60秒科研速覽 | 安捷倫高通量細(xì)胞成像在細(xì)胞培養(yǎng)肉行業(yè)的應(yīng)用-上

2024.9.14

全球人口增長(zhǎng)和環(huán)境壓力的雙重挑戰(zhàn)，為傳統(tǒng)畜牧業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展造成巨大的阻力。細(xì)胞培養(yǎng)肉，作為合成生物學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，同時(shí)也是新興的食品技術(shù)，以其環(huán)保、高效和人道的特點(diǎn)，或?qū)⒊蔀槲磥?lái)食品科技發(fā)展的重要方向。

細(xì)胞培養(yǎng)肉（Cultivated meat），也叫做體外培養(yǎng)肉類，是利用動(dòng)物細(xì)胞，例如肌肉衛(wèi)星細(xì)胞（SC）、胚胎干細(xì)胞（ESC）、間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）等，在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)生長(zhǎng)而成的肉類產(chǎn)品。

與傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)相比，細(xì)胞培養(yǎng)肉對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在效益更高，表現(xiàn)為顯著降低土地使用面積和淡水使用量，同時(shí)大量減少溫室氣體排放、水體富營(yíng)養(yǎng)化和動(dòng)物剝削。然而目前細(xì)胞培養(yǎng)肉主要面臨的挑戰(zhàn)來(lái)自以下兩個(gè)方面：

培養(yǎng)基價(jià)格昂貴

培養(yǎng)基占培育肉產(chǎn)品總成本的 95% 以上，需要開(kāi)發(fā)更優(yōu)秀的無(wú)血清培養(yǎng)基替代傳統(tǒng)培養(yǎng)基，篩選性價(jià)比更高的培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)組件，比如發(fā)現(xiàn)新的 GF 家族組件等。

種子細(xì)胞來(lái)源確認(rèn)

需要建立標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)用于大規(guī)模擴(kuò)增的細(xì)胞的正確類型和來(lái)源。

針對(duì)以上問(wèn)題，來(lái)自丹麥奧古斯大學(xué)、加拿大卡爾加里大學(xué)和加拿大多倫多大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)體外高通量技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種用于肌肉細(xì)胞增殖的簡(jiǎn)單而穩(wěn)定的無(wú)血清培養(yǎng)基，研究結(jié)果發(fā)表在?Food?Research International?。

主要研究亮點(diǎn)

采用工程學(xué)研究思路，通過(guò)?DOE（Design of Experiments，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）和?RSM（Response Surface Methodology，響應(yīng)面法）加速了無(wú)血清培養(yǎng)基開(kāi)發(fā)。

研究表明胎球蛋白、白蛋白、胰島素-轉(zhuǎn)鐵蛋白-硒和重組 FGF2 是關(guān)鍵培養(yǎng)基成分。

確定了可以維持細(xì)胞增殖的優(yōu)化的成分，類似于 10% 胎牛血清。

開(kāi)發(fā)的培養(yǎng)基能夠強(qiáng)有力地維持三個(gè)物種的肌肉細(xì)胞增殖。

主要開(kāi)發(fā)流程

通過(guò)?Cytation 5 高通量細(xì)胞分析技術(shù)優(yōu)化交互式無(wú)血清組分，使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）和響應(yīng)面方法（RSM）進(jìn)行優(yōu)化。無(wú)血清培養(yǎng)基的迭代在 5 天活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，這些實(shí)驗(yàn)采用無(wú)標(biāo)記高對(duì)比度明場(chǎng)（HCBF）成像模式和長(zhǎng)期多代培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。開(kāi)發(fā)出來(lái)的培養(yǎng)基也在其他相關(guān)細(xì)胞類型中進(jìn)一步測(cè)試，并通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)進(jìn)行研究。

圖：無(wú)血清培養(yǎng)基開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)流程

無(wú)血清培養(yǎng)基成分的初步篩選和優(yōu)化

研究團(tuán)隊(duì)首先使用?Cytation 5 的實(shí)時(shí)無(wú)標(biāo)記成像模式觀察三種原代 BSC（牛衛(wèi)星細(xì)胞）的生肌特征（3day），并采用 WST-1 細(xì)胞增殖測(cè)定結(jié)果進(jìn)行培養(yǎng)基組分初篩，進(jìn)一步測(cè)試不同的細(xì)胞培養(yǎng)添加劑，確定補(bǔ)充劑的生物活性濃度范圍和最佳 Growth Factor 表現(xiàn)。隨后采用靈敏度更高的 Hoechst 染色計(jì)數(shù)法進(jìn)行 DOE 篩選來(lái)評(píng)價(jià) 11 種不同成分的主要影響和相互作用，結(jié)果表明僅用胎球蛋白、BSA 和 FGF2 三種主要成分即可實(shí)現(xiàn)最高的相對(duì)增殖效果。

圖：采用靈敏度更高的 Hoechst 染色計(jì)數(shù)法進(jìn)行 DOE 篩選，評(píng)價(jià) 11 種不同培養(yǎng)基成分的影響和相互作用

無(wú)血清培養(yǎng)基迭代優(yōu)化

研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)通過(guò) 5 天無(wú)標(biāo)記活體測(cè)定、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、多種細(xì)胞類型、細(xì)胞附著測(cè)定和多傳代長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)對(duì)該培養(yǎng)基的方案進(jìn)行驗(yàn)證以及穩(wěn)定性測(cè)試，包括基礎(chǔ)培養(yǎng)基和基礎(chǔ)添加劑的優(yōu)化、基礎(chǔ)培養(yǎng)基中 Tri-basal 的條件優(yōu)化、FGF2 類型優(yōu)化等工作，最終確認(rèn)優(yōu)化的 Tri-basal 2.0+ 培養(yǎng)基增強(qiáng)了無(wú)血清細(xì)胞附著和長(zhǎng)期增殖，為在培育肉生產(chǎn)中使用胎牛血清提供了替代解決方案。

圖：通過(guò) 96 孔整孔 Hoechst 的細(xì)胞核計(jì)數(shù)測(cè)定進(jìn)優(yōu)化篩選方案，以提高準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性

圖：5 天無(wú)標(biāo)記活細(xì)胞成像細(xì)胞增殖定量分析（HCBF）用于評(píng)價(jià)含有 10% 胎牛血清（FBS）和 Tri-basal 2.0+ITS 樣本的基底細(xì)胞（BSC）增殖情況

圖：通過(guò)細(xì)胞核計(jì)數(shù)及 5 天活細(xì)胞增殖（HCBF）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Tri-basal 2.0+ Ento 在 5 天的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出出色的持續(xù)增殖能力，通過(guò)去除抗生素再次得到改善，并且優(yōu)于含有 10% FBS 的 DMEM/F12 培養(yǎng)基。