膝关节骨性关节炎（Knee Osteoarthritis, KOA）是一种以膝关节软骨退行性病变为主要病理表现的一种退行性疾病。据统计，到2050年，KOA的发病率将增加75%且影响着全球30岁以上人群中15%的人口。KOA软骨厚度虽仅3-5毫米，但其呈现清晰可见的表、中、深3层空间结构。已有研究表明，软骨细胞在正常状态下呈现出多种细胞表型，且在病态条件下更是呈现出“千姿百态”。但目前仍缺少系统、全面的软骨细胞图谱景观且软骨细胞的空间分布状态仍未知。近年来，高通量单细胞组学与空间组学测序技术的成熟与发展，为研究者们从多维度、多层面探究KOA异质性问题提供了可能。

主要研究

为了建立膝关节骨性关节炎患者和正常对照软骨细胞的细胞图谱景观，研究人员首先对8例骨关节炎患者中承重区（磨损严重区域，WB）与非承重区（轻度磨损区域，NWB），以及3例正常对照个体膝关节软骨进行了scRNA-seq单细胞转录组测序（10X Genomics）分析，研究发现前肥大软骨细胞（preHTC）、纤维软骨性软骨细胞（FC）、稳态性软骨细胞（HomC）在患者与正常软骨中存在丰度差异性。此外，研究人员还发现了2种新的稀少软骨细胞：炎性软骨细胞（InfC）和前炎性软骨细胞（preInfC）。这两种细胞类型仅分别占细胞总数的1.1%和0.39%，且显著富集于KOA患者软骨组织中。另外，研究人员还发现preHTC不仅在细胞组成比例中具有最大的差异，而且在转录水平上也显示出了最大的差异，提示preHTC可能是引起KOA的关键细胞群。

为了建立膝关节骨性关节炎患者和正常对照软骨细胞的空间不同分层细胞景观，研究人员接着对4例骨关节炎患者中WB与NWB，以及1例正常对照样本膝关节软骨进行了空间转录组测序（Geo-seq）数据分析，即对软骨组织中的软骨膜（AS）、表层（SZ）、中层（MZ）及深层（DZ）的软骨细胞进行测序分析，构建了KOA患者与正常对照膝关节软骨的空间转录组图谱。依靠Geo-seq对硬组织的分析能力，研究发现：相比于软骨中层与深层，KOA患者的软骨膜与软骨表层软骨细胞表现更强的转录异质性。此外，preHTC与preFC显著富集于KOA患者软骨的表层。

为了建立膝关节骨性关节炎患者和正常对照软骨细胞的空间不同分层细胞景观，研究人员接着对4例骨关节炎患者中WB与NWB，以及1例正常对照样本膝关节软骨进行了空间转录组测序（Geo-seq）数据分析，即对软骨组织中的软骨膜（AS）、表层（SZ）、中层（MZ）及深层（DZ）的软骨细胞进行测序分析，构建了KOA患者与正常对照膝关节软骨的空间转录组图谱。依靠Geo-seq对硬组织的分析能力，研究发现：相比于软骨中层与深层，KOA患者的软骨膜与软骨表层软骨细胞表现更强的转录异质性。此外，preHTC与preFC显著富集于KOA患者软骨的表层。

最后，研究人员将scRNA-seq数据与传统（Bulk）转录测序数据进行整合分析，发现preHTC无论在细胞丰度水平还是转录差异水平，均与KOA状态显著相关，且具有较高的疾病状态预测精度（AUC=0.99）。此外，研究人员通过去卷积分析，针对131例KOA患者的传统转录测序数据鉴定出两种KOA亚型：一种为炎症相关亚型（Group A）；另一种为软骨细胞纤维化相关亚群（Group B）。另外，研究人员对scRNA-seq数据与全基因组关联分析（GWAS）数据进行了整合分析，发现欧洲人群与亚洲人群的GWAS关联基因均主要富集于肥大软骨细胞群（HTC），提示遗传因素可能通过影响HTC的稳定性导致KOA的发生。

总的来说，该研究通过scRNA-seq、Geo-seq、RNA-seq、GWAS等数据整合分析，绘制了KOA和正常对照软骨的细胞景观图谱，从单细胞分辨率层面解析了KOA患者与正常对照膝软骨细胞之间的差异特征，明确了KOA相关的preHTC、InfC两种软骨细胞亚群及其标志物，发现了介导遗传变异与KOA的关键细胞群，为KOA个性化防诊治体系构建提供了新思路。该研究中的测序数据均可公开下载使用，链接详见“阅读原文”链接。

作者简介

西安交通大学医学部樊越（助理研究员）、边煦朝（博士生）、中科院广州生物医药与健康研究院孟小高（博士生）为该论文的共同第一作者。西安交通大学医学部孙世权教授和中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦研究员为该论文的共同通讯作者。

孙世权，西安交通大学医学部公共卫生学院教授，博士生导师，国家优青。现任西安交通大学公共卫生学院单细胞组学与健康研究中心主任，陕西省医学会微量元素分会候任主任委员。目前主要从事单细胞与空间多组学数据统计建模、分析与应用研究。

彭广敦，中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员，国家高层次青年人才、广东省杰青。课题组主要研究方向是利用单细胞测序、单细胞谱系示踪、生物信息学以及高通量、高精度原位空间多组学技术来揭示在体多能干细胞在器官发育、疾病与组织再生中的分子谱系。