关节软骨的退变会给患者带来严重的疼痛,会导致生活质量下降和劳动力丧失等,其对全球老龄人群的危害逐年上升。由于成年人关节软骨细胞再生能力低下、数量有限,寻找新的功能性软骨细胞来源成为关节软骨再生的关键。利用容易获取的成纤维细胞直接重编程（转分化）为软骨细胞,是一种快速、有效的再生手段。目前,已有科学家通过病毒过表达特定转录因子,成功诱导成纤维细胞成软骨细胞。然而,该方法不可避免的缺点包括:肿瘤生成、基因组突变、操作复杂等,为其临床应用带来了风险。小分子药物易于储存、运输,且容易扩散进入细胞,不完全依赖于递送载体。利用小分子药物组合调控细胞命运,是一种方便、安全的方法,更具应用前景。但是,利用小分子药物诱导生成关节软骨细胞的方法,目前尚待开发。为解决软骨细胞来源问题,在本研究中,我们通过筛选小分子药物组合的方法,建立成纤维细胞向软骨细胞转分化的诱导体系;利用三维培养技术,诱导成纤维细胞形成软骨细胞团;利用高通量单细胞测序技术,解析成纤维-软骨细胞重编程多时间点的细胞表型动态变化,探究这一复杂过程的分子机制;通过体内关节软骨修复模型,验证化学诱导软骨细胞的体内再生功能。我们的发现包括:1)组合式筛选获得小分子化合物组合VCRTc,VPA（组蛋白去乙酰化酶抑制剂）、CHIR-98014（糖原合酶激酶3抑制剂）、Repsox（转化生长因子β通路抑制剂）、TTNPB（视黄酸受体激动剂）和Celecoxib（环氧合酶2抑制剂）5种小分子化合物组合,可实现成纤维-软骨细胞化学重编程;2)成功建立化学诱导软骨细胞团三维培养体系,显著提升诱导效率,使软骨标志物表达阳性率超过20%;3)单细胞转录组检测系统性解析成纤维-软骨细胞重编程多时间点细胞表型动态变化,发现了化学诱导软骨细胞和关节软骨细胞的相似性,其重编程过程与胚胎软骨发育具有相似性;4)通过进一步探究分子机制,发现重编程早期成纤维表型受到抑制而软骨发育信号通路激活,成纤维细胞转化为软骨前体细胞;5)体内软骨缺损模型的修复,展示了化学诱导软骨细胞团可改善关节表面软骨再生,使力学功能恢复至正常情况的60%左右。综上,我们通过建立成纤维-软骨细胞化学重编程系统,成功诱导出具有体内修复功能的关节软骨细胞,并利用单细胞测序解析其转化动态细胞图谱和分子机制。该研究为软骨再生的种子细胞制备提供了新的方案,为软骨原位抗纤维化治疗提供了潜在靶点,也为化学重编程的复杂分子机制研究提供了理论依据。