細胞培養(yǎng)肉是近十年來細胞生物學(xué)和組織工程等學(xué)科交叉的新領(lǐng)域。以動物肌肉細胞為來源的培養(yǎng)肉，旨在解決傳統(tǒng)畜牧業(yè)空間和能源耗費巨大、不環(huán)保的弊端。細胞培養(yǎng)肉的技術(shù)難點在于如何在體外大規(guī)模擴增肌肉和脂肪祖細胞，并誘導(dǎo)其朝著成熟細胞的方向高效分化；以及如何運用組織工程學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造出微觀結(jié)構(gòu)上高度仿生的人造肌肉組織。

2022年5月30日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院杜亞楠教授課題組在Biomaterials（《生物材料》）雜志發(fā)表了題為“Engineered meatballs via scalable skeletal muscle cell expansion and modular micro-tissue assembly using porous gelatin micro-carriers（多孔明膠微載體大規(guī)模擴增肌肉細胞及模塊化生物組裝的人造肉球技術(shù)）”的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)，在可食用的多孔明膠微型生物支架（微載體）上，肌肉和脂肪祖細胞可快速擴增并分化成熟；進一步利用生物組裝技術(shù)，可將肌肉和脂肪微組織原料聚合成數(shù)厘米大小的人造肉丸。

圖1. 從細胞的規(guī)?；瘮U增到人造肉丸的組織工程學(xué)構(gòu)建

研究人員發(fā)現(xiàn)，多孔明膠微載體是一種優(yōu)秀的細胞3D培養(yǎng)微型支架。在攪拌式生物反應(yīng)器中，生長在多孔明膠微載體上的豬原代肌肉星形細胞（即豬骨骼肌干細胞）和C2C12小鼠成肌細胞，7天內(nèi)可高效擴增至20倍。同時，微載體的立體多孔結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的2D細胞培養(yǎng)瓶更加節(jié)省培養(yǎng)基的用量，從而降低了人造肉丸的成本。有趣的是，在無需添加傳統(tǒng)的肌肉分化誘導(dǎo)成分（如馬血清）的培養(yǎng)條件下，骨骼肌干細胞會自發(fā)地朝著成熟肌肉細胞方向進行分化，并合成肌球蛋白重鏈（該蛋白的表達標志著肌肉細胞的分化和成熟）。另外，利用3D打印的肉球模具和一種食品添加劑谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（作為肌肉組織的交聯(lián)劑），可將幾百微米左右的豬肌肉微組織組裝成數(shù)厘米大小的人造豬肉丸。該人造豬肉丸的軟硬質(zhì)地與傳統(tǒng)的食品豬肉丸相當，而其蛋白質(zhì)含量更高，脂肪含量更低。

圖2. 細胞培養(yǎng)豬肉制品在烹飪之前（a，c）和之后（b,d）的形態(tài)，以及與天然豬肉制作的食用豬肉丸（獅子頭）的硬度(e)和營養(yǎng)成分(f)對比

多孔明膠微載體也支持3T3L1小鼠脂肪前體細胞的擴增及進一步分化，10天內(nèi)可發(fā)育成富含脂肪滴的脂肪細胞。將3T3L1脂肪微組織按一定的比例與C2C12肌肉微組織進行模塊化生物組裝，可進一步創(chuàng)造出“肥瘦相間”的人造肉丸 。

圖3. 生物組裝小鼠肌肉和脂肪微組織形成的“肥瘦相間”人造肉丸

綜上，本研究顯示，利用可食用的多孔明膠微載體，結(jié)合攪拌式生物反應(yīng)器，可在體外高效、規(guī)?；瘮U增肌肉和脂肪祖細胞，并誘導(dǎo)其分化和成熟。隨后，將收獲的成熟肌肉和脂肪微組織，在3D打印的肉丸模具中，以一定比例組裝成“肥瘦相間”的人造肉丸。該技術(shù)可服務(wù)于肉糜型細胞培養(yǎng)肉和肌肉再生等多種組織工程應(yīng)用場景。

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院杜亞楠教授為該文章的通訊作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后劉燁為論文的第一作者。文中應(yīng)用的多孔明膠微載體和攪拌式生物反應(yīng)器基于北京華龕生物科技有限公司相關(guān)商業(yè)化產(chǎn)品；豬原代肌肉星形細胞來自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁世杰副教授的贈與。該研究得到了國家杰出青年科學(xué)基金（82125018）, 中國博士后科學(xué)基金站前特別資助（043220062）的支持。

原文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121615

來源：清華大學(xué)