細胞農業是生物技術的一個新興分支，旨在解決傳統動物養殖對環境影響、動物福利和肉類生產的可持續性挑戰等相關問題。培養肉可以通過應用當前的細胞培養實踐和生物製造方法，利用哺乳動物細胞系以及細胞和基因治療產品生產組織或營養蛋白供人類食用。然而，為了使該工藝具有成本效益和足夠的穩健性，使其能夠規模化生產以滿足食品供應，需要進行重大改進和修改。在此，荷蘭馬斯垂克大學的Mark J. Post及以色列、美國、德國、英國多位研究人員回顧了將養殖肉轉化為可行的商業選擇所面臨的科學和社會挑戰，涵蓋了從細胞選擇和培養基優化到生物材料、組織工程、監管和消費者接受度等方面。
養殖肉旨在通過規避工業化畜牧業的一些不良後果來解決與工業化畜牧業相關的問題。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）指出，需要大幅減少人們對傳統動物產品的消費。利用幹細胞繁殖和形成骨骼肌和脂肪組織的潛力可以大大減少生產肉類所需的牲畜數量。人造培養肉的優勢大致可分為三類：可持續性、動物福利和公共健康。
就溫室氣體排放、水消耗和土地利用而言，預計培養肉比傳統肉的效率高得多。然而，培養肉的生產可能需要更多的能源，因此一些環境效益取決於向清潔能源的過渡。養殖肉在動物福利方面具有優勢—據Sentience Institute估計，99%的食用動物都是工廠化養殖，被認為是工業產品，而不是有意識的生物。培養肉的生產對公眾健康有很大的好處。傳統肉類是潛在致命感染最常見的食物來源，如沙門氏菌和李斯特菌。培養肉的生產過程保證了沒有汙染物和抗生素的使用。
圖1 培養肉的概念。從成熟的肌肉組織和脂肪組織前體中採集幹細胞並進行擴增。利用凝膠生物材料和特定的分化方案，形成成熟的肌肉纖維和脂肪組織，並使之成熟。肌肉成熟發生在具有降低濃度的胎牛血清（FBS；從20%到2%）培養基或具有降低濃度的血清補充生長因子（GF）混合液（減少10 倍）的等效無血清分化培養基的存在下。脂肪組織衍生的幹細胞在游離脂肪酸（FFAs）的存在下成熟。
培養肉生產的預計規模需要資源效率（原料、水和電力使用）、可擴展性和成本考慮。細胞培養基的成本已被確定為提高幹細胞生產規模化過程中的主要成本驅動因素之一。
基質的利用率和濃度是優化代謝反應網絡整體產量的關鍵參數，以實現更高效的生物質生產。哺乳動物細胞可能表現出低效率的碳、氮和能量來源，以及代謝副產物的過度生產，如乳酸和銨。為了減輕這一點，分批補料或灌注可以增加3.4 倍細胞密度，並可能由於較低的底物或代謝產物的濃度波動而引發更有效的代謝。另外，可以優化培養基組成以驅動代謝途徑，這已被成功地用於優化生產醫藥產品細胞系的培養基。
除生產力以外，培養基的組成將決定養殖肉製品的最終特性。在畜牧業中，氣候、營養和應激等因素決定了最終的肉製品質量。例如，有人認為，快速糖酵解引起的酸中毒會導致肌肉的退行性變化，而肌肉富含II型纖維。受影響的肌肉表現出不理想的特徵，如蒼白、柔軟和滲出。在細胞培養中，高度增殖的細胞可以將70%以上的葡萄糖代謝為乳酸（伴有酸中毒），只剩下20%～30%的葡萄糖可用於三羧酸（TCA）循環。如VD、VE和硒的情況所示，營養缺乏，如缺乏維生素，會引起肌肉的退行性變化。
細胞培養基對可持續性提出了挑戰。包括胎牛血清（FBS）在內的動物源成分會帶來汙染風險和不明物質，並違反使用較少動物的倫理原則，且是不可持續的。FBS是一種通用的補充劑，含有200～400 種不同的蛋白質和數千種濃度不確定的小分子代謝物，因此，用確定的成分完全替代只能以高成本實現。開發細胞特異性培養基可能更具成本效益，因為配方中包含的成分是特定細胞系所必需的成分，而且FBS可以根據既定的策略被化學成分所替代，如蛋白質、生長因子、糖類和脂肪酸。生長因子是必不可少的，它們通過激活信號通路來調節細胞活動，包括刺激增殖和分化。成體幹細胞最常用的生長因子是骨形態發生蛋白（BMPs）、上皮生長因子（EGF）、成纖維細胞生長因子（FGF）和血管內皮生長因子（VEGF），而胰島素樣生長因子（IGF）和血小板衍生生長因子（PDGF）也是初級細胞所需要的。對於肌肉組織，肝細胞生長因子（HGF）、IGF、PDGF和FGF被認為是相關的。生長因子的缺點，如高成本和不穩定性，也可以通過使用小分子（＜1 000 Da）來彌補或減少。然而，仍然缺乏對圍繞肌肉特異性信號通路和在食品生產中使用安全性的了解，體外肌細胞培養的最佳劑量數據仍然需要建立。市售的生長因子主要以研究級或cGMP標準生產，應用於藥物和生物活性或治療產品的生產。
培養肉要想成為傳統肉類的可行替代品，生產過程必須是可擴展和經濟的。規模化的具體內容取決於最終的產品預期和幹細胞能夠維持的倍數。肉糜產品與全厚肉製品的規模化生產是不同的。對於類器官或組織生產來說尤其如此。細胞生產過程發生在一系列體積不斷增大的生物反應器內，使細胞維持在增殖狀態。種子序列用於從最初的收穫數量（通常為104 個細胞）擴展到所需的批量數量（1013 個細胞），以製造1 t的培養（肌肉）肉。種子培養優化的目的是使細胞保持在指數型生長狀態，同時防止細胞早熟分化，並且高度依賴於細胞類型。因此，最初的培養是在普通培養皿或燒瓶中進行的，隨著細胞數量的增長，逐漸轉移到溫度、pH值和溶氧、二氧化碳等條件可控的生物反應器中進行培養。
從左到右為攪拌罐、氣動、搖擺/波動、流化床或固定/填充床和中空纖維
圖2 用於哺乳動物細胞培養的最常見的生物反應器設計。
生物材料支架是細胞農業的一個關鍵組成部分，作為一個集成的支持網絡，細胞在其上以錨定依賴的方式擴展和分化。這種多孔網絡允許氧氣和營養物質的流動和廢物的清除，以維持細胞的新陳代謝功能，避免壞死核心的形成。需要在形態、結構和化學之間取得平衡。從歷史上看，支架是為組織工程和再生醫學中的醫學相關成果而開發的。然而，食品的細胞農業需要一套不同的標準（表1）。生物支架通常是可降解的，但如果無法降解，則必須有適口性且可以安全食用，需要具備特定的質地、味道、烹飪和營養品質、熱穩定性。重要的是，生物支架必須是食用安全的、經濟的和易於大規模生產的。
表1 非動物來源的細胞農業支架材料聚合物的選擇。
圖3 用支架從肌肉、脂肪、結締組織和血管細胞生產複合肉製品。培養複雜組織的優點不僅在於產生的組織將更好地近似於畜肉，而且還可以利用不同細胞類型之間的互利相互作用。最低要求是存在肌肉纖維、脂肪組織以及纖維性和非纖維性血管細胞。這可以通過結合各自的祖細胞並觸發分化為最終的功能表型來實現。
Scientific, sustainability and regulatory challenges of cultured meatMark J. Post*, Shulamit Levenberg, David L. Kaplan, Nicholas Genovese, Jianan F, Christopher J. Bryant, Nicole Negowetti, Karin Verzijden, Panagiota Moutsatsou
Correspondence to: Department of Physiology, Maastricht University, CARIM, Maastricht, the Netherlands
m.post@maastrichtuniversity.nlAbstract
Cellular agriculture is an emerging branch of biotechnology that aims to address issues associated with the environmental impact, animal welfare and sustainability challenges of conventional animal farming for meat production. Cultured meat can be produced by applying current cell culture practices and biomanufacturing methods and utilizing mammalian cell lines and cell and gene therapy products to generate tissue or nutritional proteins for human consumption. However, significant improvements and modifications are needed for the process to be cost efficient and robust enough to be brought to production at scale for food supply. Here, we review the scientific and social challenges in transforming cultured meat into a viable commercial option, covering aspects from cell selection and medium optimization to biomaterials, tissue engineering, regulation and consumer acceptance.
POSTM J, LEVENBERG S, KAPLAN D L, et al. Scientific, sustainability and regulatory challenges of cultured meat[J]. Nature Food, 2020, 1: 403-415. DOI:10.1038/s43016-020-0112-z.