对于培养肉类研发团队来说，生产像牛排或鱼片这样的结构化整块肉不仅仅是细胞的生长。关键在于底盘细胞——肌肉、脂肪和结缔组织细胞，旨在模仿传统肉类的结构和质地。这些细胞必须：
- 高效增殖，然后分化为成熟组织。
- 与支架对齐以形成各向异性的肌肉纤维。
- 与共培养物（e.g. ，脂肪和成纤维细胞）相互作用以实现逼真的组成。
- 重塑细胞外基质（ECM）以确保结构完整性。
每种底盘细胞类型——成肌细胞、干细胞或工程化细胞系——都提供独特的优势和局限性。例如，成肌细胞在形成肌肉纤维方面表现出色，但在可扩展性方面存在困难，而干细胞 则在创造复杂组织混合物方面提供了灵活性。 支架的兼容性同样至关重要，因为刚度、粘附性和对齐直接影响细胞行为和最终产品质量。
底盘细胞和支架的正确组合确保了所需的质地、结构和感官体验。无论您是在开发大理石纹牛排、片状鱼片还是混合产品，量身定制的细胞策略以实现产品目标对于成功至关重要。
培养肉用底盘细胞的关键特性
底盘细胞的核心特性
并非所有细胞类型都适合三维培养肉生产的复杂需求。要取得成功，底盘细胞必须具备几个相互关联的生物特性。
一个关键要求是强大的增殖能力. 这些细胞需要快速增殖，同时保持未分化状态，直到达到足够的细胞量。之后，它们必须有效地分化。例如，成肌细胞必须融合成多核肌管以形成成熟的肌纤维。这些纤维每个细胞可以包含多达100个细胞核。该融合过程的成功通常通过标记物如肌球蛋白重链 (MHC) 表达和肌酸激酶 活性 [2]. 来评估。这些能力直接有助于高质量结构化产品所需的纤维质地和结构完整性。
粘附行为 是另一个关键特性。底盘细胞由于依赖锚定，依靠整合素受体结合特定基序，特别是RGD序列（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸），进行附着。在使用植物基支架时，用RGD肽或蛋白质涂层进行功能化 变得必要 [1].
此外，这些细胞必须分泌和重塑细胞外基质 (ECM). 这涉及到生产胶原蛋白、蛋白聚糖和基质金属蛋白酶（MMPs），以将支架转化为类似天然肌肉组织的结构。重塑ECM的能力对于实现消费者期望的培养肉的机械和感官质量至关重要。
虽然这些特性是基础，但结构化培养肉对底盘细胞的性能要求更高。
为什么结构化肉类产品对底盘细胞的要求更高
尽管核心特性至关重要，但生产结构化培养肉——如整块产品——需要专门的细胞行为。相比之下，非结构化形式，如碎肉，更具宽容性。对于这些，细胞可以作为未分化的生物质收获，并与粘合剂结合以实现所需的质地。然而，整体切割产品要求细胞与支架结构对齐，这需要机械感知——即检测和响应环境中机械信号的能力。研究表明，2–12 kPa 的刚度范围是肌肉祖细胞扩展的最佳范围，与骨骼肌组织的自然刚度非常接近 [1][3]. 超过此范围通常会驱动细胞走向分化而不是增殖，这强调了支架设计在影响细胞行为中的重要性。
结构化格式还需要共培养兼容性. 一个现实的整体切割产品通常由约 90% 的成熟肌肉纤维组成，其余部分为脂肪和结缔组织[3]. 这意味着底盘细胞必须与脂肪细胞和成纤维细胞一起生长而不相互干扰。这增加了培养基配方、支架化学和整体培养条件的复杂性。在三维环境中，这些相互作用发生在整个细胞膜上，模拟体内行为并促进组织正确组织所需的信号梯度。
“肌肉的大部分承载能力来自于这种致密的ECM，而不是肌肉纤维本身，这揭示了成熟肌肉细胞需要强大支撑结构的重要性。” - Claire Bomkamp，高级科学家，The Good Food Institute [3]
如果底盘细胞未能有效分泌和重塑ECM，结果组织将缺乏所需的机械强度，无论细胞分化得多好。在结构化培养肉中，ECM不仅是支架，而且是最终产品的重要功能组成部分。在这些特性上表现出色的底盘细胞对于实现结构精度和感官属性至关重要，这些特性定义了成功的整体切割培养肉产品。
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底盘细胞策略和来源
培养肉的底盘细胞策略：并排比较
选择合适的细胞来源是解决培养肉生产中可扩展性和功能性挑战的基石。三种主要策略——肌肉来源的成肌细胞、基于干细胞的系统和基因工程细胞系——各自具有其优点和局限性，具体取决于所开发的产品。
肌肉来源的成肌细胞
成肌细胞是骨骼肌细胞的前体，从组织活检中采集并在培养中扩增。然后，他们被引导去区分、融合，并形成多核肌管，从而创造出肌肉的纤维结构。它们的生物学特性记录详尽，使其成为在纤维对齐和质地关键的应用中，如牛排或鱼片的一个优秀选择。
然而，可扩展性是一个显著的障碍。由于衰老，初级肌母细胞的寿命有限，反复活检对于大规模生产来说不可行。尽管如此，它们可预测的分化对于研究和早期原型设计是有利的。例如，植物衍生的支架，如去细胞化芦笋，已被用来为肌母细胞播种提供对齐提示，部分弥补了缺乏天然细胞外基质（ECM）环境的不足。[2]. 尽管如此，基于干细胞的系统和基因工程方法为可扩展性问题提供了解决方案，并带来了额外的功能性好处。
基于干细胞的方法
干细胞，包括卫星细胞、间充质干细胞（MSCs）和诱导多能干细胞（iPSCs），解决了成肌细胞的可扩展性限制。这些细胞可以扩展到更大的体积，并能够从单一来源分化为多种细胞类型[1][3].
这种多功能性对于创造所需的肌肉、脂肪和结缔组织的平衡组成至关重要。例如，复制传统肉类中约90%肌肉纤维与10%脂肪和结缔组织的比例涉及结合肌细胞、脂肪细胞和成纤维细胞。基于干细胞的系统比纯成肌细胞培养更有效地管理这种复杂性。一个显著的例子来自新加坡生物加工技术研究所（A*STAR）的研究人员。2024年5月，他们在去细胞化芦笋支架上使用了猪脂肪来源的间充质干细胞（pADMSCs），以生产肌纤维和脂肪细胞的共培养物。质地剖面分析确认该产品的生肉质地与传统猪里脊肉相匹配 [2].
干细胞方法通常结合成纤维细胞共培养或工程化ECM分泌，以确保基质的机械功能性。这种整合强调了ECM动态在共培养设计中的重要性[3]. 基因工程底盘细胞 基因工程提供了克服自然限制的工具，例如通过创建可以无限增殖的不朽化细胞系来克服衰老[1]. 这种方法特别适合于扩大生产规模和优化ECM相互作用。例如，通过靶向基质金属蛋白酶（MMPs）及其抑制剂（TIMPs），精确的基因修饰可以增强ECM重塑。这些酶在组织成熟中起着关键作用，影响肌管的形成、迁移和排列[3].
"鉴于MMPs和TIMPs在细胞分化、迁移和增殖中的关键作用，这些酶可能成为优化下游CM制造过程的有吸引力的细胞系工程目标。" - Claire Bomkamp等，《The Good Food Institute》[3]
此外，可以对细胞进行工程改造，以通过增强整合素-RGD相互作用来改善支架粘附，或自主分泌结构蛋白如胶原蛋白和纤维连接蛋白。 对营养成分进行定制的兴趣日益增长，例如增加肌红蛋白表达以提高铁含量和改善颜色[3].
基因工程细胞系的缺点在于其监管和生物复杂性。永生化或改良细胞需要严格的表征，并且它们在三维共培养系统中的行为有时可能会不可预测地偏离原代细胞。为了获取经过验证的细胞系和兼容的支架材料, ，像
| 方法 | 可扩展性 | 多谱系能力 | 产品专注 |
|---|---|---|---|
| 肌源性成肌细胞 | 受衰老限制 | 否 | 纤维专注原型；R&D 基准测试 |
| 基于干细胞 (MSCs/iPSCs) | 高 | 是 | 具有大理石纹理的复杂结构产品 |
| 基因工程系 | 最高 | 可配置 | 商业规模生产；ECM 优化 |
支架兼容性和组织形成
支架环境在培养肉生产过程中塑造细胞行为方面起着关键作用。选择合适的底盘细胞策略固然重要，但这些细胞与支架之间的相互作用在很大程度上决定了组织的功能性。粘附、对齐以及成熟为功能性组织的能力等因素都受到细胞类型与支架材料之间关系的深刻影响。这种相互作用需要仔细的微调。
植物来源和合成支架的一个主要挑战是它们缺乏天然的细胞结合域，这对于动物细胞的粘附至关重要。具体来说，它们通常缺乏RGD序列，而这对于整合素结合是必不可少的。正如npj Science of Food, 中所强调的，“非动物来源的生物材料通常缺乏细胞结合域，这对于细胞在培养中的粘附和生长是必需的，因此需要进一步的化学或结构修饰”[1]. 为了解决这个问题，通常需要通过纤连蛋白、层粘连蛋白或RGD肽进行表面功能化，以增强粘附性并支持这些支架上的细胞生长。
支架的刚度起着关键作用。 类似肌肉的机械性能通常在2–12 kPa的范围内 [1][3]. 在这个范围的较低端，较软的支架促进祖细胞扩增，而增加的刚度则鼓励分化为成熟的肌纤维。具有时间可调刚度的水凝胶提供了一种实用的解决方案，最初支持细胞扩增，然后在单一支架系统内促进分化。这种刚度控制对于创造出赋予培养肉真实质感的对齐纤维结构至关重要。
各向异性同样重要。肉的特征性纹理和咬合阻力来自于对齐的肌肉纤维。使用静电纺丝、旋转喷射纺丝或3D生物打印等技术生产的支架可以创建必要的定向地形，以引导肌母细胞形成平行的肌管。另一方面，未对齐的纤维会导致显著更高的横向应力——是对齐纤维的七倍以上[3]——这突显了结构方向性对于复制肉质纹理的重要性。
不同底盘细胞类型在支架上的表现
不同的底盘细胞类型在与支架相互作用时有独特的需求。例如，成纤维细胞在来自如Grifola, 等物种的真菌多糖支架上茁壮成长，这些支架能积极刺激胶原蛋白的合成。这使成纤维细胞成为ECM的构建者，而不是被动的细胞。另一方面，脂肪细胞通常在可食用的微载体上生长，这些微载体支持脂质滴积累，然后整合到肌肉结构中。同时，内皮细胞在细菌纤维素水凝胶上表现良好，例如由 Gluconacetobacter hansenii, 生产的水凝胶，这些水凝胶促进了类血管网络的形成。这些网络对于解决较厚组织结构中的营养运输问题至关重要。
将可食用支架与每种细胞类型的粘附和成熟需求相匹配对于一致的组织形成至关重要。
| 底盘细胞类型 | 兼容支架材料 | 性能指标 |
|---|---|---|
| 肌母细胞 | 大豆蛋白、小麦谷蛋白、藻酸盐（RGD修饰）、PLA | 粘附、排列、分化效率 |
| 成纤维细胞 | 真菌多糖、PCL、胶原蛋白涂层聚合物 | ECM组织、胶原合成刺激 |
| 脂肪细胞 | 可食用微载体、多孔植物基支架 | 脂质积累、结构整合 |
| 内皮细胞 | 细菌纤维素、聚氨酯 | 生物相容性、类血管网络形成 |
寻找满足这些细胞特定需求的支架材料——特别是那些食品安全且具有良好记录的表面特性的材料——对于许多R&D团队来说仍然是一个挑战。像
将底盘细胞选择与产品目标匹配
一旦支架环境设置完毕，下一个关键步骤就是选择合适的底盘细胞以实现所需的肉类结构。没有一种通用的底盘细胞类型适合每种产品形式。选择取决于产品的具体要求：是整块肌肉切割的纤维质感、高级牛排的丰富大理石纹，还是加工混合形式的均匀一致性。提前做出这些决定可以通过避免后期的重大配方调整来节省时间和成本。这个过程确保所选的底盘细胞与最终产品的结构和感官目标一致。
正如Claire Bomkamp和The Good Food Institute的同事们所强调的，确定成熟肌肉纤维与脂肪和结缔组织的最佳比例，为在开发过程中优先考虑细胞类型和比例提供了宝贵的框架[3] .
为不同结构化产品选择合适的底盘细胞
对于整块肌肉切块, 成肌细胞与成纤维细胞的结合提供了最直接的解决方案。成肌细胞贡献了必要的纤维结构——陆地肌肉纤维通常长度在1–40毫米之间，直径在10–100微米之间[3]. 同时，成纤维细胞组织细胞外基质（ECM），这对于机械强度和结构完整性至关重要。没有坚固的ECM，即使是分化良好的肌管也无法达到整块切割所需的质地。
大理石花纹产品需要不同的关注点。肌内脂肪是提供多汁性、风味和嫩度的关键。高大理石花纹品种的脂肪细胞，如日本黑牛, 的直径通常超过100微米[3]. 脂肪来源的干细胞或间充质干细胞（MSCs）是这些产品的理想选择，因为它们可以引导脂质在组织内的积累。MSCs还提供灵活性，因为它们可以根据产品的需要分化为肌肉或脂肪细胞。
鱼片需要量身定制的方法。鱼类肌母细胞形成的纤维比陆地肌肉短，鱼类胶原蛋白的热稳定性较低，这在烹饪过程中有助于形成片状质地。对于鱼片，使用鱼类来源的肌母细胞和为较低热阈值设计的支架是至关重要的。使用优化用于哺乳动物细胞或高温条件的支架会影响所需的质地。
对于混合和加工格式 - 如汉堡、香肠或植物基混合产品 - 可扩展性和悬浮兼容性比复制原生组织结构更为重要。在微载体上生长的肌母细胞可以被收获并与植物基蛋白混合，利用标准的食品加工设备。在这些格式中，培养的脂肪细胞通常起着关键作用，因为脂肪提供了植物蛋白无法复制的风味和口感。
| 产品目标 | 主要底盘细胞策略 | 关键选择因素 |
|---|---|---|
| 整块肌肉切割 | 肌母细胞 + 成纤维细胞 | 对齐潜力和ECM组织 [1][3] |
| 大理石纹理 | 脂肪细胞 / MSCs | 脂质积累和风味特征 [3] |
| 鱼片 | 鱼源性肌母细胞 | 短纤维形成和热敏感性 [3] |
| 加工 / 混合 | 肌母细胞 + 微载体 | 悬浮和倍增时间的可扩展性 [1][4] |
此表总结了将底盘细胞与特定产品目标相匹配的策略，为研究人员提供了快速参考。然而，寻找合适的细胞系和兼容的支架可能是一项复杂的任务，尤其是在产品需求不断变化的情况下。像
结论
定制底盘细胞是生产结构化培养肉的核心，影响从纤维排列和脂肪分布到支架兼容性和可扩展性的各个方面。没有单一的细胞类型可以满足所有要求。相反，肌母细胞、脂肪细胞、成纤维细胞、干细胞和基因工程细胞系各自带来了不同的优势，最有效的方法是战略性地结合这些元素。
为了复制传统肉类的组成，结构化培养肉必须实现大约90%的成熟肌肉纤维和10%的脂肪和结缔组织的组织平衡[3]. 扩大培养肉生产 需要无血清、强健、与支架兼容并为工业生物反应器优化的底盘细胞[4][5].
“必须解决重大的技术挑战，才能使该领域充分发挥潜力，例如建立标准化细胞系, 优化培养基、工艺设计和支架技术。” - npj Science of Food [1]
一个主要障碍仍然存在：可靠材料的来源。
常见问题解答
什么样的底盘细胞适合用于整块培养肉？
强大的底盘细胞在培养肉生产中起着关键作用，因为它需要支持组织生长，同时模仿天然肉的结构。重要特征包括高增殖能力, 遗传稳定性, 以及分化为所需细胞类型的能力。
同样重要的是其与支架的兼容性, ，这使得肌肉细胞能够正确附着和排列——这是实现与整块肉相关的纤维质地的关键。
其他重要特征包括：
- 在成本效益高的培养基中快速增殖。
- 代谢效率, 确保生长期间资源的最佳利用。
- 能够与脂肪细胞共培养, ，这有助于实现真实的风味、质地和可扩展性。
这些特征共同确保了培养肉在结构和感官质量上与传统肉类非常相似。
如何选择肌肉纤维的支架刚度和排列？
支架的刚度和排列在培养肉生产中起着关键作用。为了支持细胞的正确分化和组织，支架的刚度应与天然肌肉组织的刚度非常接近——通常在2–12 kPa. 范围内。
对于对齐, 技术，如拉伸是有效的，因为它们鼓励细胞均匀定向。其他方法，包括使用微图案支架和地形线索，进一步优化组织结构。这些方法对于在最终产品中实现逼真、类似肉的质地至关重要。
何时应使用成肌细胞与干细胞与工程化细胞系？
细胞类型的选择取决于您在培养肉生产中的具体目标：
- 成肌细胞: 最适合用于创建肌肉组织，如牛排类产品，因为它们直接分化为肌肉纤维。
- 干细胞: 提供生成各种组织类型的多功能性，但通常涉及更复杂的协议。
- 工程化细胞系: 专为可扩展性而设计，并针对高产量和生物工艺效率进行了优化，使其成为大规模生产的有力候选者。
