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全球人口增长对肉类需求不断增加，促使我们需要找到新的可持续传统模式替代方案。培养肉（CM）一种有前景的解决方案，主要是在体外利用动物干细胞生产肉制品，生成在营养和感官上类似于传统畜牧肉类的产品。本文探讨了当前CM的生产方法，并研究了如何利用昆虫干细胞来改进该流程。细胞来源、培养基、生物反应器和支架是CM生产中的关键问题。与常用的哺乳动物细胞相比，昆虫细胞更有优势。本综述分析了昆虫细胞作为CM生产细胞来源的优势。比较了昆虫和哺乳动物细胞的特性，关注肌肉和脂肪细胞的发育、调控途径、激素调节和组织成分。昆虫细胞作为CM的来源细胞具有广阔的应用前景。

近日，来自意大利巴西里卡塔大学的Patrizia Falabella和Carmen Scieuzo教授团队进行了展望未来培养肉的细胞来源：哺乳动物和昆虫细胞的相关综述。研究成果以“A Glance into the Near Future: Cultivated Meat from Mammalian and Insect Cells”为题于07月08日发表在《Small Science》上。

一、培养肉的生产过程

1.1 肌肉组织的结构

在培养肉（CM）生产过程中，三个基本元素起着关键作用：细胞、培养基和支架。细胞是关键，培养基提供支持细胞生长和功能所需的营养物质，支架由生物相容性材料制成，作为细胞附着结构，促进其增殖和分化（图1）。体外培养肉从不同细胞来源重建动物肌肉和脂肪组织结构。肌肉组织形成所需的成肌细胞可通过多种方法获得。最常见的方法是对所需动物进行组织活检或利用死后组织。另一种方法是利用多能干细胞（PSCs）分化，如胚胎干细胞（ESCs）或诱导多能干细胞（iPSCs）。第一种情况下，可以直接使用初级细胞培养。第二种情况下，细胞在成为肌肉祖细胞之前会分化成中胚层细胞，接着成肌细胞自然融合形成肌肉组织。

图1 体外培养肉生产流程

1.2 细胞来源

肉类组成通常包括90%肌纤维、10%脂肪和结缔组织。骨骼肌细胞是肉类最常见的细胞类型，同时还有脂肪细胞、成纤维细胞、软骨细胞和造血细胞等提供支持作用的细胞。从动物组织中获得的干细胞可以在体外培养，产生更大量细胞。这些多能干细胞具有分化为肌肉或脂肪细胞的能力。用于CM生产的细胞类型必须能够自我更新并分化为构成肉类的成熟细胞类型。干细胞是满足这些需求的最佳选择。

图2 肉类的主要组成部分以及干细胞主要来源示意图

1.3 细胞永生化和分化

原代细胞能够相对快速应用于肉类生产，但其在进入衰老或细胞周期停滞之前所能进行的细胞分裂次数有限。使得长期和商业化生产十分困难。使用原代细胞需要从活体动物中反复进行提取，并进行测试和批准用于食品生产。与原代细胞不同，永生化细胞系不易受衰老影响，能够进行无限细胞分裂。目前，有三种获得永生化细胞系的方法：自发永生化、端粒酶催化亚基（TERT）开发和通过病毒基因刺激失活p53/p14/Rb通路。激活p53/p16/Rb通路，绕过应激反应，是永生化细胞的另一种策略。

肌肉细胞的分化过程在体内发生，肌卫星细胞（MuSCs）从静息状态转变为增殖状态，最终形成肌母细胞。通过肌母细胞增殖，产生足够数量的细胞用于肌肉再生，并且其中一部分细胞也会恢复到静息状态。细胞通常先扩增，然后再分化。分化主要通过清除生长因子（GFs）或引入促进分化的蛋白来实现。比如，从培养基中去除血清可刺激肌干细胞体外分化，通过机械和电刺激可以进一步诱导成熟。作为增殖和分化的支撑，支架在机械刺激方面起着关键作用，模拟了体内通过整合素受体激活细胞外基质（ECM）-细胞的相互作用过程。使用细胞培养刺激装置可以发现电刺激通过减少酶的表达来控制肌源性分化。在生成培养肉产品时，最好通过最简单的方法使肌细胞分化，重现动物源性肉制品的质地和营养。

图3 获取永生细胞系的三种方法

1.4 培养肉的培养基

能够同时培养和维持肌卫星细胞、肌母细胞、肌细胞、脂肪来源干细胞、脂肪细胞和成纤维细胞增殖是生产培养肉（CM）过程中的关键一环。细胞的增殖和维持依赖多种成分，如激素和生长因子（GFs）。这些信号在体内由内分泌腺产生，结合到细胞膜或细胞质中特定受体上，激活控制细胞分裂和增殖的通路。细胞培养基包含细胞生存所需的所有成分，并刺激粘附、增殖和分化等过程。一般来讲，基础培养基包括碳源和氮源，如葡萄糖、谷氨酰胺和其他氨基酸，维生素、盐以及生长因子等。培养基的配方根据应用而异。传统上，基础培养基配方通过补充动物来源复杂成分（如血清）来提供额外营养和信号分子。为进行体外细胞培养，必须模拟动物体内环境。培养箱用于保持恒定温度、湿度和pH值，以维持细胞的稳态。

1.5 支架

在大多数细胞培养应用中，培养瓶和培养皿一般用于二维细胞培养。二维细胞培养是研究细胞形态和疗法对细胞功能影响的最常见方法。当细胞从原始组织移植到二维环境中时，通常会失去正常形状，导致代谢和基因表达发生变化。二维细胞培养技术不能充分再现骨骼肌等原生组织的体内环境，缺乏细胞间连接和交流，导致细胞增殖较慢、分化较少，且不能形成管状和囊状结构。为了控制肌肉组织在体外形成形态，通常使用支架模拟细胞生成的细胞外基质（ECM），支持细胞附着、增殖和分化。适合肌细胞生长的支架必须是可食用和细胞相容的，如果用于三维培养，还必须能够实现气体、营养物质和废物交换，避免细胞坏死。模拟原生ECM的刚度和蛋白质组成有助于再现自然微环境。促进细胞间和细胞-基质间交流，促进细胞增殖和分化。用于培养肉（CM）的支架按照组织工程（TE）支架标准进行建模，基于生物相容性、生物降解性和机械性能，同时还需要考虑孔径、结构和制造方法，支架结构通常应多孔，可以进行培养基灌注，模仿天然血管化组织。由于肌肉组织（肌细胞）是肉类的主要成分，TE的目标是通过细胞培养和支架生产肌肉组织。

1.6 生物反应器

生物反应器对于细胞增殖至关重要，提供刺激和扩大细胞源的能力。生物反应器是一个提供受控环境以促进细胞生长和发育的容器。生物反应器维持适当的条件，可以刺激细胞、辅助营养物质运输、促进细胞增殖和分化。其类型主要基于培养基进入反应器的方法：批量、补料和连续反应器。

二、昆虫细胞作为培养肉的细胞来源

目前从牛、猪和禽类获得的细胞已用于培养肉（CM）开发。但哺乳动物细胞需要特定生长条件和严格过程来维持其功能，如pH范围约为6.8–7.8，温度范围为30–39°C，CO2，特定抗生素，生长因子（GFs）、血清和生长所需粘附分子。此外，大多数与CM相关的细胞类型需要贴壁培养，受限于表面积，使得哺乳动物细胞培养系统大规模生产变的困难且效率低下。相比之下，昆虫细胞具有适合大规模生产且成本更低的特性。本文总结了昆虫细胞培养在食品应用中的使用情况。昆虫细胞能够耐受较差环境，包括pH（6.0–7.0）和温度（20–32°C），并且通常在无CO2条件下生长。永生化过程也可以自发发生。昆虫细胞可以在悬浮液中或表面生长，其不受接触抑制影响。因此，它们可以在悬浮生物反应器中培养，表面积与体积比和细胞生物量等因素可以在有限空间内进行精细调控。

哺乳动物细胞培养的另一个困难是支持细胞所需的培养基，细胞扩增过程中高葡萄糖消耗和有毒副产物积累，培养基成本高昂。成本效益对消费者是否使用CM产品至关重要。昆虫细胞由于其代谢过程产生的有毒副产物（如乳酸）较少，对有毒化合物（如代谢副产物氨）的敏感性较低，且生长所需的葡萄糖较少，减少了材料成本和所需的培养基量，使生产规模化更具经济性。

图4 哺乳动物和昆虫细胞培养在生物制药中的比较分析

2.1 肌肉组织的结构

哺乳动物与昆虫发育之间的主要差异在于肌肉细胞的来源和类型、调节这些细胞的分子通路以及肌肉在体内的功能。图5提供了关于细胞类型、发育和分子通路的详细比较。有人提出，CM生产可以解决环境和动物福利问题。从哺乳动物建立生产方法一直是细胞CM研究的重点，但最好是从昆虫开始。推动这一新领域的建立可以通过理解肌肉和脂肪生长的特征来实现。此外，控制体外肌肉或脂肪生成需要了解这些过程在体内的生物过程。

图5 哺乳动物和昆虫肌肉细胞在细胞类型、发育和分子途径方面的差异比较

2.2 脂肪细胞

在培养肉生产中，脂肪对于口味和营养至关重要。为了提供健康美味的食物，需要肌肉和脂肪组织。哺乳动物和昆虫的脂肪组织在细胞组成、调节、功能和解剖位置方面存在许多差异。图6总结了其区别。

图6 哺乳动物和昆虫脂肪细胞的比较

三、培养肉的经济、环境和营养可持续性

通过组织工程技术（TE），体外培养肉（CM）可以不使用动物进行肉类生产。与传统肉类生产相比，CM在成本、健康、动物福利和环境影响方面更具优势。2013年8月5日，在伦敦，首次公开展示了一块体外培养的牛肉汉堡。作为潜在蛋白质来源，昆虫在可持续肉类生产中也扮演重要角色。可食用昆虫与哺乳动物肉类的营养成分比较中，两者都富含蛋白质、必需氨基酸、不饱和脂肪酸、维生素和矿物质。但某些昆虫种类具有比哺乳动物肉类更高的能量和特定营养成分，如蛋白质和多不饱和脂肪酸。昆虫还含有更高水平的某些矿物质和维生素，是维生素C和纤维的来源，而这些在肉类中不存在。这些营养特性使昆虫成为培养肉生产中有价值的选择，有助于丰富饮食、改善健康，并为全球营养不良斗争做出贡献。培养肉生产的一个显著优势是通过改变培养基成分或与其他细胞类型共培养，更好控制风味、脂肪酸组成、脂肪含量和饱和及多不饱和脂肪酸的比例。

体外培养肉与畜牧业相比，生产最终产品的速度更快，在时间和能量上都更高效，仅需几周时间（对于鸡肉）或几年时间（对于猪和牛）即可准备好。此外，利用昆虫细胞进行体外肉类生产在环境方面具有许多优点。体外细胞农业还将显著减少对土地的需求，并减少畜牧业生产肉类所需的温室气体排放。

四、总结与展望

培养肉（CM）可以为消费者提供所需的肉类营养，同时减少与传统肉类养殖相关的动物福利、环境和人类健康问题。由于昆虫细胞和哺乳动物细胞之间的差异，昆虫细胞在环境和大规模生产方面具有显著优势，并且成本效益更好。其优势包括：1、昆虫细胞可贴壁和悬浮生长能力。2、培养基成本更低。哺乳动物细胞由于在细胞扩增期间高葡萄糖消耗率和有毒副产物的积累，需要大量培养基和成分。昆虫细胞在生长过程中消耗较少的葡萄糖，由于细胞代谢较慢，乳酸积累较少，对有毒化合物的敏感性也较低。3、对环境变化的耐受性，包括pH（6.0-7.0）和温度（20-32°C）。4、通常在无CO2的情况下生长，且永生化过程可以自发发生。这些特点使昆虫细胞在培养肉生产中具有巨大潜力，能够有效进行大规模生产，并减少对环境的影响。

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