Im Labor können mundgerechte Hühnerstücke mit der Textur von ganzem Fleisch gezüchtet werden
Ein Bioreaktor, der ein Kreislaufsystem nachahmt, kann künstliches Gewebe mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgen und so die Produktion von mehr als 10 Gramm Hühnerfleisch für die Verwendung in der Fleischproduktion ermöglichen. Diese Ergebnisse werden am 16. April in der Fachzeitschrift Trends in Biotechnology von Cell Press veröffentlicht.
Hähnchen mit 1125-Faser-HFB hergestellt
Shoji Takeuchi, The University of Tokyo
"Unsere Studie stellt eine skalierbare Top-Down-Strategie für die Herstellung von kultiviertem Fleisch im Ganzen vor, bei der ein durchlässiger Hohlfaser-Bioreaktor zum Einsatz kommt", sagt der Hauptautor Shoji Takeuchi von der University of Tokyo. "Dieses System ermöglicht die Verteilung, Ausrichtung und Kontraktilität von Zellen sowie verbesserte lebensmittelbezogene Eigenschaften. Es bietet eine praktische Alternative zu gefäßbasierten Methoden und könnte nicht nur die Lebensmittelproduktion, sondern auch die regenerative Medizin, die Arzneimittelprüfung und die biohybride Robotik beeinflussen."
Ein wesentliches Hindernis für die Rekonstruktion großflächiger Gewebe ist die Schaffung gut verteilter vaskulärer Netzwerke, da die Diffusion allein die Zellen nicht über beträchtliche Entfernungen tragen kann. Die Dicke von Geweben ohne integriertes Kreislaufsystem ist im Allgemeinen auf weniger als 1 mm begrenzt, was die Herstellung von zentimetergroßen oder größeren Geweben mit dicht gepackten Zellen schwierig macht.
"Wir verwenden halbdurchlässige Hohlfasern, die in ihrer Fähigkeit, Nährstoffe zum Gewebe zu transportieren, Blutgefäße imitieren", sagt Takeuchi. "Diese Fasern werden bereits häufig in Haushaltswasserfiltern und Dialysegeräten für nierenkranke Patienten eingesetzt. Es ist aufregend zu entdecken, dass diese winzigen Fasern auch effektiv dazu beitragen können, künstliche Gewebe und möglicherweise in Zukunft ganze Organe zu schaffen."
Die Autoren demonstrierten die Biofabrikation von zentimetergroßem Skelettmuskelgewebe von Hühnern mit Hilfe eines Hohlfaser-Bioreaktors (HFB), der aus einer Anordnung von 50 Hohlfasern besteht. Darüber hinaus implementierten sie ein robotergestütztes Montagesystem für die Herstellung eines HFB mit 1.125 Fasern und produzierten ganzes Hühnerfleisch mit einem Gewicht von mehr als 10 g unter Verwendung von Hühnerfibroblastenzellen, die das Bindegewebe bilden.
"Kultiviertes Fleisch bietet eine nachhaltige, ethische Alternative zu konventionellem Fleisch", sagt Takeuchi. "Es ist jedoch nach wie vor schwierig, die Textur und den Geschmack von ganzem Fleisch zu reproduzieren. Unsere Technologie ermöglicht die Herstellung von strukturiertem Fleisch mit verbesserter Textur und besserem Geschmack, was seine kommerzielle Verwertbarkeit beschleunigen könnte. Neben Lebensmitteln kann diese Plattform auch die regenerative Medizin und die Soft-Robotik beeinflussen.
Zu den weiteren Herausforderungen für die künftige Forschung gehören laut Takeuchi die Bestimmung der langfristigen Auswirkungen der Perfusion auf die Gewebequalität, die Anpassung der Technologie für die Organherstellung und die biohybride Robotik sowie die weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der strukturellen Integrität des Gewebes, um die Merkmale des natürlichen Muskelgewebes besser zu imitieren.
"Wir haben die Herausforderung gemeistert, die Durchblutung von dickem Gewebe zu erreichen, indem wir Hohlfasern mit mikroskaliger Präzision angeordnet haben", sagt Takeuchi. "Zu den verbleibenden Herausforderungen gehören die Verbesserung der Sauerstoffzufuhr in größeren Geweben, die Automatisierung der Faserentnahme und die Umstellung auf lebensmittelechte Materialien. Zu den möglichen Lösungen gehören die Verwendung künstlicher Sauerstoffträger, die rote Blutkörperchen imitieren, Mechanismen zur Entfernung von Faserbündeln, die die Fasern in einem einzigen Arbeitsgang effizient entfernen, sowie essbare oder wiederverwertbare Hohlfasern."
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