞就像一群 “多变的小精灵”，不同亚群在膝关节纤维化中扮演着不同的角色。
4. CCN2 成为潜在生物标志物：研究人员利用 CellChat 分析细胞间的相互作用，发现 AF 组中巨噬细胞和成纤维细胞之间的相互作用显著增强。进一步研究发现，在促纤维化信号通路中，TGF-β 通路相关基因 CCN2 在 AF 组中表达明显升高，并且位于多个关键位置，因此被认为是膝关节纤维化的潜在生物标志物。这一发现就像在黑暗中找到了一盏明灯，为膝关节纤维化的诊断提供了新的方向。
5. CCN2 功能验证：为了探究 CCN2 的功能，研究人员进行了细胞实验。通过转染 CCN2 siRNA 抑制 CCN2 表达后发现，TGF-β 诱导的成纤维细胞激活、增殖和迁移能力均受到显著抑制，同时 TGFBR/SMAD 信号通路也被下调。这表明 CCN2 在成纤维细胞的促纤维化功能中起着关键作用，就像是成纤维细胞促纤维化的 “开关”。
6. CCN2 的临床意义：研究人员在另一组患者中进行了验证。通过对滑膜组织的染色分析发现，AF 组中 CCN2 和 TGF-β 的表达明显高于 NC 组，且 CCN2 的表达与胶原蛋白沉积量呈正相关，与患者膝关节功能评分呈负相关。这进一步证实了 CCN2 在膝关节纤维化中的重要作用，也为临床诊断和治疗提供了有力的依据。

研究结论表明，通过单细胞转录组分析，研究人员揭示了膝关节纤维化滑膜组织中细胞的异质性，发现了成纤维细胞 - 巨噬细胞之间的相互作用，并确定了 CCN2 是膝关节纤维化的潜在生物标志物。CCN2 在成纤维细胞的促纤维化功能中起关键作用，并且与患者的临床症状密切相关。

这项研究具有重要意义。首先，它为膝关节纤维化的发病机制提供了更深入的理解，让我们看到了细胞间相互作用和关键分子在其中的复杂 “表演”。其次，CCN2 作为潜在生物标志物的发现，为膝关节纤维化的早期诊断提供了新的靶点，就像给医生们提供了一个更精准的 “诊断武器”。最后，研究结果也为开发新的治疗方法指明了方向，未来或许可以针对 CCN2 和相关信号通路进行干预，为患者带来更有效的治疗方案，帮助他们摆脱膝关节纤维化的困扰，重新恢复正常的生活。不过，研究也存在一些局限性，比如患者样本数量有限，还有其他可能影响研究结果的因素未被考虑。但这并不影响这项研究的重要价值，它为后续的研究奠定了坚实的基础，相信在未来，随着研究的不断深入，膝关节纤维化的治疗将会取得更大的突破。