综述：力学生物学原理在培养肉开发中的潜力：来自组织工程的启示

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Potential of Mechanobiology Principles for Cultivated Meat Development: Lessons from Tissue Engineering

本综述系统阐述了力学生物学原理在培养肉领域的应用前景，提出将支架从被动结构支持转变为主动调控细胞分化的"生物指导"平台。通过调控支架刚度（如肌肉~8-17 kPa，脂肪~1-6 kPa）、粘弹性等物理特性，可激活力学转导通路（整合素-FAK-RhoA/ROCK、YAP/TAZ等），驱动成肌/成脂分化，显著降低对小分子诱导剂的依赖。该策略结合食品级材料（海藻酸盐、明胶等）和可扩展制造工艺，为下一代培养肉生产提供了突破成本与规模化瓶颈的新路径。

　　

力学生物学：培养肉生产的变革性策略

背景与挑战

培养肉技术为应对全球粮食安全、环境可持续性和动物伦理问题提供了创新解决方案。然而当前生产技术仍面临关键瓶颈：定向诱导祖细胞向成肌或成脂谱系分化时，严重依赖昂贵的小分子诱导剂，这不仅增加生产成本，还带来监管障碍。现有支架主要作为细胞附着和质地形成的被动支持，未能充分利用力学生物学原理主动指导细胞行为。

力学转导的核心机制

力学转导是细胞将机械信号转化为生化反应的核心过程。这一机制通过细胞外基质（ECM）重塑、整合素黏着斑、力学敏感离子通道（如Piezo）和细胞骨架网络介导。关键调控因子YAP/TAZ、ERK和RhoA/ROCK通路将力学信号传导至细胞核，通过改变核结构和染色质可及性，最终驱动谱系特异性转录程序。在自然系统中，力学生物学在组织形态发生中发挥关键作用：肌细胞需要基质刚度和排列导向，而脂肪细胞则在柔软基质（~1-6 kPa）上分化。

组织工程中的力学生物学应用

在骨骼肌组织工程中，二维研究证实具有肌肉样弹性模量（~10-12 kPa）和排列各向异性的材料能支持肌生成。微图案化等技术可通过空间控制细胞形态，促进肌管形成。在三维环境中，支架的刚度、粘弹性和可降解性共同调控细胞行为。水凝胶等材料模拟细胞外基质特征，其孔隙率影响细胞形态和YAP活性。应力松弛型水凝胶允许细胞迁移和伸长，促进肌管融合。

对于脂肪组织工程，柔软、顺应性的微环境通过抑制肌动球蛋白收缩力促进脂肪生成。三维脂肪系统中，支架的可降解性和粘弹性松弛允许细胞骨架重塑和脂滴扩张。研究表明，食品级应力松弛水凝胶（如海藻酸盐、明胶）可作为支架，支持脂质积累和脂肪细胞成熟。

培养肉生产的现状与机遇

当前培养肉生产主要采用被动支架策略，肌肉成熟仍依赖生化诱导剂。新兴研究开始探索力学线索在食品兼容支架中的应用：湿法纺丝制备的玉米蛋白涂层海藻酸盐纤维可促进肌管排列；定向冷冻制备的琼脂多孔支架能引导肌纤维形成；鱼明胶-海藻酸盐水凝胶的刚度调节可调控牛成肌细胞和脂肪间充质细胞的分化。这些进展表明，力学线索可替代或减少对小分子诱导剂的依赖。

实施路线图

短期重点应建立力学生物学检测标准化，筛选食品级生物材料和祖细胞类型的力学响应。中期需开发可扩展的制造工艺（如湿法纺丝、挤出），将力学线索整合到可食用聚合物中。长期目标是将力学生物学指导的支架与细胞系工程、无血清培养基优化和生物反应器设计相结合，创建完全集成的生产生态系统。

通过将支架从被动载体转变为主动调控细胞行为的生物指导基质，力学生物学原理有望显著降低培养肉生产成本，同时提升组织保真度，为可持续食品制造开辟新途径。