基于多组学分析鉴定骨关节炎相关软骨细胞亚群及关键基因调控药物：为精准诊疗点亮新希望

为探究骨关节炎（OA）发病机制及寻找治疗靶点，研究人员开展基于多组学分析的 OA 相关软骨细胞亚群及关键基因调控药物的研究。结果发现 OA_PreHTC 亚群关键作用及 5 个枢纽基因，还筛选出潜在治疗药物，为 OA 精准治疗提供新方向。

骨关节炎（Osteoarthritis，OA）作为一种常见于中老年人的疾病，严重影响患者的生活质量。它主要表现为关节软骨的形态、成分和力学性能发生退行性改变，进而引发慢性疼痛、关节不稳定、僵硬以及关节畸形等症状。全球范围内，膝关节 OA 更是成为导致残疾的第四大原因。目前，早期 OA 的治疗主要是缓解疼痛和减少关节磨损，而晚期患者往往需要进行全膝关节置换手术。然而，OA 的病理生理机制尚未完全明晰，寻找有效的治疗药物仍是一大挑战。因此，深入研究 OA 的发病机制和治疗靶点迫在眉睫。

在此背景下，内蒙古医科大学第二附属医院、天津医院等多家机构的研究人员展开了一项旨在探究 OA 相关软骨细胞亚群和关键基因调控药物的研究。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为 OA 的防治带来了新的希望。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，从 Gene Expression Omnibus（GEO）数据库获取单细胞和转录组数据集，涵盖多个 OA 和正常对照样本。之后，对数据进行严格质量控制，包括单细胞数据的低质量细胞过滤、批次效应校正和归一化，以及转录组数据的归一化、异常值检测和批次效应校正。接着，利用 CellChat、SCENIC、hdWGCNA 等多种算法对单细胞数据进行深入分析，还通过 10 种机器学习算法及 113 种算法组合构建诊断模型，并运用 ESTIMATE、MCP-counter、ssGSEA 等算法评估枢纽基因与免疫和信号通路的关系，最后通过实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）对临床样本进行验证。

下面来看具体的研究结果。

• 单细胞景观分析：通过对单细胞数据 GSE152805 注释，鉴定出 8 种不同的软骨细胞亚型，如效应软骨细胞（Effector chondrocyte，EC）、纤维软骨细胞（Fibrocartilage chondrocyte，FC）等。OA 组织中前肥大软骨细胞（Prehypertrophic chondrocyte，PreHTC）比例显著增加，调节软骨细胞（Regulatory chondrocyte，RegC）比例明显下降。伪时间分析表明 PreHTC 可能是软骨细胞分化的过渡细胞状态，功能富集分析显示 OA 软骨组织存在功能损伤。
• PreHTC 的分类和伪时间分析：提取 PreHTC 进行降维聚类得到 13 个亚群，OA 软骨组织中存在特有的 6、7、9 亚群，定义为 OA_PreHTC 亚群。伪时间分析展示了从 Normal_PreHTC 到 OA_PreHTC 的分化轨迹，Cytotrace 分析表明 OA_PreHTC 具有更高的干性。细胞通讯分析发现 OA_PreHTC 在 ANGPTL 和 TGF-β 等增殖相关通路中通讯强度更高。
• OA_PreHTC 和 Normal_PreHTC 的功能富集分析：OA_PreHTC 中缺氧（HYPOXIA）和血管生成（Angiogenesis）信号通路表达显著增加，衰老（Senescence）信号通路在 Normal_PreHTC 中表达更高。SCENIC 分析确定 OA_PreHTC 中转录因子如 NFKB1、CEBPD 等表达升高，代谢差异分析表明 OA_PreHTC 中糖酵解和氧化磷酸化途径显著增加，Cellcall 分析显示 OA_PreHTC 与 FC 间细胞黏附等通路高表达。
• OA_PreHTC 的 hdWGCNA 分析：对 PreHTC 进行 hdWGCNA 分析，确定软阈值为 8，发现黑色和粉色模块在 OA_PreHTC 中显著富集且呈正相关。提取相关基因进行功能富集分析，表明氧化应激是介导 OA_PreHTC 发病机制的主要因素。
• Consensus Cluster Plus 分析：基于黑色和粉色模块基因进行 Consensus Cluster Plus 分析，将 OA 患病样本分为 2 个亚型。发现 238 个模块基因与之前研究的差异表达基因（DEGs）重叠，功能富集分析再次表明氧化应激在 OA_PreHTC 发病机制中的重要作用。还确定了 411 个关键 DEGs，经分析最终得到 9 个生物标志物基因，进一步筛选出 5 个枢纽基因（MMP13、FAM26F、CHI3L1、TAC1 和 CKS2）。
• 机器学习构建诊断模型：整合 9 个诊断标记基因，评估 10 种机器学习算法及 113 种算法组合，随机森林（RF）计算得到的关键基因集在训练集和验证集中表现最佳，确定了 5 个枢纽基因，这些基因与 OA_PreHTC 亚群显著相关。
• 枢纽基因与免疫和通路的关系：5 个枢纽基因与 TNF-α、JAK-STAT3 等炎症通路呈正相关，与 WNT 和 KRAS 等增殖通路呈负相关；与中性粒细胞、活化的 CD4 T 细胞等免疫细胞呈正相关，与 CD56^dim自然杀伤细胞和 17 型辅助性 T 细胞（Type 17T helper cell）呈负相关。
• 枢纽基因相互作用网络分析：伪时间分析显示 4 个枢纽基因在 Normal_PreHTC 到 OA_PreHTC 分化过程中表达有变化，CHI3L1 变化最显著。构建 TF - 枢纽基因调控网络，发现 CHI3L1 与 NFKB1、CKS2 与 CREB1 关联密切。基于 RNAactDrug 数据库构建药物 - 枢纽基因调控网络，分子对接结果表明 CAY10603、Tenulin、T0901317 和 Nonactin 与 CHI3L1 结合活性高。
• 临床骨关节炎患者枢纽基因表达水平：RT-qPCR 检测临床样本发现，OA 组血浆中 CHI3L1、CKS2 等 5 个枢纽基因及 NFKB1、RELA 的 mRNA 表达水平显著高于正常对照组（NC），而 CREB1、CREB3 和 HDAC6 的 mRNA 表达水平显著降低。

综合研究结论和讨论部分，该研究明确了 PreHTC 亚群在 OA 发生发展中的重要作用，5 个枢纽基因可能通过与 PreHTC 细胞、其他软骨细胞和免疫细胞相互作用，调节细胞增殖和炎症反应，对 OA 具有较高的诊断价值。此外，CAY10603、Tenulin、T0901317 和 Nonactin 等化合物有望成为治疗 OA 的潜在药物。不过，研究也存在局限性，如对 OA 患者血浆特定标志物的分析尚处于初步阶段。未来研究可扩大样本规模，采用更多验证方法，进一步探究这些分子的下游通路及与免疫细胞的关系，为 OA 的精准治疗提供更坚实的理论依据和实践指导。