探索无血清培养开发的成本降低策略

细胞培养肉生产为解决全球粮食安全和可持续性挑战提供了解决方案。然而，用于培养细胞的无血清培养基（serum-free media，SFM）是昂贵的，至少占细胞培养肉50%的可变操作成本。这篇综述探讨了具有成本效益的SFM技术，重点是降低使用生长因子和重组蛋白的成本，使用可负担得起的原材料作为基础介质，以及实施节约成本的措施，如介质回收和减少废物积累。

关键发现：

1、 无血清培养基的开发方法

本节探讨开发SFM的常用方法，包括用已知成分替代胎牛血清、培养基成分筛选、组学分析和系统生物学方法。首先，SFM可以通过用已知的促进生长的成分，如生长因子、胰岛素、转铁蛋白和硒来替代胎牛血清来开发。例如，Mosa Meat将已知的主要成分和胎牛血清替换为Ham’s基础培养基，从而开发了SFM。另外，Stout和他的团队通过开发Beefy-9改进了报道的SFM B8，该Beefy-9添加了重组白蛋白并降低了生长因子浓度。Beefy-9培养基可以支持长期的细胞培养，同时保留肌原性潜能。另外，斯克里韦尔加德的团队使用多组分实验设计（Design of Experiment，DOE）来筛选促进牛卫星细胞增殖的成分和生长因子。通过多次DOE轮和响应面方法进行优化，他们开发了一种含有胎素、牛血清白蛋白、FGF2和胰岛素-转铁蛋白-硒补充剂的SFM。除了测试已知的生长促进成分外，组学方法还可以有效地用于开发SFM。例如，使用细胞内代谢组学分析来选择候选的生长促进代谢物，这些代谢物可以解释在两种不同的基础培养基中看到的鸡成纤维细胞生长谱的差异。

虽然在开发细胞培养肉细胞系的SFM方面已经取得了成功，但研究表明，不同物种和细胞类型的营养需求有所不同。这表明，一刀切的SFM不太可能对培养多种细胞类型有效。此外，不同分化阶段的细胞代谢变化可能需要优化细胞生长和分化阶段的SFM，在整个培养肉类生产过程中需要不同的配方。因此，SFM开发管道必须足够强大，能够针对细胞培养肉行业中的各种细胞系和细胞状态创建量身定制的介质配方。

2、 通过使用更便宜的原材料来降低基础介质成本的进展

图1 目前降低培养肉生产中无血清培养基成本的技术

表1 细胞培养肉类工业中重组生长因子的价格（费用于2024年10月30日从各供应商的网站上获得）

表2 试剂级介质成分与食品级介质成分的价格比较（费用于2024年10月30日从Sigma-Aldrich网站获得）

为了进一步降低SFM的成本，该行业也在朝着食品级替代品取代制药级介质组件。Liz Specht进行的成本分析强调，用散装、食品级、等效物替代基础培养基成分可以将基础培养基成本降低77%。在1公斤级的食品级成分比试剂级替代品平均便宜82%（表2）。关于水解物在动物细胞培养中的应用已经有了全面的讨论，特别是那些来自非动物来源，如大豆、小麦、水稻和酵母。综述重点关注了来自其他来源的水解物的使用进展，如微藻提取物等。

3、 使用水解物作为食品级介质替代品的考虑事项

然而，在水解物能够有效地用于细胞培养肉生产之前，必须解决几个问题。水解物质量的变化可能是由原材料、种类、储存条件和加工方法的差异等因素引起的。因此，需要优化水解物的加工方法、明确严格的质量控制测试方法、原材料规格、水解物最终产物的定性和定量分析，减少细胞培养肉生产中的批次变化。还需要进行更多的研究来评估水解物的批间变化对细胞质量、代谢和分化的影响。

其次，蛋白质提取物可能含有杂质，如重金属、农药、细胞毒性和致敏成分等。2B类化合物，可能是致癌的化合物，如3-一氯-1,2-丙二醇和1,3-二氯-1,2-丙醇的游离和酯化形式，据报道在酸水解的蔬菜蛋白中被发现。此外，使用坚果基水解物可能对花生过敏的消费者具有免疫交叉反应性。为了解决这些安全问题，可以从GRAS生物体或有人类消费史的传统作物/食品中生产水解物。未来的研究还应调查培养肉细胞中杂质的积累及其对人类消费的影响。

最后，虽然水解物可以支持细胞生长，但与胎牛血清相比，它们仍然缺乏一些营养物质。识别和补充这些缺失的营养物质对于实现比含胎牛血清的培养物更好的生长以及完全取代胎牛血清和目前的基础培养基至关重要。水解物作为血清替代的作用也是依赖于细胞系的。全行业采用的水解物作为药物级介质的替代品还需要更多的研究。

结论

总之，细胞培养肉类生产在应对全球粮食安全和可持续发展挑战方面有着巨大的前景。然而，目前的生产过程仍然很昂贵，主要是由于SFM的高成本。要实现与传统肉类的价格持平，就需要开发可扩展的、低成本的培养基。本文综述了为细胞培养肉类生产创造具有成本效益的SFM的当前技术和机会。关键策略包括降低与生长因子和重组蛋白相关的成本，以及通过使用更实惠的原材料来降低基础培养基的费用。此外，还讨论了诸如媒体回收和减少废物等创新方法，作为节约成本的替代措施。虽然这次审查的重点是经济方面，但同样重要的是要认识到这些战略也可以减少培养肉类生产对环境的影响。培养基发展中的其他评价因素，如培养基对培养肉制品的感官和营养品质的影响，都超出了本综述的范围，但仍然是未来研究的重要领域。

原文：Quek, J. P., Gaffoor, A. A., Tan, Y. X., Tan, T. R. M., Chua, Y. F., Leong, D. S. Z., Ali, A. S., & Ng, S. K. (2024). Exploring cost reduction strategies for serum free media development. NPJ scienc