一位科学家母亲掀起“人造母乳”革命,用乳腺细胞合成母乳,志在淘汰配方奶粉|独家

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一位科学家母亲掀起“人造母乳”革命,用乳腺细胞合成母乳,志在淘汰配方奶粉|独家
麻省理工科技评论 2021-01-03

2021-01-03

母乳是新生儿诞生初期最主要的营养物质来源。
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母乳是新生儿诞生初期最主要的营养物质来源。

母乳是新生儿诞生初期最主要的营养物质来源,它所包含的乳铁蛋白、碳水化合物、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等成分能够满足新生儿身体发育所需能量,同时还能增强新生儿免疫力,减少患病几率。

一位科学家母亲掀起“人造母乳”革命,用乳腺细胞合成母乳

图|(来源:IC photo)

2019年数据显示,全球有 60% 的婴儿无法获得纯母乳喂养。在中国,母乳喂养率也呈现持续下降趋势。6 个月内婴儿纯母乳喂养率不足三成,远低于世界平均水平和中低收入国家平均水平。

造成放弃母乳喂养的原因有很多,包括母亲缺奶、自身患有疾病、无法忍受喂养过程的疼痛、工作不便、担心肥胖等等。

目前,很多家庭都是依靠配方奶粉来取代母乳为新生儿补充能量和营养。这类的配方奶粉多是以牛乳或羊乳作为主要原料,在此基础上加入维生素、矿物质等辅料制作而成,但配方奶粉在营养上始终无法替代母乳。

试想一下,如果通过生物技术还原乳汁的产生过程,那么是否能够代替母乳呢?

美国一位母亲莱拉・斯特里克兰(Strickland)就希望通过细胞培养研发出可替代天然母乳的 “人造母乳”,用来解决那些由于无法母乳喂养给新生儿造成的损失。

“昨天死去的那头牛,在我的实验室还活着”

斯特里克兰是一位两个孩子的母亲,同时她也是研究细胞生物学博士、Biomilq 公司的创始人。

和大部分母亲一样,斯特里克兰也希望对两个孩子进行 6 个月的科学母乳喂养。但母乳喂养的过程也让她感受到了 “困难”,她的第一个孩子始终无法很好地咬住乳头进行吮吸,这导致斯特里克兰在喂奶时疼痛不已,尽管她每天都通过护理或抽水来刺激奶水流动,但她的儿子还是因为无法吮吸到奶水而 “日渐消瘦”。在小女儿出生后,她碰到了同样的问题。

正在她苦恼之时,她看到了一档节目正在播放世界上第一个实验室 “培养肉” 汉堡包的诞生过程,这项实验由荷兰马斯特里赫特大学的血管生物学家马克・波斯特主导,他利用从屠宰场收集的剩余动物材料,加入糖、氨基酸、油脂、矿物质等营养物质制成的混合液,生成了约 3000 条长 2.5cm、宽不足 1cm 的肌肉条,把它们叠在一起并加入实验室培养的脂肪,制成了世界上第一个 “培养肉” 汉堡包。

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图|(来源:IC photo)

这项实验给了斯特里克兰启发,她想到了可以将这种细胞培养技术用于人造母乳。“可以在孕妇怀孕期间对她的乳房进行穿刺活检,这样在婴儿出生前就能使细胞有足够时间生长并产生汁水,” 斯特里克兰在给朋友的邮件中兴奋地写道。

基于自身的生物学专业基础,斯特里克兰说干就干。她将与丈夫凑到的 5000 美元积蓄作为研究的启动资金,购买了一批培养皿、显微镜、培养箱、离心机。因为资金有限,所以购买的设备都比较陈旧,她自己也调侃道 “这些设备可能是来自恐龙时代。”

由于早期的资金有限,斯特里克兰想了很多办法节省研究成本。首先要解决的就是样本来源问题。因为无力购买价值上千美元的人类乳腺细胞系,她将目光转移到了牛身上。

2014 年 2 月的一个周末,斯特里克兰带上一个冷却器、乙醇和无菌仪器、还有 20 美元现金,驱车去了北卡罗来纳州一家肉类加工场。在工作人员的带领下,她见识到了屠宰场上百只被倒挂起来的牛,她甚至 “不敢直视” 这样的场景,小声的问工作人员要来了一块母牛的乳房组织,然后便奔回了实验室。

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图|(来源:IC photo)

斯特里克兰将取来的乳房组织放在培养皿中,然后将其浸入由氨基酸、维生素、矿物质、盐的混合液中,小心翼翼地放进了培养箱中观察。

第二天早上,她惊喜的发现细胞正在生长。斯特里克兰激动地表示,“昨天有一头牛死了,但它在我的实验室里还活着!”

解决了研究样本来源,接下来就是最难攻克的技术问题。

研究中,斯特里克兰发现,母乳是通过乳导管和肺泡乳腺内的小囊收集乳汁。上皮细胞从血液中吸收营养物质并将其转化为乳汁。在它们的旁边,排列在导管和肺泡内的是平滑肌样的肌上皮细胞。当婴儿开始吮吸乳汁时,它会促使肌上皮细胞收缩,将乳汁从管腔细胞通过导管输送到婴儿的嘴里。

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图|(来源:IC photo)

在此时间,斯特里克兰弄清楚了哪些可以在表面促进最健康的细胞分裂,以及细胞密度如何影响细胞生长速度,并成功在管腔上皮细胞形成一个连续的层,而这也是维持合成牛奶的关键隔间。

斯特里克兰坦言,尽管这些研究结果没有一个是新颖的,但这个过程为她深入了解人体细胞研究提供了技术基础。三年来,斯特里克兰德在租来的狭小办公室里,一边全职写作,一边进行牛乳房细胞进行实验。

但仅凭着一腔热血是无法取得成功的。2016 年,斯特里克兰的研究因为资金短缺不得不终止,但她并没有放弃人造母乳的想法。

颠覆配方行业,“人造母乳” 迎来开局

2019 年,斯特里克兰迎来了转机。随着越来越多的食品企业开始尝试合成生物技术,实验室中制作的 “人造鱼肉”“人造鸡肉” 等产品不断涌现,斯特里克兰在朋友的劝说下重新开启了她的 “人造母乳” 计划。

与上次不同,斯特里克兰辞去了工作,全职投入到 “人造母乳” 的研发中。同年 8 月,斯特里克兰团队得到了由旧金山著名生物技术孵化加速器公司 IndieBio 的 25 万美元种子投资。

不久后,斯特里克兰团队迎来了另一个重要伙伴的加盟,20 多岁的食品科学家米歇尔・埃格(Michelle Egger)。

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图|斯特里克兰(左)与埃格(右) (来源:Biomilq 官网)

埃格出生在美国明尼达波利斯,自小就对牛奶相关的一切事物着迷。大学毕业后,埃格在 General Mills 的乳制品部门工作了 3 年,随后进入杜克大学商学院就读。第一次见到斯特里克兰的时候,埃格还是商学院二年级的学生。

埃格听闻了斯特里克兰的 “人造母乳” 计划后也很兴奋,她认为 “人造母乳” 无论在营养上还是制作成本上,都比目前的婴幼儿配方奶粉效果更好。

据了解,大多数婴儿配方奶粉都是环境密集型奶制品,需要大量的水、棕榈油等原料消耗,生产的过程也会产生大量污染物。2015 年的一项研究表明,生产一公斤奶粉相当于排放四公斤二氧化碳。

人造母乳的方式让埃格看到了颠覆配方行业效率的潜力,于是一拍即合加入了斯特里克兰的团队。

2020 年 2 月,Biomilq 公开宣布用乳腺上皮细胞生产母乳已完成概念验证阶段。

但随后经费困境再次袭来。好在在濒临破产之前,Biomilq 得到了突破能源基金(Breakthrough Energy Venture,简称 BEV)的 350 万美元 A 轮融资支持。

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图|(来源:Biomilq 官网)

BEV 是比尔・盖茨基金会旗下专注于气候变化的一支专业投资基金,包括杰夫・贝佐斯(亚马逊创始人)、理查德・布兰森(维京集团创始人)、马克・扎克伯格(Facebook 创始人)和马云(阿里巴巴创始人)在内也都纷纷入股 BEV 用以促进新能源技术的发展。

Biomilq 通过 “人造母乳” 颠覆配方行业,在提升效率节能减排上的潜力得到了 BEV 的认可。

人造母乳的机遇和挑战

目前,全球从事婴幼儿配方奶粉创新型研究的公司还有很多。

新加坡的 TurtleTree Labs 也在从事相同的研究,该公司联合创始人马克斯・赖伊(Max Rye)表示,希望通过人造母乳取代市场上所有的新生儿哺乳饮品。

同时,TurtleTree Labs 还致力于创造 “增强剂”,可将其添加到配方中,复制母乳的特性。另一位联合创始人林凤如(Fengru Lin,)解释说,与 Biomilq 相比 TurtleTree 计划与配方行业合作,并希望在 2021 年将其产品推向市场。

同样从事人造母乳研究的还有总部位于纽约的 Helaina 公司,该公司通过发酵技术来模拟母乳。创始人劳拉・卡茨(Laura Katz)计划使用微生物来合成牛奶的组成成分,包括蛋白质、碳水化合物和脂肪,然后将它们重新混合成营养液体。

目前类似 “人造肉汉堡包” 一类通过发酵大豆蛋白制成的可食用产品,已获得美国食品和药物管理局(FDA)的批准,卡茨也由此看到了发酵技术在人造母乳上的应用或许会更容易得到认可。但与斯特里克兰和艾格一样,卡茨对新生儿父母缺乏选择感到愤慨。

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图|(来源:IC photo)

卡茨说:“我认为我们能做的最好的事情就是支持女性母乳喂养。” 但是,如果因为种种原因导致无法母乳喂养,那么母亲 “应该选择比婴儿配方奶粉更好的东西(替代母乳)。” 她补充说:“我看到所有基于细胞类的创新研究,都是给那些只想吃汉堡的人研究的,但我们给婴幼儿的食品创新在过去的 20、30 年中一直都没有变化。”

为每一个母亲培养个性化 “乳汁”

目前,针对人类乳腺相关的细胞研究重点集中在对乳腺癌问题的攻克上,在母乳方面的科学研究少之又少。

一位科学家母亲掀起“人造母乳”革命,用乳腺细胞合成母乳

图|(来源:IC photo)

除了复制母乳的活性,更巨大的挑战是如何将母乳标准化。

据了解,随着孩子的成长,母乳的成分也会发生变化。根据不同的阶段,可能将母乳分为以下几种状态:在分娩后的头几天,母亲会分泌 “初乳”,一种浓稠,黄色的浓缩乳汁,含有丰富的抗体 IgA 和乳铁蛋白(一种丰富的蛋白质,可以增强婴儿的免疫力);很快,初乳被 “过渡乳” 所代替,后者更稀薄,但含的脂肪和乳糖更多;大约两周后,母乳被视为 “成熟乳”。

但是即使如此,母乳也可能在单次喂食的过程中改变其成分。后乳(乳房中最后的乳汁)的脂肪含量要高于之前的乳汁,这就是为什么建议女性在换到另一个乳房之前先排空一个乳房。

斯特里克兰和埃格坦言,目前他们还无法复制这种复杂性,也无法复制任何给定女性乳汁中的所有抗体和微生物。但他们表示其产品将比竞争对手的产品更具个性化。

目前,Biomilq 与几家生物科技初创公司在实验室中共同进行供体细胞的研究,在零下 80°C (零下 112°F) 的冰箱里,他们储存了装满来自不同捐赠者的细胞的试管。其中一位 27 岁的女性在缩胸手术后捐赠的乳腺组织,已经被 “永生化” 了,即通过操纵来无限增殖。

斯特里克兰德和艾格已经生产出一种既含有乳糖又含有酪蛋白的液体,这也是母乳中发现的主要蛋白质和糖类化合物。目前正在进一步对其进行测试,是否能检测到其他成分,例如寡糖和脂质。斯特里克兰德估计,大约需要两年时间才能找到一个足够好的匹配对象。

正如斯特里克兰早期所设想的那样,他们计划与孕妇一起工作,采集她们的乳腺上皮细胞样本,并培养她们以产生个性化的母乳,以便在婴儿出生时使用。之后,他们希望使用供体细胞创建更经济的通用选择。艾格坚持认为,无论哪种方式都将比配方奶粉要更好。

全球十个孩子中就有六个无法喝到母乳

根据 2019 年联合国儿基会数据显示,全球仅有 40% 的婴儿能够获得 6 个月的纯母乳喂养:在中高收入国家,纯母乳喂养率从 2012 年的 28.7% 降低至 2018 年的 23.9%,为全球最低。在全世界范围内,只有 40% 的妈妈在其工作场所享有最基本的产妇福利。

在中国,母乳喂养率也呈下降趋势。中国发展研究基金会发布《中国母乳喂养影响因素调查报告》显示,中国 6 个月内婴儿纯母乳喂养率只有 29.2%,远低于 43% 的世界平均水平和 37% 的中低收入国家平均水平。而在 23 年前的 1998 年,中国母乳喂养率是 67%。

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图|(来源:IC photo)

母乳喂养似乎是人类从进化初期就有的生物本能。但随着社会经济的发展,人们的主客观思维都产生了变化,导致母乳喂养率呈现全球走低的趋势,与之形成鲜明对比的是,配方奶粉行业的日益壮大。

1851 年,世界上第一个带有软木塞和象牙针的现代奶瓶被法国人发明出来后不久,一位德国化学家 Justus von Liebig 配制了第一个商业婴儿配方奶粉,其中包括牛奶、小麦、麦芽粉和少许碳酸氢钾,并于不久后被认为是理想的婴儿食品。

到 20 世纪,受广告的影响,配方奶粉的使用量猛增。到 1972 年,美国有 22%的婴儿采用母乳喂养,这是历史最低水平,低于 1936 年至 1940 年间的 77%。

如今,这些数据虽然略有回升,但是,按照美国儿科学会和世界卫生组织的建议,仅四分之一的人只能用母乳喂养六个月。

此外,许多新生儿的母亲受到工作影响,在工作场所进行母乳喂养或抽奶可能很困难。对经济情况稍贫困的女性来说更加困难,没有强制性的带薪育儿假,也导致了客观上无法照顾孩子。

合成生物技术能否拯救母乳喂养现状?

如何解决“全球性”的母乳喂养难题?很多人将目光转向了合成生物技术。

合成生物学的概念最早由Hobom B.于1980年提出,用来表述基因重组技术。2003年国际上将合成生物学定义为基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究。

合成生物学围绕生命体运转逻辑,利用其中的规律和运作方式,对生物进行手动“改造”,以让其具备所需的功能和价值。“改造”分为两大部分:“信息设计”和“添加生物元件、装置和系统”。

在 “元件插入和系统构建” 层面。该过程属于系统生物学范畴,主要研究生物系统不同部分之间的相互作用和关系,以及基因、蛋白质网络如何影响代谢途径或细胞信号传递等。

多学科交叉是合成生物学的基本特点,这让其应用情况并非囿于单一领域,同样呈现交叉和多面的发展态势。与基础学科和单一技术不同,合成生物学更像是一个 “工具”,它从利用生物技术构建功能性生命体(细胞)出发,散射到不同的应用版图。发展至今,相关技术的发展也逐渐由科研探索驱动开始转向工程能力驱动。

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图|合成生物学初创公司(来源:CBInsights中文)

食品和饮品类生物合成公司主要开发食品和饮料产品(如酒类、牛奶等)等,该类别中,人造肉领域在去年明星公司 Beyond Meat 上市后备受瞩目。

目前该类别中的代表型公司主要分为三大类。

人造肉。美国公司 Impossible Food 是植物人造肉领域的领先者,主要通过发酵的方式萃取出大豆中天然存在的血红蛋白,来用于制作植物肉产品;

人造蛋白。美国公司 Perfect Day 和 Clara Foods 正在通过合成生物学技术用于合成蛋白类产品的开发,包括牛奶、蛋清、奶酪等;

饮品。美国公司 Endless West 正在通过分析酒中的成分,来创造无需发酵的酒。此前该公司曾尝试生产无葡萄的葡萄酒,目前,该公司已经推出了一款分子威士忌 Glyph,其主要由从天然植物和酵母中提取出成分和食用酒精混合制成。

依托将工程科学应用到现代生物学与系统生物学上的逻辑,合成生物学被认为是引领生物科技产业第三次革命并将推动第五次工业革命的新学科。目前,合成生物学已经逐渐开始应用到生物医疗、环境保护、能源开发、工业制造、农业种植等多个领域。可以预见的是,合成生物学产品的开发,必将在解决人口与健康、资源与环境、能源与材料重大难题的过程中发挥重要作用。

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