人工培养脂肪生产的多因子培养基优化

Formulatrix China

2022/04/21 16:16

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在过去的十年中，人们对开发基于植物和基于细胞的养殖肉类替代品的兴趣日益浓厚[1]。替代的肉类产品被认为更健康、更环保，没有残忍杀害，也更加可持续化。目前这一领域的一个主要限制是一种关键成分的缺乏——脂肪，而脂肪能够提供了与肉类接近的风味、质地和高营养价值。

Hoxton Farms (HF)公司开发人工培养脂肪技术来完善肉类替代品，从而改善其味道、质地和营养价值。原代细胞培养物从宿主动物活检建立，然后发展成永生化细胞系。这些细胞在生物反应器中生长，以持续生产脂肪（图 1）。

图 1：Hoxton Farms 公司生产细胞培养脂肪的通用实验方案。培养基优化工作流程（绿框）是一个复杂的过程，需要许多液体处理步骤。

细胞培养基的开发和优化包括将所有成分微调至最佳浓度，以提高脂肪细胞产量、促进旺盛生长并保持培养脂肪的表型。培养基成分的大量可能组合与能够使用的浓度范围相结合，创造了巨大的组合空间。由于这个过于庞大，因此无法考虑对每个细胞系进行系统采样。

为了克服这一限制，Hoxton Farms 公司的科学家们开发了一种模拟脂肪细胞对各种培养基成分的反应的计算机模型。他们采用实验设计 (DoE) 方法来优化有助于测试多因子及其相互作用的生长培养基 [2]。实验次数（独特配方）主要取决于要评估的总因子。覆盖 3 水平 3 因子的典型全因子设计空间需要 27 个实验 (33=27)。DoE 方法将实验次数从 27 次减少到 9 次，但同时仍对每个成分的影响进行评估（图 2）。

图 2：3D 区间采样与实验设计 (DoE) 方法之间的比较。DoE 开发了有效的实验设计空间并增加找到稳健的最佳条件的可能性。

HF的科学家们在本研究中选择了 24 个因子进行培养基优化。这导致即使在 2 水平上也有广泛的采样空间：224=16,777,216，以及复杂的实验设置，这就需要高通量工作站。虽然 HF 采用的 DoE 方法有助于减少实验次数；然而，执行如此复杂的实验和大量移液操作仍然具有挑战性。

MANTIS®介绍

MANTIS 是一款精确、多功能、占地面积小的自动化非接触式液体分配器，且有着极低的死体积。它可以在一个实验设置中容纳多达 48 种不同的试剂。每个试剂都与一个独立的微型隔膜泵配对，称为“芯片”（表 1 详细介绍了规格）。此外，LV 和 HV 芯片可以配置有移液器吸头或连接到 15 mL 或 50 mL 管的管道作为输入源。移液器吸头减少了死体积，而管道和试管允许分配大量廉价试剂。芯片可以处理从 1 cP 到 25 cP 粘度的试剂。MANTIS 软件还具有内置的 DoE 数据导入模块。它几乎支持任何格式并接收体积和浓度数据，即时生成分液列表。

MANTIS可以选配大容量芯片更换器 (LC3)，其支持多达 28 种不同的试剂，并展示了使用移液器吸头和试管作为输入源。

表 1：MANTIS 芯片规格

使用 MANTIS 进行 DoE 实验

DoE 实验迭代周期包括创建 DoE 设计、使用 MANTIS 制定培养基、培育、数据采集和分析。上一次迭代的结果被输入到下一次迭代中（图 3）。每次迭代从开始到结束大约需要两周时间。

图 3：自动化 DoE 工作流程。设计文件通过 Hoxton Farms 的数学模型生成，使用 MANTIS 将复杂的分液步骤在多次迭代中实现自动化。

使用 HF 的计算模型开发的 DoE 设计文件直接导入 MANTIS 软件。使用 MANTIS 完成液体处理步骤，将培养基成分在1 μL - 100 μL 体积范围内进行分液。所有培养基成分均通过 LV/HV 芯片进行分液，其中将过滤吸头用作储液器。最后用批量添加的 CF 芯片使培养基达到最终体积。

总结

HF 已成功将 DoE 应用于培养基配方和细胞系开发，以提高人工培养脂肪产量，使肉类替代品更具吸引力。
DoE 在对整个组合空间进行采样的同时大大减少了实验次数。
MANTIS 能让用户分配多达 48 种不同的成分并简化 DoE 的操作。
MANTIS 非常适合设置 DoE 实验，具有精度高、死体积低、液体类兼容性强及其强大软件的 DoE 导入模块。
Hoxton Farms 的研究人员每周节省了大约 60 小时的实验时间，每次实验至少节省了 240 盒 P20/P200 吸头，这使得他们能够在一年内省下一台 MANTIS 的费用。

致谢

我们要感谢来自 Hoxton Farms 的 Max Jamilly 对开发本应用说明的支持。Hoxton Farms 总部位于英国伦敦，他们培养天然动物脂肪——而不会涉及动物。该公司将细胞生物学和数学模型相结合，为肉类替代品行业生产培养脂肪。