3D打印肉：探索人造肌肉的世界

01背景

肌肉组织主要由肌细胞构成，人体肌肉组织按照结构和功能可以分为三类：分别是心肌，平滑肌和骨骼肌。其中，骨骼肌约占人体体重的40%，有超过600种不同的骨骼肌参与骨骼支持、机体运动以及新陈代谢的调节。

心肌和骨骼肌都属于横纹肌，因为它们在显微镜下都可以观察到明暗相间的横纹状结构。

平滑肌和心肌属于不随意肌，也就是我们无法有意识地控制它们。而骨骼肌的活动既受神经支配，又受意识的控制，所以又称随意肌。

表1. 三大肌肉组织特征总结

02骨骼肌：身体运动的主力军

每块肌肉组织都是由肌腹和肌腱两部分构成。由于肌细胞细而长，似纤维状，因此又称肌纤维。肌腹是由肌纤维构成的，具有收缩的功能。肌腱是由致密结缔的组织构成的，阔肌的肌腱又称腱膜，其作用是将肌腹附着于骨。骨骼肌由分层的结构组成，可以有效地产生力。

人体即便是实行一个简单的动作都会涉及到很多块肌肉的运动，大脑通过神经发出信号，信号通过神经传递刺激肌细胞发生运动，因此骨骼肌在维持人体正常生命活动中起着至关重要的作用，它几乎可以参与到人体的每一个动作当中，比如走路、跑步、握手、拥抱、微笑、咀嚼等等，在躯体神经支配下发生肌肉收缩或舒张，进行随意运动，在生命活动中承担着重要的作用。

图1. 骨骼肌组织结构（Google）

关于骨骼肌十个你想知道的冷知识

？骨骼肌为什么叫“骨骼”肌

骨骼肌因绝大多数肌肉附着于骨骼上而得名。

？人体一共有多少块肌肉，占多大比重

总共约600余块，约占人体总重的45%。

？一根肌纤维有多大

直径10-100 μm，不同部位的骨骼肌纤维长度不等，一般1-40 mm，长者可达10 cm。

？从婴儿到成人，骨骼肌是如何长大的

在正常生理情况下，出生后骨骼肌的数量不会再增多，其生长只能依靠预先形成肌纤维的肥大。主要可以分为两种形式，一是增加新的肌原纤维，使肌纤维生理直径增大；二是长度增加，增加肌节而变长。

？肌肉是如何实现收缩的

骨骼肌收缩的原理是肌丝滑动原理。骨骼肌细胞中含有整齐排列的肌动蛋白和肌球蛋白，当肌细胞接收到神经信号传递后会发生Ca2+内流，肌球蛋白头中ATP酶被激活，分解ATP并释放能量；肌球蛋白的头和杆发生屈曲转动，从而与肌动蛋白发生相对位移，实现肌肉收缩。

？为什么有的肉呈红色，有的肉呈白色

这是因为肌红蛋白含量不同，红肌中含有大量的肌红蛋白，而白肌中肌红蛋白含量较少。

？肌红蛋白和骨骼肌的关系

正常情况下，肌红蛋白存在于骨骼肌和心肌组织中，为细胞储存和运输氧气。当发生心肌梗死或横纹肌溶解等肌细胞坏死的情况，肌红蛋白会从受损的肌细胞中释放出来，导致血液中肌红蛋白含量增高，这也是诊断心肌或骨骼肌组织损伤程度的重要指标。

？长跑和短跑运动员的肌肉组成是怎样的

长跑以耐力为主，短跑以爆发力为主。长跑运动主要依靠慢肌，这类肌肉含有大量的肌红蛋白为肌肉细胞持续提供氧气，因此长跑运动员身体中含有较多的慢肌；短跑运动员身体中快肌含量较高，这类肌肉收缩快且力量大，快肌主要进行无氧呼吸提供能量，因此容易疲劳。

？我们平时吃的猪牛羊肉是骨骼肌吗

除去心脏和内脏，我们平时吃到的大部分都属于骨骼肌肉组织。

？蚂蚁和大象谁的力气大

就绝对力量而言当然是大象的力气大，但是相对来说，蚂蚁的力气更大，因为它可以举起自己体重50倍的物品，而大象却不行。经科学家多年研究表明，蚂蚁体内含有一种叫做“三磷酸腺苷”的含磷化合物，只要肌肉在活动时产生一点酸性的物质，就能引起这种化合物的剧烈变化，这种变化能使肌肉蛋白的长形分子在刹那间收缩起来，从而产生巨大的力量。

03体外构建骨骼肌新方法：生物3D打印

3D打印（增材制造）是基于分层制造的原理，通过材料逐层叠加实现三维组织的构建。骨骼肌组织的生物3D打印是组织工程和再生医学的重大发展。传统的组织工程技术包括将细胞种植在模拟目标组织细胞外基质的支架上。然而，这些方法往往导致形成缺乏天然组织功能特性的无序组织。生物3D打印通过实现细胞和生物材料在三维空间上的精确沉积，构建更复杂的组织，从而更好地控制其结构和功能。利用生物3D打印技术，可以制造出在结构和功能方面与天然组织高度相似的骨骼肌组织。这项技术有几个潜在的应用，包括：

(1) 药物筛选：可用作测试新药疗效和毒性的模型系统。

(2) 再生医学：可用于修复或替换肌肉损伤或疾病患者的受损肌肉组织。

(3) 肉类生产：可用于生产人造肉，进而提供一种比传统肉类更可持续的替代品。

图2. 生物3D打印骨骼肌组织并进行移植

（Cho et al., Biomaterials, 2019）

04体外构建能吃的肉：人造肉

目前，人造肉共包含两大类：一类是以植物蛋白为原料制备的，外观和口感类似真实肉品的人造肉，也称为素肉；另一类是以细胞为原料制备的，真实的肉品的人造肉，也称为细胞培养肉。在这里，我们重点讨论以细胞为原料的真实人造肉。

(1) 为什么人造肉这么“火”？

随着人们生活水平的提高，全球肉类需求量日益增高。通过传统畜牧业生产肉类面临着周期长、成本高、占地面积大、产生大量温室气体等缺点，而人造肉有潜力通过使用更少的资源和更少的温室气体排放来减少畜牧业对环境的影响。最近的一项研究表明：与传统肉类生产相比，人造肉可以减少高达96%的温室气体排放，减少高达99%的土地使用。

(2) 有哪些公司在进行人造肉商品化？

自2013年Mosa Meat生产出了世界上第一个人造肉汉堡之后，已有数十家企业进入人造肉行业，截至 2020 年底，全球约有60家公司成立，包括Mosa Meat、Future Meat Technologies和Memphis Meats在内的几家公司目前都在致力于人造肉的生产。

从 2016 年到 2020 年，人造肉公司的投资总额达到约 4.6 亿美元，其中，Memphis Meat 筹集了约 2 亿美元，位居榜首，Mosa Meat 以超过 8500 万美元位居第二。

(3) 人造肉是怎么造出来的？

主要可以分为四个步骤：首先，获取种子细胞，这里是从动物体内获取具有增殖和分化能力的干细胞；其次，大规模扩增种子细胞以获得足够数量的细胞；第三步是诱导种子细胞分化为肌纤维、脂肪细胞或肌肉组织中其他成熟细胞类型；最后一步是制作组装成肌肉组织并加工成肉制品。

(4) 未来人造肉行业还有哪些需要完善的地方？

技术挑战：改善人造肉的味道和质地，提高食品安全性，降低生产成本，开发合适的可使用食品支架，提高生产工艺和质量。

监管批准和社会挑战：包括美国和新加坡在内的几个国家的监管机构已经批准了人造肉的销售，这是该行业的一个重要里程碑。另外，提高公众认可度也是拓宽市场的重要因素。

图3. 人造肉（Google）

05结语

总的来说，生物3D打印骨骼肌的前景十分广阔。这项技术有可能彻底改变肌肉损伤和疾病治疗策略，以及人造肉的生产。随着研究的不断深入和发展，生物3D打印骨骼肌可能成为再生医学和组织工程中广泛使用的工具。

同时，人造肉的研究前景广阔，因为它有可能解决与传统肉类生产相关的几个紧迫问题，包括动物福利、环境影响和食品安全。随着研究和开发的不断进行，人造肉有可能成为传统肉类的广泛接受和可持续的替代品。

本期内容就到此结束了，咱们下期见！

编辑：王婉玲