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单细胞测序专题—骨相关研究

发布日期:2022-10-31 浏览次数:1966



近年来,骨科学在诊断、治疗、科研方面都取得了极大的进展。然而,随着中国社会人口老龄化的进展,因老年性骨质疏松引起的骨折关节病逐渐增多;随着私家交通工具的广泛普及,因交通事故引起的骨创伤明显增多;随着日益严重的环境污染,骨肿瘤类风湿性关节炎等疾病也相应增多。现代骨科病谱发生了很大变化,因此,骨科学的研究重点也必须相应地变化。同时,现代科学的发展使得各学科有了更加精细的划分,对技术创新有了更高的追求,也更加重视多学科的合作。因此,骨科学的发展要求我们,不仅要重视基础医学的结合,也要重视充分利用和转化先进的科学技术成果


单细胞转录组测序(scRNA-seq)技术自2009年问世以来,在过去的十年里得到了蓬勃的发展,从而使得科研工作者们能够在单细胞水平上开展细胞基因表达、细胞异质性、鉴定新的细胞亚型、描绘细胞发育路径、鉴定分子标记物等更精细的研究。目前,scRNA-seq已经被广泛应用于基础科研和临床研究。

本文对单细胞测序技术在骨相关研究应用的文章进行导读,欢迎阅读收藏分享。



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文章题目:Immobilization after injury alters extracellular matrix and stem cellfate

中文:骨折后固定可改变细胞外基质和干细胞命运

发表杂志:J Clin Invest

影响因子:11.864

发表日期:2020.10.01

DOI: 10.1172/JCI136142

摘要:细胞感知细胞外环境和机械刺激,并通过机械转导将这些信号转化为细胞内的反应,从而改变细胞的维持、增殖和分化。本项研究采用创伤诱导的异位骨化 (HO) 小鼠模型研究细胞外部的力量究竟如何影响间充质祖细胞 (MPC) 的命运。损伤后,损伤位点scRNA-seq分析鉴定出与细胞粘附、ECM-受体相互作用以及向软骨/骨骼发展的MPC轨迹相关基因在MPC中提前表达增强。免疫染色揭示损伤后机械转导信号增强,具体表现为粘着斑激酶信号传导增强、转录共激活因子TAZ发生核易位、HO的缓解作用被抑制。关节固定减少了机械转导信号,并完全抑制HO。关节固定可减少胶原蛋白的排列并增加脂肪形成。此外,对固定或不固定的HO位点进行scRNA-seq分析揭示了活动的MPC中与成骨相关的基因特征,以及固定的MPC中与脂肪形成相关的基因特征。在这些MPCs中,scATAC-seq分析证明在活动的MPC中成骨基因周围的染色质区域是开放的,而在固定的MPC中成脂基因周围的区域是开放的。以上数据表明,损伤后关节固定会导致ECM排列减少,MPC机械传导改变,基因组结构的改变 (相对更有利于成脂肪形成,而不利于成骨作用),从而导致HO形成减少。

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文章题目:Single-cell RNA-seq analysis reveals the progression of human osteoarthritis

中文:单细胞RNA-seq分析揭示人骨关节炎的进展

发表杂志:Ann Rheum Dis

影响因子:16.102

发表年份:2019

DOI:10.1136/annrheumdis-2017-212863

摘要:目的:了解人类软骨退化和修复的分子机制有助于改善治疗骨关节炎 (OA) 的治疗策略。在这里采用单细胞RNA测序 (scRNA-seq) 揭示了控制OA发病机理的分子程序和谱系进展模式。   方法:对来自10例进行膝关节置换手术的OA患者的1464个软骨细胞进行 scRNA-seq 测序、计算机分析和组织学分析。并采用严重程度指数及对应的分析研究了OA全景转录谱与临床结果之间的关系。   结果:鉴定了OA软骨中7个分子定义的软骨细胞群,包括3个具有不同功能的新表型。本文揭示了不同OA阶段在单细胞分辨率下的基因表达谱。研究人员发现增生的软骨细胞,肥大前的软骨细胞和肥大的软骨细胞(HTCs)之间的潜在过渡,并在HTCs中定义了一个新的分支。研究人员还揭示了软骨祖细胞(CPCs)的新标记物,并采用计算机分析证明了CPCs和纤维软骨软骨细胞之间的关系。值得注意的是,得出了关于临床结果的预测目标,并阐明了不同细胞类型在OA的早期诊断和治疗中的作用。   结论:本研究的结果为软骨细胞分类学提供了新的视角,且为更好地操控OA软骨再生及改善人类健康提供了潜在的线索。

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文章题目:Single-cell RNA-seq analysis identifies meniscus progenitors and reveals the progression of meniscus degeneration

中文:单细胞RNA-seq分析鉴定半月板祖细胞并揭示半月板退化的进程

发表杂志:Ann Rheum Dis

影响因子:16.102

发表年份:2020

DOI:10.1136/annrheumdis-2019-215926

摘要:目的:关于半月板细胞的异质性和半月板退化的机制尚不清楚。本文采用 scRNA-seq 技术鉴定了多个半月板细胞亚群,并研究了半月板退化的机制。   方法:利用scRNA-seq技术鉴定健康人和退化半月板细胞中的细胞亚群及其基因特征,以确定它们的分化关系并表征特定细胞类型的多样性。菌落形成、多分化测定和小鼠半月板损伤模型用于鉴定半月板祖细胞。计算机分析和实验验证用于研究半月板退化期间退化的半月板祖细胞 (DegP) 细胞亚群的作用。   结果:研究人员在健康的半月板中确定了7个细胞亚群,包括5个根据经验定义的5个细胞亚群和2个新的细胞亚群。拟时分析表明,在拟时轨迹开始时即存在内皮细胞和纤维软骨细胞祖细胞 (FCP),黑色素瘤细胞粘附分子 ((MCAM)/CD146) 在2个细胞亚群中均表现高表达。CD146+半月板细胞可分化为成骨细胞和脂肪细胞并形成菌落。研究人员还确定了退化半月板细胞亚群的比例变化,并发现1个具有祖细胞特征的退化半月板细胞亚群。4个祖细胞亚群的重建表明FCP分化为DegP是一个异常的过程。健康半月板细胞中的白介素1β刺激可使CD318+细胞增加,然而,在退化半月板中TGFβ1信号通路的激活抑制了CD318+细胞的增加。    结论:半月板祖细胞的鉴定为基于细胞的半月板组织工程提供了新的见解,并揭示了半月板退化的新机制,这将有助于新治疗策略的开发。

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英文题目:CD39 Produced from Human GMSCs Regulates the Balance of Osteoclasts and Osteoblasts through the Wnt/β-Catenin Pathway in Osteoporosis

中文:骨质疏松症中人GMSC产生的CD39通过Wnt /β-Catenin途径调节破骨细胞和成骨细胞的平衡

发表杂志:Mol Ther

影响因子:8.986

发表日期:2020.06.03

DOI:10.1016 / j.ymthe.2020.04.003

摘要:骨质疏松症是一种疾病,其骨骼的密度和质量会降低,导致骨骼变得脆弱无力,以至于跌倒甚至轻微的应力都会导致骨折。当前的药物治疗主要是由不刺激新骨形成的抗吸收剂组成。近期的研究已经表明了牙龈来源的间充质干细胞 (GMSCs) 可通过抑制破骨细胞的形成和活性发挥减轻自身免疫性关节炎的关键作用,但是,用GMSCs治疗骨质疏松症患者是否也可以调节成骨细胞并最终影响骨骼的形成和保护,还有待进一步研究。通过卵巢切除小鼠模型证明GMSCs过继转移可调节破骨细胞和成骨细胞的平衡,最终促进动态骨骼的形成。通过RNA-seq和单细胞测序的验证揭示了一个独特的CD39+GMSC细胞亚群,这个细胞亚群在促进骨骼形成中起着重要作用。进一步研究证明了GMSC产生的CD39通过Wnt /β-catenin信号途径发挥其成骨能力。本项研究不仅建立了一种未曾鉴定过的GMSC促进骨骼形成的新作用和新机制,而且还为骨质疏松症和其他骨质流失患者的管理提供了潜在的治疗靶点。

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英文题目:Single-Cell RNA Sequencing of Calvarial and Long-Bone Endocortical Cells

中文:颅骨和长骨内皮质细胞的单细胞RNA测序

发表杂志:J Bone Miner Res

影响因子:5.854

日期:2020.05.19

DOI:10.1002 / jbmr.4052

摘要:scRNA-Seq作为一种强大的技术正在兴起,可用于检测单个细胞的转录组。本研究确定了scRNA‐Seq可用于检测环境和药理扰动对成骨细胞的影响。本研究采用了常用的体外系统,将新鲜分离的新生小鼠颅骨细胞扩增,并诱导产生矿化基质。采用scRNA‐Seq分析比较新鲜分离细胞和体外培养12天的细胞,二者之间的细胞类型相对丰度和转录图谱。研究还观察到巨噬细胞样细胞的百分比从新鲜分离的颅骨细胞中的6%增加到培养细胞中的34%。另外发现Bglap转录本在新鲜分离的成骨细胞中很丰富,但在培养的颅骨细胞中几乎检测不到。因此,scRNA-Seq揭示了体内和体外的细胞异质性之间存在显著差异。接下来,研究人员对接受安慰剂或骨硬化蛋白中和抗体1周的小鼠长骨内皮质细胞进行scRNA‐Seq。结果表明从用骨硬化蛋白中和抗体治疗小鼠中获取的未成熟和成熟的成骨细胞中无法检测到骨代谢相关转录本的显著变化,这可能是由于检测基因表达适度变化的能力不足所致,且测序的内皮质细胞中只有7%是成骨细胞,其中转录组中有限的一部分被取样。因此,得出结论scRNA‐Seq可以检测到骨骼分化细胞的细胞丰度、同一性、基因表达变化。此外,为了检测肢体骨骼中成骨细胞在单细胞水平上基因表达的适度变化,还需要更多内皮质骨的成骨细胞。

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文章题目:Monocyte and bone marrow macrophage transcriptional phenotypes in systemic juvenile idiopathic arthritis reveal TRIM8 as a mediator of IFN-γ hyper-responsiveness and risk for macrophage activation syndrome

中文:全身型幼年特发性关节炎中单核细胞和骨髓巨噬细胞转录表征揭示TRIM8是IFN-γ高反应性和巨噬细胞活化综合征风险的介导因子

发表杂志:Ann Rheum Dis

影响因子:16.102

发表日期:2020.12.04

DOI:10.1136/annrheumdis-2020-217470

摘要:目的:全身型幼年特发性关节炎 (SJIA) 具有高风险的巨噬细胞活化综合征 (MAS) 并发症,MAS是由干扰素 (IFN)-γ 驱动的致命性细胞因子风暴。SJIA单核细胞呈现出 IFN-γ高反应性,但其分子基础仍然未知。本研究的目的是鉴定SJIA中循环单核细胞和骨髓巨噬细胞 (BMM) 的分化表型,包括与IFN-γ反应相关的分子特征。   方法:对外周血单核细胞 (n = 26名SJIA患者) 进行传统的群体细胞RNA测序,对BMM (n = 1) 进行scRNA-seq。培养的巨噬细胞被用来确定TRIM8基因敲除对IFN-γ信号通路的影响。   结果:SJIA单核细胞的群体细胞RNA-seq揭示了铁蛋白水平升高的患者存在明显的转录变化。本研究还鉴定了多个分化状态的大量重叠基因,但是几乎没有IFN诱导特征的证据。有趣的是,TRIM8是上调程度最高的基因之一,它是IFN-γ信号通路的正向调节基因。与无MAS的SJIA患者PBMC相比,SJIA和MAS患者BMM的scRNA-seq分析表明转录组发生了变化,并鉴定了BMM的不同亚群,其中包括IFN-γ反应途径的上调。同时,这些BMM中TRIM8的表达也显著增加。而巨噬细胞中TRIM8的体外敲除显著降低了IFN-γ反应性。   结论:MAS患者骨髓中具有 "IFN-γ反应" 表征和高表达TRIM8基因的巨噬细胞显著增加。TRIM8在SJIA单核细胞中表达也升高,且可在体外增强巨噬细胞的IFN-γ反应。本研究为细胞因子风暴(包括MAS)提供了候选的分子机制,为单核细胞IFNγ高反应性的治疗提供了潜在靶点。

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