《Cells》：A Multi-Omics Approach Reveals Interleukin 1 Beta Priming as a Key Driver of Immunomodulatory and Regenerative Programs in Adipose-Derived Stem Cells for Osteoarthritis Therapy
编辑推荐：
骨关节炎（OA)是一种以炎症和软骨降解为特征的慢性退行性关节疾病，目前治疗手段主要为对症处理，无法阻止疾病进展。脂肪来源间充质干细胞（ASCs)因其再生和免疫调节特性而成为一种有前景的治疗选择，且可通过特定预激活策略进一步增强其功能。本研究中，研究人员将原代人
骨关节炎（OA)是一种以炎症和软骨降解为特征的慢性退行性关节疾病，目前治疗手段主要为对症处理，无法阻止疾病进展。脂肪来源间充质干细胞（ASCs)因其再生和免疫调节特性而成为一种有前景的治疗选择，且可通过特定预激活策略进一步增强其功能。本研究中，研究人员将原代人ASCs分别暴露于白细胞介素1β（IL1β)、干扰素γ（IFNγ)或低氧预激活条件下，随后采用整合转录组测序（RNA sequencing)、分泌蛋白质组学及外泌体微小RNA（exosomal miRNA)分析的多组学方法进行检测。研究人员评估了差异基因表达、蛋白质丰度及miRNA特征，并进行了功能富集和网络分析。结果显示，IL1β预激活诱导了ASCs显著的转录重编程，而低氧和IFNγ预激活仅产生有限变化。IL1β还深刻重塑了ASCs的分泌组和外泌体miRNA cargo，揭示了免疫调节和软骨重塑途径的协同调控。相比之下，其他预激活条件显示出最小且整合性较差的分子效应。总体而言，IL1β预激活持续产生了一种将免疫调控和再生途径相联系的多层分子特征。这些发现表明IL1β预激活可增强ASCs的功能特性，并为支持其在骨关节炎治疗中的潜在应用提供了机制性见解。
骨关节炎（Osteoarthritis, OA)是一种常见的慢性致残性关节疾病，由创伤或年龄相关退行性过程引发，触发炎症和分解代谢反应，最终导致长期关节破坏。传统保守治疗以对症药理学干预为主，不仅无法逆转或延缓疾病进展，长期反复使用还会产生不良反应，尤其是关节腔内反复给药时。脂肪来源间充质干细胞（Adipose-derived mesenchymal stem cells, ASCs)因其再生和免疫调节特性，成为骨关节炎治疗中一种有前景且便捷的方案。ASCs来源于脂肪组织，属于间充质基质/干细胞（Mesenchymal stromal/stem cells, MSCs)范畴，既具备MSCs的生物学特征，又保留了组织特异性。MSCs能够分泌生长因子、细胞因子、趋化因子及细胞外囊泡（Extracellular vesicles, EVs)，调控纤维化、免疫应答、血管生成及组织驻留干细胞的激活，从而协调组织再生和功能恢复。基于这些特性，ASCs产品在改善患者病情方面已显示出有效性，而其生物学潜力还可通过特定调控策略进一步放大。
MSCs对其周围环境高度敏感，能够适应骨关节炎微环境等特定条件。因此，炎性预激活成为获取高效能ASCs的创新策略。研究表明，ASCs对骨关节炎滑液或白细胞介素1β（Interleukin-1 beta, IL1β)预激活产生适应性反应，调节其免疫调节潜能。干扰素γ（Interferon-gamma, IFNγ)处理则促进ASCs获得免疫调节表型，增强其与M1型巨噬细胞的相互作用能力，支持抗炎反应，为IFNγ预激活ASCs治疗慢性炎症性疾病提供了理论依据。与炎性细胞因子不同，低氧处理主要刺激MSCs分泌参与血管生成及组织增殖/再生的功能性因子。生理状态下细胞微环境中氧分压通常较低（2%-8%），体外模拟这种低氧条件可增强干细胞的存活、增殖和血管生成能力。
尽管初步证据表明MSCs尤其是炎性预激活模拟骨关节炎微环境时可调控免疫调节相关信号通路，但可以由这些细胞在骨关节炎中调控的治疗靶点的明确识别仍然缺乏。研究人员试图通过整合基因组学、蛋白质组学和miRNome分析来解决这一问题，以阐明基于ASC治疗在骨关节炎中的潜在作用机制。
研究结果表明，IL1β预激活在三种预激活条件中诱导了最显著的分子重编程效应。在转录组层面，IL1β预激活的ASCs与对照组、低氧组和IFNγ处理组明显分离，后两者聚类紧密，表明低氧和IFNγ预激活的转录影响有限。差异表达分析证实，IL1β预激活导致514个基因显著上调，而低氧和IFNγ分别仅上调103和100个基因，且IL1β特异性上调基因达467个，显示出其在驱动ASCs转录重编程中的主导作用。基因本体（Gene Ontology, GO)富集分析显示，IL1β诱导的上调基因主要与免疫调节和软骨/细胞外基质（Extracellular matrix, ECM)重塑相关。这些通路中的基因网络高度整合，免疫相关与ECM/软骨相关通路紧密相连而非独立模块。
在蛋白质组层面，研究人员对分泌组进行了分析。低氧和IFNγ预激活的蛋白质表达模式与对照组相似，而IL1β预激活在所有生物学重复中诱导了强烈且一致的变化，形成三个明显分离的供体特异性聚类。主成分分析（Principal component analysis, PCA)显示IL1β预激活组与其他条件完全分离。IL1β独特上调493种蛋白质，仅4种与低氧共享、2种与IFNγ共享。GO富集分析同样揭示免疫系统和软骨重塑两大功能簇，且多个蛋白同时贡献于免疫调节和软骨相关通路。STRING网络分析证实了两个主要功能簇的密集互作，表明协调调控而非孤立蛋白变化。转录组与蛋白质组数据的吻合性通过77个在mRNA和蛋白水平均一致上调的基因得到支持。
在外泌体miRNA层面，研究人员比较了754种miRNA的表达谱。低氧或IFNγ预激活的样本与未刺激对照聚类紧密，而IL1β预激活产生独特的聚类模式。IL1β预激活样本在PCA空间中占据明确分离的区域，254种miRNA为该条件 uniquely上调，而低氧和IFNγ分别仅有19和18种。通过miRNet平台预测miRNA-靶基因相互作用网络，低氧和IFNγ产生相对稀疏的网络，而IL1β产生了密集且整合的调控网络，将多种上调miRNA与免疫应答调节和软骨重塑直接相关的靶蛋白联系起来。具体而言，IL1β相关miRNAs预测可抑制炎症信号和纤维化/骨赘形成的关键介质，包括IL6、MAVS、IRAK1、IRAK4、TNF、TGFβ1、TGFβR1、SMAD3和LAMC1；同时靶向抑制软骨再生的调控因子如MAPK1、PTEN、CASP8和MMP2，这些蛋白在软骨基质周转中发挥关键作用。
在讨论部分，研究人员指出该研究通过整合多组学分析显示，IL1β预激活较之于低氧和IFNγ，能诱导ASCs转录、分泌和调控谱的深刻重编程，转化为增强的免疫应答调节能力和软骨再生支持作用，这两大过程正是骨关节炎病理生理的核心。IL1β在转录水平上的主导作用尤为突出，其基因表达特征不仅广泛且独特，功能富集和网络分析表明这些变化反映了免疫调节与ECM组织、软骨相关过程之间紧密相连的程序，而非孤立通路的改变。这种协调的转录景观表明IL1β在ASCs中诱导了一种双重功能表型，同时靶向炎症和组织重塑。这一发现对骨关节炎尤为重要，因为炎症和软骨退化是紧密相连而非独立的病理事件，同时靶向这两种机制的治疗策略可能比仅作用于炎症或组织再生的方法更为有效。
这种转录重编程在蛋白质组水平得到反映，IL1β预激活显著重塑了ASCs的分泌组，大量独特上调蛋白富集于免疫调节、免疫细胞趋化、ECM组织和软骨发育相关通路，表明IL1β驱动的转录程序有效转化为功能性分泌表型。外泌体miRNA分析显示IL1β预激活产生独特且广泛的miRNA特征，以大量独特上调miRNA和靶向炎症及软骨重塑关键介质的调控网络为特征。多组学数据整合支持IL1β预激活作为增强ASCs功能的多层调控框架，其协调调控网络同时抑制促炎信号、限制纤维化和骨赘形成过程，并促进软骨再生。这种系统水平的重编程支持IL1β预激活ASCs具有更优免疫调节和再生潜力的假设。
相比之下，低氧和IFNγ在所有组学层面均诱导了适度改变，对分泌组组成和miRNA介导调控网络影响有限。这种相对有限的效果表明预激活的生物学影响高度依赖具体治疗靶点的情境：低氧可能优先支持血管生成和增殖程序，IFNγ可能主要影响特定免疫通路而不显著激活再生过程。研究局限性在于预激活条件仅单独评估而未测试组合，虽然这有助于识别刺激特异性分子特征，但IL1β联合低氧或IFNγ等组合策略可能更接近骨关节炎多因素微环境并产生协同治疗效应。
从转化医学角度，该研究为如何利用炎性预激活增强骨关节炎的ASCs治疗提供了机制性见解，鉴定出的特异性蛋白和miRNA可为优化细胞干预提供候选生物标志物或治疗靶点。多组学证据与既往文献及体外功能免疫调节数据一致，提示IL1β预激活ASCs可能通过同时靶向免疫失调和软骨退化来更有效地恢复关节稳态。此前研究主要关注单个分子层面或特定功能实验，而该研究通过整合转录组、蛋白质组和外泌体miRNA分析，提供了ASCs反应的系统水平表征，揭示了连接免疫调节和组织重塑的协调调控网络。研究人员此前已证明ASCs可调节巨噬细胞极化和T细胞存活，促进整体抗炎环境。IL1β预激活ASCs的长期疗效和安全性尚待体内骨关节炎模型验证，这对于确认组学整合和预测网络分析所鉴定的功能效应确实反映在该细胞产品的治疗性能中至关重要。治疗反应还受骨关节炎阶段和患者特异性分子特征影响，将蛋白质组学和miRNome表征等先进分子分析方法与生物信息学分析相结合，可支持特定MSCs产品与不同骨关节炎分子表型之间潜在治疗匹配，为更个性化的再生医学策略铺平道路。未来研究还可探索定制预激活方法与更部位特异性MSCs来源（如髌下脂肪垫来源ASCs）的结合，能否进一步增强MSCs衍生分泌组和细胞外囊泡的组织靶向治疗潜力。
研究结论：该多组学研究确定IL1β预激活是测试条件中最有效的策略，可增强人ASCs的治疗特征，无论在免疫调节还是软骨重塑方面。相比之下，低氧和IFNγ在所有组学层面仅诱导有限且协调较差的分子反应。通过整合分泌组的转录组、蛋白质组和外泌体miRNA分析，IL1β预激活ASCs表现出以免疫调节和再生特性协调为特征的独特功能谱。总体而言，这些发现凸显了炎性预激活在塑造ASCs功能中的关键作用，为优化骨关节炎的ASCs治疗提供了分子框架。
