单细胞转录组揭示先天性脊柱侧凸椎间盘软骨细胞异常分化轨迹及关键调控机制

为解决先天性脊柱侧凸(CS)椎间盘软骨终板(CEP)细胞异质性及分化异常机制不明的问题，复旦大学附属儿科医院团队通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术解析了CS患者椎间盘(IVD)的单细胞图谱。研究发现CS软骨细胞呈现独特的细胞分化轨迹，鉴定出H19/ECRG4/CCN1/CCN2等特异性标志物及关键转录因子DBP，并揭示脊索细胞-周细胞通过NCAM/SEMA5信号通路的独特细胞互作模式。该研究为CS的病理机制提供了单细胞水平的理论依据，并为靶向治疗提供了新思路。

　　

先天性脊柱侧凸(CS)作为新生儿最常见的脊柱畸形，发病率高达0.5‰-1‰，其中约75%患者会随着生长发育出现进行性脊柱弯曲。尽管已知椎间盘(IVD)在脊柱侧凸进展中起关键作用，但作为椎体纵向生长"指挥中心"的软骨终板(CEP)其细胞组成和微环境变化机制始终是未解之谜。传统组织学检查和MRI技术难以揭示CEP细胞的异质性，而遗传缺陷和环境因素的交互作用更使得CS的发病机制扑朔迷离。

复旦大学附属儿科医院骨科王大军团队与钱茂祥团队合作，在《iScience》发表了突破性研究成果。研究团队创新性地采用单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术，对6例CS患者、1例CS胎儿(CF)、3例获得性腰椎滑脱(LS)和4例正常对照(NC)的IVD样本进行了解析，共获得92,337个高质量细胞。通过Seurat分析、Monocle2拟时序分析、pySCENIC转录因子调控网络分析和CellChat细胞互作分析等多组学技术，构建了首个CS椎间盘单细胞图谱。

研究首先绘制了IVD细胞全景图，发现CS患者CEP中软骨细胞占比显著下降(25%-50%)，而胎儿样本(CF)中占比高达90%。通过无偏聚类鉴定出8个软骨细胞亚群，包括新型的稳态软骨细胞(HomC)、纤维软骨祖细胞(FCP)和持续性存在的脊索细胞。拟时序分析揭示CS软骨细胞呈现独特的"分支2"分化轨迹，该群体高表达SEPTIN2/7/9/10等细胞骨架相关基因，与对照组主要走"分支1"的经典分化路径形成鲜明对比。

分子标志物筛查发现：胎儿期CS特异性高表达MATN1/UCMA/DLK1等胞外基质相关基因，受HOXC6转录调控；而儿童期CS则特征性高分泌H19/ECRG4/CCN1/CCN2，这些基因与核心转录因子DBP形成正反馈调控网络。免疫组化验证显示CCN1/CCN2/ECRG4在CS患者CEP中表达量较LS和NC组升高2-3倍，且与DBP表达呈显著正相关。

细胞互作网络分析发现：CS样本中脊索细胞-周细胞的通讯活动异常活跃。其中脊索细胞通过NCAM1配体激活的NCAM信号通路，以及周细胞分泌SEMA5A介导的SEMA5通路，成为CS特有的细胞间对话模式。免疫荧光证实NCAM1在髓核组织、SEMA5A在CEP中特异性高表达，提示这两种细胞类型通过旁分泌作用参与CS病理进程。

该研究首次在单细胞分辨率上揭示了CS椎间盘细胞的异质性图谱，提出"异常分化轨迹"理论解释椎体发育不良的细胞学基础。发现的DBP-H19/CCN调控轴和NCAM/SEMA5信号通路为CS的早期诊断提供了分子标志物，并为开发靶向CEP的精准治疗策略奠定了理论基础。特别值得注意的是，研究中鉴定的脊索细胞在青春期后的持续存在现象，颠覆了传统认为该细胞仅在胚胎期存在的认知，为理解CS的进展机制提供了新视角。

研究也存在样本量有限、缺乏年龄匹配对照等局限性。未来需要扩大样本验证标志物的特异性，并通过基因编辑动物模型深入探究DBP等关键因子在椎体畸形发生中的因果作用。该成果不仅为CS研究开辟了单细胞水平的新范式，其构建的椎间盘细胞图谱资源也将助力其他脊柱疾病的研究。