可食用微载体支架的生物物理信号调控了Larimichthys crocea鱼中肌肉卫星细胞的行为及营养物质的沉积

《Food Structure》：Biophysical cues of edible microcarrier scaffolds regulate muscle satellite cell behavior and nutrient deposition in Larimichthys crocea

　　本研究通过冷冻乳液工艺调控可食性微载体刚度与孔隙结构，发现≥10 kPa的刚度可促进细胞增殖，孔隙尺寸（10/50 μm）提升种子效率28.33%-41.67%。高刚度（40 kPa）显著增强肌肉卫星细胞分化，抑制脂肪生成，同时使生物量增加15.17%-50.74%，并提升必需氨基酸和Omega-3脂肪酸含量。该平台为培养肉规模化生产提供了结构-功能调控的新范式。

　　这项研究聚焦于如何在大规模培养肉生产中，通过精确控制冷冻乳化过程的物理参数，来设计一种具有可独立调节刚度和孔隙率的可食用微载体支架。微载体作为细胞锚定的关键支架，在培养肉制造过程中起着至关重要的作用。然而，目前传统微载体平台在结构和机械性能之间的复杂关系缺乏有效的研究方法，导致细胞接收到混杂的信号。这种限制阻碍了对细胞增殖、组织化和分化的系统理解。因此，本研究旨在开发一种新型的可食用微载体支架，使其刚度和孔隙率能够被独立调控，从而优化细胞的生长环境。

微载体支架在培养肉制造中扮演着重要角色，它们提供了一个三维结构，支持细胞的附着、增殖和分化，进而实现结构组织的形成，以模拟天然肉类的架构和功能。与传统的块状、膜状、静电纺丝或3D打印支架相比，微载体支架在生物反应器中作为细胞培养的基质，能够扩展依赖锚定的细胞培养，解决关键的增殖问题。然而，对于可食用微载体平台的制造，尤其是与细胞农业相关的应用，仍然存在一些挑战，限制了对关键物理参数的独立调节，如刚度（机械信号）和孔隙率（形态信号）。这些参数的耦合性使得难以系统地优化细胞的增殖、组织化和分化，最终影响产品的产量和生物模拟的准确性。

在本研究中，作者们通过调整多孔化剂（NaCl）和转谷氨酰胺酶（TGase）的浓度，实现了微载体支架刚度和孔隙率的独立调控。这一过程基于冷冻乳化凝胶化技术，在?20℃下同时进行冰模塑和TGase催化的交联，其中NaCl通过影响冰晶的形成和溶解来定义孔隙结构。通过这种方式，研究团队成功地制备了具有不同刚度和孔隙率的微载体支架，为细胞提供了更精确的生物物理信号。研究结果表明，支架的结构和机械性能在调节细胞附着、增殖、分化方向以及营养成分方面具有重要作用。

研究发现，当支架刚度达到或超过10 kPa时，能够有效促进细胞的附着和稳健增殖。同时，孔隙率的增加显著提高了细胞的接种效率。具体而言，在刚度较低的3 kPa支架上，孔隙率分别为10 μm和50 μm时，细胞接种效率分别提高了28.33%和41.67%。此外，当支架刚度增加到40 kPa时，细胞的分化能力显著增强，而脂肪细胞的形成则受到抑制。这表明，支架的刚度在调控细胞命运方面具有关键作用，特别是在肌肉卫星细胞的分化过程中。相比之下，孔隙率的调整则影响了细胞的营养输送和组织构建，大孔隙（50 μm）的微载体在40 kPa条件下，能够使细胞生物量分别比小孔隙（10 μm）和无孔载体增加15.17%和50.74%。

更进一步，研究还发现，大孔隙微载体支架上的细胞表现出更优越的肌管成熟能力。在相同的刚度条件下，这些细胞的融合指数分别比无孔载体和小孔隙载体提高了23.19%和44.81%。这表明，孔隙率和刚度的协同作用在细胞组织化过程中至关重要。此外，研究还指出，较高的支架刚度（40 kPa）显著改善了细胞生物量的营养成分，增加了必需氨基酸的含量，并丰富了有益的ω-3脂肪酸。这些发现不仅揭示了微载体支架生物物理信号的独立调控机制，还为大规模培养肉生产中的细胞增殖、分化和营养优化提供了重要的理论基础。

本研究的成果对于优化基于生物反应器的培养肉生产具有重要意义。通过构建一种能够独立调节刚度和孔隙率的微载体平台，研究人员为系统分析这些参数对细胞行为的影响提供了新的工具。这不仅有助于深入理解鱼类干细胞的生物学特性，也为设计更高效的细胞培养系统提供了依据。研究团队在实验中采用了一系列综合分析方法，包括细胞骨架形态分析、5-乙炔基-2′-脱氧尿苷（EdU）增殖实验、YAP定位、转录组学分析以及蛋白质和脂质组学分析，从而全面揭示了细胞对微载体信号的响应机制。

在培养肉制造过程中，细胞的增殖、组织化和分化是决定最终产品质量的关键因素。传统的微载体平台由于缺乏对刚度和孔隙率的独立调控能力，导致细胞在培养过程中接收到混杂的信号，从而影响其增殖效率和分化准确性。而本研究通过冷冻乳化技术成功实现了对这两个参数的独立调节，为细胞提供了更清晰的生物物理信号。这种能力使得细胞能够在不同的培养条件下表现出不同的行为特征，从而实现更精确的细胞组织化和分化控制。

本研究的创新点在于，通过精确控制冷冻乳化过程的物理参数，实现了对微载体支架的结构和机械性能的独立调控。这种方法不仅克服了传统微载体平台在参数调节上的局限性，还为大规模培养肉生产提供了新的思路。通过调节多孔化剂和交联剂的浓度，研究人员能够制备出具有不同刚度和孔隙率的微载体支架，从而满足不同细胞类型对培养环境的需求。这种灵活性使得细胞能够在不同的培养条件下表现出最佳的生长状态，进而提高最终产品的产量和质量。

此外，本研究还强调了微载体支架在细胞分化过程中的关键作用。通过调整支架的刚度和孔隙率，研究人员能够影响细胞的分化方向，使其更倾向于肌肉细胞或脂肪细胞的形成。这一发现为细胞分化过程的调控提供了新的视角，也为优化细胞培养系统的生物物理条件提供了理论支持。通过深入分析细胞在不同微载体支架上的行为，研究人员不仅揭示了支架参数对细胞命运的影响机制，还为未来的细胞培养技术发展提供了重要的参考。

在实际应用中，这种可独立调节刚度和孔隙率的微载体平台具有广阔的发展前景。它不仅可以用于培养肉的生产，还可以拓展到其他生物制造领域，如组织工程和再生医学。通过这种平台，研究人员能够更精确地控制细胞的生长环境，从而实现更高效的细胞增殖、组织化和分化。这不仅有助于提高培养肉的产量和质量，还为实现更可持续的食品生产提供了新的技术手段。

本研究还突出了细胞培养过程中生物物理信号的重要性。支架的刚度和孔隙率作为两种关键的生物物理信号，分别影响细胞的机械感知和形态适应。通过独立调节这两种信号，研究人员能够更全面地理解细胞在不同培养条件下的行为特征，从而优化培养系统的参数设置。这种方法不仅提高了细胞培养的效率，还为实现更精确的细胞组织化和分化控制提供了新的工具。

在培养肉制造过程中，细胞的增殖、组织化和分化是相互关联的，而本研究通过独立调节支架的刚度和孔隙率，实现了对这些过程的系统优化。研究结果表明，当支架的刚度达到一定水平时，能够有效促进细胞的附着和增殖，同时抑制脂肪细胞的形成。而孔隙率的调整则影响了细胞的营养输送和组织构建，大孔隙支架能够显著提高细胞的生物量和肌管成熟度。这些发现不仅揭示了微载体支架参数对细胞行为的影响机制，还为未来的细胞培养技术发展提供了重要的理论基础。

总的来说，这项研究通过构建一种可独立调节刚度和孔隙率的可食用微载体平台，为大规模培养肉生产中的细胞增殖、分化和营养优化提供了新的解决方案。这种平台不仅克服了传统微载体在参数调节上的局限性，还为细胞在生物反应器中的生长提供了更精确的环境控制。通过深入分析细胞在不同微载体支架上的行为，研究人员揭示了支架参数对细胞命运的影响机制，为优化细胞培养系统提供了重要的参考。这些成果对于推动可持续的食品生产具有重要意义，同时也为细胞农业的发展提供了新的思路和技术手段。