Single-Cell Analysis of Cartilage-Derived Cells Identifies Diverse Populations and a Cholesterol/ER-Stress Chondrocyte Subset in Knee OA.

چکیده اصلی

This study aimed to elucidate the cellular and molecular mechanisms underlying knee osteoarthritis pathogenesis by analyzing chondrocyte populations and their spatial distribution using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq). Knee cartilage cells underwent scRNA-seq. Cellular clusters were identified via gene expression profiles and annotated using gene ontology analyses. Correlations between cluster proportions and patient background characteristics were evaluated. Differentiation trajectories were evaluated using pseudotime analysis. Differentially expressed genes between osteoarthritis and non-osteoarthritis samples were identified, and their functional relevance was experimentally assessed. Cartilage stratification analysis was also performed. A total of 104,951 cells from 12 patients (9 osteoarthritis, 3 non-osteoarthritis) were analyzed. Initially, 11 clusters were identified; three non-chondrocytic clusters (mesenchymal stromal cell-like cells, blood cells, fibroblasts) were identified and excluded from chondrocyte analysis. Eight chondrocyte subpopulations were annotated, including a novel stress-responsive metabolic chondrocytes (MetabCs) associated with serum total cholesterol levels and linked to cholesterol metabolism and endoplasmic reticulum stress pathways. Correlation and trajectory analyses revealed two paths: one toward fibrocartilage chondrocytes (FCs) associated with aging and another toward MetabCs associated with osteoarthritis progression. Novel osteoarthritis-related genes identified included chondroprotective HILPDA and destructive AKR1C2. Stratification analysis indicated that worn cartilage chondrocytes exhibited a hybrid phenotype, shifting toward upper-zone features while retaining deep-zone characteristics. In conclusion, a novel chondrocyte cluster was identified as implicated in osteoarthritis pathogenesis, where elevated serum cholesterol levels potentially increase endoplasmic reticulum stress response, promoting MetabC formation. Chondrocytes altered their phenotype in response to spatial distribution changes caused by cartilage thinning.

ترجمه فارسی چکیده

این مطالعه با هدف روشن کردن مکانیسم‌های سلولی و مولکولی در پاتوژنز آرتروز زانو، با تحلیل جمعیت‌های سلولی غضروفی و توزیع مکانی آن‌ها با استفاده از توالی‌یابی رنا تک‌سلولی (scRNA-seq) انجام شد. کلوز سلول‌های غضروفی زانو برای scRNA-seq مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. خوشه‌های سلولی از طریق پروفایل‌های بیان ژن شناسایی و با استفاده از تحلیل‌های سنتزوژنیک (GO) برچسب‌گذاری شدند. همبستگی‌ها بین نسبت خوشه‌ها و ویژگی‌های زمینه بیماران ارزیابی شدند. مسیرهای تمایز با استفاده از تحلیل پسیودیتایم ارزیابی شدند. ژن‌های بیان‌شده متفاوت بین نمونه‌های آرتروز و غیر-آرتروز شناسایی شدند و اهمیت عملکردی آن‌ها آزمایشی ارزیابی شد. تحلیل لایه‌بندی غضروف نیز انجام شد. مجموعاً ۱۰۴،۹۵۱ سلول از ۱۲ بیمار (۹ آرتروز، ۳ غیر-آرتروز) تحلیل شد. ابتدا ۱۱ خوشه شناسایی شد؛ سه خوشه غیرغضروفی (سلول‌های مشابه سلول‌های بنیادی مزانشیمی، سلول‌های خونی، فیبروبلاست‌ها) شناسایی و از تحلیل غضروفی حذف شدند. هشت زیرمجموعه غضروفی برچسب‌گذاری شدند، از جمله سلول‌های غضروفی متابولیک واکنش‌گر به استرس جدید (MetabCs) که با سطوح کل کولسترول سرم مرتبط بود و به مسیرهای متابولیسم کولسترول و استرس رتولار (ER) متصل بود. تحلیل‌های همبستگی و مسیری دو مسیر را آشکار کردند: یکی به سمت سلول‌های غضروفی فیبروغضروفی (FCs) مرتبط با پیری و دیگری به سمت MetabCs مرتبط با پیشرفت آرتروز. ژن‌های جدید مرتبط با آرتروز شناسایی شده شامل HILPDA محافظت‌کننده غضروفی و AKR1C2 تخریبی بودند. تحلیل لایه‌بندی نشان داد که سلول‌های غضروفی غضروف فرسوده پدیده‌ای هیبریدی را نشان دادند، در حالی که ویژگی‌های ناحیه‌ای بالایی را حفظ کردند. در نتیجه، یک خوشه سلولی غضروفی جدید به عنوان دخیل در پاتوژنز آرتروز شناسایی شد، جایی که سطوح بالای کولسترول سرم احتمالاً پاسخ استرس رتولار را افزایش می‌دهند و تشکیل MetabC را تسهیل می‌کنند. سلول‌های غضروفی پدیده‌ای خود را در پاسخ به تغییرات توزیع مکانی ناشی از نازک شدن غضروف تغییر دادند.

متن کامل اصلی