整合单细胞RNA测序、宏基因组RNA测序和蛋白组数据的分析识别出NOTCH3作为促进人椎间盘纤维化的枢纽基因

为什么背痛源自脊柱深处

慢性腰痛是导致残疾的主要原因之一，但那些维持我们脊柱灵活性的微小结构往往容易被忽视。在每个椎间盘的中心有一个凝胶状的核心，起缓冲作用。随着年龄增长或受伤，这个核心可能会失去水分并变得类似瘢痕，这一过程称为纤维化。本研究从单细胞和分子水平深入探究了这一转变，揭示了单一信号分子NOTCH3是人类椎间盘纤维化过程中的关键驱动因子。了解这一“总开关”可能为恢复而非替代受损椎间盘的治疗打开大门。

从柔软的缓冲垫到僵硬的瘢痕

健康的椎间盘含有胶状中心——髓核，富含保水分子和富有弹性的胶原。在退变过程中，这一核心失去弹性，变得充满致密且无序的纤维组织。作者通过对患者椎间盘样本染色并在显微镜下观察，证实了这种变化。退变的椎间盘显示出更多的胶原沉积和更高的“纤维化评分”，与相对健康的脊柱相比差异显著。在蛋白水平上，正常的类软骨成分II型胶原减少，而纤维蛋白（fibronectin）——瘢痕组织的标志——则升高。这些变化共同解释了为什么退变的椎间盘会失去高度、变脆并更容易引发疼痛。

观察椎间盘中的每个细胞

为弄清哪些细胞对这种瘢痕形成负责，团队采用了单细胞RNA测序，这项技术可以测量成千上万个单个细胞的基因活动。他们在髓核中识别出八个不同的细胞群，并将其归类为四种更广泛的类型，其中包括他们称之为fibroNPCs的成纤维细胞样群体。退变的椎间盘中这类fibroNPCs明显增多，同时对压力和炎症做出反应的调节性和效应细胞数量也增加。通过重建这些细胞在“伪时间”上的变化，研究者能够追踪从较健康的细胞状态向更具纤维化、与疾病相关状态的轨迹，显示出朝向瘢痕形成程序的逐步转变。

细胞对话指向关键信号

椎间盘不仅仅是被动的缓冲垫；它是一个细胞不断相互交流的群落。利用计算工具，作者绘制了这些细胞间的对话网络，发现退变的椎间盘具有更为强烈的通信网络。通过控制生长和组织重塑的通路传播的信号——尤其是NOTCH、IGF和TGF-β通路——被显著放大。当他们将单细胞结果与患者椎间盘的宏基因组RNA测序和蛋白质测量结果叠加时，有一个分子在所有数据集中都脱颖而出：NOTCH3。该受体位于细胞表面，作为纤维化相关变化的共同“枢纽基因”出现，尤其是在主导退变组织的fibroNPCs和调节细胞中。

NOTCH3如何驱动应激与瘢痕形成

在锁定NOTCH3为嫌疑因子后，研究者检查了它的作用位置和机制。退变椎间盘中NOTCH3阳性细胞更多，且这类细胞的比例随影像学退变严重程度增加。在单个细胞内，NOTCH3与内质网——细胞的蛋白处理工厂——共聚集，提示与细胞应激间存在联系。当团队在培养的椎间盘细胞中实验性降低NOTCH3水平时，若干有害过程得到缓解：进入程序性细胞死亡的细胞减少，进入衰老状态的细胞减少，采用成纤维细胞样表型的细胞也减少。内质网应激标志下降，而基质蛋白的平衡从纤维化的纤维蛋白转向更健康的II型胶原。过度激活NOTCH3则产生相反效果，加强了应激和瘢痕形成。

这对未来治疗意味着什么

综合来看，这些发现将NOTCH3描绘成连接椎间盘退变恶劣环境——机械过载、缺氧和慢性炎症——与细胞应激、过早衰老及僵硬瘢痕组织积累之间的核心开关。纤维化并非单纯的磨损被动后果，而是一种主动的、受调控的过程，如果其关键信号被抑制，可能是可逆的。尽管这项工作基于相对较小的患者群体和细胞培养研究，但表明谨慎靶向NOTCH3及其相关通路可能有助于恢复椎间盘的内部平衡，潜在地减缓甚至逆转退变，为超越手术或止痛药的慢性背痛治疗提供一种新途径。

引用: Ding, Q., Chen, X., Zheng, Q. et al. Integrative analysis of single-cell RNA sequencing, bulk RNA sequencing, and proteomic data identified NOTCH3 as a hub gene contributing to human intervertebral disc fibrosis. Sci Rep 16, 11179 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40696-z

关键词: 椎间盘退变, 纤维化, NOTCH3, 单细胞测序, 内质网应激