Zellbiologische Probleme bei der Herstellung von In-vitro-Fleisch

Beitrag von Kerstin Syré im Rahmen eines vierwöchigen Praktikums bei VIF (August 2017)

In-Vitro-Fleisch: eine Alternative?

Ob In-vitro-Fleisch (IVF) sich als eine Alternative für den kommerziellen Fleischkonsum behaupten kann, wird sich erst in den nächsten Jahren feststellen lassen. Denn nicht nur gesellschaftliche Bedenken stehen diesem neuen Produkt noch im Weg, sondern ebenso der Herstellungsprozess, für den es Problemstellungen zu lösen gilt. Aber wie genau wird In-vitro-Fleisch hergestellt? Wäre eine detaillierte, leicht verständliche Beschreibung dieses Prozesses hilfreich, um der Bevölkerung die Angst zu nehmen, etwas im Labor Entwickeltes zu essen? Im Folgenden werden einzelne Aspekte des bisherigen Stands der Forschung zum Thema IVF und dessen Herstellungsweise erläutert.

In-Vitro-Fleisch: ein völlig tierfreies Produkt?

Bei dem meisten Fleisch, das konsumiert wird, handelt es sich um Muskelfleisch von Tieren. Um eine gleichartige Alternative zu diesem Muskelfleisch anzubieten, wird mit Muskelzellen gearbeitet. Hierfür werden dem Tier mittels Biopsie Zellen des Muskelgewebes entnommen. Das geschieht meistens unter lokaler Anästhesie und ist deshalb ein schmerzfreier Prozess. Nun gilt es, die Zellen wachsen zu lassen. Hierfür werden sie in einem geeigneten Nährmedium kultiviert, was in so genannten Bioreaktoren stattfindet. Bioreaktoren sind Behälter, in denen sich Mikroorgansimen, Zellen und Pflanzen vermehren; bekannte Beispiele sind Kläranlagen oder auch Brauereien und Weinerzeugungsbetriebe. Unter ganz bestimmten ausgewählten Bedingungen wie z.B. Temperatur, Sauerstoffgehalt und pH-Wert vermehren sich die Zellen, was man auch Proliferation nennt. Die Herausforderung besteht darin, die Zellen anschließend zu einem fleischähnlichen Produkt zu verarbeiten.

Zellbiologische Grundlagen der Produktion von IVF

Es gibt verschiedene Ansätze, welche Zellarten sich am besten für die Herstellung von IVF eignen. Die bisher 3 erfolgversprechenden Zellarten sind embryonale Stammzellen, Myosatelliten und sogenannte iPS-Zellen (induced pluripotent stem cells).

Bei all diesen Zellarten handelt es sich um eine Art von Stammzellen. Stammzellen werden je nach ihrem Differenzierungsgrad in 4 Stadien eingeteilt, wobei nochmals zwischen embryonalen und adulten Stammzellen unterschieden wird. Zu den embryonalen Stammzellen gehören die sogenannten „totipotenten“ (lat. „totus“ für „ganz“) oder auch „omnipotenten“ (lat. „omnis“ steht für „alles“)  Stammzellen. Diese Zellen können sich noch zu jedem Zelltyp aus differenzieren. Pluripotente Stammzellen (lat. „plus“ für „mehr“) dagegen können sich nur in die drei Keimblätter Ektoderm, Endoderm und Mesoderm entwickeln. Keimblätter entstehen bei der Gastrulation eines Embryos und sind die erste Differenzierung in verschiedene Zellschichten. Anschließend entwickeln sich aus diesen drei Keimblättern Gewebe und Organe. Zu den adulten Stammzellen gehören die multipotenten Stammzellen (lat „multus“ für „viel“), welche sehr eingeschränkt sind in ihrer Entwicklung. Sie befinden sich zum Beispiel im Knochenmark oder im Darm. Unipotente (lat. „uni“ für eins) Stammzellen sind am wenigsten frei in ihrer Entwicklung. Sie können sich nur noch zu einem bestimmten Zelltyp ausdifferenzieren.

Stammzellen haben den entscheidenden Vorteil, dass sie in den meisten Fällen eine unbegrenzte Teilungsfähigkeit (Profileration) haben. Doch wie können diese Zellen beeinflusst werden, damit sie sich in den gewünschten Zelltyp ausdifferenzieren? Dies macht die Handhabung mit embryonalen Stammzellen noch sehr schwierig und aufwendig. Induced pluripotente stem cells sind dagegen nicht direkt entnommene Stammzellen, sondern werden aus schon ausdifferenzierten Zellen gewonnen. Durch gezieltes Einführen von 4 Transkriptionsfaktoren (Sox-2, Oct-4, Klf-4 und c-Myc) können so somatische, differenzierte Zellen durch eine „Reprogrammierung“ des Erbguts in pluripotente Zellen umgewandelt werden. Durch sogenannte Transdifferenzierung ist es außerdem möglich, Zelltypen in andere Zelltypen umzuwandeln. Die kann durch vorausgehende Dedifferenzierung, also das Zurückentwickeln in eine nicht-differenzierte Zelle, oder durch direkte Umwandlung geschehen. So wurden bereits erfolgreich Muskelzellen (Myozyten) in Fettzellen (Adipozyten) umgewandelt. Da Fett eine wichtige Komponente von Fleisch ist, bietet dieses Verfahren eine Möglichkeit, Fett- und Muskelzellen gemeinsam wachsen zu lassen. Myosatelliten-Zellen (Muskelstammzellen) sind wohl bisher die am meisten verwendeten Zellen im Herstellungsprozess von IVF. Diese Zellen werden zum Beispiel nach Schädigungen des Muskelgewebes zur Teilung angeregt und helfen somit bei der Regenerierung des Gewebes. Deshalb wird anhand von ihnen im Folgenden beschrieben, wie die prinzipiellen Schritte der IVF-Produktion aussehen:

Als erstes wird, wie schon erwähnt, mittels Biopsie einem Tier Muskelgewebe entnommen. Anschließend müssen die Stammzellen wie zum Beispiel die Myosatellitenzellen von den anderen Zellen separiert werden. Es folgen nun zwei Phasen: die Proliferationsphase und die Differenzierungsphase. In der ersten Phase wachsen die Myosatellitenzellen im Bioreaktor. Das Ziel ist es, ein Maximum an Zellen herzustellen. In der Phase zwei sollen sich die Zellen zu Myoblasten differenzieren. Dafür benötigt es einige Stimulatoren wie zum Beispiel Wnt, Notch oder TGFβ, damit die Zelle sich zu der gewünschten Zellart entwickelt. Die Zellen sollten außerdem ein Maximum an Proteinen synthetisieren, sodass es zu einer Vergrößerung der Zelle an sich kommt. Dieser Vorgang wird auch Hypertrophie genannt. Die Myoblasten bilden nun mehrkernige Myotuben, welche sich wiederum zu Muskelfibrillen (Muskelfasern) entwickeln. Diese werden mit Hilfe einer Art Gerüst, engl. scaffold, zum Wachsen angeregt. Ein solches für Muskelzellen geeignetes Gerüst kann aus Fibrin-Hydrogengel bestehen, da es die richtige Oberfläche aufweist, auf der Muskelzellen migrieren, proliferieren und ihre eigene extrazelluläre Matrix produzieren können. Anschließend werden die einzeln erzeugten Lagen an Muskelfibrillen aufeinander gelegt, sodass ein fleischähnliches Produkt entsteht. Um für den richtigen Geschmack zu sorgen, müssen weitere Komponenten wie zum Beispiel Fettzellen hinzugefügt werden. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass genügend Myoglobin in den Zellen produziert wird. Dieses Protein bindet die sogenannte Häme-Gruppe, welche unter anderem für die Bindung von Sauerstoff im Blut verantwortlich ist. Diese Häme-Gruppe verleiht Fleisch seine rote Farbe und insbesondere auch seinen Geschmack. Die Synthese von Myoglobin kann durch verschiedene Transkriptionsfaktoren (also Faktoren, welche die Expression von Genen regulieren) und durch den Sauerstoffgehalt in den Zellen beeinflusst werden.

Die Herausforderung, das passende Nährmedium zu finden

Damit Zellen außerhalb eines Organismus wachsen können, benötigen sie ein Nährmedium. Zellkulturmedien bestehen aus Wasser, Salzen, Aminosäuren, Vitaminen, Glucose, Pufferlösungen um den richtigen pH-Wert einzustellen, meistens auch aus Antibiotika und fetalem Kälberserum. Die Gewinnung von fetalem Kälberserum ist ein sehr umstrittenes Verfahren. Dem noch lebenden Rinderfötus wird Blut aus dem Herzen entnommen, was zu dessen Tod führt. Durch Zentrifugation der geronnenen Blutprobe enthält man das Serum, welches nun keine Gerinnungsfaktoren mehr beinhaltet. Dieses Serum besitzt wichtige Faktoren, die Zellen zum Proliferieren benötigen. Allerdings hat das Verarbeiten von fetalem Kälberserum auch Nachteile. So führt das Benutzen von Serum aus unterschiedlichen Kälbern zu einer gewissen experimentalen Variabilität, wodurch die Reproduzierbarkeit von Versuchen und eine Standardisierung erschwert werden. Außerdem besteht ein gewisses Risiko von viraler Kontamination, nämlich dann, wenn die Tiere vorher erkrankt waren. Das Krankheitsrisiko betrifft auch die Labormitarbeiter.

Fetales Kälberserum ist ein Nebenprodukt der Fleischindustrie und dessen Preis ist von verschiedenen Faktoren abhängig, wie zum Beispiel der Nachfrage nach Rindfleisch oder den sich wandelnden Fleischvorlieben der Konsumenten. Diese sind schwer einschätzbar und kalkulierbar. Daher schwankt auch der Markt und somit der Preis für Serum.

Ein gravierendes Problem besteht allerdings darin, dass die Bestandteile von fetalem Kälberserum noch nicht vollständig erforscht sind, was die Entwicklung eines alternativen Produktes sehr schwierig, aber nicht grundsätzlich unmöglich macht. Es wurden bereits rein chemisch definierte Nährmedien für Herz-Muskelzellen, Neuronen des Hippocampus, Motorneuronen und Sensorische Muskelzellen hergestellt. Da jede Zelle allerdings spezifische Voraussetzungen bzw. Inhaltsstoffe zum Wachsen benötigt, ist das Entwickeln solcher Nährmedien sehr aufwendig. Bis heute wurde es noch nicht geschafft, ein Nährmedium zu synthetisieren, welches universal für die verschiedensten Zelllinien einsetzbar ist. Für die IVF-Produktion ist dies wahrscheinlich noch der kritischste Punkt in der Herstellung. Solange keine Alternativen für fetales Kälberserum existieren, wird eine Massenproduktion von IVF nicht realistisch sein.

So wünschenswert vor allem aus ethischen und ökologischen Gründen die Herstellung von alternativem Fleisch ist bzw. durch dessen Produktion lediglich tierische Zellen benötigt werden, so unverkennbar sind die noch zu überwindenden Schwierigkeiten. Diese liegen besonders in der Zellbiologischen Forschung.

Quellen:

  • Mark Post (2012): Cultured meat from stem cells: Challenges and propects. In: Meat Science 92, 209-301
  • Isam Kadim et al. (2015): Cultured meat from muscle stem cells: A review of challenges and prospects. In: Journal of Integrative Argriculture 14 (2), 222-233
  • Jan van der Valk et al. (2017): Fetal Bovine Serum (FBS): Past- Present- Future. In: Altex 9