学术研究报告：识别髓系来源抑制细胞和脂质运载蛋白-2作为椎间盘退变的治疗靶点

作者及发表信息
本研究由Changmeng Zhang、Haoyun Li、Hongfei Wang、Liangyu Shi、Ying Shing Chan、Yu Wang和Graham Ka Hon Shea*共同完成，通讯作者单位为香港大学李嘉诚医学院临床医学院骨科与创伤学系。研究于2025年发表在期刊*Advanced Science*（DOI: 10.1002/advs.202500505），是一篇开放获取文章。

学术背景

椎间盘退变（Intervertebral Disc Degeneration, IVDD）是导致慢性腰痛（Low Back Pain, LBP）的主要病理基础，全球约90%的50岁以上人群存在影像学退变表现，每年仅在美国造成的医疗和经济损失超过1000亿美元。IVDD的核心特征是炎症反应，伴随免疫细胞浸润和细胞因子分泌，但其免疫微环境的动态变化机制尚不明确。既往单细胞RNA测序（scRNA-seq）研究多聚焦于髓核细胞（Nucleus Pulposus Cells, NPCs）表型，而忽略了免疫亚群的作用。本研究首次整合全基因组关联分析（GWAS）与scRNA-seq数据，通过单细胞疾病相关性评分（scDRS）解析IVDD不同阶段的免疫细胞亚群特征，并发现LCN2high髓系来源抑制细胞（Myeloid-Derived Suppressor Cells, MDSCs）在早期退变中的免疫保护作用，提出脂质运载蛋白-2（Lipocalin-2, LCN2）作为新型治疗靶点。

研究流程与方法

1. 构建人类椎间盘单细胞转录组图谱

• 样本来源：整合3例新生儿健康椎间盘和16例成人退变椎间盘（Pfirrmann分级I-V）的scRNA-seq数据（来自GEO和CellNetPortal数据库），涵盖6541个新生儿细胞和100801个成人细胞。
  
• 实验方法：
  
  • 数据整合与聚类：使用Seurat包进行锚点校正和降维分析（UMAP），鉴定出髓核细胞、免疫细胞（如M1/M2样巨噬细胞、MDSCs）和内皮细胞等亚群。
    
  • 免疫细胞动态分析：通过伪时间轨迹推断（Monocle3和STAVIA算法）揭示免疫细胞从组织驻留巨噬细胞（TRMs）向促炎表型（IL1B+ M1样巨噬细胞）的分化路径。
    
  • GWAS整合：应用scDRS将中国嘉道理生物银行（CKB）的IVDD GWAS数据（3039例患者）与scRNA-seq关联，识别疾病风险富集的细胞亚群。
    

2. 功能验证实验

• 动物模型：
  
  • LCN2基因敲除小鼠（LCN2−/−）：通过MRI和显微CT显示，22月龄LCN2−/−小鼠椎间盘高度指数（DHI）显著降低，组织学评分证实退变加速（如髓核脱水、终板骨化）。
    
  • 行为学测试：握力下降提示轴向疼痛，但冷敏感性无差异。
    
• 体外实验：
  
  • 巨噬细胞极化：重组LCN2处理可抑制LPS/IFN-γ诱导的M1极化，促进ANXA1/Arg-1表达，验证LCN2通过ANXA1-FPR1轴抑制NF-κB/TNF炎症通路。
    
  • siRNA沉默LCN2：在RAW264.7细胞中，LCN2敲低导致M2表型比例下降，证实其调控巨噬细胞极化的作用。
    

3. 生物信息学分析

• 差异基因与通路富集：GSEA显示LCN2high MDSCs中NF-κB/TNF通路受抑制，而IL1B+巨噬细胞中CXCL/CCL趋化因子通路激活。
  
• 细胞互作网络：CellChat分析揭示MDSCs通过ANXA1信号抑制M1巨噬细胞的炎症活性。
  

主要结果

1. 免疫亚群动态变化：

   • 早期退变（Pfirrmann II级）以LCN2high MDSCs为主，晚期（III-V级）转为IL1B+ M1样巨噬细胞主导。
     
   • scDRS证实M1样巨噬细胞是GWAS风险富集的主要亚群（p<0.01）。
     

2. LCN2的免疫调节机制：

   • LCN2通过上调ANXA1和Arg-1，抑制NF-κB信号，促进巨噬细胞向修复型M2表型极化。
     
   • 流式细胞术显示人退变椎间盘中63.3%的CD11b+细胞为LCN2+Arg1+ MDSCs。
     

3. 治疗潜力验证：

   • LCN2−/−小鼠椎间盘退变加速，而重组LCN2可逆转炎症表型。
     
   • 计算模型预测Pfirrmann II级是LCN2治疗的最佳窗口期。
     

结论与意义

本研究首次系统描绘了IVDD进程中免疫微环境的时空异质性，提出LCN2high MDSCs是早期退变的关键保护性亚群，其通过ANXA1介导的炎症抑制机制延缓疾病进展。科学价值在于：
1. 机制创新：揭示了LCN2-ANXA1轴在椎间盘免疫稳态中的核心作用。
2. 临床转化：LCN2可作为靶向递送（如ROS响应性水凝胶）的候选分子，用于早期干预。
3. 方法学贡献：整合scDRS和伪时间轨迹分析，为退行性疾病研究提供新范式。

研究亮点

• 技术新颖性：首次将GWAS与scRNA-seq联合应用于IVDD研究，开发了基于scDRS的细胞亚群风险评分方法。
  
• 发现独特性：鉴定出LCN2high MDSCs这一未被报道的免疫保护亚群，并阐明其分子机制。
  
• 跨物种验证：从小鼠模型到人类组织多层面验证靶点可行性。
  

局限性与展望：需在更大规模队列中验证种族普适性，并优化LCN2的递送策略以应对晚期退变的不可逆性。