朱伟教授团队在PNAS发表论文：冷冻硅化实现哺乳动物细胞功能的跨代非遗传性延续

 近日，华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授联合北京化工大学材料科学与工程学院教授郭佶慜教授，新墨西哥大学C.Jeffrey Brinker教授在国际期刊《美国科学院院刊》（PNAS）上在线发表题目为 “Cryogenic silicification enables nongenetic functional continuity across mammalian cell generations”的研究论文。华南理工大学生物科学与工程学院博士生曹江帆和阮婷为共同第一作者，朱伟教授、郭佶慜教授和C. Jeffrey Brinker教授为共同通讯作者。

 哺乳动物细胞具有高度柔性的结构特征，缺乏类似细菌、植物和硅藻等天然细胞的刚性保护层，使其在机械扰动和非生理环境下容易受到损伤，限制了其在复杂条件下的操作与功能应用。受天然硅藻的启发，本研究提出了一种低温诱导硅化策略，突破传统细胞人工壳层主要依赖细胞表面沉积、难以实现结构深度融合的限制，在活体哺乳动物细胞内外构建连续二氧化硅网络，形成新型二氧化硅-细胞杂合体（Silicacytes）。

 该体系在保持细胞活性和增殖能力的同时，赋予细胞增强的力学稳定性和环境耐受能力。进一步研究发现，Silicacytes所产生的功能强化并非依赖遗传改变，而是在细胞分裂过程中伴随硅结构逐步分配，实现跨多个细胞世代的功能延续，揭示了一种材料介导的非遗传功能传递模式。该研究首次展示了人工材料可在不改变细胞遗传身份的情况下赋予细胞一种可传递、可消退的功能状态，为理解材料如何塑造生命系统行为提供了新的视角。

图1. 冷冻诱导硅化构建Silicacytes及其跨代功能调控示意图

 Silicacytes的形貌结构特征显示：在保持细胞活性的同时，硅元素可在单细胞尺度实现细胞内外空间整合，形成与细胞结构高度耦合的连续无机网络结构；ICP-OES定量分析进一步证实了无机硅元素在细胞尺度上的有效硅负载。

 图2. Silicacytes的构建及无机硅网络结构表征

 力学与行为分析表明，Silicacytes获得了区别于天然哺乳动物细胞的新型物理表型。随着硅网络整合程度提高，Silicacytes表现出增强的细胞刚度、降低的界面黏附以及受调控的增殖和迁移行为。细胞骨架取向分析进一步显示，Silicacytes中F-actin组织方式发生明显重构，揭示了无机结构整合能够通过调节细胞力学状态影响其功能行为。

 图3. Silicacytes力学增强与细胞骨架重排

 机制研究进一步揭示，Silicacytes能够通过调节细胞骨架重构和分子信号响应改变细胞功能状态。硅化后细胞的F-actin组织方式、黏着斑形成以及细胞铺展行为发生系统性变化，同时伴随MAPK、细胞迁移及应激相关通路的重新调控。该结果表明，人工构建的Silicacytes可通过材料-细胞力学耦联作用，实现对细胞从结构行为水平和分子通路水平的协同调节。

 图4. Silicacytes调控细胞黏附和分子响应机制

 值得注意的是，硅化诱导产生的功能增强能够跨越多个细胞世代持续存在。研究人员通过连续传代实验发现，随着细胞不断分裂，硅结构会逐渐在子代细胞之间重新分配并被稀释，但由硅化产生的增强表型仍能够在早期细胞世代中保持；随着硅含量逐渐降低，细胞增殖、迁移以及环境耐受能力逐步恢复至未处理状态。这一结果证明，外源材料能够在不改变遗传信息的情况下，使哺乳动物细胞获得具有时间限制的“类遗传”功能连续性，拓展了传统遗传继承之外细胞功能调控的新维度。

 图5. Silicacytes跨细胞世代的功能延续及逐渐恢复过程

 进一步研究表明，Silicacytes策略具有良好的细胞类型适用性。将该体系拓展至骨髓来源树突状细胞（BMDC）后，硅化细胞仍保持较高活性，并表现出调控免疫细胞功能状态的能力。功能分析显示，Silicacytes可影响树突状细胞激活相关表型及免疫响应特征，表明人工无机结构不仅能够增强细胞结构稳定性，还可进一步参与功能细胞状态调节。该结果证明，Silicacytes并非局限于单一细胞模型，而是一种具有广泛适用性的细胞强化策略，为免疫细胞工程及其他功能细胞调控体系的发展提供了新的可能。

 图6. 冷冻硅化策略在多种细胞系上的普适性验证

 该研究的亮点包括：（1）提出冷冻诱导原位硅化策略，构建二氧化硅-细胞杂合体系。通过在活体哺乳动物细胞内外引入连续分布的二氧化硅网络，实现无机材料与细胞结构的深度融合，形成具有增强力学稳定性和环境耐受能力的Silicacytes。（2）首次揭示材料介导的非遗传功能延续现象。研究发现，外源二氧化硅结构能够随细胞分裂过程逐步传递，使Silicacytes在多个细胞世代中维持增强的结构稳定性和应激耐受能力，建立了一种区别于遗传信息传递的功能延续模式。（3）建立可逆、时间受限的细胞功能强化模式。该材料介导的功能增强并非永久改变细胞状态，而是随着二氧化硅结构逐渐稀释而恢复至初始水平，实现了细胞功能强化的动态调控，为发展新型适应性细胞工程策略提供了新的思路。

 本研究得到国家自然科学基金（22372061 和 22572061）、广东省科技计划项目（2024B1111130002）、广州市科技计划项目（编号：2024A03J0163）以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。