食品合成生物学与生物制造团队

近日，Food Bioscience在线发表了江南大学未来食品科学中心和生物工程学院陈坚院士团队研究成果“An effective cytokine combination for exvivo expansion of porcine muscle stem cells” (Lei et al.,Food Biosci., 2022, 46:101571 )。江南大学2019级博士生雷庆子为论文第一作者，周景文教授和关欣助理研究员为通讯作者，论文作者还包括堵国成教授。

由于世界人口规模的增加、资源的过度消耗和环境污染加剧的影响，肉制品供应面临新的挑战。近年来，新兴的未来食品“细胞培养肉”作为细胞农业最重要的组成部分，由于其环境友好、资源节约、减少动物伦理问题和改善公共卫生等优点受到社会的广泛关注。细胞培养肉是以细胞生物学和组织工程学为基础，根据肌肉组织的生长发育及损伤修复机理，利用体外培养动物细胞的方式，获得肌纤维、脂肪等构成肌肉组织的细胞，再经过收集、塑形、食品化加工而成的一种新型肉类食品。其中，肌肉干细胞因其易获得性和肌源性分化潜能而被广泛用作种子细胞。但在体外培养过程中，肌肉干细胞在很快失去粘附、增殖和分化能力，并且严重依赖胎牛血清，这严重限制了细胞培养肉产业的可持续发展。因此，亟待开发可以维持肌肉干细胞稳定增殖的培养体系，从而获得更多具有肌源性分化潜能的细胞，同时进一步降低其对胎牛血清的依赖，促进细胞培养肉产业的发展。

针对上述问题，江南大学食品合成生物学与生物制造团队在可能促进肌肉干细胞增殖的十二种细胞因子中，利用连续消除筛选方法，通过五轮筛选，最终得到了促进猪肌肉干细胞体外长期增殖的细胞因子组合：重组人长链胰岛素样生长因子-1（LR³-IGF-1）、血小板衍生生长因子BB（PDGF-BB）、碱性成纤维生长因子（bFGF）和表皮生长因子（EGF）。添加细胞因子组合后，猪肌肉干细胞在体外连续培养28天，可以从初始5000个细胞增殖为约3.15 × 10¹¹个细胞，扩增近6.31 × 10⁷倍，比对照组提高近3.01 × 10⁴倍，大大增强了肌肉干细胞体外扩增的能力。通过对细胞倍增时间、凋亡细胞比例和细胞分化能力等结果比较，添加细胞因子组合处理的细胞相比对照组细胞倍增时间缩短一半以上，凋亡细胞比例更低，在相同时间内，获得具有肌源性分化潜能的细胞增加了4.58 × 10⁴倍以上。最重要的是，通过添加细胞因子组合，相比常规的肌肉干细胞培养基，胎牛血清使用量可以减少50%以上，有效降低了体外培养过程中肌肉干细胞对胎牛血清的依赖程度及培养基成本。通过对细胞因子组合作用关键信号通路分析得出，细胞因子组合通过激活PI3K/Akt/mTOR和MEK/ERK信号通路发挥促增殖功能。该研究结果为肌肉干细胞的体外高效增殖提供了一种新的方法，促进了细胞培养肉产业的发展。

图1 猪肌肉干细胞的分离和鉴定

图2 促进猪肌肉干细胞体外扩增的细胞因子组合筛选

图3 细胞因子组合降低猪肌肉干细胞长期培养对胎牛血清的依赖

图4 猪肌肉干细胞高效增殖后成肌特性分析

图5 细胞因子作用关键信号通路分析