多组织单细胞图谱揭示骨关节炎中再生性组织干细胞减少与炎症性疼痛巨噬细胞增加的关键机制

本研究通过构建首个膝关节多组织单细胞转录组图谱，系统解析了骨关节炎(OA)进程中软骨、半月板、滑膜及软骨下骨的细胞异质性。研究人员发现健康滑膜和半月板富含表达SDF1/SOX9/CD146的再生性组织干细胞(TSCs)，而OA患者中这类细胞显著减少，伴随NT5E标记的成骨性TSCs扩增。研究首次鉴定出MMP13+有害软骨细胞和IL1B+IL6+NOS2+TNF+四阳性巨噬细胞的特异性富集，并通过CellChat分析揭示跨组织通讯网络。该成果为靶向TSCs再生和巨噬细胞调控的OA治疗提供了新思路，发表于《Communications Biology》。

　　

膝关节骨关节炎(OA)影响着全球超过5.2亿成年人，每年造成近4860亿美元的经济负担。这种疾病不仅导致关节疼痛和功能障碍，更困扰着医学界——尽管影响整个关节系统，但软骨、滑膜、半月板等组织间的分子互作机制始终成谜。传统研究多聚焦单一组织，而OA作为"全关节疾病"的复杂病理过程亟需系统性解析。

波士顿大学医学院（Boston University School of Medicine）的研究团队在《Communications Biology》发表突破性成果。他们整合53例人膝关节样本的单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据，涵盖软骨、半月板、滑膜/髌下脂肪垫(SynoFP)和软骨下骨(SCB)四种组织，首次构建了跨组织单细胞图谱。通过Harmony整合算法和CellChat分析，揭示了OA进程中组织干细胞(TSCs)与免疫细胞的动态变化，发现滑膜和半月板是再生性TSCs的"大本营"，其耗竭与OA进展密切相关。

研究采用三大关键技术：1) 从NCBI GEO数据库获取6项独立研究的临床样本scRNA-seq数据，经Seurat流程质控后保留325,754个细胞；2) 运用Monocle3进行伪时间轨迹分析，追踪TSCs向软骨细胞的分化路径；3) 通过NicheNet预测配体-受体互作网络，解析跨组织信号传导。特别值得注意的是样本队列包含20-86岁不同OA分级患者，通过Outerbridge和Kellgren-Lawrence分级系统严格分类。

健康膝关节的细胞分子图谱

健康软骨中99.6%为软骨细胞，滑膜则富含TSCs(42.2%)和免疫细胞。伪时间轨迹分析显示滑膜TSCs可能通过COL2A1⁺软骨粗细胞参与软骨再生。CellChat揭示胶原蛋白(COLLAGEN)和纤连蛋白(FN1)通路是维持关节稳态的核心信号网络。

OA膝关节的病理重塑

OA滑膜TSCs锐减37.7%，成骨性TSCs(NT5E⁺)扩增。研究者鉴定出三类关键致病细胞：1) MMP13⁺有害软骨细胞(MDCs)，高表达LCN2和WNT7B等降解因子；2) RUNX2⁺软骨细胞，促进异位骨化；3) 新型IL1B⁺IL6⁺NOS2⁺TNF⁺四阳性巨噬细胞，同时携带疼痛受体P2RX7。这些发现解释了OA"炎症-疼痛-退化"的恶性循环。

跨组织信号对话

NicheNet分析发现滑膜成纤维细胞通过补体因子D(CFD)和半乳糖凝集素3(LGALS3)激活巨噬细胞，而软骨MDCs分泌TGF-β1作用于软骨下骨TGFBR1受体。这种"滑膜-软骨-骨"的三维信号轴为OA靶向治疗提供了新靶点。

这项研究首次绘制了膝关节多组织单细胞图谱，确立了滑膜作为再生调控中心的关键地位。临床转化方面，靶向再生性TSCs(SDF1⁺/CD146⁺)的扩增或阻断四阳性巨噬细胞活性，可能成为阻止OA进展的新策略。Rajnikant Dilip Raut等强调，未来需在更大临床队列中验证这些细胞亚群的诊断价值，并开发针对TSCs-巨噬细胞互作网络的精准治疗方案。该成果不仅填补了OA领域知识空白，更为开发"保关节"而非"换关节"的革新疗法奠定了理论基础。