1 引言
膝骨关节炎（KOA）是一种全球范围内影响数亿人的退行性关节疾病，其患病率随年龄、肥胖和女性性别而增加。除了关节本身的病变，KOA患者还常伴有膝关节周围骨骼肌的改变，包括股四头肌质量减少和肌间脂肪组织（IMAT）增加。IMAT是一种独特的脂肪库，位于筋膜下方和骨骼肌群之间，使其能够与肌肉组织进行直接对话。虽然IMAT的沉积通常随着年龄和肥胖而增加，但其在KOA中的具体作用机制尚不完全清楚。
以往的研究多集中于IMAT的数量与疾病阶段的关系，而忽略了其分子质量的重要性。事实上，脂肪组织不仅仅是脂肪的储存库，其细胞组成和分泌的因子在疾病进程中扮演着关键角色。例如，在腹部皮下脂肪组织（ASAT）中，衰老细胞负担的增加与老年人行走速度减慢相关，这凸显了脂肪组织质量与身体功能之间的联系。在KOA中，IMAT中的脂肪细胞和其他细胞可能通过释放细胞因子等因子，影响局部骨骼肌组织微环境和膝关节，从而刺激疼痛感受器，导致疼痛。
尽管人类ASAT的细胞组成已较为明确，但IMAT的细胞组成及其比例仍属未知。本研究旨在利用单细胞核RNA测序（snRNA-seq）技术，深入探究KOA患者IMAT的细胞异质性和转录谱，以揭示其在KOA发病机制中的潜在作用。
2 结果
2.1 IMAT的细胞组成
为了探究人类IMAT的细胞景观，研究团队从6名患有KOA和膝关节疼痛的老年女性以及5名无KOA或膝关节疼痛的老年女性（NO.KOA组）中收集了IMAT样本。通过snRNA-seq分析，共获得了21,436个细胞核，并鉴定出6种主要的细胞类型，包括祖细胞、脂肪细胞、巨噬细胞和其他免疫细胞（T/B/NK细胞）、内皮细胞以及平滑肌细胞/周细胞。
在排除了可能来自肌肉活检污染的肌源性细胞核后，研究团队对16,838个非肌源性细胞核进行了深入分析。结果显示，IMAT的细胞组成中，脂肪细胞约占22%，内皮细胞约占25%，平滑肌细胞/周细胞约占18%，祖细胞约占15%，巨噬细胞约占13%，免疫细胞约占7%。值得注意的是，KOA组和NO.KOA组之间，这些细胞类型的比例没有显著差异。
2.2 临床表型与细胞类型比例的关联
研究团队进一步分析了IMAT细胞类型比例与身体成分、肌肉力量和活动能力等临床表型之间的关联。在KOA组中，脂肪细胞的比例与右侧和总大腿无脂肪肌肉体积呈显著负相关，而巨噬细胞的比例与内脏脂肪组织（VAT）体积呈正相关。此外，IMAT中的免疫细胞群与循环白细胞（WBC）的绝对数量显著相关，提示IMAT可能是这些循环免疫细胞的潜在来源。
在NO.KOA组中，巨噬细胞与脂肪细胞以及平滑肌/周细胞的比例呈负相关。此外，脂肪细胞与循环WBC和嗜碱性粒细胞呈负相关。尽管IMAT细胞类型比例与力量和活动能力特征的相关性较少，但研究团队观察到腿部力量与IMAT丰度呈负相关，这与SOMMA研究之前的发现一致。
2.3 免疫细胞和祖细胞亚群分析
为了更精细地解析IMAT的细胞组成，研究团队对免疫细胞和祖细胞进行了亚群分析。
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免疫细胞亚群：分析显示，巨噬细胞可分为表达MRC1、LYVE1等标志物的常驻巨噬细胞和表达ITGAX、LIPA等标志物的脂质相关巨噬细胞（LAMs）。免疫细胞则可分为T/NK细胞、B细胞以及表达KIT、TPSAB1等标志物的肥大细胞。值得注意的是，KOA组中B细胞和肥大细胞的丰度显著高于NO.KOA组。
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祖细胞亚群：祖细胞亚群分析揭示了三种纤维-脂肪生成祖细胞（FAPs）亚型（FAP_1、FAP_2、FAP_3）以及一小群卫星细胞。然而，这些祖细胞亚群在KOA组和NO.KOA组之间的组成没有显著差异。
2.4 细胞间通讯网络
利用CellChat软件分析细胞间通讯网络，研究团队发现，在所有细胞类型中，脂肪细胞具有最显著的信号输出和输入作用，且这种作用不依赖于KOA状态。相比之下，免疫细胞群对整体信号网络的贡献较小。
在信号通路分析中，KOA组中显著富集的通路包括瘦素（LEP）信号通路和骨膜蛋白（POSTN）信号通路。其中，LEP信号主要由脂肪细胞驱动，并特异性地与祖细胞群进行通讯。POSTN信号则主要由平滑肌/周细胞群驱动，作用于脂肪细胞上的ITGAV和ITGB5受体。
3 讨论
本研究首次在单细胞分辨率下揭示了KOA患者IMAT的细胞组成和转录谱。研究发现，KOA患者的IMAT中肥大细胞和B细胞丰度增加，且脂肪细胞是KOA组和NO.KOA组之间转录差异最显著的细胞类型。细胞间通讯分析进一步表明，脂肪细胞是IMAT中最主要的信号枢纽，并且在KOA组中，促炎信号通路显著富集。
IMAT的细胞组成与其他脂肪库存在差异。例如，IMAT中脂肪细胞的比例（约22%）介于ASAT和VAT之间，而内皮细胞的比例（约25%）则远高于VAT（4%-7%）。此外，IMAT中平滑肌细胞/周细胞的比例也高于其他脂肪库，提示IMAT可能拥有更丰富的血管相关祖细胞库。
在KOA的背景下，IMAT中肥大细胞和B细胞的增加具有重要的病理意义。肥大细胞是先天免疫系统的关键组成部分，其释放的介质在慢性低度炎症中发挥作用。B细胞虽然数量较少，但其在KOA滑膜和髌下脂肪垫中的存在已被报道。本研究不仅证实了这些免疫细胞在IMAT中的存在，还揭示了它们在KOA患者中的丰度增加，提示IMAT可能作为这些免疫细胞的储存库，参与局部炎症反应。
脂肪细胞是KOA组中转录差异最显著的细胞类型。在KOA组的脂肪细胞中，血清淀粉样蛋白A1（SAA1）和SAA2等促炎基因表达上调，同时脂质和脂肪酸代谢相关通路也显著富集。这些特征表明，KOA患者的IMAT脂肪细胞呈现出一种促炎和代谢活跃的表型。此外，KOA组中富集的LEP信号通路尤为引人注目。瘦素是一种由脂肪细胞分泌的激素，不仅参与能量稳态调节，还在免疫和炎症过程中发挥作用。研究发现，KOA组中LEP信号主要由脂肪细胞驱动，并特异性地作用于祖细胞群。这提示，瘦素可能通过促进FAPs的脂肪生成，从而加剧IMAT的沉积。同时，瘦素也被认为是KOA相关疼痛的BMI独立因素，其通过激活疼痛感受器，可能在KOA的疼痛机制中发挥重要作用。
综上所述，本研究揭示了IMAT在KOA中的复杂细胞景观和促炎特征。IMAT不仅是一个被动的脂肪储存库，更是一个活跃的分泌器官，其通过释放瘦素等促炎因子，可能直接参与KOA的疾病进展和疼痛发生。这些发现为理解KOA的发病机制提供了新的视角，并为开发针对IMAT的治疗策略提供了潜在的靶点。
