细胞培养肉是指不再需要活体动物，由人工合成实验室培养的肌肉组织，实现规模化后有望解决传统畜牧业不环保和能源耗费巨大的问题，是近十年来细胞生物学和组织工程等学科交叉的新领域。
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。
近日，清华大学医学院研究团队在可食用的多孔明胶微型生物支架上，利用生物组装技术培养出数厘米大小的人造肉丸。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。相关论文发表在《生物材料》（Biomaterials）期刊上。据文章介绍，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。
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。
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。
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。早在2013年，世界细胞培养肉之父、荷兰马斯特里赫特大学教授Mark Post制作出了世界上第一块细胞培养肉，并用它做了一个汉堡。这也是世界上第一块细胞培养肉。2019年，南京农业大学教授周光宏团队用动物干细胞生产研发出我国第一块肌肉干细胞培养肉，该团队使用第六代猪肌肉干细胞，经过约20天培养得到重达5克的培养肉。据周光宏介绍，这次研发出的细胞培养肉，通过食品化处理可以形成与天然猪肉肉糜类似的质构、颜色等食用品质。中国农学会组织专家对该成果进行了技术评价，认为该成果有三个突破：首次分离得到了高纯度的猪肌肉干细胞和牛肌肉干细胞，突破了培养肉研究难以获得高纯度单一细胞群的瓶颈；创立了猪和牛肌肉干细胞体外培养干性维持方法，初步解决了传代过程中细胞增殖和分化能力衰减的难题；研发出我国第一块肌肉干细胞培养肉产品，使我国跻身于本领域国际前列。培养肉的生产一般先通过活体采样获得动物的肌肉组织，再从组织中分离得到肌肉干细胞并在富含营养成分的营养液中大量培养成肌肉前体细胞，最后在可食用的三维支架材料中将肌肉前体细胞分化成熟为肌肉组织。据介绍，与传统的肉类养殖方式相比，“细胞培养肉”可以减少30%-50%的能源消耗，降低70%-90%的温室气体排放量，降低90%以上的土地使用，减少80%-90%的用水量等。周光宏团队从2009年起开展用于培养肉的干细胞研究，在2015-2017年期间分离纯化出高纯度的猪肌肉干细胞和牛肌肉干细胞，研究出干细胞体外培养干性维持方法。第一块肌肉干细胞培养肉的诞生，将使我国进入国际同类研究的前沿，整体技术处于国际先进水平，其中猪和牛肌肉干细胞的分离纯化和干性维持技术处于国际领先。
来源：综合清华新闻网、科技日报、中国科学报、澎湃新闻