昆虫栽培

昆虫栽培は細胞農業の分野のひとつで、特に試験管内で昆虫組織を生産する分野です。^[1]これは組織工学で一般的に使用される原理を利用しており、バキュロウイルス発現ベクターやソフトロボットと科学的に類似しています。^[2]この分野は主に、培養肉を生成する上で哺乳類細胞よりも技術的に優れている可能性があるために提案されました。^[1]この分野の名前はタフツ大学のナタリー・ルビオによって名付けられました。^[1]

昆虫栽培は、細胞農業全般と同じ原理で機能します。まず、胚細胞は昆虫に由来します。胚性幹細胞は全能性細胞であり、さまざまな種類の特殊細胞のいずれかまたはすべてに分化する能力を保持しています。これらの細胞は、一次培養（動物から直接）または凍結保存された二次培養から採取できます。^{[1]次に、これらの幹細胞を}培養培地に浸して増殖させます。培養培地は、細胞の成長に不可欠なさまざまな栄養素の組成物である基礎培地で構成されています。この混合物は細胞内に拡散し、十分に消費されると細胞は分裂して集団が増殖します。成長を最適化するために、この培養培地には通常、他のタンパク質や成長因子が補充されます。このような添加物は、組換えタンパク質生産によって頻繁に生成されます。組換え タンパク質生産では、それぞれの遺伝子を細菌に翻訳し、それを発酵させてタンパク質のコピーをいくつか生成します。増殖した幹細胞は、より大きな組成を開始するために足場に播種するか、バイオリアクターに直接配置することができます。バイオリアクターは、温度や浸透圧など、生体内でエミュレートされる環境特性を再現し、筋組織への細胞分化を促進します。^[3]

バイオリアクターでは、幹細胞は筋形成、つまり筋肉組織への分化を経ます。これは創始細胞と融合可能な筋芽細胞の形成を伴う複雑なプロセスです。その後、融合可能な筋芽細胞のうち約4～25個が1つの創始細胞と融合して多核筋線維を形成し、それが集まって幼虫の筋肉になります。^[4]

体内で筋肉組織が発達すると、幼虫の筋肉は変態中に破壊されます。成虫の筋肉前駆細胞でも同様のプロセスが起こり、幼虫の古い筋肉をテンプレートとして成熟した筋肉を作ります。しかし、このプロセスは変態前に発達が停止するため、体外培養では大きな意味を持ちません。 ^[4]

培養肉に関しては、昆虫培養は主に哺乳類細胞培養よりも潜在的な利点があるため提案されてきました。このような利点は、昆虫細胞が工業生産に適した条件に耐えることを可能にする2種類の細胞間の生物学的差異に起因すると考えられます。^[1]

温度。体内で発達する哺乳類細胞は37℃で培養されます。バイオリアクターでこのような温暖な気候をシミュレートするにはエネルギーの投入が必要となり、生産コストが増加します。昆虫組織は室温またはそれ以下の温度で、細胞発達にほとんど支障なく増殖させることができます。^[1]

培養条件。哺乳類細胞はグルコースを消化して代謝する際に、乳酸などの副産物を生成し、これが蓄積して細胞環境を酸性化します。細胞が栄養素を吸収する能力は環境の pH に依存し、最適な成長のためには環境が特定の範囲内になければなりません。乳酸が蓄積すると、細胞の成長条件が悪くなります。そのため、環境を「再調整」する必要があります。これは通常、2～3 日ごとに培養培地全体を交換することで達成されます。ただし、飽和した培養培地にはまだ生存可能な栄養素が含まれている可能性があるため、この方法は無駄が多く、費用がかかります。昆虫細胞は部分的に乳酸の生成を回避しますが、より酸性の環境にも耐性があります。昆虫細胞の成長を pH 5.5、6.5、7.5 で比較すると、わずかな違いが見られました。^[5]その結果、昆虫培養では、90 日間隔で培地を交換することができます。^[5]昆虫細胞は哺乳類細胞ほど早く栄養素を枯渇させないという事実によって、この傾向は一層強まっている。昆虫細胞はトリグリセリド、グルコース、タンパク質をよりゆっくりと消費するため、より効率的な代謝経路を持っていると考えられる。さらに、昆虫細胞培養物は通常、昆虫卵黄細胞の前駆細胞である栄養細胞またはビテロファージと呼ばれる脂質細胞で汚染されている。これらの細胞は他の昆虫細胞が消費できる天然の脂肪源である。^[1]

浸透圧。哺乳類の細胞も成長するために比較的正確な量の二酸化炭素と酸素を必要とするため、培養物には通常5%の二酸化炭素が追加で添加されます。昆虫はこの添加物なしでも大丈夫です。^[1]

無血清培養培地。培養培地は細胞農業と培養組織の生成に重要な役割を果たします。なぜなら、科学者が比較的少量の動物幹細胞サンプルから始めて、組織全体を構成するのに十分な量にまで成長させるのに効果的だからです。細胞が増殖するには、必須栄養素と高分子だけでなく、成長因子も必要です。哺乳類細胞が体内で増殖する場合、これらの成長因子は動物の血液から供給されます。これを再現するために、培養培地は通常、追加の成長因子を補充した基本混合物で構成されています。基本培地は培養の大部分を占め、栄養素のほとんどを含み、成長因子は微量に添加されます。その結果、自然な出発点は、培養培地にウシ胎児血清（FBS）を組み合わせることです。 ^[1]

FBS は乳牛の胎児の血液から得られるため、多少議論の的となっています。これには 2 つの問題があり、a) 動物に依存しているため、細胞農業の目的にそぐわないこと、b) 入手が困難なため高価であることです。さらに、科学的観点からは、FBS は化学的に定義されていないため、その組成は動物によって異なります。研究の一貫性を保つために、これは望ましいことではありません。理想的な培養培地は、単純で、増殖を刺激でき、動物に依存せず、入手しやすく、安価なものです。しかし、哺乳類細胞は複雑な成長因子に依存しているため、これら 5 つの基準をすべて満たす培養培地を見つけることは継続的な課題です。一方、昆虫細胞は哺乳類よりも生物学的に単純な生物です。昆虫細胞には血液ではなく血リンパと呼ばれる体液が含まれているため、哺乳類細胞と同じ成長因子すべてに依存しているわけではありません。代わりに、昆虫細胞培地では通常、基礎培地（イーグル培地、グレース昆虫培地、シュナイダーショウジョウバエ培地など）が使用され、これにイーストレート、プリマトーンRL、加水分解物、プルロニック脂質、ペプチドなどの植物由来の添加物が補充されます。^{[1] [6]}

懸濁培養。哺乳類の筋細胞が体内で増殖する場合、その増殖の基本的な部分は細胞外マトリックス（ECM）への付着に依存します。この関係を再現するために、哺乳類細胞は通常、接着性単層培養（細胞が基質上で細胞1個分の厚さの層で増殖する培養）で培養されます。これには大きな表面積を持つバイオリアクターを使用する必要がありますが、産業レベルにスケールアップすると実現不可能になります。代替案は、細胞が付着できる全体的な表面積を増やすために培養培地に浮かぶ小さな材料片であるマイクロキャリアを使用することです。これにより、血管新生も必要になります。哺乳類細胞を接着培養で増殖させると、培養培地と直接接触していない細胞は増殖を停止し、壊死中心を形成します。哺乳類細胞とは異なり、昆虫細胞は何も付着せずに、または懸濁培養で増殖することもできます。つまり、バイオリアクターには大きな表面積は必要なく、より実用的な形状で製造できます。^[1]