针对上述问题，神户大学Koji Nagahama研究团队受体内肌肉剧烈收缩时可产生持续、高幅机械应力这一现象启发，提出“无配体共价整合素锁定”策略，设计出一种可原位注射的 alginate-DBCO 水凝胶。该材料利用糖代谢工程在移植的人骨骼肌卫星细胞（HskMSCs）表面引入叠氮基团，并与 alginate-DBCO 发生生物正交点击反应，形成稳定、不可逆的共价键，使整合素 β3 与凝胶网络“始终在线”。由此，体内肌肉收缩产生的拉伸/剪切应力可被迅速、可靠地经整合素-肌动蛋白-核纤层 A/C 轴直接传递至细胞核，10 分钟内即诱导 YAP 核转位并激活 MyoD1 表达，实现无需生化诱导因子的肌源性分化。小鼠股骨肌缺损实验显示，该水凝胶可在 14 天内使肌力恢复至健侧 90%，肌纤维重建率达 96%，显著优于传统 RGD 配体凝胶及 Matrigel。该研究首次将“共价机械接口”概念引入活体组织工程，为骨骼肌、心肌、肌腱等持续受力组织的再生提供了可编程、高效且生物安全的力学调控平台。该文章于2025年10月15日以《In vivo mechano-tissue engineering by hydrogels capable of transmitting intercellular mechanical stress》为题发表于《Nature Communications》（DOI：10.1038/s41467-025-64656-9）。

图1.该系统聚焦于整合素作为接受海藻酸盐机械应力的细胞元素，连接整合素与核层的肌动蛋白丝使机械应力能够通过细胞质传递到细胞核。

（1）无配体共价整合素连接水凝胶的设计、制备与表征

通过代谢糖工程在HskMSCs表面引入叠氮基团（图2a），Ac4ManNAz处理12、24、48 h后单细胞叠氮量分别为2.1×10¹⁰、2.6×10¹⁰、3.1×10¹⁰。叠氮标记的HskMSCs与Alg-DBCO10（每分子10个DBCO，流体力学半径1480 nm）发生点击反应，细胞膜出现Cy3-DiO共定位黄色荧光（图2b）。将2×10⁶个含不同叠氮量的细胞与2 % Alg-DBCO10混合，均可形成水凝胶，凝胶时间缩短、储能模量G’升高与叠氮量正相关（Fig. 2c-d），且细胞存活率约95 %（Fig. 2e-f）。shRNA敲低ITGB3后，叠氮引入量降至1.8×10¹⁰，证实叠氮主要修饰整合素β3。由此构建出三种整合素β3-水凝胶共价连接密度不同的无配体凝胶体系，并以无DBCO的alginate为对照。

图2 F/R凝胶的表征。（a）HskMSC-叠氮与Alg-DBCO10点击反应构建水凝胶示意图；（b）DiO标记N3(+)HskMSC与Cy3-Alg-DBCO10共孵育的CLSM图像（绿：DiO，红：Cy3；比例尺50 μm；n=2）；（c）不同叠氮密度组凝胶化时间（n=3）；（d）对应组凝胶平台储能模量G’（n=3）；（e）活/死染色CLSM图像（绿：calcein-AM，红：PI；比例尺100 μm）；（f）定量细胞存活率（n=3）；（g）对照与shRNA ITGB3敲低组整合素β3及α-tubulin免疫印迹（n=2）。

（2）在配体无共价整合蛋白连接水凝胶中，机械应力快速且稳定地传递到核内

10 min外压下，无共价连接对照核保持圆形（图3a-b；连接点=0），Alg-RGD50非共价组亦未出现核扁平（图3c-d），而叠氮量2.1×10¹⁰、2.6×10¹⁰、3.1×10¹⁰的共价凝胶核扁平度依次增加（图3a-b）。ITGB3敲低或cytochalasin D抑制肌动蛋白聚合后，再施加压力核仍呈圆形（图3e-h）；LMNA敲低（表达≈30%，图3i）虽保留3.1×10¹⁰叠氮量，核亦不扁平（图3j-k）。综上，应力经共价整合素β3→肌动蛋白→核纤层A/C路径传递，方引起核形态显著改变。

图3 核形态量化结果。（a）不同叠氮密度共价凝胶±10 min压缩的DAPI核形CLSM图（比例尺10 µm）；（b）对应NSI统计（n=5）；（c-d）Alg-RGD50非共价凝胶±压缩核CLSM及NSI；（e-f）ITGB3敲低后±压缩核CLSM及NSI；（g-h）cytochalasin D抑制肌动蛋白±压缩核CLSM及NSI（叠氮0 vs 3.1×10¹⁰）；（i）LMNA敲低免疫印迹；（j-k）LMNA敲低±压缩核CLSM及NSI。

（3）机械传递到细胞核会引发细胞再生反应

10 min外压仅使3.1×10¹⁰共价凝胶YAP核定位率由≈40%升至≈70%，Alg-RGD50、ITGB3或LMNA敲低组均维持≈40%（图4a-f；Supplementary Fig. 20,22）。importazole抑制importin不改变YAP入核（图4g-h），70 kDa葡聚糖-FITC核内信号同步升高（图4i-j），提示核孔形变驱动。5天周期性拉伸后，3.1×10¹⁰组MyoD1蛋白及MYOD1 mRNA表达显著上调，ITGB3或LMNA敲低则抑制该效应（图5a-h）。

图4 YAP核定位机制。（a-b）10 min应力后，仅3.1×10¹⁰共价凝胶YAP核/质比升至≈0.7，其余组≈0.4（n=5）。（c-d）Alg-RGD50非共价组维持≈0.4。（e-f）LMNA敲低组阻断应力诱导的YAP入核。（g-h）importazole抑制importin不改变YAP核定位。（i-j）70 kDa FITC-葡聚糖核内信号在应力下显著升高。

图5 成肌分化响应。（a-b）仅3.1×10¹⁰共价凝胶在应力下MyoD1荧光强度与MYOD1 mRNA显著上调（n=10/3）。（c-d）应力与否对比显示MYOD1表达差异。（e-f）ITGB3敲低阻断应力诱导的MyoD1升高。（g-h）LMNA敲低同样抑制MyoD1表达。

（4）无配体共价整合蛋白连接水凝胶的再生能力

小鼠后肢缺损模型注入含2×10⁶ DiI-HskMSC、叠氮密度递增的Alg-DBCO10水凝胶，14天后3.1×10¹⁰组肌力恢复至健侧90%，肌重量96 mg、再生率96%，肌纤维面积与正常相当且胶原<5%，DiI⁺肌纤维>94%（图6A-e；图7a-b；Supplementary Fig. 25-26）。坐骨神经切断模型中同一凝胶30天无肌力恢复（Supplementary Fig. 28）。Alg-RGD50对照组肌力恢复低、胶原增多（图8a-d）。

图6 体内骨骼肌再生。（a）14天肌力恢复率：3.1×10¹⁰组≈90%，其余<60%（n=3）。（b）DiI标记+HE/Masson染色CLSM。（c）肌纤维面积占比：3.1×10¹⁰组≈正常96%，对照<20%。（d）单根肌纤维截面积与正常相当。（e）胶原沉积面积：3.1×10¹⁰组≈正常5%，对照>35%。

图7 再生肌纤维结构：14天纵向切片示3.1×1010共价凝胶DiO+肌纤维与phalloidin（a）及MYH3（b）共定位，肌节排列与正常类似，比例尺50 µm。

图8 与RGD对照比较。（a）14天肌力恢复：Alg-DBCO10组≈90%，Alg-RGD50组<55%（n=3）。（b）DiI标记CLSM全景。（c）肌纤维面积：Alg-DBCO10组≈正常96%，Alg-RGD50组<45%。（d）胶原沉积：Alg-RGD50组>35%，Alg-DBCO10组≈5%。

（5）无配体共价整合蛋白连接水凝胶作为有前景的组织工程技术的有效性

14天对比：3.1×10¹⁰共价凝胶肌力恢复、肌纤维面积及胶原沉积均优于Matrigel，后者未检出MYH3；血液指标均在正常范围（图9）。

图9 血液生化指标：术后14天实验组与正常小鼠参考值（黄色带）差异无统计学意义（n=3）。