在培育肉类生产中，选择牛源和猪源细胞系是一个关键决策。每种细胞类型都提供了不同的优势和挑战，影响可扩展性、培养基需求以及创建结构化肉类产品的能力。以下是一个简要概述：
- 牛源细胞系非常适合肌肉组织生产，特别是用于牛排等产品。它们在大理石花纹方面表现出色，但在长期分化方面面临挑战，并且需要进行基因改造以实现可扩展性。
- 猪源细胞系非常适合脂肪生产，具有自发永生化和在数百次倍增中的稳定生长。它们在大规模生产中具有成本效益，但可能需要与肌肉细胞共同分化的精确时机。
快速比较
| 属性 | 牛细胞系 | 猪细胞系 |
|---|---|---|
| 倍增时间 | ~39小时（早期传代） | 20–24小时（早期传代） |
| 永生化 | 需要基因改造 | 自发性 |
| 分化 | 早期强，约25次倍增后下降 | 稳定的脂肪生成效率（>200次倍增） |
| 培养基成本 | 由于重组生长因子而较高 | 使用血红素补充培养基较低 |
| 结构化肉类适用性 | 适用于大理石花纹和肌肉-脂肪分离 | 对脂肪-肌肉共同分化有效 |
这两种细胞系各有独特的优点和局限性，选择取决于产品目标和生产策略。
牛与猪细胞系在培养肉生产中的比较
牛细胞系
在培养肉中的应用
牛细胞系特别适合用于生产结构化肉类产品，如牛排和其他优质切块。它们的一个突出特点是能够形成真实的大理石花纹——这种肌内脂肪赋予牛肉独特的风味和质地。这种大理石花纹是通过
创造适当的大理石花纹需要在分化过程中进行精心协调。与猪系统可以同时分化肌肉和脂肪不同，牛系统通常分别处理成肌细胞（肌肉形成）和脂肪细胞（脂肪形成）的分化。然后将这些成分结合起来，以精确控制脂肪与肌肉的比例。虽然这种方法允许更大的定制化，但也为生产过程引入了额外的复杂性[2].
生长特性
尽管牛细胞在生成肌肉和脂肪方面都很有效，但它们的生长动态为大规模生产带来了挑战。一个关键问题出现在牛卫星细胞上，它们在继续增殖时会失去分化能力。例如，初级牛成肌细胞可以在保持正常核型的同时经历60到100次群体倍增。然而，它们融合成肌管的能力——肌肉组织形成的一个关键步骤——在大约25次倍增后显著下降。这个限制为扩大生产规模造成了瓶颈，而生产每公斤湿重大约需要2.9×10¹¹个细胞[7]。
2023年5月，塔夫茨大学细胞农业中心的研究人员通过开发遗传不朽化的牛卫星细胞（iBSCs）解决了这个问题。通过引入牛端粒酶逆转录酶（TERT）和细胞周期蛋白依赖性激酶4（CDK4），这些细胞能够超过120次倍增，同时仍能形成多核肌管。Andrew J.塔夫茨大学的Stout强调了这一突破的重要性：
“为了使培养肉在大规模上取得成功，必须以快速且可靠的方式在体外扩增食物相关物种的肌肉细胞，以每年生产数百万公吨的生物质。” [5]
生长性能也受到播种密度和培养基配方等因素的严重影响。例如，牛脂肪来源的干细胞（bASCs）在播种密度为1,500个细胞/cm²时显示出最佳生长，在使用80%培养基更换策略的旋转瓶中实现了28倍的扩增[1]。此外，化学定义的无血清培养基已被证明可以支持牛成肌细胞以接近传统含血清培养基97%的速率进行指数增长[6]。这不仅降低了成本，还符合道德考量，使其成为未来生产的有前途的方法。
这些牛特有的生长特性为在培养肉生产的背景下将其与猪细胞系进行比较提供了坚实的基础。
sbb-itb-ffee270
猪细胞系
在培养肉中的应用
猪细胞系在生产成熟的单室脂肪细胞方面起着重要作用，这些细胞与天然猪脂肪非常相似[9]。
一个突出的例子是通过自发永生化创建的FaTTy细胞系。该细胞系在200次倍增中表现出令人印象深刻的约100%的脂肪生成效率，产生的脂肪酸谱与天然猪脂肪中的非常接近。从该细胞系衍生的培养脂肪细胞可以达到高达96,670 μm³的脂质体积。正如FaTTy研究团队所解释的：
“FaTTy是一种独特的牲畜细胞系，具有独特的脂肪生成表型，其特点是在各种培养条件下能够可靠地高效分化，并生成成熟的脂肪细胞，其脂肪酸谱与天然脂肪相当。”[9]
另一个值得注意的细胞系PK15H在高达40 mM的高血红素培养基浓度下表现良好。此特性有助于复制传统猪肉典型的丰富色泽和铁重风味[3]。此外，培养的猪脂肪可以微调以获得更健康的脂质组成，实现3.2的单不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比率，而天然组织中常见的比率为1.4[9]。
生长特性
猪细胞系不仅擅长脂肪生产，而且在生长和可扩展性方面也表现出色。它们表现出稳定和快速的扩展，使其特别适合大规模生产。例如，FaTTy 细胞系的起始倍增时间为 20-24 小时，在第 140 到 190 次倍增之间仅略微减慢至 22-36 小时。这种一致性是一个改变游戏规则的因素，因为单个 FaTTy 细胞从 70 到 140 次倍增理论上可以在 11 天的分化期内生产 106 吨脂肪[9]。
这些细胞系的一个主要优势是其自发的永生化，能够在不需要基因改造的情况下进行长期扩展。这种非转基因状态是一个监管上的胜利。强调这一点，蔚山大学医学院指出：
“我们的研究报告了一种可以在高血红素培养基中培养的猪细胞，并且可以在无血清条件下维持。”[3]
此外，猪肌肉干细胞显示出显著的可扩展性，扩增率为10⁶到10⁷倍，能够生产100克到1千克的培养肉[10]。使用CD31、CD45、JAM1、ITGA5和ITGA7等标记的细胞分选技术的进步显著提高了高纯度肌肉干细胞的分离。这些方法使PAX7阳性率相比旧技术提高了20%[11]。这一改进确保了在多次传代中保留了肌源性潜力，解决了在长期扩增过程中分化能力下降的常见问题。
这些生长和分化优势使猪细胞在培养肉生产中比牛细胞更具优势。
ICAN 关于培养肉应用的细胞系和培养基的网络研讨会
生长速度和增殖比较
让我们深入了解猪和牛细胞系在生长和增殖方面的表现。猪细胞系，如自发永生化的FaTTy系，显著更快。它们的初始群体倍增时间仅为20-24小时[9]。相比之下，即使在优化的无血清培养基如Beefy-9中生长，牛卫星细胞的倍增时间也需要大约39小时[12]。
在多次传代后，这些差异变得更加明显。初级牛卫星细胞在大约10次传代后往往会失去其增殖和分化能力[2]。另一方面，FaTTy猪系在超过200次群体倍增中几乎保持了100%的脂肪生成效率。即使在后期阶段，它们的倍增时间也仅适度增加到22-36小时[9]。2022年5月，塔夫茨大学的一项研究指出，Beefy-9中的牛细胞在七次传代（28天）中实现了18.2次群体倍增，同时保持了超过96%的Pax7⁺干性[12]。与此同时，爱丁堡大学2025年1月的一份报告证实，FaTTy系在超过200次倍增后仍未失去其分化潜力[9]。
这些细胞在实现永生化方面也存在显著差异。牛细胞通常需要通过基因工程 - 通常是通过 TERT 和 CDK4 的过表达 - 来维持超过 120 次倍增的长期扩展 [5]。相比之下，像 FaTTy 系列的猪细胞无需基因改造即可实现自发永生化。这在对转基因生物持谨慎态度的市场中提供了明显的监管优势 [9]。
比较表格
| 特征 | 牛卫星细胞 | 猪MSC（FaTTy Line） |
|---|---|---|
| 平均倍增时间 | ~39小时（优化的无血清）[12] | 20–24小时（早期传代）[9] |
| 晚期传代倍增时间 | ~56小时（18次倍增）[12] | ~36小时（190次倍增）[9] |
| 传代稳定性 | ~10次传代后下降[2] | 稳定至>200次倍增[9] |
| 永生化方法 | 工程化 (TERT/CDK4) [2] | 自发 [9] |
| 干性/分化 | >96% Pax7⁺ (最多传代6次) [12] | 接近100%的脂肪生成效率 [9] |
值得注意的是，体内卫星细胞大约每17小时翻倍，这突显了在体外匹配自然生长速度的难度 [12]。
媒体需求和差异化效率
媒体依赖性比较
媒体成本可以主导培养肉的生产，通常占费用的55%到90%，在某些系统中，甚至超过99%[3][12]。
对于牛细胞，常见的要求是20%的胎牛血清，成本约为每升290英镑[12]。一种无血清替代品，Beefy-9，使用B8基础培养基结合重组人白蛋白。Beefy-9的标准价格约为每升217英镑，但批量订购可将价格降低到每升46至74英镑之间[12]。然而，无血清培养基中的高白蛋白水平可能会阻碍细胞粘附，因此通常在传代后24小时添加重组白蛋白[12]。
猪细胞系采用不同的方法进行无血清适应。例如，PK15细胞利用来自棒状杆菌的细菌血红素提取物[3]。血红素不仅减少了对血清的依赖，还增强了风味和颜色。然而，浓度超过10 mM可能会变得有毒，尽管由于解毒基因的上调，猪细胞可以耐受高达40 mM的浓度[3]。尽管有这种耐受性，生长在补充血红素的培养基中的猪细胞通常只能存活4-5代，而在Beefy-9中培养的牛细胞可以持续生长七代或更多 [3][12]。
这两种细胞类型都严重依赖成纤维细胞生长因子-2 (FGF-2)。例如，即使将FGF-2水平从40 ng/mL降低到5 ng/mL，牛细胞也能维持短期生长[12]。此外，使用低葡萄糖培养基（1 g/L）有助于保留牛细胞中的干性标志物[13]。
这些特定的培养基要求在扩大生产时至关重要，并直接影响分化效率。
分化效率
虽然培养基成本是一个重要因素，但分化效率在决定培养肉的可扩展性方面也起着重要作用。
随着扩增，牛细胞在分化效率方面面临挑战。例如，来自比利时蓝牛的牛成肌细胞在14次群体倍增时最初达到约55%的融合指数，但在25次倍增时急剧下降到不到10%[7]。同样，胎牛来源的细胞起始融合指数较高（约54.6%），而成年牛来源的细胞则约为38.0%，但两者的分化能力每次传代下降约6.81%[7]。
另一方面，猪细胞表现更为稳定。永生化的ISP-4猪前脂肪细胞株在超过40次传代中保持高脂肪生成分化效率，在8天的分化过程中脂质积累增加了100倍[8]。这使得猪细胞在脂肪生产方面特别有吸引力，而牛细胞在早期传代中更适合肌肉分化，但在长期维持方面存在困难。
| 特征 | 牛卫星细胞 | 猪细胞系 |
|---|---|---|
| 初始融合指数 | 38–55%（传代 0）[7] | 未指定肌肉 |
| 分化寿命 | 约 25 次倍增后急剧下降[7] | 在 40 次以上传代中保持效率（ISP-4 脂肪生成）[8] |
| 无血清寿命 | 维持生长超过 7 次传代[12] | 适应血红素的情况下可存活 4–5 次传代[3] |
| 关键补充剂 | 重组白蛋白，FGF-2 [12] | 血红素提取物，胰岛素，地塞米松 [3][8] |
| 脂质生产 | 最小化（肌肉重点） | 100倍增加（ISP-4）[8] |
适用于结构化肉类产品
细胞系的选择在塑造不仅是生长和培养基条件，而且是培养肉产品的结构方面起着关键作用。在试图复制牛排或猪排的质地和外观时，平衡脂肪和肌肉细胞的比例是至关重要的。
脂肪-肌肉共分化
牛和猪的细胞系在共分化方面表现不同。牛细胞培养通常面临FAP（纤维脂肪前体细胞）过度生长等挑战，这会通过降低融合指数来破坏肌肉发育。此外，这些培养物中的脂肪细胞释放信号，如肌肉抑制素和IL-6，阻止肌原蛋白的表达，从而有效地阻止肌纤维的形成[16]。
为了解决这个问题，Mosa Meat的研究人员创建了一种优化的无血清生长培养基（i-SFGM）。这种培养基包括三碘甲腺原氨酸（T3）和增加的HGF，同时排除PDGF-BB以控制FAP过度生长。他们还使用模块化脂肪球（200–400 µm）在早期生长阶段将脂肪和肌肉细胞物理分开[4][14].
另一方面，猪细胞系在共同分化方面表现出更协调的方法。例如，ISP-4前脂肪细胞株与猪肌肉卫星细胞配合良好，产生类似传统肉类的大理石花纹。此过程包括48小时的脂肪生成诱导阶段，随后在2%马血清中96小时以触发肌生成。这导致成熟的肌肉纤维与脂肪细胞交织在一起[8] 。然而，与C2C12等标准模型系相比，猪肌肉卫星细胞的肌生成能力较弱，需要精确的时间安排以确保脂肪细胞不会在培养中占主导地位[8]。这些差异在分化中突显了每种细胞类型在扩大生产规模时所面临的独特挑战和机遇。
可扩展性和生产挑战
扩大结构化培养肉的生产需要一致的细胞性能。猪细胞系往往更具可扩展性。例如，自发永生化的FaTTy细胞系在超过200次群体倍增中保持了近100%的脂肪生成效率[9]。将猪细胞系从70倍增扩展到140倍增理论上可以生产多达106吨脂肪[9]。此外，ISP-4菌株在微载体上生长于旋转瓶系统中，在六天内细胞密度增加了40倍[8]。
"FaTTy是一种独特的牲畜细胞系，具有独特的脂肪生成表型...这些特性，加上其非转基因的特性，使FaTTy成为一个非常有前景的基础工具。" – Nature Food, 2025[9]
牛细胞系面临更多障碍。FAP污染降低了它们有效分化为肌肉组织的能力[4]。此外，像FGF-2和TGF-β这样的生长因子的高成本 - 通常占培养基费用的90%以上 - 使得扩大牛细胞系的规模更加昂贵[17]。这些细胞还需要专门的涂层，如Laminin-521，以促进卫星细胞的粘附并最大限度地减少FAP干扰[4]。
生产一吨培养肉涉及大约10¹³个细胞，而像整块肉这样的结构化产品需要先进的生产系统，如灌流或填充床反应器，以支持其开发所需的3D支架和生物材料[15]。
比较表格
| 属性 | 牛细胞系 | 猪细胞系 |
|---|---|---|
| 主要可扩展性挑战 | FAP在肌肉培养物中过度生长[4] | 适应悬浮/无血清培养[9] |
| 分化稳定性 | 经过约10次传代后下降[2] | 像FaTTy这样的菌株在>200倍增[9] |
| 共同分化 | 脂肪细胞抑制肌生成[16] | 成功实现大理石花纹原型[2][8] |
| 结构强度 | 高；能够实现肌肉-脂肪-肌腱整合[14] | 中等；专注于纤维对齐生长[14] |
| 整体切割适用性 | 潜力高，但受FAP干扰限制[4] | 由于稳定的3D脂肪生产，潜力高[9] |
| 质地挑战 | 烹饪后粘合性降低[14] | 往往比商业猪肉更软[14] |
结论
在选择牛和猪细胞系时，需要在培养肉生产中的不同优势和挑战之间取得平衡。牛卫星细胞是创建骨骼肌组织的直接途径，并从现有的无血清培养基配方中受益，如Beefy-9 [2]。另一方面，猪细胞系已被用于开发培养猪肉原型，并在与卫星细胞共同分化以创建大理石花纹肉结构方面显示出希望[2]。
可扩展性仍然是一个主要障碍。培养基成本和生物反应器的可扩展性占总生产费用的55%–90%，而优化的细胞系的可用性仍然有限，减缓了商业进展 [3][2]。
“用于培养肉生产的细胞系最终决定了许多需要考虑的下游变量。" – GFI [2]
常见问题
哪种细胞系最适合用于制作牛排或排骨等整块产品？
来源于肌肉驻留祖细胞的细胞系，如卫星细胞，通常是生产牛排或排骨等整块产品的理想选择。这些细胞能够发育成成熟的肌肉组织，形成这些类型产品所需的结构化纹理和形态。
我该如何在基因永生化和自发永生化之间做出选择？
选择如何使细胞永生化以进行培养肉生产取决于您的优先事项，包括安全性、可扩展性和监管考虑。
基因永生化 涉及引入特定基因，如端粒酶，以实现对细胞无限分裂能力的精确控制。虽然这种方法提供了可预测性和一致性，但可能会引发对基因改造和潜在风险（如肿瘤形成性）的担忧。
另一方面，自发永生化在长期细胞培养中自然发生。这种方法避免了基因工程，这可能使监管审批更加顺利，并增加对基因改造持谨慎态度的消费者的接受度。
这两种方法各有其优点和挑战，为大规模培养肉生产提供了不同的路径。最终的选择取决于控制、监管障碍和消费者信任之间的平衡。
牛细胞与猪细胞培养基的最大成本驱动因素是什么？
生产牛细胞和猪细胞培养基的最大开支归结于其成分的成本和复杂性。开发和微调培养基配方是一个主要障碍，尤其是因为培养基至少占可变运营成本的50%。除此之外，为每个物种量身定制的调整又增加了一层复杂性。这些方面在塑造培养肉的整体生产成本中起着重要作用。
