骨关节炎中衰老免疫景观的单细胞解析：骨髓病变通过TCF7L2介导的细胞间对话驱动软骨损伤

《Bone Research》：Single-cell sequencing reveals a senescent immune landscape in bone marrow lesions inducing articular cartilage damage in osteoarthritis

　　语 本研究针对骨关节炎（OA）早期标志——骨髓病变（BML）如何通过免疫细胞衰老促进软骨退行的问题，通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）揭示了BML区域中非经典单核细胞（non-classical monocytes）的高炎症与衰老特征，并发现其通过TNF信号通路与软骨前纤维软骨细胞（PreFC）互作，驱动软骨损伤。关键转录因子TCF7L2被证实可调控单核细胞与软骨细胞的衰老及相关分泌表型（SASP），为OA的靶向治疗提供了新思路。

　　

骨关节炎（Osteoarthritis, OA）作为一种与年龄相关的退行性关节疾病，困扰着全球数亿人群。其病理过程涉及关节多组织协同病变，包括软骨磨损、滑膜炎症、软骨下骨重塑等。其中，骨髓病变（bone marrow lesions, BML）作为OA的早期影像学标志，与软骨损伤的进展密切相关，但BML影响软骨退行的具体细胞与分子机制尚不明确。传统研究多聚焦于软骨或滑膜，对BML微环境中的免疫细胞异质性及其与软骨的“对话”机制了解有限。随着单细胞测序技术的发展，科学家得以在更高分辨率下揭示OA发病的细胞基础，为干预策略提供新靶点。

针对上述问题，浙江中医药大学附属第一医院骨科创伤研究所与浙江大学药学院团队联合在《Bone Research》发表最新研究，通过对非BML与BML区域的骨髓样本以及完整与损伤区域的软骨样本进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），系统解析了BML相关的免疫景观及其通过细胞间相互作用（cell-cell interactions, CCIs）促进软骨损伤的机制。研究进一步发现转录因子TCF7L2是调控单核细胞与软骨细胞衰老的关键因子，为OA治疗提供了新的理论依据。

关键技术方法

研究纳入4例接受单间室膝关节置换术的OA患者，分别采集其非BML/BML区域骨髓样本及完整/损伤区域软骨样本，通过10x Genomics单细胞3′RNA测序技术获取87,844个细胞的转录组数据。利用Seurat进行细胞聚类与注释，CellChat分析细胞间通讯，Monocle2和RNA velocity构建细胞分化轨迹，pySCENIC推断转录调控网络，并通过体外细胞实验（如doxorubicin诱导衰老、Transwell共培养、TCF7L2过表达/敲低）验证关键机制。

研究结果

1. BML区域的免疫细胞景观呈现促炎与衰老特征

骨髓样本共识别24个细胞簇，包括经典单核细胞（classical monocytes）、非经典单核细胞（non-classical monocytes）等。虽然BML与非BML区域细胞比例无显著差异，但BML中的经典与非经典单核细胞均表现出更强的炎症基因特征与OA相关基因表达。非经典单核细胞具有更高的衰老评分，且其上调基因富集于TNF信号通路等炎症相关通路。

0.05 by Wilcoxon test. d An inflammation gene signature score was assigned to each cell in the integrated dataset, and the scores were visualized on a violin plot split by cluster.e An OA gene signature score was assigned to each cell in the integrated dataset, and the scores were visualized on a violin plot split by cluster. Tem effector memory T cells, Trm resident memory T cells, Temra effector memory re-expressing CD45RA T cells, Tcm central memory, MAIT mucosal-associated invariant T, pDC pre-dendritic cells, HSC/MPP hematopoietic stem cell and multipotent progenitor, DC2 conventional type 2 dendritic cells, NK Natural killer'>

2. 损伤软骨中前纤维软骨细胞（PreFC）耗竭与纤维软骨分化

软骨样本鉴定出16个软骨细胞亚群，包括前纤维软骨细胞（PreFC）、纤维软骨细胞（FC-1/FC-2）等。PreFC在完整软骨中高表达THBS1、PIEZO2等标志基因，参与软骨稳态维持，但在损伤软骨中比例显著下降。RNA velocity分析显示PreFC可向FC-1、FC-2和病理性软骨细胞（pathC）分化，提示PreFC耗竭是软骨退行的重要环节。

3. 骨髓-软骨间通讯以非经典单核细胞与PreFC为核心

CellChat分析发现，非经典单核细胞是唯一向软骨细胞发送TNF信号的群体，而PreFC是主要接收者之一。同时，PreFC通过SEMA3信号抑制非经典单核细胞的破骨分化，而FC-2通过CSF1信号促进该过程。此类互作揭示了BML通过免疫信号直接调控软骨退行与软骨下骨重塑的机制。

4. TCF7L2转录因子协同调控单核细胞与软骨细胞衰老

通过转录调控网络分析，TCF7L2被鉴定为非经典单核细胞与高衰老软骨细胞簇（如FC-2）的特异性调控因子。实验验证表明，TCF7L2过表达可增强p21蛋白表达及SASP相关基因（如HMGB1、TGFB1）表达，而敲低TCF7L2能缓解衰老表型。此外，衰老单核细胞通过Transwell共培养诱导软骨细胞衰老，进一步证实TCF7L2在OA进程中的核心作用。

结论与意义

本研究首次在单细胞层面系统揭示了BML区域衰老免疫景观（尤其是非经典单核细胞）通过TNF信号通路与软骨细胞互作，驱动OA进展的机制。TCF7L2作为调控衰老的核心转录因子，其介导的SASP反应是连接BML与软骨损伤的关键环节。该研究不仅深化了对OA骨-软骨crosstalk的理解，还为针对衰老细胞及TCF7L2的靶向治疗提供了理论依据，有望为OA的早期干预开辟新途径。