项目文章 | Bone Research — 陆军军医大学陆军特色医学中心绘制人类椎间盘单细胞转录组图谱

2021年8月16日，陆军军医大学陆军特色医学中心（大坪医院）骨科刘鹏课题组联合解放军总医院第五医学中心刘兵课题组，在陆军特色医学中心（大坪医院）陈林课题组的支持下，在骨科期刊《Bone Research》上发表了题为“The spatially-defined single-cell transcriptional profiling uncovers diversified chondrocyte subtypes and nucleus pulposus progenitors in human intervertebral discs”的封面论文。该研究通过对来自健康椎间盘（IVD， Pfirrmann I级）的三个主要组织（包括髓核（NP）、纤维环和软骨终板（CEP））分别进行单细胞转录组测序，绘制了包含108,108个IVD细胞的单细胞图谱。该研究发现了具有空间信息的椎间盘细胞异质性，发现了维持体内稳态平衡的关键信号，该研究结果将有助于在临床中建立新的IVD退变治疗策略。

椎间盘退行性疾病（DDD）被认为是颈腰痛的主要原因，严重影响患者的生活质量，但由于医学技术发展的限制，目前没有有效的医疗手段，患者仅能靠卧床休息、药物治疗、介入治疗、手术等治疗方法缓解症状，因此，该疾病也给全球公共卫生造成巨大负担，消耗大量的社会资源。由于现有的医疗手段都不能重建椎间盘（IVD）内环境平衡，患者IVD退变程度会持续性加重，这些原因都要求我们对人类腰椎间盘的生理和病理机制进行深入探索。

本研究对来自5个健康IVD中的分离髓核（NP）、层纤维环（AF）和软骨终板组织（CEP）进行单细胞转录组分析。绘制了IVD单细胞图谱，并使用tSNE进行聚类，得到9个细胞亚群，其中包括3个软骨细胞亚群、脊索细胞、基质细胞、周细胞、内皮细胞、髓核祖细胞和血细胞。此外，该研究还确定了一套可用于识别人类IVD细胞亚群的Marker基因。之前研究发现，软骨细胞在胞外基质（ECM）内环境稳态和IVD变性中起着关键作用，为了确定它的细胞组成，该研究将软骨细胞分为6个亚群，其中C1和C2为调节软骨细胞，能够通过分泌生长因子刺激周围细胞，C3和C4为稳态软骨细胞，其功能是维持胞外基质稳态和昼夜节律，C5和C6是具有高代谢率和保护/修复功能的效应软骨细胞。

人类椎间盘(IVD)细胞的单细胞转录组图谱（图片引自文献[1]）

研究通过鉴定髓核祖细胞（NPPC）及其特征基因，发现PDGFRA和PROCR都在NPPC-3中高表达，将PDGFRA和PROCR作为识别NPPC-3的标记。发现SMAD3在PROCR+细胞中活化与表达高于PROCR−细胞，这表明SMAD3在PROCR+细胞中被高度激活，说明PROCR+细胞在IVD软骨形成中可能发挥作用。且通过分化轨迹的重建和体外实验，发现PROCR+细胞在体外能进行成骨、成软骨和成脂肪的分化。为了进一步解析人类IVD中 NP细胞发育的关键影响因子，研究还深入挖掘了NP中主要细胞类型之间的信号网络，发现TGF-β家族在NPPC细胞的成软骨调控分化中发挥重要作用， PDGFA家族通过旁分泌作用和自分泌作用调控NPPC增殖，此外还有多种受体-配体信号参与细胞通讯，Fib3是其中发挥调控作用的重要细胞亚群。

人IVD中NPPC特征、NP细胞遗传轨迹及细胞间串扰网络（图片引自文献[1]）

总之，该研究描述了人类IVD单细胞转录组图谱，为进一步研究IVD稳态机制提供了有价值的资源。研究发现的细胞异质性和信号网络有助于在单细胞水平上增加对人类IVD的理解，为建立DDD治疗的新策略提供重要线索。

参考文献

1. Gan, Y., He, J., Zhu, J. et al. Spatially defined single-cell transcriptional profiling characterizes diverse chondrocyte subtypes and nucleus pulposus progenitors in human intervertebral discs. Bone Res 9, 37 (2021).