《Nature Communications》：Generation of multitissue cell-cultivated meat via multidirectional differentiation of stable porcine epiblast stem cells
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細胞培養(yǎng)肉是可持續(xù)蛋白質生產的新興方案，但復刻傳統(tǒng)肉類的質地與復合成分仍是關鍵挑戰(zhàn)。本研究通過建立無血清、無異源成分的分化體系，成功驅動豬原腸胚形成前的上胚層干細胞(porcine pregastrulation epiblast stem cells)定向分化為肌肉、脂肪和內皮三種具有協(xié)同功能的細胞前體。這些前體細胞在無支架3D懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)中展現(xiàn)出自主的細胞間識別與共培養(yǎng)相容性，自發(fā)形成仿生組織球體，提升了細胞擴增效率。最終，該多組織培養(yǎng)肉產品成功復現(xiàn)了傳統(tǒng)豬肉的質構特性，并實現(xiàn)了營養(yǎng)調控。此平臺整合了可擴展的3D懸浮培養(yǎng)技術與物種特異性的無血清干細胞多向分化策略，克服了當前培養(yǎng)肉技術的關鍵限制，為多組織細胞培養(yǎng)肉的開發(fā)提供了新途徑。
面對全球人口增長、氣候變化和資源壓力，尋找可持續(xù)的肉類替代品已成為一項緊迫的全球性挑戰(zhàn)。細胞培養(yǎng)肉，又稱培養(yǎng)肉(Cultured meat)，正是在這種背景下應運而生的一種前沿生物技術。其愿景是在實驗室環(huán)境中，通過培養(yǎng)動物細胞來生產肉類，從而規(guī)避傳統(tǒng)畜牧業(yè)帶來的環(huán)境負擔、動物福利問題和潛在的公共衛(wèi)生風險。然而，這項充滿希望的技術在走向產業(yè)化與大眾餐桌的道路上，仍面臨著幾個“硬骨頭”。最大的挑戰(zhàn)之一，是如何精確地復刻出傳統(tǒng)肉類的復雜質地與風味。我們品嘗的每一口肉，都不是單一成分，而是由肌肉、脂肪、結締組織和血管等多種組織精密構成的復合體。目前多數(shù)細胞培養(yǎng)肉研究主要聚焦于生產單一類型的細胞（如肌肉細胞），這樣的產品在口感、多汁度和營養(yǎng)構成上，與傳統(tǒng)肉相比往往“形似而神不似”，缺乏那種令人滿足的豐富層次感。此外，現(xiàn)有技術多依賴于昂貴的胎牛血清(Fetal Bovine Serum, FBS)和動物來源的成分，這不僅增加了成本和倫理爭議，也帶來了批次間差異和潛在的污染風險。同時，如何實現(xiàn)細胞的大規(guī)模、低成本擴增，也是產業(yè)化必須跨越的門檻。為了攻克這些難題，一項發(fā)表在《Nature Communications》上的研究為我們帶來了一個整合性的創(chuàng)新解決方案。
為開展研究，研究團隊主要運用了以下幾個關鍵技術：首先，他們建立并維持了能在化學成分確定培養(yǎng)基中穩(wěn)定增殖的豬上胚層干細胞(porcine epiblast stem cells)系。其次，他們開發(fā)了一套無血清、無異源成分的化學成分確定分化體系，能夠將這些干細胞高效、特異地誘導分化為骨骼肌前體細胞、白色脂肪前體細胞和內皮前體細胞。最后，他們利用無支架的3D懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了這三種分化細胞前體的自發(fā)共聚集，形成仿生的多組織球體，并驗證了其可擴展性。
結果
建立穩(wěn)定且可多向分化的豬上胚層干細胞系
研究人員首先從豬早期胚胎中分離并建立了豬上胚層干細胞系。通過優(yōu)化培養(yǎng)條件，他們成功地在化學成分確定的培養(yǎng)基中長期維持了這些細胞的自我更新能力和基因組穩(wěn)定性。關鍵的是，這些細胞表達多能性標記基因，如OCT4和NANOG，并且具備分化為三個胚層（內胚層、中胚層、外胚層）細胞的潛能，這為后續(xù)定向誘導分化奠定了細胞基礎。
開發(fā)無血清的多譜系定向分化系統(tǒng)
接下來，研究團隊的核心工作是設計一套無需血清和動物成分的分化方案。他們通過系統(tǒng)地篩選小分子化合物和生長因子組合，分別建立了驅動豬上胚層干細胞高效、特異地分化為骨骼肌成肌細胞、白色脂肪前體細胞和內皮前體細胞的誘導方案。每種方案都實現(xiàn)了高分化效率，并通過細胞特異性標記物（如骨骼肌的MYOD1和MYH3，脂肪的PPARγ和FABP4，內皮的PECAM1和vWF）的表達得到證實。這一成果標志著能夠避開倫理和成本問題，可持續(xù)地生產培養(yǎng)肉所需的關鍵細胞類型。
實現(xiàn)多細胞前體的自發(fā)共聚集與3D懸浮擴增
獲得三種功能細胞前體后，研究探索了如何將它們組裝成更接近真實肉類的結構。他們將分化后的肌肉、脂肪和內皮前體細胞以特定比例混合，置于動態(tài)懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)中。令人驚喜的是，這些細胞無需任何外源性支架輔助，就能通過自主的細胞間識別和相互作用，自發(fā)聚集成規(guī)則、緊密的3D多細胞球體。這種“自下而上”的自組裝過程形成的球體內部，不同細胞類型呈現(xiàn)出一定的空間組織。更重要的是，與傳統(tǒng)的貼壁2D培養(yǎng)相比，這種3D懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)極大地提升了細胞的總擴增倍數(shù)，為解決大規(guī)模生產中的細胞數(shù)量問題提供了可行路徑。
多組織培養(yǎng)肉產品的表征與評估
最終，研究人員收集這些富含多細胞類型的3D球體，經過溫和處理形成塊狀產品，即多組織細胞培養(yǎng)肉。對其進行的一系列分析顯示，該產品在質構特性上（如硬度、彈性和咀嚼性）與天然豬肉高度相似，遠優(yōu)于僅含肌肉細胞的培養(yǎng)肉。組織學分析證實了肌肉纖維、脂肪滴和類血管結構在產物中的共存。此外，通過調整分化方案中脂肪前體細胞的比例，研究人員能夠精確調控最終產品中的脂肪含量，從而實現(xiàn)對產品營養(yǎng)成分（如脂肪酸組成）的定制化設計，展示了其營養(yǎng)調控潛力。
結論與討論
本研究成功構建了一個從多功能干細胞到多組織肉制品的整合性平臺。該平臺的核心突破在于：利用物種特異性（豬）的穩(wěn)定上胚層干細胞作為源頭，通過一套完全無血清、化學成分確定的分化系統(tǒng)，實現(xiàn)了肌肉、脂肪和內皮三種關鍵組織前體細胞的可控生產；進而利用細胞的自組裝特性，在可擴展的3D懸浮培養(yǎng)中高效形成仿生多組織聚集體。最終產物成功模擬了傳統(tǒng)豬肉的質地和復雜成分，并能進行營養(yǎng)調制。
這項研究的意義重大。在科學層面，它證明了利用單一多能干細胞系通過體外定向分化產生復雜多組織結構的可行性，為組織工程和發(fā)育生物學提供了新見解。在技術層面，它通過整合“無血清分化”與“可擴展3D懸浮培養(yǎng)”兩大要素，系統(tǒng)性地應對了當前細胞培養(yǎng)肉領域在成分定義、成本控制和規(guī)模化生產方面面臨的瓶頸問題。所產出的多組織產品在質構上更接近真實肉類，提升了感官接受度。這為開發(fā)下一代不僅可持續(xù)、而且美味、營養(yǎng)可設計的細胞培養(yǎng)肉產品指明了一條清晰且可行的技術路徑，推動了該領域向產業(yè)化邁進了一大步。
