摘要：在再生医学领域，如何让移植细胞高效响应体内信号、实现组织修复一直是研究热点。近日，发表于《Nature Communications》的研究（DOI: 10.1038/s41467-025-64656-9）给出了突破性答案 —— 研发团队通过 “无配体共价整合
在再生医学领域，如何让移植细胞高效响应体内信号、实现组织修复一直是研究热点。近日，发表于《Nature Communications》的研究（DOI: 10.1038/s41467-025-64656-9）给出了突破性答案 —— 研发团队通过 “无配体共价整合素连接水凝胶”，让移植细胞精准捕捉体内机械力信号，实现了骨骼肌组织的高效再生。这一技术不仅颠覆了传统组织工程思路，更为肌肉、心脏、软骨等“动态受力组织”的修复开辟了新路径。
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一、传统组织工程的“痛点”：机械力信号传不进细胞
机械生物学（Mechanobiology）：细胞能通过“机械传感器”感知外界机械力（如肌肉收缩的拉力、骨骼承受的压力），并将其转化为生化信号，调控分化、增殖等再生行为，该过程被称为“机械转导（Mechanotransduction）”。
在组织工程中，“水凝胶 + 干细胞”是常用方案：水凝胶作为支架包裹干细胞植入损伤部位，理论上能让细胞感受体内机械力以激发再生。但现实是，传统水凝胶的信号传递效率极低，问题出在两个关键环节：
1、依赖“整合素-配体”弱相互作用
整合素（细胞表面核心机械传感器）需通过配体（如 RGD 肽）与水凝胶结合才能传递力信号，但这种结合可逆 —— 当机械力超过 50 pN（如肌肉收缩一次的力），氢键、静电力就会断裂，信号传递直接“断联”。
2、受环境与细胞周期限制
细胞迁移、分裂时，整合素与配体的结合会自然断开；且整合素依赖钙离子激活，一旦体内钙浓度不足，信号传递也会“失灵”。
研究团队观察到：传统水凝胶修复骨骼肌时，骨分化效率低、血管网络稀疏，再生组织质量远不及正常组织。这意味着，若不能解决“力信号传递”的核心问题，组织工程的临床应用将始终受限。
二、颠覆性设计：用“共价键”让信号传递“永不掉线”
为突破瓶颈，研究团队提出“无配体共价连接”新思路—— 跳过配体，让细胞的整合素与水凝胶直接通过“不可逆共价键”结合，确保信号传递始终处于 “ON 状态”。具体实现分三步：
1. 给整合素“装接口”：糖代谢工程引入叠氮基团
整合素表面富含唾液酸（一种糖链），团队利用糖代谢工程技术，让干细胞在含 Ac₄ManNAz 的培养基中培养 —— 细胞会将 Ac₄ManNAz 代谢为含叠氮基团（-N₃）的唾液酸，并整合到整合素上，为整合素装上“专属连接接口”。
2. 给水凝胶“配插头”：修饰环辛炔（DBCO）基团
选择生物相容性极佳的海藻酸盐（Alginate）作为水凝胶基材（机械刚性接近软组织），通过化学反应在海藻酸盐分子上修饰环辛炔（DBCO）基团。DBCO 能与叠氮基团发生 “生物正交点击反应”，且反应无需催化剂、不影响细胞活性。
3. 一键“焊接”：形成稳定共价键
当含叠氮基团的干细胞与 DBCO 修饰的海藻酸盐混合时，-N₃与 DBCO 会快速反应，在整合素与水凝胶间形成不可逆共价键。这种连接不受机械力强度、细胞周期、钙离子浓度影响，力信号传递从此“永不掉线”。
三、关键验证：力信号如何直达细胞核，激活再生？
研究团队以“骨骼肌再生”为模型（骨骼肌需承受高频机械力，修复难度大），开展系列实验，核心结论如下：
1. 力信号 10 分钟直达细胞核，效率碾压传统方案
团队对水凝胶施加 10 分钟机械压迫（模拟肌肉收缩），通过“核形态指数（NSI）”量化细胞核变形程度（细胞核越扁，说明力信号传递越充分）：
传统水凝胶（整合素 - 配体结合）：细胞核始终呈圆形，力信号未传递到细胞核；
新型水凝胶（共价连接）：细胞核明显变扁，且叠氮基团越多（连接点越密集），核变形越显著。
这表明，共价连接能让力信号高效穿透水凝胶，直接作用于细胞核，而传统方案即使延长力作用时间，也无法实现这一效果。
2. 信号传递路径明确：整合素→肌动蛋白→核纤层
通过基因敲除实验，团队验证了三个关键节点：
整合素 β3（入口） ：敲除整合素 β3 基因后，细胞核不再变形，证明力信号需通过整合素 β3 进入细胞；
肌动蛋白（通道） ：用细胞松弛素 D 抑制肌动蛋白聚合后，信号传递中断，说明肌动蛋白纤维是细胞质内的 “力传导通道”；
核纤层 A/C（靶点） ：敲除核纤层 A/C 基因（支撑核膜的结构蛋白），细胞核无法变形，且再生相关蛋白（如 MyoD1）不表达，证明力信号最终通过核纤层调控细胞核功能。
3. 再生效率“质的飞跃”：10 分钟力信号激活 YAP 通路
力信号直达细胞核后，通过激活 YAP 通路激发再生：
传统方案：YAP 需通过细胞质内的生化级联反应激活，耗时数小时，核定位率仅 40%；
新型水凝胶（含 3.1×10¹⁰叠氮基团）：10 分钟机械力即可让核孔变形（通过葡聚糖 - FITC 示踪观察），YAP 直接进入细胞核，核定位率提升至 70%。
更重要的是，无需生化诱导剂，仅靠机械力就能启动肌肉分化：在无分化因子的培养基中，新型水凝胶（含 3.1×10¹⁰叠氮基团）经 5 天机械刺激后，肌肉分化关键基因 MYOD1 及其蛋白表达量显著上升。
四、体内实验：修复骨骼肌，再生率达 96%
在裸鼠 “重度骨骼肌缺损模型”（切除 100 mg 后肢骨骼肌，约占总肌肉量的 58%）中，实验结果显示：
1、功能恢复：肌肉力量达正常水平 90%
植入新型水凝胶 14 天后，小鼠受损后肢的肌肉力量恢复至术前 90%，而传统水凝胶组仅恢复 40%。
2、结构再生：肌纤维质量接近正常组织
组织切片显示：新型水凝胶修复的肌肉中，肌纤维占比达 90% 以上（传统组仅 20%），肌纤维横截面积与正常肌肉无显著差异，且无异常胶原沉积。
3、细胞来源明确：移植干细胞分化为肌纤维
用 DiI 标记移植的骨骼肌卫星细胞（HskMSCs），发现再生肌纤维中 DiI 阳性率超 94%，且肌动蛋白、肌球蛋白重链（MYH3）的排列与正常肌肉一致。
更关键的验证是：切断小鼠坐骨神经（阻止骨骼肌收缩，即切断机械力来源）后，新型水凝胶的再生效果立即下降，这直接证明其高再生效率的核心是 “高效利用体内机械力”。
五、临床潜力：安全、通用，不止于肌肉修复
这项技术的临床转化潜力显著：
1、生物安全性已验证
对植入水凝胶的小鼠进行血液检测，肝肾功能、电解质等 12 项指标均在正常范围，无炎症或毒性反应。
2、适用细胞类型广泛
叠氮基团可通过糖代谢工程引入间充质干细胞、iPS 细胞等多种细胞，意味着该技术可用于心脏（心肌收缩力）、软骨（关节压力）、皮肤（机械拉伸）等多种组织的修复。
3、可注射性提升临床便利性
水凝胶前体（含叠氮基团的细胞 + DBCO 修饰海藻酸盐）在体外是液体，注入体内后通过点击反应形成凝胶，无需开刀，适合微创治疗。
六、总结：机械力组织工程的 “未来已来”
该研究的核心突破，是重新定义了“水凝胶 - 细胞”的相互作用模式—— 从“依赖生化配体”转向“机械共价连接”，让组织工程真正实现“利用体内环境激发再生”。对科研而言，机械力是比生化因子更“精准”的再生调控信号，未来可进一步优化水凝胶的机械性能以匹配不同组织需求；对临床而言，其为肌肉萎缩、心肌梗死、软骨损伤等疾病提供了新方案，尤其对老年患者（体内生化因子分泌减少），机械力调控可能是更可靠的修复路径。
参考文献：
Ueda, N., et al. (2025). In vivo mechano-tissue engineering by hydrogels capable of transmitting intercellular mechanical stress. Nature Communications, 16(1), 8847.
来源：知识泥土六二三
