11. juni 2010

2. Teknikken: Fremstilling af stamcellekød

Man bruger forskellige betegnelser for den slags kød. Nogle kalder det stamcellekød, hvilket er en hentydning til at kødet er dannet ud fra særlige stamceller. Andre kalder det in vitro-kød
In vitro er latin og betyder "i glas". Begrebet in vitro bruges om biologiske processer eller eksperimenter (fx produktionen af kød), som foregår i et kontrolleret miljø uden for en biologisk organisme, fx i et reagensglas eller en petriskål.

Hvad er kød?

Hvis man vil forstå, hvordan man forestiller sig at dyrke og producere kød ud fra stamceller, er det nødvendigt at interessere sig lidt for, hvad kød egentlig er.

Begrebet kød bruges primært om muskelvæv fra dyr, nærmere bestemt den slags muskelvæv som kaldes skeletmuskelvæv.

Muskelvæv er primært opbygget af muskelceller. Det er muskelceller, også kaldet muskelfibre eller myofibre på grund af deres langstrakte form, der giver muskelvævet dets unikke egenskab, nemlig evnen til kontraktion, det vil sige evnen til at trække sig sammen. Hver enkelt muskelcelle indeholder særlige proteiner (aktin og myosin), som kan gribe fat i hinanden og trække muskelcellen kortere. Når de enkelte muskelceller i en muskel kontraherer, kontraherer hele musklen sig.

Ud over muskelcellerne indgår der også andre typer celler i muskelvæv - altså i kød. En bøf eller en kotelet består således primært af muskelceller, men også af blandt andet bindevævsceller og fedtceller. Der er også både nerver og blodkar i muskelvæv, og derfor findes der i muskelvæv også nerveceller og celler, der indgår i blodkars vægge.

Stamcellekød

Der er fremsat forskellige forslag til, hvordan man kan producere stamcellekød eller in vitro-kød - altså hvordan kødproduktion uden for dyr kan foregå. Forslagene har dog typisk følgende fællestræk: For at producere stamcellekød har man brug for nogle celler, som kan udvikle sig til muskelceller. Man har brug for et vækstmedium, det vil sige en væske som indeholder de næringsstoffer og vækstfaktorer, som cellerne har brug for for at kunne vokse, dele sig og udvikle sig til muskelceller. Og man har brug for en beholder, hvori cellernes vækst, deling og udvikling kan foregå.

Muskelceller, muskelstamceller og andre stamceller

Færdigudviklede muskelceller (myofibre) i skeletmuskelvæv - altså i kød - kan ikke dele sig. Så man kan altså ikke producere kød ved at isolere nogle få af den slags muskelceller fra en færdigudviklet muskel og få dem til at dele sig til flere muskelceller, indtil man har et stykke kød.

I stedet må man have fat i forløberne for de færdigudviklede muskelceller: muskelstamcellerne. De har, i modsætning til myofibrene, evnen til at dele sig og udvikle sig til nye muskelceller.

Muskelstamcellerne kaldes myoblaster. De færdigudviklede muskelceller dannes ved at mange myoblaster fusionerer (smelter sammen). Ved denne fusion dannes der først såkaldte "myotubes", og disse myotubes udvikler sig så til myofibre.

Hver myoblast har, som de fleste celler, kun én cellekerne. Når mange myoblaster smelter sammen og på den måder danner færdigudviklede muskelceller, bliver resultatet derfor celler med mange cellekerner. Man kalder sådanne celler multinukleate celler.

Nogle af myoblasterne fusionerer ikke med andre myoblaster under udviklingen af færdige muskelceller. De forbliver i stedet som inaktive enkeltceller i muskelvævet. Sådanne inaktive myoblaster i færdigudviklet muskelvæv kaldes satellitceller eller myosatellitceller. Hvis muskelvævet udsættes for belastning, eller hvis der sker skade på muskelvævet således at muskelfibre går i stykker, aktiveres satellitcellerne: De begynder at dele sig og fusionerer med de belastede eller beskadigede muskelceller, således at disse får tilført nye cellekerner. Dette bidrager til at muskelcellerne bliver repareret og overlever.

Både myoblasterne og satellitcellerne (som altså også er en form for myoblaster) har evnen til at dele sig, og de kan udvikle sig til nye muskelceller. Det er især disse celler fra dyr (fx kyllinger, grise eller køer), der er udgangspunktet for de forsøg, der er foretaget med henblik på at producere stamcellekød.
Fordelen ved satellitceller er, at de kan isoleres fra muskelvæv fra udvoksede dyr. Myoblaster er derimod embryonale og isoleres fra dyrefostre.

Man forestiller sig at kunne producere stamcellekød ved at begynde med relativt få myoblaster (eller satellitceller), få disse myoblaster til at dele sig så der dannes mange myoblaster, og endelig få disse mange myoblaster til at fusionere så der til sidst dannes færdigudviklede muskelceller.

Man kan også bruge andre stamceller end myoblaster og satellitceller til produktion af stamcellekød. For eksempel stamceller som er mere udifferentierede, det vil sige stamceller som stadig ikke har udviklet sig i retning af at blive til en bestemt type celler.

De allermest udifferentierede stamceller er de embryonale stamceller. De kan udvikle sig til en hvilken som helst type celle i den færdigudviklede organisme, og de kaldes derfor også pluripotente stamceller.

I forbindelse med produktion af stamcellekød har det været foreslået at bruge såkaldte mesenkymale stamceller. Det er celler, der har gennemgået den første, indledende specialisering. De er derfor ikke pluripotente længere, som de embryonale stamceller, men "kun" multipotente. Mesenkymale stamceller kan udvikle sig til muskelceller, men også til knogle-, brusk- og fedtceller.

Selv om de pluripotente embryonale stamceller og de multipotente mesenkymale stamceller har den fordel, at de kan dele sig vældig hurtigt, er det en ulempe, at de er så udifferentierede i forhold til myoblaster. Myoblasterne har så at sige allerede taget nogle store skridt i deres udvikling hen imod at blive til muskelceller - de er allerede delvist specialiserede - og det gør dem oplagte at arbejde med i forhold til at producere stamcellekød.

Dyrkning af myoblaster

For at få myoblaster til at vokse, dele sig og fusionere, således at der dannes færdige muskelceller, skal de - som alle andre celler - have adgang til næringsstoffer, og de skal stimuleres af vækstfaktorer. Med andre ord: De skal dyrkes i et vækstmedium, der indeholder de stoffer, cellerne har brug for.

Myoblasterne skal også have en eller anden overflade at fæstne sig til, for at de kan vokse og udvikle sig. Man kan ikke dyrke myoblaster, der blot flyder rundt i et næringsmedium, sådan som man fx dyrker bakterier.

Desuden mener forskerne, at det er en stor fordel, at muskelceller der dyrkes in vitro strækkes med jævne mellemrum. Denne strækning betyder dels, at udviklingen af færdige muskelceller foregår hurtigere og bedre, dels at cellerne opnår en bedre tekstur og smag. Normalt muskelvæv i en organisme er netop karakteriseret ved at det strækkes og trækker sig sammen med mellemrum – og det lader altså til at have betydning for kødets kvalitet, herunder tekstur og smag.

Strækning og sammentrækning af muskelceller der ikke er en del af et levende dyr, men dyrkes in vitro, kan enten klares mekanisk eller ved at stimulere muskelcellerne elektrisk.

Næringsmedium

Forskerne har i mange år kunnet dyrke dyre- og menneskeceller. Det foregår blandt andet i stor udstrækning inden for medicinsk forskning. Til dyrkning af sådanne celler bruger forskerne typisk næringsmedier, der er baseret på såkaldt føtalt kalveserum. Føtalt kalveserum udvindes fra blod fra kalvefostre.

Der er lavet forsøg, hvor man har dyrket myoblaster i næringsmedier baseret på føtalt kalveserum, og cellerne trives fint i dem. Men af flere grunde er det ikke realistisk at forestille sig, at en egentlig storskalaproduktion af stamcellekød kan foregå ved brug af næringsmedier baseret på føtalt kalveserum.

Dels er føtalt kalveserum meget dyrt. Så dyrt, at prisen på stamcellekød dyrket i næringsmedium, baseret på føtalt kalveserum, slet ikke ville være konkurrencedygtig.

Dels vil fortæring af kød dyrket i et sådant medium indebære en risiko for overførsel af alvorlige infektioner til de personer, der spiser kødet. En konkret bekymring, som har været nævnt, er risikoen for smitte med kogalskab (BSE; bovin spongiform encefalopati).

Derfor er der blandt forskere, der arbejder med dyrkning af stamcellekød, stor interesse for at forsøge at udvikle billige, ufarlige og også helst miljøvenlige næringsmedier, som kan understøtte myoblasternes og muskelcellernes vækst og udvikling. Der er blandt andet lavet forsøg med næringsmedier, baseret på ekstrakter fra forskellige svampe. Det har vist sig, at blandt andet næringsmedier baseret på tuepore-svampen, også kaldet maitake-svampen, synes at være et muligt alternativ.

Overflader og bioreaktorer

Som nævnt har myoblaster et krav om at kunne fæstne sig til en overflade, hvis de skal kunne dyrkes og udvikle sig til muskelceller. Dette er ikke umiddelbart noget problem, så længe man blot ønsker at dyrke myoblaster i et laboratorium til forskningsformål. Her dyrker man cellerne i lille skala i særlige beholdere.
Men hvordan løser man myoblasternes overfladekrav, hvis man skal dyrke stamcellekød i større skala – med henblik på en egentlig produktion? Her skal det jo medtænkes, at de færdigudviklede muskelceller -"kødet" - skal kunne høstes fra de overflader, de vokser på.

Fra de forskere, der specifikt arbejder med stamcellekød, er der fremsat flere forslag. Et forslag går ud på at dyrke myoblasterne i meget tynde lag på store, tynde membranoverflader nedsænket i næringsmedium. Hele processen skal foregå i en særlig indrettet beholder, en såkaldt bioreaktor. Hvis dyrkningsprocessen forløber efter planen, vil det resultere i, at der dannes tynde muskelcellelag på membranoverfladerne. Disse lag kan man så, ifølge forskerne, høste ved at rulle eller skrabe dem af membranerne. Efterfølgende kan man rulle lagene op eller folde dem et antal gange, så man får tykkere muskelcellestrukturer.

Ideelt set bør de tynde membranoverflader konstrueres sådan, at de kan strækkes med jævne mellemrum, således at cellernes udvikling optimeres og de producerede muskelceller får den optimale tekstur og smag.

Et andet forslag går ud på at lade myoblasterne fæstne sig til tusindvis af bittesmå kugler eller andre tredimensionelle strukturer lavet af fx kollagen (et protein der blandt andet findes i pattedyrs bindevæv), alginat (et polysakkarid der findes i blandt amdet brunalgers cellevæg) eller kitin (et polysakkarid som findes i bl.a. svampes cellevæg og leddyrs ydre skelet). Det er tanken, at kuglerne med de fæstnede myoblaster skal holdes i suspension i et vækstmedium i en særlig slags bioreaktor. Dermed efterligner man den måde, man fx kan dyrke bakterier på, mens man på samme tid giver myoblasterne den overflade at fæstne sig til, som de har brug for. Hvis systemet fungerer efter hensigten, vil de fæstnede myoblaster dele sig og udvikle sig til myofibre, og resultatet bliver at hver kugle efterhånden bliver dækket af et tyndt lag muskelceller.


(illustration: Peter Waldorph) Bøfillustration

Fra ko til stamcellekød: Muskelstamceller, myoblaster, kan isoleres fra muskelvæv og dyrkes. Under de rette dyrkningsforhold vil myoblasterne dele sig, udvikle sig og fusionere så der dannes færdigudviklede muskelceller. Nogle forskere foreslår at dyrke myoblasterne på mikroskopiske kollagen-kugler i næringsmedium i en bioreaktor (A). De færdigudviklede muskelceller kan så høstes fra kollagen-kuglerne og forarbejdes til anvendelse i fx hakket kød. Andre forskere har foreslået at dyrke myoblaster på store membraner (B). For at lave stamcellekød med en struktur som naturligt kød, kræves dels andre stamceller end muskelstamceller, dels et system til tilførsel af næringsstoffer til cellerne. Nogle forskere forestiller sig at man kan dyrke de nødvendige celler på kunstige kapillærnetværk og på den måde få produceret kød med struktur (C). (Illustration: Peter Waldorph)

Kugler af kitin kan laves således, at de ændrer størrelse, når temperaturen, i det medium de flyder rundt i, ændres en lille smule. Hvis man lader myoblaster vokse og udvikle sig på sådanne kugler, vil det være muligt at strække myoblasterne og de dannede muskelceller regelmæssigt, ved at ændre temperaturen i næringsmediet.

Løse, ustrukturerede muskelceller

Uanset om man dyrker myoblaster (eller satellitceller) på store, tynde membranoverflader eller på bittesmå kugler og får dem til at fusionere, så der dannes færdige muskelceller, bliver resultatet det samme: en masse der består af løse, ustrukturerede muskelceller. Med lidt god vilje kan man kalde denne masse for kød. Men det er ikke kød med den struktur, som vi normalt forbinder med kød. Stamcellekød produceret på denne måde ligner altså slet ikke en bøf eller en kotelet. Mest ligner det ekstremt finthakket kød, selv om også hakket kød jo består af mange andre celler end muskelceller.

Når der, på trods af den ringe lighed med det vi normalt kender som kød, eksperimenteres med at fremstille stamcellekød der består af løse, ustrukturerede muskelceller, er det blandt andet fordi, der er et meget stort marked for forarbejdede kødprodukter som fx pølser, hamburgere, kødboller og nuggets. Ca. halvdelen af det kød der spises i den vestlige verden, er forarbejdet kød. Og fortalerne for at producere stamcellekød mener, at den slags kød sagtens kan anvendes til produktion af forarbejdede kødprodukter.

Dyrkning af kød med struktur

Flere forskergrupper har afprøvet, om det faktisk kan lade sig gøre at dyrke løse, ustrukturerede muskelceller. Det kan det, og det er relativt uproblematisk at gøre det i lille skala i et laboratorium.

Helt anderledes ser det ud med hensyn til mulighederne for at dyrke egentlige stykker kød, som ligner det kød, vi kender fra fx en engelsk bøf eller en kotelet. Kød af denne slags har sin struktur, konsistens og smag, dels fordi det består af meget mere end muskelceller, dels fordi cellerne ikke bare ligger tilfældigt mellem hinanden.

Et stykke oksekød er således en kompliceret tredimensionel struktur bestående af muskelceller, fedtceller, bindevæv, blodkar og nerver. Og det er meget vanskeligt – nogle vil endda sige umuligt – at genskabe denne struktur kunstigt ud fra stamceller.
Forskere der arbejder med muskelvæv, har været i stand til at danne meget små stykker muskelvæv, kaldet myooider, ud fra stamceller ved at dyrke satellitceller og fibroblaster (bindevævsceller) fra rotter sammen. Men myooiderne bliver kun ganske få millimeter store, så der er meget langt til en stor, saftig bøf.

Cellerne i naturligt muskelvæv får opfyldt deres behov for tilførsel af næringsstoffer og ilt og deres behov for at slippe af med affaldsstoffer ved at vævet er fyldt med mikroskopiske blodkar, kapillærer. Blodet der konstant løber gennem disse kapillærer, indeholder næringsstoffer og ilt til cellerne, og blodet transporterer cellernes affaldsstoffer væk fra cellerne. Hver eneste celle i normalt muskelvæv ligger højst 200 mikrometer fra et kapillær. Det er nødvendigt med den meget kort afstand mellem celler og blod, for at alle celler kan udveksle stoffer effektivt med blodet.

Et af de helt store problemer med hensyn til at producere stamcellekød med struktur – altså kød der er andet og mere end blot en samling af løse, ustrukturerede muskelceller – er, hvordan man kan sørge for denne livsnødvendige perfusion (væskegennemstrømning) af muskelvævet. En mulighed er at sørge for, at der også udvikles kapillærer efterhånden som muskelvævet dannes ud fra muskelstamceller. Men det har forskerne hverken den nødvendige viden eller den nødvendige teknologi til.
Derfor har man fokuseret på alternativer til naturlige kapillærer. Nærmere bestemt mulighederne for at konstruere et kunstigt system som kan sørge for, at der konstant strømmer næringsmedium forbi muskelvævets celler.

Nogle forskere har således fremsat forslag om, at man kan producere nogle netværk af mikroskopiske rør, som kan fungere som kunstige kapillærer. De kunne være lavet af enten et spiseligt materiale, fx kitin eller kollagen, eller de kunne være lavet af et materiale, som kan opløses.

Tanken er, at man vil få muskelstamceller, og andre stamceller der er nødvendige for at producere kød med struktur, til at fæstne sig på netværk af disse rør og efterfølgende udvikle sig. Forskerne forestiller sig så, at man konstant pumper næringsmedium gennem de mikroskopiske rør, og på den måde får cellerne næringsstoffer og vækstfaktorer, så de kan dele sig og udvikle sig til et stykke kød med struktur.

Netværket af mikroskopiske rør kan så enten spises med, når man spiser kødet, eller – hvis det er lavet af et materiale der kan opløses – fjernes når kødet er "udvokset", og før det skal spises.

Hvor langt er man?

Ideen om at dyrke kød ud fra stamceller har, naturligt nok, fået en del opmærksomhed. Men faktisk er det kun få forskere og forskergrupper på verdensplan, der arbejder konkret med kødproduktion ud fra stamceller. Der er kun publiceret ganske få videnskabelige artikler, der specifikt handler om emnet. Og der foregår ikke en egentlig kødproduktion ud fra stamceller nogen steder. Der er indtil videre kun tale om forskning og eksperimentel dyrkning af kød i lille skala.

Nogle forskere er seriøst optaget af ideen. Ifølge dem findes teknologien der er nødvendig for at producere løse, ustrukturerede muskelceller, som efterfølgende kan anvendes til produktion at forarbejde kødprodukter som fx pølser, hamburgere og nuggets, stort set allerede.

Disse forskere mener, at det i løbet af få år vil kunne lade sig gøre at producere stamcellekød i stor skala. Nogle af forskerne mener, at der vil foregå en egentlig produktion af den slags kød om 5-10 år. Der er allerede isoleret myoblaster fra en række forskellige dyr, blandt andet grise, kyllinger og køer. Så de celler, der skal bruges til produktion, er til rådighed. En af de mest optimistiske forskere forestiller sig, at det om ikke ret mange år bliver muligt at købe "kødmaskiner" hvori man let og enkelt kan dyrke kød, i form af fx kyllingenuggets, i en lille maskine hjemme på køkkenbordet – på samme måde som man nu kan købe en bagemaskine, der selv ælter og bager brød.

Der er allerede søgt om og udstedt patenter på forskellige metoder til at producere stamcellekød til amerikanske og hollandske forskere.

Andre forskere er mere skeptiske og tror ikke på, at stamcellekød nogen sinde bliver andet end højest et eksotisk produkt, som muligvis vil tiltale nogle få forbrugere, fx mennesker som gerne vil spise kød, men ikke finder det etisk acceptabelt at slå dyr ihjel for at få kødet.

Med hensyn til mulighederne for at dyrke struktureret kød – kød med den struktur som findes i naturligt kød, fx en oksesteg eller en hamburgerryg – er der lang vej igen. Hvis det overhovedet kan lade sig gøre. De fleste forskere med interesse for området mener, at der i bedste fald vil gå mindst 20-30 år, før det bliver teknisk muligt at producere den slags kød. Og nogle forskere betragter det som urealistisk, at det nogensinde ville kunne lade sig gøre at producere oksestege eller koteletter in vitro.

En teknologi som nogle forskere knytter forhåbninger til i denne sammenhæng, er "organ printing". Det er en teknologi, som man forstiller sig kan anvendes til at konstruere hele organer, fx en blære, som kan implanteres i mennesker til erstatning for ødelagte organer. Organ printing-teknologien er under hastig udvikling i disse år. Den går, enkelt sagt, ud på at "printe" organer ved hjælp af den teknologi, vi kender fra inkjetprintere. En inkjetprinter sprøjter blæk ud i to dimensioner på en flad overflad (et stykke papir). Ved organ printing sprøjter en avanceret slags printer forskellige levende celler ud i lag på lag, indtil der er dannet et tredimensionalt organ bestående af levende celler.

Man kunne forstille sig at anvende organ printing til at producere muskelvæv – med muskelceller, fedtceller, blodkar og det hele. Men teknologien er endnu ikke så udviklet, at det kan lade sig gøre. Og om det nogensinde bliver økonomisk rentabelt at producere kød på den måde, er uvist.

I 2005 begyndte et større forskningsprojekt i Holland om stamcellekød produceret ud fra stamceller fra grise. Det er et samarbejde mellem forskningsgrupper på flere hollandske universiteter og en større hollandsk fødevareproducent. Den hollandske regering har bevilget to millioner euro til forskningsprojektet.

I april 2008 foregik den første internationale videnskabelige konference om produktion af stamcellekød (First International In Vitro Meat Symposium) i Norge med deltagelse af mange af de førende forskere på feltet. Og i 2004 blev non profit-organisationen New Harvest stiftet. Dens formål er at støtte forskning, der har til formål at udvikle alternativer til almindeligt kød, blandt andet stamcellekød.

Selv om det som nævnt kun er meget få forskere, der specifikt arbejder med stamcellekød, er der mange forskere, som i deres forskning beskæftiger sig med emner, der er relateret til produktion af stamcellekød. Det drejer sig fx om forskere, der arbejder med at isolere og dyrke stamceller og med at undersøge, hvordan stamceller udvikler sig til specialiserede celler (celledifferentiering), herunder hvilke faktorer, blandt andet vækstfaktorer, der har betydning for denne celledifferentiering.

Det drejer sig også om forskere, der arbejder med at forstå, hvordan muskelvæv dannes og udvikler sig i dyr. Og det drejer sig om hele det meget store forskningsområde som kaldes "tissue engineering". Tissue engineering er et forskningsområder, der handler om at producere væv, fx til erstatning for skadet væv i kroppen. Som sådan er tissue engineering altså i høj grad et medicinsk forskningsområde. Men viden fra dette forskningsområde kan sandsynligvis også anvendes i forbindelse med produktion af muskelvæv, der skal anvendes som mad.

Hvad vil det koste?

Et helt centralt aspekt ved produktion af stamcellekød er naturligt nok prisen. Hvad vil det koste at producere stamcellekød? Vil det kunne produceres til en pris, der er konkurrencedygtig i forhold til naturligt kød?

Med den nuværende teknologi vil det være meget dyrt at producere stamcellekød. Nogle af de forskere der har dyrket stamcellekød i lille skala i deres laboratorier, har givet forskellige bud på, hvad det, med den teknologi de anvender i laboratoriet, vil koste at producere et kilo oksekød. Buddene varierer mellem 2000 og 2 millioner dollars!

Men flere forskerne mener, at en industriel storskalaproduktion faktisk kan gøres rentabel. Der er lavet detaljerede beregninger, som tyder på at prisen pr. kilo produceret kød kan bringes ned på et konkurrencedygtigt niveau. Men det vil kræve en del forskning og teknologisk udvikling med hensyn til blandt andet, hvilke typer stamceller der er bedst at bruge, og med hensyn til udvikling af billige næringsmedier og effektive bioreaktorer til storskalaproduktion.

Dyrkning af hele stykker kød

Langt størstedelen af forskningen i produktion af kød uden for dyr fokuserer på mulighederne for at dyrke muskelvæv ud fra isolerede muskelstamceller. Men der er også lavet forsøg, som ikke tager udgangspunkt i stamceller.

I et meget omtalt forsøg undersøgte amerikanske forskere, om det var muligt at få allerede eksisterende muskelvæv til at vokse sig større, efter det var blevet skåret ud af et dyr. Forskerne arbejdede med guldfisk. De skar små stykker af muskelvæv af (bedøvede) guldfisk og dyrkede disse muskelstykker i forskellige næringsmedier. I løbet af en forsøgsperiode på kun syv dage voksede muskelstykkernes overfladeareal med op til ca. 14% i størrelse. Når forskerne dyrkede muskelstykker i et næringsmedium, som også indeholdt celler fra guldfiskemuskler (herunder satellitceller), voksede deres overfladeareal gennemsnitligt 79%.

Forskerne udførte disse eksperimenter for at undersøge mulighederne for at producere animalsk protein, i form af friskt kød, til astronauter på meget lange rumrejser. Og forsøgene viste altså, at det faktisk er muligt at producere ny muskelmasse, det vil sige kød, ud fra muskelvæv, der ikke længere er en del af en levende organisme. Resultaterne fra forsøget blev publiceret i 2002, men selv om de dengang vakte stor opsigt, er der ikke siden publiceret nye forskningsresultater om denne måde at producere kød på.