細胞培養(yǎng)肉是近十年來細胞生物學和組織工程等學科交叉的新領域。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技術，創(chuàng)造出微觀結構上高度仿生的人造肌肉組織。

2022年5月30日，清華大學醫(yī)學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）”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，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構建

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天內可高效擴增至20倍。同時，微載體的立體多孔結構，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地與傳統(tǒng)的食品豬肉丸相當，而其蛋白質含量更高，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，結合攪拌式生物反應器，可在體外高效、規(guī)?；瘮U增肌肉和脂肪祖細胞，并誘導其分化和成熟。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。該技術可服務于肉糜型細胞培養(yǎng)肉和肌肉再生等多種組織工程應用場景。

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

原文鏈接

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

來源：清華大學