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为探究椎间盘退变（IDD）中髓核（NP）细胞铁死亡的特征及分子机制，陆军军医大学研究人员开展了基于 Bulk RNA-seq 联合 ScRNA-seq 分析的研究。结果表明 ATF3 是 NP 细胞铁死亡关键驱动因子，Rps6+/Cxcl1?是铁死亡 NP 细胞亚群的共同分子特征，为 IDD 治疗提供了新方向。
腰痛是一种全球性的肌肉骨骼疾病，严重影响人们的生活质量，而椎间盘退变（Intervertebral disc degeneration，IDD）是导致腰痛的主要原因，与衰老密切相关。在椎间盘的结构中，髓核（Nucleus pulposus，NP）起着维持椎间盘高度、支撑体重和缓冲外力的重要作用。然而，随着年龄的增长，NP 组织中的功能性 NP 细胞数量减少，细胞发生多种变化，进一步影响椎间盘的命运。近年来，越来越多的研究表明，NP 细胞铁死亡（Ferroptosis）参与了衰老相关的 IDD，但铁死亡的 NP 细胞的分子特征以及铁死亡靶向的特定细胞簇在很大程度上仍不清楚。
为了深入了解 NP 细胞铁死亡在 IDD 中的作用机制，陆军军医大学的研究人员开展了相关研究。研究结果发表在《Arthritis Research 》上，这一研究成果为后续针对 NP 细胞铁死亡的靶向干预提供了证据和理论支持，也为预防和延缓 IDD 提供了新的方向。
研究人员在本研究中主要运用了以下关键技术方法：首先，通过获取不同年龄的雄性 Sprague-Dawley（SD）大鼠尾椎间盘样本，进行普鲁士蓝染色、免疫荧光染色等组织学染色，观察铁离子积累和脂质过氧化水平；其次，利用 Bulk RNA-seq 和 FerrDb 数据库进行重叠分析，筛选与衰老相关 IDD 的铁死亡驱动基因；最后，运用单细胞测序（ScRNA-seq）技术对 NP 细胞进行分析，鉴定铁死亡 NP 细胞亚群及其关键驱动因子。
研究结果如下：
- NP 细胞铁死亡与衰老相关 IDD：通过普鲁士蓝染色发现，20 月龄大鼠 NP 组织中铁离子积累增加；C11-BODIPY 染色和 4-HNE 免疫荧光染色显示，脂质过氧化水平升高，表明在 IDD 过程中发生了细胞铁死亡。对 10 月龄和 20 月龄大鼠 NP 组织的 RNA-seq 数据分析发现，两组存在大量差异表达基因，这些基因富集的条目与细胞衰老密切相关，进一步证明 NP 细胞铁死亡与衰老相关 IDD 的发生发展密切相关。
- NP 细胞铁死亡相关驱动基因的综合分析：从 FerrDb V2 数据库获取铁死亡相关驱动基因，与衰老过程中 NP 组织的差异表达基因重叠分析后，得到 15 个与 IDD 发展相关的铁死亡驱动基因。GO 和 KEGG 分析表明，这些基因主要参与细胞分化、增殖、凋亡、脂质代谢等生物学过程，以及胰岛素、mTOR、PI3K-Akt 等信号通路，说明它们参与调节衰老椎间盘 NP 细胞的铁死亡。
- 衰老相关 IDD 过程中 NP 细胞亚群的变化：ScRNA-seq 分析将大鼠 NP 细胞分为 14 个主要细胞簇，包括 Notochordal NP 细胞和 chondrocyte-like NP 细胞等。与 10 月龄组相比，20 月龄组中部分细胞簇的比例发生显著变化，其中 Notochordal NP 细胞所在的簇 13 比例下降，提示其在 IDD 过程中的重要作用。
- IDD 过程中铁死亡 NP 细胞亚群的鉴定与分析：对细胞数量显著减少的簇进行分析，发现这些簇中存在铁死亡相关通路的富集，以及铁离子代谢、系统 Xc?和脂质代谢相关基因的异常表达，如 Tfrc/Tfr1、Fxn、Slc3a2、Slc7a11、Acsl4 和 Lpcat3 等，表明铁死亡发生在多个 NP 细胞群体中，促进了 IDD 的进展。
- Atf3 是 NP 细胞铁死亡的关键驱动因子：分析 15 个铁死亡相关驱动基因在 NP 细胞亚群中的表达，发现 Atf3 在铁死亡 NP 细胞亚群中显著上调，尤其是在 Notochordal NP 细胞亚群中。免疫荧光染色和体外实验进一步证实了 Atf3 的上调，表明 Atf3 是 NP 细胞铁死亡的关键驱动因子。
- Rps6+/Cxcl1?是铁死亡 NP 细胞的分子特征：通过比较不同 NP 细胞亚群的基因表达，筛选出 Rps6 作为铁死亡 NP 细胞亚群的高表达标记基因，Cxcl1 作为低表达基因。免疫荧光染色等实验验证了 Rps6+/Cxcl1?能够准确标记铁死亡 NP 细胞，是铁死亡 NP 细胞的分子特征。
研究结论表明，NP 细胞铁死亡与 IDD 的发展相关，Atf3 是诱导 NP 细胞铁死亡的关键因素，Rps6+/Cxcl1?是铁死亡 NP 细胞亚群有前景的共同分子特征。这些发现为进一步阐明 NP 细胞铁死亡的机制以及探索 IDD 的基因靶向治疗策略提供了重要线索。不过，本研究也存在一定局限性，如仅使用了雄性大鼠尾椎间盘样本，未考虑性别差异；大鼠尾椎间盘与人类椎间盘存在差异，且未考虑其他退变原因。未来需要在不同动物模型和人类样本中进一步研究铁死亡 NP 细胞的特征，以更全面地理解铁死亡与衰老相关 IDD 的关系。
