空间代谢组学与多组学分析的结合揭示了HK3-乳酸轴作为黄韧带骨化过程中的潜在机制

《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》：Spatial metabolomics integrated with multi-omics analysis reveals the HK3-lactate axis as a potential mechanism in ligamentum flavum ossification

　　

摘要

背景

黄韧带（OLF）的骨化是一种退行性脊柱疾病，其特征是异常的软骨内骨化，是胸椎管狭窄的主要原因。目前的治疗仍然主要依赖于外科减压术，这可以缓解机械性压迫，但无法阻止骨化背后的生物过程。尽管越来越多的证据表明代谢重编程在异位骨化和软骨骨化过程中起着作用，但驱动OLF的关键代谢物及其上游调控因子仍不明确。

方法

通过对临床胸椎黄韧带样本进行空间代谢组学分析，以识别与病变相关的代谢变化。随后将无-target代谢组学和蛋白质组学数据与生物信息学和机器学习分析相结合，以筛选关键代谢物和上游效应因子。此外，还结合了公共的单细胞转录组数据来确定候选分子的细胞状态特异性。最后，利用人类黄韧带组织和体外黄韧带模型进行了功能验证，包括缺失功能实验和恢复实验，以及分子检测。

结果

空间代谢组学明确区分了骨化区域、未骨化区域和对照区域，并鉴定出L-乳酸作为在骨化灶中选择性富集的核心代谢物。与乳酸相关的蛋白质和代谢物在翻译、mRNA剪接、分泌、细胞外基质重塑、氨基酸代谢、葡萄糖稳态和脂质生物合成过程中富集，表明这种代谢状态以增强有氧糖酵解、活跃的合成-分泌程序以及加速的组织重塑为特征。机器学习分析一致地将HK3鉴定为与组织乳酸含量最密切相关且在OLF组织中显著上调的糖酵解酶。单细胞分析进一步显示，HK3主要在类似软骨细胞的黄韧带细胞中富集，并与糖酵解活化和软骨形成过程密切相关。跨组学整合发现HIF-1信号通路是在骨化病变中激活的一个共同的上游通路。功能实验表明，HK3敲低可减少乳酸生成并降低骨化标志物的表达，而外源性乳酸部分恢复了这些效应。此外，抑制HIF-1α可降低HK3表达，而在HK3沉默后补充乳酸可部分恢复HIF1A的表达，这表明HIF-1信号通路与HK3依赖的乳酸生成可能存在相互依赖的关系。

结论

局部乳酸积累是OLF的一个关键代谢特征。HK3-乳酸轴可能促进OLF的进展，可能是未来非手术治疗策略的潜在代谢靶点。