2026年，温州医科大学研究团队在期刊《Advanced Materials》（IF=29.1）上发表了题为“A Metabo-Reprogramming Niche Remodeling System Halts Osteoarthritis by Restoring the FGF21-Arginine Axis”的研究论文，利用全膝关节置换患者配对软骨样本开展单细胞测序，发现高精氨酸代谢软骨细胞亚群在骨关节炎中发生耗竭，锁定 FGF21-精氨酸代谢轴作为治疗靶点，并开发 MetaRemod 多功能可注射水凝胶递送系统，完成从临床组学发现、机制验证到材料体内药效的完整研究工作。

欧易生物为单细胞转录组测序及数据分析提供技术支持。

文章标题：A Metabo-Reprogramming Niche Remodeling System HaltsOsteoarthritis by Restoring the FGF21-Arginine Axis

发表期刊：Advanced Materials

影响因子：29.1

涉及的欧易生物服务产品：单细胞转录组测序

Scheme1 研究总示意图

本研究完整的研究思路见总示意图，下面分层解析关键实验结果：

研究采集接受全膝关节置换手术的 OA 患者同一膝关节配对软骨样本，以内侧髁重度磨损组织作为病变组、外侧髁轻度损伤组织作为自身对照，开展10×单细胞转录组测序。通过细胞分群与亚群功能解析，结合 scMetabolism 工具系统评估各软骨细胞亚群的代谢通路活性，并联合 WB、qPCR、生化检测，从基因、蛋白、代谢物多维度验证组织表达差异。测序及实验结果显示，人体 OA 病变软骨中存在特异性高表达软骨基质与精氨酸合成基因的 Cluster11 软骨细胞亚群，且该功能亚群在退变软骨中显著耗竭。同时， OA 软骨组织整体精氨酸代谢通路活性明显受抑，精氨酸合成关键酶 ASS1、ASL 表达降低，组织精氨酸含量下降，最终导致软骨合成相关基因下调、基质降解基因异常上调，明确了精氨酸代谢紊乱是驱动 OA 软骨退变的关键因素。

图1 人软骨细胞的单细胞测序分析

二、多组学筛选FGF21为精氨酸代谢上游调控分子

研究体外构建 IL-1β 诱导的 OA 软骨细胞损伤模型，设置正常对照组、 OA 模型组与 FGF21 干预组，通过 Bulk RNA 测序、无标记定量蛋白质组、细胞及上清非靶向代谢组开展多组学联合分析，系统筛选差异基因、差异蛋白与差异代谢物，并完成通路富集及相关性分析。多组学结果表明，FGF21 在 OA 损伤软骨细胞中显著低表达，且其表达水平与精氨酸代谢通路基因呈显著正相关。外源性补充 FGF21 可有效激活 OA 软骨细胞的精氨酸合成通路，提升胞内及胞外L-精氨酸含量，同时上调Ⅱ型胶原、聚集蛋白聚糖等软骨合成标志物，抑制 MMP13、ADAMTS5 基质降解酶及 IL-6、TNF-α 促炎因子表达，可以显著改善 OA 软骨细胞的损伤表型。

图2 FGF21调控OA软骨细胞的多组学分析

三、细胞与人软骨外植体验证FGF21-ASS1-精氨酸调控轴

研究通过 siRNA 技术敲低软骨细胞精氨酸合成限速酶 ASS1 并设置阴性对照，给予 FGF21 干预后，全面检测软骨细胞基质合成、降解、炎症、凋亡、迁移等功能表型；同时构建临床人 OA 软骨外植体离体培养体系，施加 FGF21 干预，从组织层面验证分子与代谢物的表达变化。细胞及离体实验结果显示，敲低 ASS1 后，FGF21 对软骨细胞的基质保护、抗炎、抗凋亡及促修复作用显著削弱；人软骨外植体实验进一步证实，FGF21 可有效激活 ASS1-ASL 通路、提升组织精氨酸含量，修复软骨细胞稳态，明确了 FGF21 通过调控 ASS1 介导的精氨酸生物合成发挥软骨保护作用，确立核心 FGF21-ASS1-精氨酸功能调控轴。

图3 ASS1 敲低及人软骨外植体验证 FGF21-精氨酸-OA 治疗轴

四、MetaRemod 多功能水凝胶系统的构建与理化表征

研究制备软骨细胞膜包裹 FGF21 的 CM-FGF21 靶向纳米颗粒，合成PB普鲁士蓝纳米酶，并搭建 HA-PBA-PVA（HPP）ROS 响应可注射水凝胶，成功组装 MetaRemod 复合递送系统。通过 DLS 粒径电位检测、电镜形貌观察、XRD 晶体分析、流变测试、自由基清除及 ROS 响应释药等多项材料学表征验证体系性能。结果证实，CM-FGF21 可依托细胞膜同源识别特性实现软骨细胞精准靶向；PB 纳米酶具备优异的 ROS 清除能力，可调控巨噬细胞向 M2 抗炎表型极化，有效改善关节炎症微环境；HPP 水凝胶拥有良好的可注射性与机械性能，能够响应 OA 高 ROS 病理微环境，实现 FGF21 按需可控释放。整套三位一体的多功能递送系统性能稳定、优势互补，为后续细胞及动物实验的疗效验证提供了可靠的材料支撑。

图4 CM-FGF21/PB@HPP水凝胶的构建与理化表征

五、体外细胞层面评估 MetaRemod对OA软骨细胞修复效果

采用 IL-1β 构建体外 OA 软骨细胞损伤模型，设置空白水凝胶、游离FGF21、CM-FGF21及完整 MetaRemod 系统进行分组干预。通过细胞增殖、划痕愈合、Transwell 迁移实验评价细胞修复能力，结合鬼笔环肽染色观察细胞骨架结构，并利用番红O、甲苯胺蓝染色检测细胞外基质合成情况。结果表明，相较于其余组别，MetaRemod 可显著改善 OA 软骨细胞的增殖、迁移能力，修复受损断裂的 F-actin 细胞骨架，使损伤细胞恢复正常形态；同时能够显著提升蛋白聚糖与 GAG 合成水平，有效缓解 OA 诱导的软骨基质流失，体外修复效果最优。

图5 MetaRemod 水凝胶的体外软骨细胞修复效果

六、DMM 动物模型评价 MetaRemod 体内治疗药效

研究通过DMM手术构建小鼠创伤性骨关节炎体内模型，对各组小鼠膝关节腔持续3个月注射不同制剂进行干预。通过足迹步态实验评估小鼠疼痛与运动功能，借助Micro-CT、X-ray、MRI观测关节病理结构改变，结合膝关节组织HE、番红O-固绿、甲苯胺蓝染色及OARSI软骨评分、滑膜炎评分，联合免疫组化检测软骨合成、分解标志物的蛋白表达水平。体内动物实验结果显示，MetaRemod可有效缓解 OA 小鼠关节疼痛、恢复肢体运动功能，改善软骨下骨骨小梁结构、提升骨密度，抑制骨赘增生、减轻骨髓水肿与关节积液；同时可显著保留软骨完整结构、减少蛋白聚糖流失、缓解滑膜炎，上调软骨合成蛋白、下调基质降解蛋白，重塑软骨代谢平衡，有效延缓骨关节炎病理进展。

图 6 MetaRemod 水凝胶体内抑制骨关节炎进展

七、单细胞测序验证 MetaRemod 可重建高精氨酸代谢软骨细胞亚群

研究分别收集MetaRemod治疗组与未治疗 OA 模型组小鼠膝关节软骨，开展10×单细胞转录组测序，解析各组软骨细胞亚群组成与代谢通路活性变化，同时结合WB、qPCR、精氨酸生化检测验证组织分子与代谢物表达差异。体内单细胞测序结果显示，MetaRemod干预可有效恢复 OA 小鼠体内耗竭的高精氨酸代谢软骨细胞亚群，该亚群具备良好的细胞分化潜能；同时显著激活软骨组织精氨酸生物合成通路，上调ASS1、ASL表达，提升组织精氨酸含量，从单细胞层面证实该递送系统可有效逆转 OA 核心的精氨酸代谢缺陷。

图7 小鼠软骨单细胞测序解析 MetaRemod 的体内作用机制

八、阐明FGF21调控精氨酸代谢的胞内信号通路

研究结合人、小鼠单细胞转录组数据，利用KEGG富集及AUCell通路活性打分，筛选FGF21 下游候选信号通路。进一步通过KLB敲低、MAPK通路抑制剂U0126干预软骨细胞并给予FGF21刺激，检测通路分子、精氨酸含量及软骨细胞功能表型。结果表明，OA 状态下软骨细胞 MAPK-ERK通路活性受到明显抑制，FGF21处理能够激活该通路；当敲低KLB或阻断MAPK通路后，FGF21促进ASS1表达、提升精氨酸合成以及保护软骨基质的效应基本消失，由此证实FGF21通过FGFR/KLB-ERK/MAPK-c-Myc信号轴调控软骨细胞精氨酸代谢，揭示其软骨保护作用的分子机制。

图8 FGF21下游信号通路解析

研究结论

本研究利用 OA 患者配对软骨样本开展单细胞测序，鉴定出病变软骨中耗竭的高精氨酸代谢软骨细胞亚群，确立 FGF21-精氨酸代谢轴为骨关节炎关键治疗靶点。研究证实 FGF21 依赖 ASS1 介导的精氨酸合成，经由 FGFR/KLB-ERK/MAPK-c-Myc 信号轴发挥软骨保护效应；基于该机制构建 MetaRemod ROS 响应可注射水凝胶，凭借软骨靶向、ROS 清除抗炎及代谢重编程的协同作用，在细胞与 DMM 动物模型中恢复高精氨酸代谢软骨亚群，改善软骨基质损伤，有效抑制 OA 进展。该研究实现从临床组学发现、机制验证到材料开发的完整研究闭环，区别于传统单纯抗炎策略，为研发靶向软骨代谢重编程的 DMOAD 类药物提供理论基础与候选方案。

参考文献

Pan H, Zhu H, Huang S, et al. A Metabo-Reprogramming Niche Remodeling System Halts Osteoarthritis by Restoring the FGF-21Arginine Axis[J]. Advanced Materials, 2026. DOI：10.1002/adma.74404