单细胞水平揭示机械负荷诱导颞下颌关节髁突软骨终末分化的Acvr1b/TGF-β/Smad3机制

本研究通过单细胞核RNA测序（snRNA-seq）首次解析机械负荷诱导颞下颌关节（TMJ）髁突软骨退变的细胞异质性，发现机械负荷通过激活Acvr1b/TGF-β/Smad3信号通路驱动软骨细胞从增殖态（Col1a1+/Sox9+）向肥大态（Col10a1+/Runx2+）终末分化。研究为靶向干预TMJ退行性病变提供了新策略。

　　

1 引言

颞下颌关节（TMJ）作为负重关节，其退行性病变与机械负荷密切相关。临床证据表明异常咬合力会加速髁突软骨退化，但分子机制尚不明确。现有治疗手段仅缓解症状，无法逆转软骨损伤。前期研究发现Activin A受体Acvr1b可能参与调控，但其在TMJ软骨终末分化中的作用仍待阐明。

2 结果

2.1 机械负荷改变软骨细胞组成

通过单细胞测序分析59,734个细胞，鉴定出11种细胞类型。负荷组软骨细胞比例显著增加（7.68%→10.31%），同时纤维细胞减少（49.85%→38.54%）。

2.2 Acvr1b成为关键调控靶点

细胞通讯分析显示负荷组Activin信号增强，其中Acvr1b和下游Smad3表达显著上调。受体-配体分析揭示Inhba-Acvr1b是核心信号轴。

2.3 软骨细胞亚群分化轨迹重构

将软骨细胞分为6个亚群，伪时序分析显示负荷促使软骨细胞-1（增殖态）向软骨细胞-3（肥大态）转化。CytoTRACE分析证实软骨细胞-1干性评分最高，而软骨细胞-3分化最完全。组织学染色显示负荷组增殖层变薄、肥大层增厚。

2.4 Acvr1b调控终末分化

细胞互作网络揭示软骨细胞-1通过Acvr1b向软骨细胞-3传递信号。KEGG分析显示TGF-β通路激活，且siRNA敲低Acvr1b可抑制Smad3和肥大标志物Col10a1表达。

2.5 动物模型验证

qPCR证实负荷组Acvr1b mRNA升高2.1倍。EdU染色显示增殖区向肥大区转移，TUNEL检测到软骨-骨交界处凋亡增加。

2.6 体外功能挽救实验

290g离心力诱导细胞衰老，而Acvr1b siRNA-925处理可恢复细胞增殖能力，使Col10a1表达降低63%。

3 讨论

本研究首次在单细胞层面揭示机械负荷通过Acvr1b/TGF-β/Smad3轴驱动TMJ软骨终末分化。相较于经典TGF-β受体，Acvr1b表现出更强的机械响应特性。虽然小鼠模型与人类存在差异，但该发现为开发精准治疗策略（如Acvr1b抑制剂）提供了理论依据。未来需通过条件性基因敲除模型进一步验证。

4 方法

采用20天机械负荷小鼠模型，通过Singleron GEXSCOPE分离细胞核，CellChat分析细胞互作，Monocle2构建伪时序轨迹。实验验证包括SA-β-Gal衰老染色、CCK-8增殖检测等，统计学分析采用GraphPad Prism 9.4.1。