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《中国食品学报》特约文章推荐——组织工程技术在细胞培养肉上的应用进展
2023-01-12 15:44 新闻来源:中国食品科学技术学会 浏览人次:

本期介绍西安组织工程与再生医学研究所包立辉教授发表在《中国食品学报》第22卷第12期特约专栏(细胞培养肉专栏)上的文章《组织工程技术在细胞培养肉上的应用进展》。

随着全球人口的增长,蛋白质供需矛盾逐渐凸显,传统畜牧业作为目前主要的动物蛋白供应方式,在满足市场消费的同时,也带来了温室气体排放、资源过度消耗、环境污染、人畜共患病流行、动物福利等一系列全球性的问题。鉴于传统畜牧业目前的弊端,细胞培养肉作为一种更加清洁、可持续、公正和健康的新型肉类生产方式被越来越多地关注。


1. 细胞培养肉的发展简况

早在20世纪30年代,研究员已提出细胞培养肉的畅想。美国国家航天局(NASA)率先发起了细胞培养肉的研究项目,旨在为长距离太空航行提供肉类来源。2013年展出的细胞培养牛肉汉堡证明了这一想法的可行,细胞培养肉领域进入快速发展时期。


2. 基于组织工程技术的细胞工程肉构建

随着三维细胞培养技术和各种新型生物支架材料的发展,利用组织工程技术生产质量受控、无需饲养动物的肉类成为可能。实现这一切的前提是动物细胞的有效扩增,更加廉价的生物材料,不同细胞合理排列的组织工程以及注重营养价值和感官特性的技术开发。

2.1种子细胞

种子细胞的分离、培养及种子细胞库的建立是细胞培养肉必不可少的重要环节。骨骼肌卫星细胞是目前公认的细胞培养肉最适合的种子细胞来源,目前已形成成熟的培养策略,包括用于细胞分离的肌肉组织取样、肌肉组织处理方法和骨骼肌卫星细胞分离、原代细胞培养、细胞传代培养、肌肉分化和成熟、肌肉组织收获。然而,骨骼肌卫星细胞属于单能干细胞,分化方向单一,不能分化为骨骼肌以外的组织,并且在培养中很难保持其干性,经历一定次数的传代后很容易自发分化为肌管和更成熟的肌原纤维。

干细胞和诱导多能干细胞被认为是细胞培养肉的另一种子细胞来源。与肌肉卫星细胞不同的是:前者需在含有定向诱导分化剂的条件培养液作用下才能调动潜在的分化机制。因此,要寻找符合食品安全要求的干细胞分化诱导成分或者从植物中提取合适的天然成分以对其进行定向分化诱导。另外,由于涉及因子转录,诱导多能干细胞的安全性和在细胞培养肉大规模生产中的适用性尚未得到充分证实,因此在干细胞和诱导多能干细胞的成肌分化诱导过程中,非预期分化的可能性仍是需要重点关注的问题。

2.2基于微载体的细胞工程肉规模化培养策略

微载体细胞培养方式的本质是通过制备具有表面微结构的微球,为细胞黏附提供更多的表面积,而微载体本身可以在搅拌罐式生物反应器中实现悬浮,通过这种方式来提高细胞的增殖效率,同时微载体材料本身的生物相容性和机械特性也为细胞模拟出类似体内环境的体外扩增微环境。

2.3 基于无血清条件培养液的细胞外基质自分泌

在细胞培养肉的研发和生产中,无血清培养基比动物血清更加符合对食品安全以及细胞培养肉中涉及动物福利的要求。目前开发了用于多种细胞类型的无血清培养液和培养方法,这些培养液不含动物源成分,而是采用重组蛋白或植物来源蛋白,如酵母、大米、大豆和其它植物和微生物材料的水解物(酶解物或酸消化物),作为氨基酸、肽、维生素和微量元素的补充来源添加到培养液中,替代原来的动物成分和有食品安全争议的成分。

细胞外基质的产生改善了组织工程中种子细胞的黏附、迁移和增殖,并有助于种子细胞实现原生组织中的空间排布方式。然而,出于医疗或实验室研究目的的细胞外基质重塑策略,可能不适合细胞培养肉对规模化放大的要求。采用可食用、易于大规模制备的且低成本的原料构建生物支架来还原天然细胞外基质微环境,将成为解决这一问题的关键途径。

在3D支架材料上接种细胞是许多现有和假设细胞培养肉生物过程的关键步骤。支架材料对细胞间氧气和营养物质的转运及代谢产物的排出起着至关重要的作用,需要考虑支架材料对细胞的黏附性、生物相容性以及其本身的生物力学特性、机械强度和结构稳定性。组织培养支架材料控制着细胞培养肉生物质的外部几何形状和生物质内的细胞类型及分布,并对生物质的结构和质地产生直接影响。用于细胞培养肉的支架材料还面临着一系列的独有的限制,例如,为了满足细胞培养肉的食品属性和规模化生产的要求,应用在细胞培养肉中的支架材料在具备良好生物相容性的同时还需兼顾可食用、低成本及易批量制备等创新属性,这对新型材料的研发和原料的筛选工作带来更多的挑战。未来,细胞培养肉大块生物质的支架材料设计中,细胞代谢通道的设计或者成管腔细胞共培养体系的加入是值得深入探究的方向。

2.4 组织工程技术对细胞培养肉质构的改善应用

细胞培养肉在肉类特征的表型,包括在风味、外观、质地和营养价值方面正处在与传统肉无限接近漫长进程中的起点位置。尽管有研究在尝试使用脂肪组织补充肌肉组织,并增强蛋白质的生产,特别是肌红蛋白和肌球蛋白及肌动蛋白,然而,距离与传统肉具有类似质构和口感的细胞培养肉的产生还有很长的路要走。生物3D打印技术可以实现种子细胞在固化后的生物墨水中的有序空间排布,这种排布高度还原了原生组织的自然状态,因此,生物3D技术可以作为提升细胞培养肉质构和口感的有效途径。


3.  总结与展望

细胞培养肉作为一种替代动物蛋白质的新来源,它能够缓解传统肉类生产中的相关动物福利、环境和公共健康问题,包括温室气体排放,土地和水的使用,抗生素耐药性,食物传播人畜共患疾病等。然而,这项技术仍处于起步阶段,面临着技术完善和社会认知的挑战。在技术层面,细胞培养肉行业最需要解决的问题是降低成本,消除与传统肉类的价格障碍,这需要多学科领域共同研究来解决。在社会层面,最重要和最艰巨的挑战是实现消费者对养殖肉类的接受。这涵盖了食物吸引力的不同方面,如外观、味道、营养价值、质地、口感等。由于这种食物的新颖性,因此需要更多的研究来弥补这些方面的空白。

组织工程技术在再生医学领域被广泛研究和应用,已有多种源于组织工程技术的医疗器械产品进入成熟的批量生产阶段并造福于人类健康。由于细胞培养肉的食品属性与医疗器械产品的医用属性之间的固有差异,利用组织工程技术实现细胞培养肉的规模化量产还面临着诸多挑战,然而,随着国家有关部门对细胞培养肉监管政策法规的出台以及未来的市场消费需求,势必会成为组织工程技术在细胞培养肉领域广泛研究并应用的重要推动力。


原文链接:https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=YV8XNPF0VjKYHBbOWwTXxfn2vC7EcwIqroTarzUb9eElMUFVfec_iN7k_yDla-kTr1pnXQgeLQdAfHQ2FmCiPZXaJ5dZtow88LMgBoANKNiJ1uBetn3A0Q==&uniplatform=NZKPT

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