ความสามารถในการเปียกของโครงสร้างมีผลโดยตรงต่อการยึดเกาะของเซลล์ การเจริญเติบโต และการสร้างเนื้อเยื่อในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง สำหรับเซลล์ที่ต้องการยึดเกาะเช่นไมโอบลาสต์ พื้นผิวของโครงสร้างต้องสนับสนุนการดูดซับโปรตีน ซึ่งจะช่วยให้เซลล์ยึดเกาะและพัฒนาได้ ความสามารถในการเปียกซึ่งวัดโดยมุมสัมผัส กำหนดว่าโครงสร้างจะมีปฏิสัมพันธ์กับของเหลวเช่นสื่อเพาะเลี้ยงได้ดีเพียงใด
- พื้นผิวที่ชอบน้ำ (มุมสัมผัส < 90°): ส่งเสริมการกระจายของของเหลวและการดูดซับโปรตีน ช่วยในการยึดเกาะของเซลล์
- พื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำ (มุมสัมผัส > 90°): ต้านทานการกระจายของของเหลว อาจขัดขวางการยึดเกาะของเซลล์
ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อความสามารถในการเปียก:
- เคมีของพื้นผิว: กลุ่มฟังก์ชันเช่นไฮดรอกซิล (-OH) เพิ่มความชอบน้ำ
- คุณสมบัติทางกายภาพ: ความหยาบและความพรุนมีผลต่อการปฏิสัมพันธ์กับของเหลวและการไหลของสารอาหาร
- การเลือกวัสดุ: วัสดุชีวภาพชั้นนำสำหรับโครงสร้างรองรับ (e.g . , เซลลูโลสจากแบคทีเรีย, โปรตีนจากพืช) ต้องสามารถรับประทานได้และเป็นเกรดอาหารสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ความท้าทาย:
- โครงสร้างรองรับที่ไม่ใช่จากสัตว์มักขาดจุดยึดเกาะเซลล์ตามธรรมชาติ จำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนทางเคมีหรือโครงสร้าง
- โครงสร้างรองรับต้องสมดุลระหว่างความสามารถในการเปียกน้ำกับคุณสมบัติทางกล, ความพรุน, และความปลอดภัยของอาหาร
สำหรับวิศวกรกระบวนการชีวภาพและผู้เชี่ยวชาญด้านการวิจัยและพัฒนา การปรับปรุงความสามารถในการเปียกน้ำของโครงสร้างรองรับช่วยให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์และโครงสร้างรองรับได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้สามารถผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงคุณภาพสูงในปริมาณมากได้
วิทยาศาสตร์ของความสามารถในการเปียกน้ำของโครงสร้างรองรับ
ความสามารถในการเปียกน้ำคืออะไรและทำไมถึงสำคัญ
ความสามารถในการเปียกน้ำ หมายถึงความง่ายที่ของเหลวกระจายตัวบนพื้นผิวของแข็ง วัดโดย มุมสัมผัส - มุมที่เกิดขึ้นเมื่อหยดของเหลวสัมผัสกับพื้นผิวมุมสัมผัสที่ต่ำกว่า 90° บ่งบอกถึงพื้นผิวที่ชอบน้ำซึ่งส่งเสริมการกระจายของของเหลว ในขณะที่มุมสัมผัสที่สูงกว่า 90° บ่งบอกถึงพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำซึ่งต้านทานการกระจายของของเหลว
สำหรับโครงสร้างเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ความสามารถในการเปียกมีบทบาทสำคัญใน การดูดซับโปรตีน - กระบวนการที่โปรตีนจากสื่อเพาะเลี้ยงยึดติดกับพื้นผิวของโครงสร้าง โปรตีนเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างวัสดุกับเซลล์ มีอิทธิพลต่อการยึดเกาะของเซลล์ การเคลื่อนที่ การเพิ่มจำนวน และการเปลี่ยนแปลง[1] . หากไม่มีความสามารถในการเปียกที่เหมาะสม เซลล์จะไม่สามารถยึดติดได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ส่วนถัดไปจะเจาะลึกถึงวิธีที่ลักษณะพื้นผิวมีอิทธิพลต่อความสามารถในการเปียก
วิธีที่คุณสมบัติของพื้นผิวมีผลต่อความสามารถในการเปียก
ความสามารถในการเปียกถูกกำหนดโดยมากกว่าการเคมีของพื้นผิว; คุณสมบัติทางกายภาพเช่นความหยาบและความพรุนก็มีบทบาทเช่นกันพื้นผิวที่ขรุขระเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างวัสดุกับของเหลว เสริมสร้างแนวโน้มธรรมชาติของพื้นผิวที่ชอบน้ำหรือไม่ชอบน้ำ ในทางกลับกัน ความพรุนสูงช่วยให้เซลล์สามารถแทรกซึมเข้าไปในโครงสร้างและอำนวยความสะดวกในการไหลของสารอาหารและการกำจัดของเสีย ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีความสำคัญต่อการรักษาประชากรเซลล์ที่หนาแน่นและมีสุขภาพดี [1][3].
เคมีพื้นผิว มีความสำคัญเช่นกัน ตัวอย่างเช่น กลุ่มไฮดรอกซิล (-OH) มีส่วนช่วยในคุณสมบัติการชอบน้ำและการกักเก็บน้ำของเซลลูโลสจากแบคทีเรีย (BC) ทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมการเพาะเลี้ยงเซลล์ [3] . โครงสร้างที่มี อัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตร สูง - มักพบในดีไซน์ที่มีรูพรุนหรือเป็นเส้นใย - ให้พื้นที่มากขึ้นสำหรับการดูดซับโปรตีน ซึ่งสนับสนุนการยึดเกาะของเซลล์โดยตรง [1] .
อย่างไรก็ตาม วัสดุชีวภาพที่ไม่ใช่สัตว์หลายชนิดขาดตำแหน่งการจับเซลล์ตามธรรมชาติ ทำให้จำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนทางเคมีหรือโครงสร้าง เทคนิคเช่นการรวม RGD motifs มักใช้เพื่อเพิ่มการยึดเกาะของเซลล์ในกรณีที่ไม่มีสัญญาณธรรมชาติเหล่านี้
ข้อพิจารณาเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อออกแบบ โครงสร้างรับประทานได้ สำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ข้อจำกัดของโครงสร้างรับประทานได้สำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
เมื่อออกแบบโครงสร้างสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง ความสามารถในการเปียกต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยมีข้อจำกัดเฉพาะในใจ: โครงสร้างเองจะถูกบริโภค. ต่างจากการใช้งานทางการแพทย์ที่สามารถถอดโครงสร้างออกได้ โครงสร้างเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงต้องรับประทานได้ ซึ่งจำกัดช่วงของวัสดุและการบำบัดให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมกับอาหารโพลิเมอร์สังเคราะห์หลายชนิดที่ใช้ในการวิจัยทางชีวการแพทย์ เช่น PCL และ PLA, ไม่สามารถรับประทานได้และต้องการกระบวนการกำจัดที่มีค่าใช้จ่ายสูงก่อนที่ผลิตภัณฑ์สุดท้ายจะสามารถบริโภคได้ [1].
นอกจากจะปลอดภัยต่อการบริโภคแล้ว โครงสร้างยังต้องสอดคล้องกับความคาดหวังของผู้บริโภคในด้านเนื้อสัมผัส รสชาติ และลักษณะภายนอก โปรตีนจากพืชเช่นถั่วเหลือง ข้าวสาลี และซีอินมีราคาย่อมเยาและได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง แต่มีความเสี่ยงต่อการแพ้ที่จำเป็นต้องมีการติดฉลากอย่างชัดเจน ความคงตัวทางความร้อนเป็นอีกหนึ่งความท้าทาย ตัวอย่างเช่น โครงสร้างสำหรับผลิตภัณฑ์ปลา จำเป็นต้องเลียนแบบความคงตัวทางความร้อนต่ำของคอลลาเจนปลาเพื่อให้ผลิตภัณฑ์มีการแตกเป็นชิ้นอย่างเหมาะสมเมื่อปรุงสุก [2].
สุดท้าย ความสามารถในการขยายขนาดเป็นอุปสรรคสำคัญ วัสดุที่ทำงานได้ดีในการทดลองขนาดเล็กต้องมีความคุ้มค่าและรักษาความสม่ำเสมอของการเปียกเมื่อผลิตในปริมาณเชิงพาณิชย์ความสมดุลระหว่างการใช้งานและความเป็นจริงนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงให้ประสบความสำเร็จในฐานะผลิตภัณฑ์ที่มีศักยภาพ
sbb-itb-ffee270
วิธีที่ความสามารถในการเปียกส่งผลต่อปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับโครงสร้าง
ความสามารถในการเปียกและการดูดซับโปรตีน
เมื่อโครงสร้างสัมผัสกับสื่อเพาะเลี้ยง โปรตีนจะจับกับพื้นผิวของมันทันที ความสามารถในการเปียกของโครงสร้างมีบทบาทสำคัญในการกำหนดว่าโปรตีนใดจะยึดติด, ปริมาณที่จับ, และการจัดรูปแบบของพวกมัน Michele Ferrari นักวิจัยที่ CNR-ICMATE, อธิบายว่า:
"เหตุการณ์แรกหลังจากที่วัสดุชีวภาพถูกฝังเข้าไปในสิ่งมีชีวิตคือการดูดซับโปรตีนที่พื้นผิวของมัน ซึ่งเป็นตัวกลางในการยึดเกาะของเซลล์และให้สัญญาณแก่เซลล์ผ่านตัวรับการยึดเกาะของเซลล์" - Michele Ferrari, Researcher, CNR-ICMATE [5]
โปรตีนที่ถูกดูดซับเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กับตัวรับอินทิกริน เริ่มกระบวนการต่างๆ เช่น การยึดเกาะ การเคลื่อนที่ การเพิ่มจำนวน และการแยกแยะ [1]. อย่างไรก็ตาม หากความสามารถในการเปียกไม่ถูกปรับให้เหมาะสม โปรตีนอาจมีการจัดรูปแบบที่ไม่เหมาะสม ทำให้การส่งสัญญาณของเซลล์ถูกรบกวน - แม้ว่าวัสดุโครงสร้างเองจะเป็นมิตรกับชีวภาพก็ตาม ตัวอย่างเช่น วัสดุที่มีความชอบน้ำสูงเช่น อัลจิเนต แม้ว่าจะเข้ากันได้กับเซลล์ แต่ก็มักจะต้องมีการปรับเปลี่ยนเพื่อให้สามารถยึดเกาะเซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ [1].
ความสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่างความสามารถในการเปียกและการดูดซับโปรตีนนี้เป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจการตอบสนองที่แตกต่างกันของประเภทเซลล์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงต่อวัสดุโครงสร้างต่างๆ วัสดุโครงสร้าง.
ช่วงความสามารถในการเปียกสำหรับประเภทเซลล์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ผลกระทบของความสามารถในการเปียกต่อการดูดซับโปรตีนสร้างความต้องการโครงสร้างที่แตกต่างกันสำหรับเซลล์เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงต่างๆ
- ไมโอบลาสต์, เซลล์ต้นกำเนิดของเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ พึ่งพาโปรตีนในเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) เช่น ไฟโบรเนคตินและคอลลาเจนในระหว่างการเคลื่อนที่และการเพิ่มจำนวน เมื่อเซลล์เหล่านี้รวมตัวกันเป็นไมโอทูบหลายเซลล์ ลามินินและคอลลาเจนชนิดที่ IV จะให้การสนับสนุนโครงสร้างเพิ่มเติม[1]. โครงสร้างที่มีพื้นผิวที่มีความชอบน้ำปานกลางเป็นสิ่งที่เหมาะสม ช่วยส่งเสริมการดูดซับโปรตีนเริ่มต้นในขณะที่สนับสนุนการแยกแยะในภายหลัง ตัวอย่างเช่น โครงสร้างคอมโพสิตเพคติน–โปรตีนถั่วแสดงอัตราการเพิ่มจำนวนของไมโอบลาสต์ที่เทียบเท่ากับแผ่นเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อมาตรฐาน[4].
- เซลล์ไขมัน, หรือเซลล์ไขมัน ต้องการโครงสร้างที่รองรับการสะสมของไขมันโครงสร้างที่มีลักษณะชอบน้ำอย่างเดียวอาจขัดขวางกระบวนการนี้ แต่การผสมไขมันเข้าไปในโครงสร้าง เช่น ระบบบิเจล จะช่วยเพิ่มการเจริญเติบโตของเซลล์ไขมันและส่งผลให้มีรสชาติที่ดีขึ้น [4].
- ไฟโบรบลาสต์, ซึ่งสังเคราะห์คอลลาเจนและปรับปรุง ECM เจริญเติบโตได้ดีในสภาพแวดล้อมที่อุดมไปด้วยโพลีแซคคาไรด์ เช่น สภาพแวดล้อมที่มีส่วนประกอบของเชื้อรา [1].
ตารางด้านล่างสรุปลักษณะของโครงสร้างที่เหมาะสมกับแต่ละประเภทเซลล์:
| ประเภทเซลล์ | ลักษณะโครงสร้างที่ต้องการ | ผลกระทบต่อประสิทธิภาพ |
|---|---|---|
| ไมโอบลาสต์ | ชอบน้ำปานกลาง; อุดมไปด้วยโปรตีน (e.g. , เพคติน + โปรตีนถั่ว) | สนับสนุนการเพิ่มจำนวนที่เทียบเท่ากับแผ่นเพาะเลี้ยงมาตรฐาน [4] |
| เซลล์ไขมัน | การรวมตัวของลิโพฟิลิกผ่านบิเจลหรือโอเลโอเจล | เพิ่มการสะสมของไขมันและปรับปรุงรสชาติและความรู้สึกในปาก [4] |
| ไฟโบรบลาสต์ | อุดมไปด้วยโพลีแซคคาไรด์ (e.g. , fungal fractions) | กระตุ้นการสังเคราะห์คอลลาเจนและการปรับโครงสร้าง ECM[1] |
| เซลล์ดาวเทียม | ความแข็ง 2–12 kPa | เลียนแบบความแข็งของ ECM ตามธรรมชาติสำหรับการขยายและการแยกแยะ[1][2] |
การประยุกต์ใช้ข้อมูลพื้นผิว 2D กับโครงสร้าง 3D
การศึกษาความสามารถในการเปียกส่วนใหญ่เน้นที่พื้นผิว 2D แบน แต่การแปลข้อมูลนี้ไปยังโครงสร้าง 3D ที่มีรูพรุนที่ใช้ในเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงนำเสนอความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร บนพื้นผิว 2D อินทิกรินจะจับส่วนใหญ่ที่ด้านฐานของเซลล์ ในทางตรงกันข้าม โครงสร้าง 3D ช่วยให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับเมทริกซ์ทั่วทั้งพื้นผิวของเซลล์
"ในวัฒนธรรม 3D การปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับเซลล์และเซลล์กับเมทริกซ์สามารถเกิดขึ้นได้บนพื้นผิวทั้งหมดของเยื่อหุ้มเซลล์" - Claire Bomkamp, Senior Scientist, The Good Food Institute [2]
ความแตกต่างนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อการประเมินความสามารถในการเปียก ในขณะที่พื้นผิว 2D ถูกประเมินโดยใช้โมเดล Young ซึ่งสมมติว่าพื้นผิวเรียบและเป็นเนื้อเดียวกัน โครงสร้าง 3D ต้องการโมเดลเช่น Wenzel หรือ Cassie–Baxter ซึ่งพิจารณาความหยาบของพื้นผิวและความเป็นไปได้ในการกักเก็บอากาศภายในรูพรุน [5]. อากาศที่ถูกกักเก็บ หรือ plastron, สามารถขัดขวางการแทรกซึมของสื่อและป้องกันไม่ให้เซลล์เข้ามาอาศัยภายในโครงสร้างได้ แม้ว่าวัสดุนั้นจะเหมาะสมทางเคมีก็ตาม [5]. โครงสร้างที่ทำงานได้ดีในการทดสอบมุมสัมผัส 2D อาจมีพฤติกรรมที่แตกต่างไปอย่างสิ้นเชิงเมื่อถูกสร้างเป็นโครงสร้าง 3D ที่มีรูพรุน.
นอกเหนือจากเรขาคณิตของการยึดติดแล้ว โครงสร้าง 3D ยังรักษาความลาดชันทางเคมีและสัญญาณที่ระบบ 2D ไม่สามารถทำซ้ำได้ในวัฒนธรรม 2D การผสมสื่อสร้างสภาพแวดล้อมที่สม่ำเสมอ ลบล้างความเข้มข้นที่เป็นท้องถิ่นซึ่งชี้นำพฤติกรรมของเซลล์ โครงสร้าง 3D ที่ออกแบบมาอย่างดีจะรักษาความเข้มข้นเหล่านี้ไว้ได้ดีขึ้น เลียนแบบสภาพแวดล้อม in vivo ได้ดียิ่งขึ้น [2] . ความแตกต่างเหล่านี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการปรับข้อมูลการเปียกของ 2D ให้เข้ากับการออกแบบโครงสร้าง 3D ซึ่งมีผลโดยตรงต่อการเลือกวัสดุและการปรับเปลี่ยนโครงสร้างสำหรับการประยุกต์ใช้เนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
การวัดและปรับการเปียกของโครงสร้าง
วิธีการวัดการเปียก
การประเมินการเปียกอย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการปรับปรุงปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์และโครงสร้าง และเพื่อให้แน่ใจว่าเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงมีคุณภาพสูง สำหรับโครงสร้างที่มีรูพรุน เทคนิคการวัดทางอ้อมให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีค่า การตรวจวัดด้วยเทคนิค Attenuated Total Reflectance Fourier-Transform Infrared (ATR-FTIR) สามารถตรวจจับกลุ่ม -OH ยืนยันคุณสมบัติที่ชอบน้ำ[3] . การส่องกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) เผยให้เห็นขนาดรูพรุนและความหนาแน่นของเครือข่ายเส้นใย ซึ่งช่วยในการพิจารณาว่าของเหลวสามารถแทรกซึมเข้าไปในโครงสร้างภายในได้หรือไม่[3] . การวิเคราะห์ความร้อนแบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียล (DSC) ประเมินการเปลี่ยนแปลงที่ดูดความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียน้ำ ซึ่งให้การวัดความสามารถในการกักเก็บน้ำของโครงสร้าง[3] . โดยการรวมวิธีการเหล่านี้ นักวิจัยสามารถประเมินความสามารถในการเปียกของโครงสร้างได้อย่างครอบคลุม
การเพิ่มประสิทธิภาพความสามารถในการเปียกผ่านการเลือกและการบำบัดวัสดุ
หลังจากการวัดความสามารถในการเปียก มีหลายวิธีที่สามารถปรับปรุงการโต้ตอบระหว่างเซลล์กับโครงสร้างได้การเคลือบโครงสร้างด้วยโปรตีนเมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) เช่น ไฟโบรเนคติน, ลามินิน, หรือคอลลาเจน IV จะสร้างจุดยึดเกาะของอินทิกริน ส่งเสริมการยึดเกาะของเซลล์ที่ดีขึ้น[2] . สำหรับโครงสร้างที่ใช้ในอาหาร การผสมผสานคอมโพสิตเป็นอีกหนึ่งทางเลือก ตัวอย่างเช่น การผสมเซลลูโลสจากแบคทีเรียกับคาราจีแนนและกัมถั่วตระกูลถั่วตั๊กแตนได้แสดงให้เห็นว่าสามารถเพิ่มการยึดเกาะของไฟโบรบลาสต์และยังเลียนแบบเนื้อสัมผัสของเนื้อสัตว์[3] .
การทำความสะอาดพื้นผิวเป็นอีกขั้นตอนที่สำคัญ การล้างโครงสร้างเซลลูโลสจากแบคทีเรียด้วย NaOH 0.3 M ที่ 80°C สามารถกำจัดสารตกค้างจากแบคทีเรียและสารปนเปื้อนที่เป็นพิษต่อเซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับค่า pH ให้เป็นกลางที่ 7.0 ก่อนการเพาะเซลล์[3]. การข้ามขั้นตอนนี้อาจขัดขวางการเจริญเติบโตของเซลล์อย่างรุนแรง แม้ว่าจะได้ปรับปรุงความสามารถในการเปียกแล้วก็ตาม
วิธีการประมวลผลโครงสร้างมีผลต่อความสามารถในการเปียก
วิธีการประมวลผลมีบทบาทสำคัญในการกำหนดความสามารถในการเปียกของโครงสร้าง การทำแห้งด้วยการแช่แข็ง มักใช้เพื่อรักษาสถาปัตยกรรมที่มีรูพรุนของ โครงสร้างที่ใช้ไฮโดรเจล, ซึ่งสนับสนุนการแทรกซึมของสื่อและการเคลื่อนที่ของเซลล์ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการเปียกที่วัดได้บนโครงสร้างที่ทำแห้งด้วยการแช่แข็งอาจไม่ตรงกับเวอร์ชันที่เติมน้ำใหม่พร้อมสำหรับการเพาะเลี้ยง [3]. เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้ จำเป็นต้องประเมินความสามารถในการเปียกบนโครงสร้างสุดท้ายในสภาพที่ตั้งใจไว้
ด้านล่างนี้คือสรุปเทคนิคสำคัญและความเกี่ยวข้องกับความสามารถในการเปียกของโครงสร้าง:
| เทคนิค | สมบัติที่ประเมิน | ความเกี่ยวข้องกับความสามารถในการเปียก |
|---|---|---|
| ATR-FTIR | กลุ่มฟังก์ชันทางเคมี (e.g. , -OH) | ยืนยันความชอบน้ำในระดับโมเลกุล[3] |
| SEM | ความพรุนของพื้นผิวและความหนาแน่นของเครือข่ายเส้นใย | บ่งชี้ถึงความสามารถในการซึมของของเหลวในโครงสร้างพรุน[3] |
| DSC | การเปลี่ยนแปลงทางความร้อนและการสูญเสียน้ำ | ประเมินความสามารถในการกักเก็บน้ำในโครงสร้าง[3] |
Dr.David Kaplan: การใช้วิศวกรรมเนื้อเยื่อในการปลูกเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
การเลือกวัสดุโครงสร้างสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
วัสดุโครงสร้างสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง: คู่มือความเข้ากันได้ของเซลล์และความสามารถในการเปียก
การจับคู่ความสามารถในการเปียกกับประเภทเซลล์และรูปแบบผลิตภัณฑ์
การเลือกเป้าหมายความสามารถในการเปียกที่เหมาะสมสำหรับวัสดุโครงสร้างนั้นได้รับอิทธิพลอย่างมากจากประเภทของเซลล์ที่เพาะเลี้ยงและรูปแบบผลิตภัณฑ์ที่ตั้งใจไว้ ตัวอย่างเช่น เซลล์กล้ามเนื้อลาย ต้องการโครงสร้างที่จำลองความแข็งของเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อตามธรรมชาติอย่างใกล้ชิด - โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 2 ถึง 12 kPa โครงสร้างเหล่านี้ควรให้สัญญาณโครงสร้างเพื่อชี้นำเซลล์ในการสร้างเส้นใยกล้ามเนื้อที่มีหลายนิวเคลียส[1] [2]. หากพื้นผิวของโครงสร้างมีความไม่ชอบน้ำมากเกินไป อาจขัดขวางการดูดซับโปรตีนที่จำเป็นสำหรับการจับกับอินทิกริน ในทางกลับกัน พื้นผิวที่ชอบน้ำมากเกินไปอาจไม่สามารถรักษาโปรตีนได้เพียงพอสำหรับการยึดเกาะของเซลล์ที่มีประสิทธิภาพ
เซลล์ไขมัน, หรือเซลล์ไขมัน มีความต้องการเฉพาะของตัวเอง สามารถเพาะเลี้ยงบน ไมโครแคร์ริเออร์ที่กินได้ หรือรวมเข้ากับโครงสร้าง 3 มิติพร้อมกับเส้นใยกล้ามเนื้อเพื่อเลียนแบบองค์ประกอบของเนื้อสัตว์ทั่วไปที่มีสัดส่วนกล้ามเนื้อ 90% ต่อไขมัน 10% [2].
รูปแบบของผลิตภัณฑ์ก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน สำหรับ ผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างเป็นชิ้นใหญ่, โครงสร้างต้องสนับสนุนการขนส่งสารอาหารและออกซิเจนทั่วทั้งโครงสร้าง 3 มิติที่หนา ในขณะที่ปกป้องเซลล์จากความเครียดจากแรงเฉือน ในทางตรงกันข้าม ผลิตภัณฑ์ที่บดละเอียดเช่นเบอร์เกอร์หรือไส้กรอกจะมีความยืดหยุ่นมากกว่าที่นี่ เซลล์กล้ามเนื้อและเซลล์ไขมันสามารถเติบโตแยกกันบนโครงสร้างหรือไมโครแคร์ริเออร์ที่แตกต่างกันและจากนั้นรวมกันในระหว่างกระบวนการหลังการเก็บเกี่ยว [1][2].
ในกรณีของ ปลาที่เพาะเลี้ยง, คุณสมบัติทางความร้อนกลายเป็นสิ่งสำคัญ คอลลาเจนในกล้ามเนื้อปลามีความเสถียรทางความร้อนต่ำกว่าคอลลาเจนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ซึ่งมีส่วนทำให้เนื้อปลามีเนื้อสัมผัสที่เป็นแผ่นเมื่อปรุงสุก:
"โครงสร้างสำหรับปลาที่เพาะเลี้ยงจะต้องจำลองความเสถียรทางความร้อนที่ต่ำกว่านี้ไม่ว่าจะโดยการมีจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าหรือโดยการให้สภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการหลั่งคอลลาเจนที่เหมาะสม" [2]
ความต้องการที่หลากหลายเหล่านี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการจับคู่วัสดุโครงสร้างให้ตรงกับความต้องการทางชีวภาพและผลิตภัณฑ์เฉพาะ
การเปรียบเทียบประเภทวัสดุโครงสร้าง
การทำความเข้าใจว่าการเปียกน้ำส่งผลต่อการยึดเกาะของเซลล์อย่างไรเป็นสิ่งสำคัญในการประเมินประเภทวัสดุโครงสร้างที่แตกต่างกัน
| ประเภทโครงสร้าง | โปรไฟล์การเปียกน้ำ | ตัวอย่างทั่วไป |
|---|---|---|
| โพลีแซคคาไรด์ | มีความชอบน้ำสูง; มีความสามารถในการกักเก็บน้ำสูง; ขาดมอติฟที่จับกับเซลล์ | อัลจิเนต, เซลลูโลส, เจลแลนกัม [1][3] |
| โปรตีนจากพืช | มีความชอบน้ำปานกลาง; มีบางตำแหน่งที่จับกับเซลล์; อาจต้องการการทำฟังก์ชัน RGD | ถั่วเหลือง, ซีอิน, ข้าวสาลี, ถั่วลันเตา [1] |
| เซลลูโลสจากแบคทีเรีย (BC) | มีความบริสุทธิ์สูง; เครือข่ายนาโนไฟเบอร์คล้าย ECM; การกักเก็บน้ำที่แข็งแรง; ปราศจากลิกนินหรือเฮมิเซลลูโลส | Komagataeibacter xylinus-ที่ได้จาก [3] |
| โพลิเมอร์สังเคราะห์ | มักจะไม่ชอบน้ำ; ช่วยให้ควบคุมกลไกได้อย่างแม่นยำ; โดยทั่วไปไม่สามารถรับประทานได้; ต้องการการบำบัดพื้นผิว | PCL, PLA, PLGA [1] |
| คอมโพสิต | ความสามารถในการเปียกที่ปรับได้; ผสมผสานความเข้ากันได้ทางชีวภาพกับเคมีที่สนับสนุนการยึดเกาะ | การผสมผสานระหว่างอัลจิเนตและโพลิเมอร์[1] |
พอลิแซ็กคาไรด์เช่นอัลจิเนตมีความปลอดภัยและเข้ากันได้ทางชีวภาพแต่ขาดมอทิฟ RGD ที่จำเป็นสำหรับเซลล์ที่ต้องการการยึดเกาะเช่นเซลล์กล้ามเนื้อในการยึดเกาะ[1]. โครงสร้างโปรตีน - ที่ได้จากถั่วเหลือง, ซีอิน, หรือถั่วลันเตา - มีจุดยึดเกาะเซลล์โดยธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม วัสดุเหล่านี้อาจต้องมีการติดฉลากสารก่อภูมิแพ้ ซึ่งอาจทำให้การใช้งานที่ต้องเผชิญหน้ากับผู้บริโภคซับซ้อนขึ้น เซลลูโลสจากแบคทีเรีย โดดเด่นเป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพ โครงสร้างที่มีความบริสุทธิ์สูงและคล้าย ECM ได้แสดงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ เช่น อัตราการยึดเกาะของไฟโบรบลาสต์ 35.9% ± 2.5% บนโครงสร้าง BC ที่ได้จากยีสต์ที่ใช้แล้วจากการผลิตเบียร์ ตามการศึกษาของ UCL ในปี 2025 [3]. โพลิเมอร์สังเคราะห์ให้การควบคุมทางกลที่ยอดเยี่ยม แต่ธรรมชาติที่ไม่สามารถรับประทานได้และความจำเป็นในการกำจัดทำให้ไม่ค่อยเหมาะสมสำหรับการผลิตในขนาดใหญ่
การใช้ Cellbase เพื่อหาแหล่งวัสดุสำหรับโครงสร้าง
การเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุให้เป็นกลยุทธ์การจัดหาที่สามารถดำเนินการได้มักจะง่ายกว่าที่พูดซัพพลายเออร์วัสดุนั่งร้านมักจะให้ข้อมูลที่กระจัดกระจายหรือไม่สมบูรณ์ ทำให้ยากต่อการค้นหาข้อมูลรายละเอียด เช่น การวัดมุมสัมผัส โปรไฟล์ ATR-FTIR หรือค่าความสามารถในการกักเก็บน้ำที่ปรับให้เหมาะกับการใช้งานเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง
ประเด็นสำคัญเกี่ยวกับความสามารถในการเปียกของนั่งร้าน
ความสามารถในการเปียกมีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพของนั่งร้านหากโครงสร้างมีความไม่ชอบน้ำมากเกินไป จะทำให้ดูดซับโปรตีนได้อย่างมีประสิทธิภาพยาก ในทางกลับกัน ความชอบน้ำมากเกินไปอาจทำให้ยากต่อการเก็บรักษาโปรตีน การหาสมดุลที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญในการสนับสนุนการยึดเกาะของเซลล์ การเพิ่มจำนวน และการเปลี่ยนแปลงภายในโครงสร้างสามมิติ เคมีพื้นผิวเป็นปัจจัยสำคัญในการบรรลุสมดุลนี้ กลุ่มฟังก์ชัน เช่น กลุ่มไฮดรอกซิล (-OH) มีอิทธิพลต่อความชอบน้ำของวัสดุและความสามารถในการสนับสนุนการยึดเกาะของเซลล์ โครงสร้างที่มีความสามารถในการกักเก็บน้ำสูงสามารถเลียนแบบโครงสร้างเครือข่ายธรรมชาติของเมทริกซ์นอกเซลล์ได้ ในขณะที่ความพรุนที่เหมาะสมช่วยให้การแพร่กระจายของสารอาหารและการกำจัดของเสียมีประสิทธิภาพ คุณสมบัติเหล่านี้มีความเชื่อมโยงกัน ดังนั้นการมุ่งเน้นเฉพาะความสามารถในการเปียกโดยไม่พิจารณาความพรุนหรือความเข้ากันได้ทางกลไกจะไม่ทำให้เกิดโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพ
การเลือกวัสดุมีความสำคัญไม่แพ้กัน โดยเฉพาะสำหรับ การผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยงที่สามารถขยายขนาดได้. วัตถุดิบที่ยั่งยืนได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการยึดเกาะของเซลล์ที่แข็งแกร่งโดยไม่ต้องใช้กระบวนการทำให้บริสุทธิ์ที่มีราคาแพงซึ่งมักเกี่ยวข้องกับวัสดุจากพืชบางชนิด สิ่งนี้เน้นถึงศักยภาพของกลยุทธ์การจัดหาที่คำนึงถึงสิ่งแวดล้อม [3].
วัสดุโครงสร้างที่แตกต่างกันนำมาซึ่งข้อดีและความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร โพลีแซคคาไรด์มีความปลอดภัยแต่ขาดมอทิฟที่ยึดเกาะเซลล์ วัสดุที่มีโปรตีนเป็นส่วนประกอบให้จุดยึดเกาะตามธรรมชาติ และโพลิเมอร์สังเคราะห์ต้องการการประเมินอย่างละเอียดเพื่อความปลอดภัยของอาหาร ปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญในการชี้นำการเลือกและการปรับแต่งวัสดุสำหรับการผลิตเนื้อสัตว์เพาะเลี้ยง [3].
คำถามที่พบบ่อย
มุมสัมผัสที่ฉันควรกำหนดเป้าหมายสำหรับโครงสร้างรองรับคืออะไร?
พื้นผิวโครงสร้างรองรับที่ มีความชอบน้ำปานกลาง - โดยมีมุมสัมผัสน้ำระหว่าง 20° ถึง 40° - เหมาะสำหรับส่งเสริมการยึดเกาะของเซลล์ ความสมดุลนี้สนับสนุนการโต้ตอบที่มีประสิทธิภาพระหว่างพื้นผิวและเซลล์
พื้นผิวที่มี มุมสัมผัสต่ำกว่า แสดงความชอบน้ำมากขึ้น ซึ่งช่วยปรับปรุงการดูดซับโปรตีนและเพิ่มการยึดเกาะของเซลล์ อย่างไรก็ตาม หากพื้นผิวมีความชอบน้ำมากเกินไป (โดยมีมุมสัมผัสเกิน 90°) อาจขัดขวางกระบวนการเหล่านี้ ในกรณีดังกล่าว การบำบัดเช่น การประมวลผลด้วยพลาสมา หรือการเพิ่มกลุ่มฟังก์ชันที่ชอบน้ำสามารถช่วยปรับคุณสมบัติของพื้นผิวได้
สำหรับข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมและวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ พิจารณาสำรวจเทคนิคการปรับเปลี่ยนโครงสร้างรองรับและพื้นผิวที่มีอยู่ผ่าน
การวัดความสามารถในการเปียกบนโครงสร้าง 3D ที่มีรูพรุนทำได้อย่างไร?
การวัด ความสามารถในการเปียก บนโครงสร้าง 3D ที่มีรูพรุนสำหรับเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยงมีความท้าทายเฉพาะตัวของมันเอง ของเหลวมักจะซึมเข้าไปในรูพรุนระหว่างการวัดมุมสัมผัสด้วยแสงมาตรฐาน ซึ่งอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยอาจใช้แพลตฟอร์มที่พิมพ์ด้วย 3D เพื่อยกโครงสร้างขึ้น ช่วยลดการอ่านค่าบวกเท็จ อีกวิธีหนึ่งคือการใช้ วิธีการแก้ไขมุมสัมผัส Cassie-Baxter , ซึ่งเหมาะสมโดยเฉพาะสำหรับวัสดุที่มีรูพรุน สำหรับผู้ที่ต้องการโครงสร้างเฉพาะทาง
การรักษาที่ปลอดภัยต่ออาหารใดที่ช่วยปรับปรุงการยึดเกาะของเซลล์บนโครงสร้างที่ไม่ใช่สัตว์?
เพื่อปรับปรุงการยึดเกาะของเซลล์บนโครงสร้างที่ไม่ใช่สัตว์ที่ใช้ในการผลิตเนื้อสัตว์ที่เพาะเลี้ยง นักวิจัยกำลังนำเทคนิคที่ปลอดภัยต่ออาหารมาใช้หลากหลาย:
- การผสมสารเติมแต่งจากพืช : สารประกอบที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพเช่นสารสกัดจากแอนนัตโตถูกนำมาใช้เพื่อปรับความเปียกของพื้นผิว เพิ่มการยึดเกาะของเซลล์
- การใช้เปปไทด์ที่มีลวดลายเฉพาะ: เปปไทด์ที่มีลำดับ RGD หรือรูปแบบที่อินทิกรินรู้จักถูกผสมเพื่อเสริมสร้างการยึดเกาะของเซลล์
- การผลิตโครงสร้างขั้นสูง: เทคนิคเช่นการปั่นด้วยไฟฟ้าและการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติถูกนำมาใช้ในการออกแบบโครงสร้างที่เลียนแบบเมทริกซ์นอกเซลล์ เพื่อให้สภาพแวดล้อมที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์
