医学院杜亚楠课题组研发细胞培养肉丸技术：基于多孔明胶微载体的细胞高效扩增和模块化生物组装

细胞培养肉是近十年来细胞生物学和组织工程等学科交叉的新领域。以动物肌肉细胞为来源的培养肉，旨在解决传统畜牧业空间和能源耗费巨大、不环保的弊端。细胞培养肉的技术难点在于如何在体外大规模扩增肌肉和脂肪祖细胞，并诱导其朝着成熟细胞的方向高效分化；以及如何运用组织工程学技术，创造出微观结构上高度仿生的人造肌肉组织。

2022年5月30日，清华大学医学院杜亚楠教授课题组在Biomaterials（《生物材料》）杂志发表了题为“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。

图1. 从细胞的规模化扩增到人造肉丸的组织工程学构建

研究人员发现，多孔明胶微载体是一种优秀的细胞3D培养微型支架。在搅拌式生物反应器中，生长在多孔明胶微载体上的猪原代肌肉星形细胞（即猪骨骼肌干细胞）和C2C12小鼠成肌细胞，7天内可高效扩增至20倍。同时，微载体的立体多孔结构，比传统的2D细胞培养瓶更加节省培养基的用量，从而降低了人造肉丸的成本。有趣的是，在无需添加传统的肌肉分化诱导成分（如马血清）的培养条件下，骨骼肌干细胞会自发地朝着成熟肌肉细胞方向进行分化，并合成肌球蛋白重链（该蛋白的表达标志着肌肉细胞的分化和成熟）。另外，利用3D打印的肉球模具和一种食品添加剂谷氨酰胺转氨酶（作为肌肉组织的交联剂），可将几百微米左右的猪肌肉微组织组装成数厘米大小的人造猪肉丸。该人造猪肉丸的软硬质地与传统的食品猪肉丸相当，而其蛋白质含量更高，脂肪含量更低。

图2. 细胞培养猪肉制品在烹饪之前（a，c）和之后（b,d）的形态，以及与天然猪肉制作的食用猪肉丸（狮子头）的硬度(e)和营养成分(f)对比

多孔明胶微载体也支持3T3L1小鼠脂肪前体细胞的扩增及进一步分化，10天内可发育成富含脂肪滴的脂肪细胞。将3T3L1脂肪微组织按一定的比例与C2C12肌肉微组织进行模块化生物组装，可进一步创造出“肥瘦相间”的人造肉丸 。

图3. 生物组装小鼠肌肉和脂肪微组织形成的“肥瘦相间”人造肉丸

综上，本研究显示，利用可食用的多孔明胶微载体，结合搅拌式生物反应器，可在体外高效、规模化扩增肌肉和脂肪祖细胞，并诱导其分化和成熟。随后，将收获的成熟肌肉和脂肪微组织，在3D打印的肉丸模具中，以一定比例组装成“肥瘦相间”的人造肉丸。该技术可服务于肉糜型细胞培养肉和肌肉再生等多种组织工程应用场景。

清华大学医学院杜亚楠教授为该文章的通讯作者，清华大学医学院博士后刘烨为论文的第一作者。文中应用的多孔明胶微载体和搅拌式生物反应器基于北京华龛生物科技有限公司相关商业化产品；猪原代肌肉星形细胞来自南京农业大学丁世杰副教授的赠与。该研究得到了国家杰出青年科学基金（82125018）, 中国博士后科学基金站前特别资助（043220062）的支持。

原文链接：

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