Science子刊：封面！南方医科大学丁长海等团队合作揭示APOE的促骨关节炎新作用

髌骨下脂肪垫（IPFP）和滑膜在维持膝关节稳态和骨关节炎（OA）的发展中发挥着重要作用。在健康和疾病条件下，调控这些专门组织功能的细胞和转录机制大部分仍然未知。

2024年1月24日，南方医科大学丁长海及宾夕法尼亚大学秦聆共同通讯在Science Translational Medicine 在线发表题为“Single-cell atlas of human infrapatellar fat pad and synovium implicates APOE signaling in osteoarthritis pathology”的研究论文，该研究对人类IPFP和滑膜组织进行了单细胞和单核RNA测序，以阐明其细胞组成和转录谱。计算轨迹分析揭示了二肽基肽酶4⁺ 间充质细胞作为IPFP脂肪细胞和滑膜内层成纤维细胞的共同祖细胞，表明IPFP和滑膜代表一个整合的组织单位。OA在间充质细胞中诱导了促纤维化和炎症表型，biglycan⁺ 中间成纤维细胞是OA纤维化的主要贡献者。

该研究鉴定了来自中间成纤维细胞和巨噬细胞的载脂蛋白E（APOE）信号作为关键调控因子。人软骨与可溶性APOE的体外培养加速了蛋白聚糖的降解。通过关节内注射抗-APOE中和抗体抑制了胶原酶诱导的小鼠OA的进展，证明了APOE对软骨的有害影响。总之，该研究通过描述健康与OA关节中人IPFP和滑膜的细胞和转录景观，为设计进一步的OA治疗策略提供了一个框架。

骨关节炎（OA）是最常见的退行性肌肉骨骼疾病，影响着全球数亿人。膝关节骨关节炎的病理涉及整个关节的变化，包括软骨、滑膜、半月板、脂肪垫、关节下骨和其他结构。随着疾病的进展，患者会遭受关节疼痛、僵硬、畸形和功能障碍，降低生活质量和寿命。尽管已知一些驱动因素，如年龄、性别、遗传、肥胖和创伤，但由于疾病表型的复杂性，膝关节骨关节炎的病因仍然知之甚少。目前，没有有效的药物治疗能够改善该病的进展。因此，阐明发病机制并寻找新的治疗靶点具有重要意义。

髌骨下脂肪垫（IPFP）是一种位于膝关节的髌韧带、股骨髁和胫骨髁之间的白色脂肪组织。IPFP维持关节的机械稳定性，调节滑膜液的分布，并参与软骨稳态。在骨关节炎中，IPFP分泌炎性细胞因子并发生纤维化。新出现的证据表明，IPFP中的组织炎症和纤维化在膝关节骨关节炎的发展和进展中起着重要作用。然而，其潜在的细胞和分子机制仍有待确定。

抑制APOE可延缓小鼠胶原酶诱导OA模型的进展（图片源自Science Translational Medicine）

白色脂肪组织（WAT）是一种由成熟脂质负荷的脂肪细胞（ADs）和基质血管组分（SVF）组成的异质组织，包括AD前体细胞、免疫细胞和血管细胞。单细胞转录组学方法，如单细胞RNA测序（scRNA-seq），通过识别先前未知的细胞种群和功能，扩展了对外周WAT沉积物的细胞异质性的理解。最近的研究发现了一群抑制AD分化并抑制脂肪组织扩张的基质细胞，以及在人和小鼠脂肪组织中产生preadipocytes（preADs）和ADs的二肽基肽酶4⁺（DPP4）前体细胞群体。此外，在免疫细胞组分内部，转录组方法支持了鉴定一种通过吸收脂滴抑制脂肪细胞肥大和组织炎症的巨噬细胞亚型。scRNA-seq研究WAT的一个局限性是由于其细胞体积大且易碎，未能在数据集中捕获成熟ADs。

为了克服这一限制，采用了单核RNA测序（snRNA-seq）技术，该技术可在从快速冷冻组织样本中分离的细胞核上执行，用于确定成熟ADs的转录特征。这种snRNA-seq方法定义了不同的AD亚群，并展示了肥胖时脂肪组织中差异的转录反应。这些研究表明外周脂肪组织内存在高度的细胞异质性，并为了解脂肪组织在疾病机制中的作用提供了新的见解。IPFP是一种独特的WAT类型，因为它直接而持续地与关节囊一侧的滑膜接触。滑膜用于产生滑膜液以实现关节的有效运动。在解剖学上，滑膜由两层（内层和次内层）组成，包含滑膜成纤维细胞、巨噬细胞、血管和其他免疫细胞。滑膜的次内层直接毗邻IPFP。新兴的观点认为IPFP和滑膜是解剖学和功能学上的一个整体单位，而不是两个不同的结构。尽管广泛认识到IPFP和滑膜在骨关节炎进展中的病理变化，但尚未系统研究健康和骨关节炎条件下的人体捐赠者的组织，以检查细胞和转录的变化。

封面图片显示了导致骨关节炎相关损伤的膝关节髌下脂肪垫(黄色)和滑膜(红色)内的细胞群(右)和可溶性信号(左)。骨关节炎是一种整个关节的疾病，新疗法的发展将需要对所涉及的细胞类型有全面的了解。在这里，Tang等人提供了健康膝关节和骨关节炎患者髌骨下组织的单细胞图谱。作者发现脂肪垫和滑膜中的成纤维细胞和炎性巨噬细胞释放的载脂蛋白E是骨关节炎软骨损伤的一个因素。在小鼠骨关节炎模型中，抗体介导的载脂蛋白E中和降低了疾病严重程度，支持这种治疗方法的进一步发展（图片源自Science Translational Medicine  ）

该研究评估了来自人类健康供体（HDs）或患有骨关节炎的患者的联合IPFP和滑膜组织的生物样本。通过采用scRNA-seq和snRNA-seq方法，作者确定了IPFP和滑膜组织中的间充质和髓样细胞亚群，并在OA中描述了病理变化。通过整合先前报道的人关节软骨的scRNA-seq数据集，作者进行了体外分析，预测了关节内的细胞相互作用。转录组数据、体外信号预测和小鼠胶原酶诱导性关节炎模型表明，载脂蛋白E（APOE）在髌下脂肪垫和滑膜在OA引起的软骨退化中起着关键作用。总之，该研究生成了人类IPFP和滑膜在健康和骨关节炎条件下的细胞图谱，并揭示了OA治疗未来研究的潜在目标。

南方医科大学珠江医院汤苏安博士后、中国医科大学第一附属医院姚鲁田副教授和珠江医院韩卫雨副教授是该论文共同第一作者，南方医科大学珠江医院丁长海教授和宾夕法尼亚大学秦聆教授是论文的共同通讯作者，南方医科大学珠江医院为第一作者单位。本研究工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目资助。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adf4590