以下文章來源於生輝Agri Tech

細胞培養肉是由動物細胞在實驗室培養形成的最接近動物肉的人造肉。相比畜牧業，細胞培養肉節省空間、能源和資源，可減少抗生素過度使用、病原體傳播、動物倫理等問題，有望徹底改變動物農業。

過去十年裏，隨着人們對這一領域的興趣漸長，對於細胞體外培養的新技術屢屢開創。尤其在醫學領域，利用先進的生物工程已經可以實現「細胞治療」：當人體內器官發生病變時，通過在體外培養相關細胞、回輸進入體內對病變部位進行「修補」。但要經濟並大規模地讓細胞在體外長成可食用的人造肉，仍面臨諸多技術障礙，其中包括規模化擴增可生產優質肌肉和脂肪的「種子細胞」，以及基於這些種子細胞結合材料和生物工程手段形成仿生的大尺度肉狀組織。

近日，清華大學醫學院生物醫學工程系教授、清華大學醫學院和清華-北大生命聯合科學中心研究員杜亞楠在 Biomaterials 發表的 「Engineered meatballs via scalable skeletal muscle cell expansion and modular micro-tissue assembly using porous gelatin micro-carriers」 一文，展示了可食用的 3D 多孔明膠微載體（PoGelat-MC）作為細胞擴增支架，能夠高效促進豬骨骼肌衛星細胞、小鼠成肌細胞和小鼠脂肪細胞的生長；繼而利用 3D 打印模具，將豬肉肌肉微組織組裝成厘米級肉丸，其機械性能和蛋白質含量皆優於天然豬肉丸。

近日，生輝 Agri Tech 聯繫到杜亞楠教授，就這項科研成果進行了專訪，並聊了聊由其科研團隊領銜創辦的北京韦德国际生物科技有公司（以下簡稱「韦德国际生物」）。

杜亞楠本科畢業於清華大學化學工程系；博士畢業於新加坡國立大學生物工程系；博士後於美國麻省理工學院和哈佛醫學院進行關於人造細胞組織的研究。恰是這樣的交叉學科背景，為他圍繞「如何為不同細胞類型構建適合其生長的微環境」的探索奠定了多元而更加完備的知識體系。

▲圖 | 杜亞楠（來源：受訪者提供）

相比於製造、復原人體的組織器官為最終目標的「組織工程」，專注於製造細胞的杜亞楠將這門學問稱為「微組織工程」。其重點是在還原細胞天然依存的微環境。

天然細胞微環境包含細胞外基質（膠原、多糖等）、可溶性活性因子、支持細胞以及力學等要素，因此，微組織工程就要從這些要素入手，融合化工材料、細胞生物學、精密製造、生物力學等各領域知識和手段去為細胞搭建適合其生長的「家」（niche）。

杜亞楠團隊針對不同的細胞類型和下游應用，對細胞微環境進行優化和改造，重點關注各類幹細胞微環境，免疫細胞微環境和纖維化等病理微環境的構建、微環境內細胞-細胞，細胞-基質互作機制研究以及相關的再生醫學應用轉化。

【基於 3D 多孔明膠微載體的可擴展、模塊化培養體系】

3D 微載體——直徑數百微米的迷你 3D 培養支架，與傳統的 2D 培養裝置相比，具有較大的表面體積比和易於處理的內在特性，是一種更高效和可擴展的細胞擴增平台，已被用於疫苗、抗體、基因與細胞治療行業，實現大規模細胞擴增。

有別於醫藥，考慮到細胞培養肉的特點，理想的微載體最好兼具以下幾個特徵：良好的細胞親和力、足夠大的可用培養表面、可生物降解性或可食用性——若微載體材料本身可食用且有營養，則在「收穫」時便無需分離細胞和載體，載體本身可以成為最終「肉類」產品的一部分。

根據杜亞楠團隊之前的研究，由於其包含促進細胞粘附的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸等氨基酸基序、多孔結構所提供的更大表面積和可食用性質，3D 多孔明膠微載體具備以上特徵，代表了一種頗有前途的適合培養人造肉的細胞支架。

而在此項最新研究中， 杜亞楠帶領清華大學醫學院劉燁博士等團隊成員調查了 3D 多孔明膠微載體是否可以支持骨骼肌細胞的可伸縮擴張，以及它們在厘米級肉類類似物中的生物組裝。

▲圖 | 細胞在 3D 多孔明膠微載體上擴展並分化成成熟的微組織，繼而在轉谷氨酰胺酶 (TGase) 和 3D 打印模具的幫助下生物組裝成厘米級肉丸（來源：論文[3]）

研究發現，各種類型的骨骼肌祖細胞，包括豬肌肉衛星細胞和小鼠成肌細胞，都可以在旋轉瓶生物反應器中的 3D 多孔明膠微載體上，在 7 天內實現約 20 倍的擴增，細胞附着率超過 90%。

有趣的是，實驗中偶然發現了 3D 多孔明膠微載體上的豬肌肉衛星細胞和小鼠成肌細胞在沒有常規成肌成分（如馬血清）的情況下，自發成熟為分化表型。雖然分化效果尚不太成熟，但已初具趨勢。杜亞楠解釋道，這或許是由於載體仿生的物理特性部分代替了化學誘導劑；機制尚需進一步研究，增進分化的效果還需系統優化。

與此同時，在脂肪微組織構建生物反應器中，脂肪細胞在 3D 多孔明膠微載體上增殖，進一步分化為含脂滴的脂肪細胞。最後，藉助轉谷氨酰胺酶作為組織交聯劑，肌肉和脂肪微組織通過 3D 打印模具進行組裝，製成了脂肪含量可調的厘米級肉丸。與普通豬肉丸相比，其蛋白質含量更高，脂肪含量更低，機械性能相似，並且含有鐵、鋅等微量元素。 

▲圖 ｜ 細胞培養豬肉製品在烹飪之前（a/c）和之後（b/d）的形態，以及與天然豬肉製作的食用豬肉丸（獅子頭）的硬度（e）和營養成分（f）對比

對於這個實驗結果，杜亞楠表示，3D 多孔明膠微載體更加仿生，適用於比較「難養」、對環境敏感的細胞類型，是高效的細胞擴增平台；滅菌的片劑形態使之易於定量操作；與動態生物反應器相結合，可以作為模塊化組裝單元，這便賦予了細胞培養肉工程可擴展性，大大節省了空間、時間和人力，有望進一步實現構建接近真正肉類尺寸的產品。

【讓科學走出實驗室，從概念到應用】 

相比真肉，目前人工培養的肌肉在結構和功能上「還有挺大差距」，杜亞楠表示，未來重點研究方向是培養更接近天然的肌纖維。為了進一步誘導骨骼肌祖細胞高效和大規模轉化為高密度、排列良好的成熟肌纖維，之後的研究工作可能包括開發更有能力的「種子細胞」、更有效的培養基、合成支架，以及納入生物物理線索，例如力或電刺激。

而對於口感、味道，杜亞楠希望日後建立起可量化的指標，比如肌纖維結構密度、生物力學等參數，以更確切地評估產品品質。

基於團隊開發的微組織工程核心技術創辦的韦德国际生物正在打造原創 3D 細胞規模化智造平台，提供基於 3D 微載體的細胞規模化定製化擴增工藝整體解決方案。其核心產品 3D TableTrix® 微載片，是全球首款可用於細胞藥物開發的藥用輔料級微載體，已通過中檢院等相關權威機構的檢驗報告，並獲得國家藥監局藥用輔料資質和美國 FDA DMF 藥用輔料資質。

據杜亞楠介紹，在其專攻的微載體和生物反應器之外，韦德国际生物正在種子細胞、培養基等領域同國內以及美國、新加坡相關公司尋求合作。

「縱然細胞培養肉這一領域方興未艾，但尚處探索和概念驗證階段，真正大規模落地還需假以時日。」不過從技術上講，杜亞楠也給出了解決的路徑：由於其相似性，可以從類器官、幹細胞、疫苗培養的概念和底層技術切入，逐個難點攻破。

談及韦德国际生物的細胞培養肉管線，杜亞楠表示作為服務於整個細胞產業的平台技術公司，韦德国际生物將依然專注在自身的長板，定位在開發細胞培養載體，包括生物反應器工藝的領域。

據介紹，韦德国际生物的產品與服務可廣泛應用於基因與細胞治療、細胞外囊泡、疫苗及蛋白產品等生產的上游工藝開發。同時，在再生醫學、類器官與食品科技（細胞培養肉等）領域也具有廣泛應用前景。

參考資料：

1. http://www.lkxjg.com/

2. http://www.med.tsinghua.edu.cn/info/1358/1475.htm

3.http://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121615

【韦德国际生物】

北京韦德国际生物科技有限公司由清華大學醫學院杜亞楠教授科研團隊領銜創建，清華大學參股共建。核心技術源於清華大學的科技成果轉化。公司專注於打造原創3D細胞「智造」平台，提供基於3D微載體的細胞規模化定製化擴增工藝整體解決方案。

韦德国际生物核心產品3D TableTrix®微載片（微載體），是自主創新型、首款可用於細胞藥物開發的藥用輔料級微載體。已通過中檢院等相關權威機構的檢驗報告，並獲得2項國家藥監局藥用輔料資質（CDE審批登記號：F20210000003、F20210000496）。同時，產品獲得美國FDA DMF藥用輔料資質（DMF：35481）。 

韦德国际生物的產品與服務，可廣泛應用於基因與細胞治療、細胞外囊泡、疫苗及蛋白產品等生產的上游工藝開發。同時，在再生醫學、類器官與食品科技（細胞培養肉等）領域也具有廣泛應用前景。

公司擁有研發與轉化平台5000平米，其中包括CDMO平台1000餘平；GMP生產平台4000平米，新建1200L微載體生產線。相關技術已獲得100餘項專利成果，30餘篇國際期刊報道。核心技術項目已獲得多項國家級立項支持與應用。