细胞培养肉规模化生产解决方案——基于3D多孔明胶微载体的细胞高效扩增和模块化生物组装
转载原创华龛生物 2022-06-23 如有侵权，请联系。
近日，清华大学医学院杜亚楠教授课题组联合北京华龛生物科技有限公司，共同在Biomaterials（《生物材料》）杂志【IF:12.479】，发表了题为“Engineered meatballs via scalable skeletal muscle cell expansion and modular micro-tissue assembly using porous gelatin micro-carriers（多孔明胶微载体大规模扩增肌肉细胞及模块化生物组装的人造肉球技术）”的研究论文。
研究发现：在可食用的3D多孔明胶微型生物支架（微载体）上，肌肉和脂肪祖细胞可快速扩增并分化成熟；进一步利用生物组装技术，可将肌肉和脂肪微组织原料聚合成数厘米大小的人造肉丸。
⚪研究背景
细胞培养肉技术是近几年兴起的一项具有颠覆性的未来食品生产技术。与传统养殖肉类相比，细胞培养肉在营养、健康、安全、环保等方面均有显著优势，近年来越来越多的学者和资本关注到细胞培养肉领域。可以说该技术的出现为转变传统肉类消费模式提供了一个新的选择，符合低碳绿色、社会可持续发展的策略，然而在理论与技术层面，尤其是大规模肌肉细胞低成本获取与食品化等方面，还存在诸多挑战。
目前通过二维平面培养获得的细胞肉的产量还很低，成本较高，还不足以形成大体积的肌肉组织作为食品出售。因此，开发高效、安全、低成本的动物细胞培养技术，构建动物身上的肌肉组织生长环境，并在生物反应器中实现大规模的生产，将成为细胞肉产业化生产的关键问题。
本文为大家介绍了基于一种可食用的多孔明胶微型生物支架（微载体）联合搅拌式生物反应器，高效扩增和分化肌肉和脂肪干细胞，并利用3D打印模具将肌肉和脂肪微组织进行模块化组装，最终通过食品加工技术将其加工成厘米尺度的人造肉丸，旨在为细胞培养肉的研究方向和产业化生产提供一种新思路和技术支撑。
▲图｜通过多孔微载体微型生物支架
(3D TableTrix®微载体)进行细胞扩增
⚪研究内容
▲图｜从细胞的规模化扩增到人造肉的组织工程学构建
1. 猪肉干细胞的增殖和分化
研究结果表明，应用华龛生物3D FloTrix®微载体联合搅拌式生物反应器能够实现猪肌肉干细胞在体外的大量高效扩增，7天扩增约18倍。并且在没有传统成肌诱导分化添加剂（如马血清）的条件下，3D微载体培养体系中的肌肉干细胞能够自发地向成熟骨骼肌细胞分化，由图中可看到，在分化过程中表达的相关基因和蛋白标志物均有显著提高。
2. 人造猪肉丸
此外，取培养7-10天的细胞-微载体复合的“微组织”，加入谷氨酰胺转氨酶作为组织交联剂，利用3D打印模具，将几百微米的微组织打印成厘米大小的肉糜类似物，比如猪肉丸子和猪肉切片。同时，我们分析了肉丸的营养成分，蛋白质占比69.8%，脂肪4%，碳水化合物6%，以及其它重要的必需矿物质如锌、钙、铁等。与购买的传统肉类制作的“狮子头”对比，人造肉丸含有更高的蛋白质含量和更低的脂肪。因此，从营养健康的角度讲，人造肉丸能够成为很好的肉糜产品的替代品。
▲图｜细胞培养猪肉制品
烹饪之前(a,c)和之后(b,d)的形态,
以及与天然猪肉制作的实用猪肉丸（狮子头）的
硬度(e)和营养成分(f)对比。
3. 小鼠脂肪细胞的增殖和分化
为了研究这种可食用的多孔微型载体是否适合其它种类骨骼肌细胞的扩增培养，我们还选取了小鼠成肌细胞系C2C12在微载体体系下进行动态悬浮培养。结果表明，与猪肌肉干细胞类似，C2C12在3D TableTrix®微载体培养体系中不仅能大量高效增殖（7天扩增21倍），而且也同样不需要添加诱导分化物质即可自发形成成熟的骨骼肌细胞。
4. ”肥瘦相间“的肉丸
不仅如此，3D FloTrix®微载体培养体系同样也支持小鼠脂肪前体细胞3T3L1的扩增和分化。将分化后的脂肪微组织按一定比例与肌肉细胞微组织进行混合，然后利用3D模块化生物打印技术，还可得到“肥瘦相间”的人造肉丸，并且这种肉丸的脂肪比例是可调的。所以，我们可畅想未来应用这项细胞肉培养技术可实现根据不同人群的喜好和需求来进行肉类产品的定制。
以上研究成果表明，一种新型可食用的多孔微载体可作为骨骼肌细胞或其它种类细胞（如脂肪细胞）来源的细胞肉培养的支架系统，并且结合搅拌式生物反应器进行动态培养具有以下优势：
1 不仅能够支持细胞大量、高效扩增，而且较传统二维培养节省空间、物力、人力等成本；
2 除支持细胞扩增，还能使细胞自发地分化成熟，无需添加诱导分化物质；
3 微组织生物工程模块组装技术结合3D打印技术能够使传统方法培养的微米或毫米尺度的细胞肉提升到厘米尺度，使其更接近真肉的尺寸和口感，为细胞肉的产业化生产奠定基础。
4 脂肪比例可调的肉丸原理也为以此为组织单元模块的人造器官的构建提供新思路和技术支撑，探索此项技术在生物组织工程领域更多可能的应用场景。
⚪研究结论
清华大学医学院-杜亚楠教授
在“微组织工程”交叉研究方向进行创新探索，实现理论探究和技术转化。
开发的3D微组织技术可作为新一代细胞药物的扩增制备平台和药剂学递送系统，革新体外细胞培养和再生医学；同时可辅助建立仿生生理/病理模型，用于高通量药物筛选和病理机制研究。
共发表高影响力 SCI 论文 100 余篇 (发表在 Nature Materials，Nature Communications, PNAS，Science Advances 等杂志)。
批准授权专利 16 项，相关微组织工程技术专利技术于 2018 年成立北京华龛生物科技有限公司进行转化应用和商品化。
北京华龛生物科技有限公司
核心产品3D TableTrix®微载片（微载体），是自主创新型、首款可用于细胞药物开发的药用辅料级微载体。已通过中检院等相关权威机构的检验报告，并获得2项国家药监局药用辅料资质（CDE审批登记号：F20210000003、F20200000496）。同时，该产品获得美国FDA DMF药用辅料资质（DMF：35481）。
华龛生物的产品与服务，可广泛应用于基因与细胞治疗、细胞外囊泡、疫苗及蛋白产品等生产的上游工艺开发。同时，在再生医学、类器官与食品科技（细胞培养肉等）领域也具有广泛应用前景。
公司拥有研发与转化平台5000平米，其中包括CDMO平台1000余平；GMP生产平台4000平米，新建1200L微载体生产线。相关技术已获得100余项专利成果，30余篇国际期刊报道。核心技术项目已获得多项国家级立项支持与应用。
研究中应用的3D多孔明胶微载体和搅拌式生物反应器等相关配套材料及设备，均是来自于华龛生物的成熟商业化产品。
▲ 3D TableTrix®微载体
（多孔明胶微载体）
▲3D FloTrix®miniSPIN
生物反应反应器
（搅拌式生物反应器）
▲3D FloTrix®vivaSPIN
生物反应器
（搅拌式生物反应器）
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121615
