《科学》子刊研究制造出“六边战士”细胞，可促进软骨再生

▎药明康德内容团队编辑（来源：良渚实验室/浙江大学医学院）

适应环境是生命的基本技能。如，人类总能随着环境变化而做出自身改变，从而保证物种生息繁衍。着眼于微观世界，细胞——这种生命体的基本单元，也具备这一技能。

细胞适应（cell fitness）——细胞在特定环境中旺盛繁衍、发挥功能的能力。科学家惯于把有强适应性、生长更旺盛的细胞称为”winner cell”（赢家细胞）。反之，适应力较差、逐渐被环境淘汰的细胞称为“loser cell”（输家细胞）。

随着细胞治疗技术的快速发展，适应性在组织再生中受到更多关注。在细胞移植治疗中，更易在受者体内存活、发挥功能的细胞，也就是winner cell，是极好的“再生种子”。不过，实际应用中，细胞适应性并非越高越好。一方面，移植细胞需具备基本的适应能力，在陌生环境稳健存活；另一方面，考虑到过高的细胞适应与肿瘤发生相关，种子细胞的适应性在可控范围，最为理想。

▲研究示意图（图片来源：原始论文[1]）

为调控细胞适应性并构建这样的细胞，我们需先了解适应性的调控分子机制。然而，前人并未找到普适性的分子靶点；过表达某些基因（如Myc）或可提升细胞适应性，但同时带来的肿瘤发生的隐患。因此，欧阳宏伟课题组构建了更方便、安全、高效的化学编程策略，通过细胞适应性高内涵筛选模型，从两千多种化合物中找到一种可显著提升细胞适应性的分子FPH2，在代谢层面对细胞行为进行精细调控，避免了基因编辑的安全风险。研究选择人类软骨疾病模型作为应用场景。软骨细胞作为典型的低适应性、不可再生细胞，在FPH2化学编程后化身“六边形战士”，在不同任务环境中均具有更好表现。这也为软骨损伤修复和骨关节炎治疗带来了潜在治疗策略。该研究已于近日发表于Science Advances。

“细胞适应”的概念其实较为宽泛，不仅关系到细胞在特定环境的存活，还涉及其蛋白合成、代谢、及特定功能表型的方面。因此，对于细胞适应性调控方法的寻找，似乎也变得更加复杂。

有趣的是，团队恰巧在前期发现了一种能展现细胞适应性的模型——软骨细胞去分化模型。当软骨细胞被从关节中分离出，放至体外环境开始培养时，会表现出剧烈的“表型丧失”。随着时间加长，这种功能丧失变得不可逆，且伴随生长停滞。这与软骨细胞难以适应体外环境的特性相关。

▲细胞适应性药物的筛选策略（图片来源：原始论文[1]）

团队巧妙利用这一模型进行了高内涵筛选，并找到了一种化合物FPH2。令他们惊讶的是，FPH2不经在筛选模型中有效提升了软骨细胞表型，还在多种情境中表现出一系列的友好功能。首先，FPH2对软骨功能标志物表达的提升作用，在不同物种、年龄、环境中的软骨细胞上均适用。其次FPH2可显著提升细胞的代谢水平，生产更多功能性蛋白、并提供更多能量，以支持细胞适应各种情景的机能。第三，FPH2让软骨细胞具备更强的迁移活力，移植入体内的细胞可在新环境中，更快整合入受者，实现组织吻合。这些均说明，虽然人类软骨细胞的适应性原本较弱，FPH2却提升了其在不同场景中成为“适者赢家”的几率，造就出“六边形战士”的效果。

▲FPH2促进透明软骨形成、促进植入细胞在受者体内迁移（图片来源：原始论文[1]）

药物机理方面，团队发现，FPH2能在不损伤线粒体活力的情况下，抑制脂肪酸氧化限速酶: 肉碱棕榈酰转移酶1 (Carnitine palmitoyltransferase I, CPT1) 的活性，从而抑制脂酸氧化——这种对软骨细胞并不友好的代谢模式。软骨细胞在生理条件下以糖代谢而非脂代谢模式供能。应激情况下（如需要适应环境），脂质等物质也可作为能源供应细胞，但代价是这种模式易产生有害产物堆积。FPH2处理后，脂酸氧化被抑制，软骨细胞糖代谢代偿性激活；糖代谢比起脂代谢，在同等氧含量情况下更产生更多能量，为软骨细胞稳态维持提供更多的能源支撑；同时产生软骨细胞外基质糖胺多糖的前体代谢产物，为软骨细胞表型维持提供更多的原料基础。

此外，团队还发现，FPH2广泛性地改变了细胞内多种代谢产物的丰度。某些代谢产物的升高，包括甲硫腺苷（Methylthioadenosine，MTA）和亚精胺（Spermidine），能够从表观调控、蛋白翻译层面，调控细胞的整体状态。

相应的，团队发现，FPH2编程后的细胞，处于一种有趣的winner status。通过单细胞测序发现，编程后的细胞，含有更大量的具有更高转录、翻译活力的亚群。细胞内总体表达更加丰富的基因和蛋白含量。这些高表达的程序，大多与保守的细胞自我调节机制高度相关，这成为了一种潜在的适应性维持机制。试想，面对外界千变万化的环境，细胞该如何时刻保持有效适应？这种大量转录基因、翻译蛋白的状态，能够为细胞的自我调节和变化提供更多的可能性，类似于一种“饱和式救援”状态。细胞为了生存，而不断储备各种程序及功能元件。这些发现，都为细胞适应性的研究，提供了更多分子机制线索。

传统意义中对细胞适应性的观察主要针对细胞亚群的此消彼长，也就是细胞增殖速度差异带来的细胞竞争（cell competition）。然而，真实世界中，增殖快慢并不是决定细胞竞争力的唯一因素。细胞的蛋白翻译能力、代谢活跃性、自我调节能力等都非常重要。然而，后几种指标影响细胞适应性的研究还尚显缺乏。该研究，围绕细胞适应性，以细胞表型功能和再生潜力为主要表征指标，综合性解析了软骨细胞在化学编程后的多方面变化。不仅提供一种新的调控细胞适应性的工具，也揭示了一种基于化学编程的新细胞状态和相关的潜在调控机制。

成人软骨再生潜力差，难治性伤病影响全球超5亿人口。普通的软骨损伤，如不经过妥善治疗，也会带来不可逆性的关节功能减退，如造成骨关节炎等。软骨细胞（chondrocyte implantation）移植对青中年患者局限性软骨缺损具有一定的治愈效果。而该研究中发现，FPH2对老年软骨细胞潜在有效，且能提升这些细胞移植入体内后的再生功能、迁移活性等，这为软骨细胞移植的优化和推广增强了可能性。另一方面，研究者利用无细胞、负载FPH2的水凝胶直接涂抹于关节浅表缺损，发现其可延缓缺损恶化、维持软骨表型。这不仅可作为一种移植前组织微环境预调控策略，还提供了一种新的骨关节炎预防方法。考虑到FPH2作为小分子药物在转化应用中的优势（安全、低成本、易标准化等），该研究为组织再生种子细胞质控提供了新的观测指标，也为软骨再生提供了新的治疗策略。

良渚实验室/浙江大学欧阳宏伟教授为该文的通讯作者。浙江大学爱丁堡大学联合学院博士后陈奕姗为该文章的第一作者，浙江大学爱丁堡大学联合学院博士生颜伊阳为共同第一作者。