软骨组织工程修复中种子细胞命运的单细胞组学研究

In cartilage tissue engineering repair, seed cells are seeded onto biomaterial scaffolds to form a reparation construct, which are then implanted into the injury sites to form regenerated tissue. Although current approaches could effectively relieve the symptoms of cartilage injury, there are still considerable disparities between the performance of the regenerated tissue and the original cartilage. Thus, in order to achieve better reparations in the future, we need a deep understanding of the in vivo repair process and the molecular characteristics of seed cells, and the difference between regenerated and normal tissue..During the repair process, the injury site is featured with complex microenvironment, and great heterogeneity of cells, making the traditional molecular biological methods unsuitable for the purpose. To solve this problem, the project aims to track the fate of seed cells at the cartilage-bone interface at single-cell level via fluorescence tracing and single cell sequencing techniques in a rat model. We expect to unravel the possible fates of seed cell subpopulations and corresponding molecular characteristics, including degradation, fibrosis and hypertrophy states. We also aim to explore the temporal and spatial distribution of seed cell subpopulations during the repair process, and compare it with the original cartilage tissue with precise details.These studies will serve as the basis for rational optimization of cartilage tissue engineering in the future.

软骨组织工程中，通常将软骨种子细胞结合生物材料支架，植入损伤部位进行填充修复，形成再生组织。目前该方法虽能有效缓解损伤症状，但再生组织的性能仍与原生的软骨组织存在较大差异，容易发生退化。由此，为了实现更加理想的软骨组织工程修复，我们需要对目前种子细胞的体内修复过程、分子特征以及与正常软骨组织的差距有更为深入的理解。.在修复过程中软骨损伤部位的微环境复杂，细胞异质性强，传统分子生物学检测手段因群体效应难以对其进行清晰的鉴定。针对该问题，本项目拟在大鼠软骨修复模型中，利用荧光示踪和单细胞测序等技术跟踪种子细胞在软骨层及软骨-骨交界处的细胞命运，尝试揭示植入的种子细胞在体内可能出现的软骨功能化、肥大化、退化、纤维化等过程以及相应的分子特征，探究各类群的细胞在修复组织中的时空分布特征和分化关系，并精细化比较与正常的功能化软骨的异同，为后续软骨组织工程体系的理性改造提供理论依据。

在组织工程领域，新的修复技术、新的生物材料以及新的药物分子正在被不断的发掘与应用。然而，评价组织工程修复效果的方法学仍停留在组织（群体）层面。因而样本中的细胞异质性信息常常丢失，从而大大限制了人们对修复过程以及疾病发生发展过程的了解。.单细胞RNA测序（scRNA-seq）可以实现对组织样本实现单个细胞分辨率的检测，在生物学领域已经得到了广泛的应用。基于单细胞RNA测序分析方法，研究人员可以比群体分析的方法更深入地了解有限数量的样本，挖掘内在的异质性，不同的细胞命运，未来的发展趋势等等信息。在本项目中我们针对兔软骨组织工程再生修复的场景，用scRNA-seq技术分析两种不同情况下的再生组织再生过程案例。结合生物信息学方法，我们发现了两个案例中分别具有不同基因表达模式的细胞亚群，并模拟重构了正常组织工程种子细胞到修复组织细胞的分化转化过程，揭示了健康组织和修复组织样本的详细差异，以及同一样本内不同细胞在未来不同的命运分化方向。总的来说，本项目的研究揭示了单细胞转录组技术在组织工程中以更高的分辨率精细化分析再生或病理组织样品的广阔前景。