牛肉细胞外基质的特性研究：面向培养肉3D支架的构建

为解决培养肉生产中肌肉细胞生长的支架设计问题，研究人员针对牛肌肉组织的细胞外基质(ECM)开展机械特性表征研究。通过优化脱细胞化方案，保留ECM结构和成分完整性，测得牛腰肉(15.2 kPa)和里脊(12.3 kPa)的储能模量(G’)，为培养肉支架设计提供关键力学参数参考。该研究首次系统揭示天然牛肌肉ECM与重构水凝胶的力学差异，为培养肉仿生支架开发奠定基础。

　　

随着全球肉类需求激增和传统畜牧业的可持续发展困境，培养肉技术被视为潜在解决方案。然而当前培养肉产品仍难以复现真实肉类的结构和感官特性，其中核心挑战在于缺乏能模拟天然肌肉细胞生长微环境的3D支架。肌肉细胞的增殖、分化和功能表达高度依赖细胞外基质(ECM)的机械特性——研究表明，49-88 kPa的弹性模量最利于细胞密度提升，而刚性差异还会通过影响肌生成(myogenesis)和脂肪生成(adipogenesis)改变最终产品的蛋白质含量和风味物质（如美拉德反应产物）。但令人惊讶的是，尽管支架力学特性如此关键，此前研究却主要基于非牛源样本或经水凝胶重构的ECM，其加工过程可能显著改变天然ECM结构。

比利时根特大学的研究团队在《Food Structure》发表的研究填补了这一空白。他们首次系统表征了牛肌肉组织天然ECM的力学特性，通过对比新鲜与脱细胞化样本，明确了ECM本身对组织机械性能的贡献度。研究选取西冷（longissimus lumborum）和菲力（m. psoas major）两种肌肉，采用0.5% SDS脱细胞方案，结合冷冻扫描电镜(cryo-SEM)、Picogreen双链DNA定量、蛋白质组学等多维验证手段确保ECM完整性。力学测试包含振幅扫描（储能模量G’、损耗模量G’’、线性粘弹性区域）和质地分析（最大载荷、总延伸量）。

材料与方法
研究从当地屠宰场获取2 mm厚牛西冷和菲力切片，采用SDS脱细胞处理。通过cryo-SEM观察内膜/外膜结构，Picogreen检测残留DNA（<50 ng/mg），质谱分析保留的胶原蛋白和糖胺聚糖(GAGs)。力学测试采用流变仪（振幅应变0.1-100%）和质构仪（拉伸速率1 mm/s）。

样本可视化
脱细胞样本呈现半透明区域与致密ECM交织的异质性结构。cryo-SEM显示新鲜样本具有规则的内膜网络，而脱细胞后部分结构丢失但主要蛋白框架保留。

讨论
新鲜西冷的G’(15.2 kPa)显著高于菲力(12.3 kPa)，脱细胞后分别降至0.3 kPa和1.0 kPa，证实细胞成分对组织刚度的主要贡献。但质地分析显示脱细胞前后最大载荷（1.4-3.1 N）和延伸量（9.2-11.6 mm）无显著差异，表明ECM主导这些特性。该发现颠覆了将完整肌肉力学数据直接作为支架设计标准的传统做法。

结论与展望
研究首次建立牛肌肉ECM的力学参数基准，证明重构水凝胶与天然ECM存在数量级差异。这为培养肉支架设计提供了精确的仿生目标：既要模拟天然ECM的G’范围（0.3-1.0 kPa）以优化肌生成，又需通过结构设计复现其延展特性。团队建议未来研究应探索动态支架系统，在增殖期（需较低刚度）和分化期（需较高刚度）动态调节力学特性。这些发现不仅推动培养肉技术发展，也为肌肉组织工程提供了新的ECM仿生策略。