Startups kappløper for å reprodusere morsmelk i laboratoriet

Mange foreldre er avhengige av morsmelkerstatning for å mate sine nyfødte. Kan cellekulturteknologi produsere noe som er nærmere menneskelig morsmelk?





biomilq konsept

Illustrasjoner av Amrita Marino

  • Haley Cohen Gilliland arkivside
18. desember 2020

En sommerdag i 2013 satt Leila Strickland, henrykt, foran den bærbare datamaskinen sin og så på skjermen da Mark Post avduket den første laboratoriedyrkede hamburgeren.

For å lage den rosa, flate pattyen hadde Post, en professor i vaskulær fysiologi ved Maastricht University i Nederland, tatt tusenvis av vevskulturplater fulle av bovine stamceller, blandet dem med føtalt kalveserum og andre næringsstoffer, og ventet til de differensierte seg. inn i muskelceller. Dette var spennende i seg selv. Men Stricklands sinn vandret til en annen potensiell anvendelse av celledyrking: brystmelk.



Matspørsmålet

Denne historien var en del av januar 2021-utgaven vår

  • Se resten av saken
  • Abonnere

Som mange mødre hadde Strickland håpet å amme begge barna sine de første seks månedene etter at de ble født.

Det medisinske etablissementet vurderer amming som gullstandarden for spedbarnsernæring, reduserer sannsynligheten for fordøyelsesproblemer, utslett og - mest overbevisende - nekrotiserende enterokolitt, en sjelden, men potensielt dødelig tarmsykdom hos premature spedbarn.



Men som mange mødre hadde Strickland opplevd amming som vanskelig. Hennes første barn, en sønn født tre år tidligere, hadde kjempet for effektivt å feste seg til brystvorten hennes; da han gjorde det, kjente hun brennende smerte. Han begynte å gå ned i vekt. Hun hadde brukt hele dagen, hver dag, på å amme eller pumpe for å stimulere melkestrømmen, og fortsatt gråt sønnen sulten. Hun opplevde nå lignende problemer med sin spedbarnsdatter.

Mens Strickland så på Post fra kjøkkenbordet hennes, begynte hun å tenke på hvordan hun kunne bruke en prosess som hans til å dyrke ikke kunstig storfekjøtt, men cellene som produserer morsmelk. En gravid kvinne kan få tatt en nålbiopsi av brystet under graviditeten, og jeg kan få cellene til å vokse og produsere melk før babyen blir født, skrev Strickland begeistret i en e-post til en venn den gang.

Matspørsmålet

Denne historien var en del av januar/februar 2021-utgaven vår



  • Se resten av saken

Hun hadde tatt doktorgraden i cellebiologi og tilbrakte flere år som forsker ved Stanford før hun fant arbeid som medisinsk redaktør og skribent. Dette var en sjanse til å vende tilbake til laboratoriebenken, med mer uavhengighet enn en gjennomsnittlig akademiker. Noen dager senere samlet hun og mannen 5000 dollar i besparelser og kjøpte en stor grå vevskulturhette, et mikroskop, en inkubator og en sentrifuge fra eBay som hun kunne eksperimentere med. Det var gammelt dinosaurutstyr – mesteparten av det trolig fra 1960-tallet, minnes Strickland.

I årevis slet hun med å beholde prosjektet finansiert, og hun var nær ved å forlate ideen. Men i mai 2020 fikk Biomilq, et selskap hun hadde grunnlagt, 3,5 millioner dollar fra en gruppe investorer ledet av Bill Gates. Biomilq er nå i et kappløp med konkurrenter i Singapore og New York for å ryste opp i spedbarnsernæringens verden på en måte som ikke er sett siden fødselen av den nå 42 milliarder dollar formelindustrien.

Amming har svingt inn og ut av moten siden antikken —påvirket av utviklingen av medisinsk kunnskap, men også av rase og sosial status. Våt amming, outsourcing av amming til noen andre enn en babys mor, går i det minste tilbake til antikkens Hellas. Før borgerkrigen i Amerika tvang hvite slavere svarte kvinner til å amme slaverens barn, ofte til skade for kvinnenes egne spedbarn.



I 1851 ble den første moderne tåteflasken - en forseggjort innretning med en kork brystvorte og elfenbensstifter som selektivt lukket inntak for å regulere luftstrømmen - oppfunnet i Frankrike, og presset våt pleie til nesten utryddelse. Kort tid etter laget den tyske kjemikeren Justus von Liebig den første kommersielle morsmelkerstatningen, som besto av kumelk, hvete, maltmel og en klype kaliumbikarbonat. Det ble raskt ansett som den ideelle spedbarnsmaten.

I 1972 ble 22 % av amerikanske spedbarn ammet – et historisk lavt nivå, ned fra 77 % av de født mellom 1936 og 1940.

På 1900-tallet hadde formelbruken skutt i været, for en stor del drevet av ivrig reklame til leger og forbrukere. En annonse fra 1954 for Carnation evaporated milk i Amerika viser en strålende mor og spedbarn med tekst som lyder: 8 av 10 mødre som mater babyene sine med en Carnation-erstatning sier: «Legen min anbefalte det!» Senere begynte morsmelkerstatninger å gi sykehusene gratis morsmelkerstatning. å dele ut til nybakte mødre. Samtidig ble flere kvinner med i arbeidsstyrken, noe som gjorde vedvarende amming mer komplisert. Oppfatningen av at formelen var like sikker og effektiv, om ikke mer, førte til at ammefrekvensen sank. I 1972 ble 22 % av amerikanske spedbarn ammet – et historisk lavt nivå, ned fra 77 % av de født mellom 1936 og 1940.

I dag har disse prisene tatt seg opp igjen, og leger er enige om at morsmelk gir den beste ernæringen for spedbarn. De fleste amerikanske babyer - omtrent 84 %, ifølge statistikk fra Centers for Disease Control and Prevention - blir ammet på et tidspunkt. Men bare en fjerdedel får kun morsmelk i seks måneder, som anbefalt av American Academy of Pediatrics og Verdens helseorganisasjon.

Amming er ikke alltid lett. Som Strickland opplevde, kan babyer slite med å feste seg; noen ganger produserer ikke brystene nok melk; og det kan være uutholdelig smertefullt for moren.

Dessuten må mange mødre til nyfødte jobbe, og det kan være vanskelig om ikke umulig å amme eller pumpe melk på arbeidsplassen. Dette er åpenbart vanskeligere for kvinner som er fattige, og spesielt i land som USA, hvor det ikke er obligatorisk betalt foreldrepermisjon, og bare en liten prosentandel av mødre i arbeid får det fra arbeidsgiverne sine.

Det første skrittet Strickland tok mot å lage morsmelk i laboratoriet var mindre enn glamorøst. Hun hadde ikke råd til å kjøpe humane brystcellelinjer, som kan koste hundrevis eller til og med tusenvis av dollar. I stedet bestemte hun seg for å begynne med celler fra kyr. For å begynne eksperimentene sine trengte hun å finne celler - mange celler - og billig.

biomilq konseptAMRITA MARINO

En helg i februar 2014 satte Strickland en kjøler, litt etanol og sterile instrumenter i bagasjerommet på bilen hennes, stappet en bunt med $20-sedler i lommen hennes og kjørte nedover de trekantede motorveiene i North Carolina til Randolph Packing, en familie. -eid kjøttforedlingsselskap i Asheboro som opererte fra et tettbygd mursteinslager på en boligvei.

Lederen førte henne til behandlingsområdet, der nylig slaktede kyr ble hengt opp etter hovene og flyttet langs et transportbånd for behandling. Hun prøvde å holde øynene låst på bakken, pekte opp på juret til en ku og mumlet svakt: Jeg vil ha den biten, takk. Hun gikk tilbake til det provisoriske laboratoriet sitt, la et stykke jur i en petriskål, overfylte det med aminosyrer, vitaminer, mineraler og salter, og la det forsiktig i en inkubator.

I en melding til foreldrene hennes, dagen etter, skrev hun: Jeg dro til slakteriet i går og betalte en fyr 20 dollar for å kutte juret av en nyslaktet ku … Det er trygt å si at jeg ikke spiser storfekjøtt for en samtidig som. Kom inn i morges og fant ut at cellene vokser! En ku døde i går morges, men en del av henne er fortsatt i live i laboratoriet mitt!

Morsmelk kommer fra to typer celler i melkegangene og alveolene — små sekker i brystkjertelen der melk samles. Luminale epitelceller absorberer næringsstoffer fra blodet og omdanner dem til melk. Ved siden av dem, langs kanalene og alveolene, er det glatte, muskellignende myoepitelceller. Når et spedbarn begynner å die, får det myoepitelcellene til å trekke seg sammen, og skyver melk fra luminalcellene, gjennom kanalene, til babyens munn.

I tre år tok Strickland med seg den bærbare datamaskinen til den lille leide laboratorieplassen hennes, slik at hun kunne eksperimentere med kujuret mellom skriving og redigering av oppgaver. Hennes største triumf var å overtale de luminale epitelcellene til å danne et kontinuerlig lag som kunne opprettholde rommene som er kritiske for syntetisering av melk. Hun fant ut hvilke overflater som fremmet den sunneste celledelingen og hvordan tettheten av celler påvirket veksthastigheten deres. Ingen av disse funnene var nye, men hun var glad for å lære teknikkene som trengs for til slutt å gå videre til menneskelige celler.

I 2016 hadde Strickland gått tom for penger og måtte sette forsøket på vent. Men ideen forlot henne aldri.

I 2016 hadde Strickland gått tom for penger og måtte sette forsøket på vent. Men ideen forlot henne aldri. Til slutt, i 2019, da flere og flere næringsmiddelbedrifter begynte å prøve å lage alt fra kjøtt til fisk til kyllingnuggets i et laboratorium, overbeviste flere venner henne om å gjenopplive planen hennes.

Strickland rekrutterte to andre forskere til å jobbe med henne. I august 2019 ble de akseptert til IndieBio, en prestisjefylt bioteknologisk akselerator i San Francisco som gir startups $250 000 i startfinansiering og annen støtte. Hun sa opp dagjobben og begynte å jobbe med prosjektet på heltid.

Det var imidlertid et problem. Strickland og hennes to partnere kom alle fra lignende bakgrunn, med omfattende vitenskapelig erfaring, men begrenset forretningsmessig god tro. Da teamet forberedte seg på å flytte til California i fire måneder, ble det klart at de ikke passet godt.

Omtrent samtidig introduserte en venn Strickland for Michelle Egger, en matforsker i slutten av 20-årene. Egger hadde vært fascinert av melk siden hun var liten i oppveksten i Minneapolis, hvor hun en gang ble nummer to i en smørskjæringskonkurranse for ungdom på Minnesota State Fair. Etter college på Purdue fikk Egger jobb i meieriavdelingen til General Mills, hvor hun jobbet i tre år før hun begynte på handelshøyskolen ved Duke. Hun var på sitt andre år da hun først møtte Strickland.

Egger var begeistret over Stricklands forslag. De fleste morsmelkerstatninger består av miljøintensive meieriprodukter som krever rikelig med vann for å produsere og tilberede. Palmeolje er en annen vanlig ingrediens. En studie i 2015 antydet at det å produsere ett kilo melkeblanding genererer tilsvarende fire kilo karbondioksidutslipp. Stricklands tilnærming hadde potensial til å være mye mer effektiv.

Ting var vanskelig i begynnelsen. Endringen i teamet førte til at Biomilq mistet plassen sin hos IndieBio. Den søkte, men klarte ikke å sikre, flere forskningsstipend. Strickland var bekymret for at Biomilq skulle gå tom for penger, og begynte å snakke med sin gamle sjef om å gå tilbake til jobben hun hadde forlatt. Egger begynte også stille å lete etter jobber.

Biomilq var på randen av slutt da Strickland og Egger ble lovet 3,5 millioner dollar i finansiering fra en gruppe investorer ledet av Breakthrough Energy Ventures, som Bill Gates hadde etablert for å støtte teknologier som kunne redusere karbonutslipp. Å øke formelindustrien holdt løftet om å gjøre nettopp det. Da våren 2020 ga etter for sommeren, kom pengene inn på Biomilqs bankkonto.

Biomilq er ikke det eneste selskapet som sikter å lage en ny type babyerstatning. Ved å bruke en stort sett lignende tilnærming, håper TurtleTree Labs i Singapore til slutt å erstatte all melk som for tiden er på markedet, ifølge medgrunnlegger Max Rye. I tillegg til andre prosjekter jobber selskapet med å lage forsterkere som kan legges til formel for å duplisere egenskapene til morsmelk. Noen formler er allerede beriket med proteiner og karbohydrater utvunnet syntetisk eller fra kumelk. En annen medgründer, Fengru Lin, forklarer at i motsetning til Biomilq, planlegger TurtleTree å samarbeide med formelindustrien og håper å få produktene sine på markedet i 2021.

biomilq konsept

I mellomtiden vil Helaina, et selskap basert i New York, etterligne morsmelk gjennom gjæring. Laura Katz, selskapets grunnlegger, planlegger å bruke mikrober til å syntetisere melkens bestanddeler - proteiner, karbohydrater og fett - og deretter rekombinere dem til en næringsrik væske. Siden lignende prosesser allerede har vunnet godkjenning fra US Food and Drug Administration for produkter som Impossible Burgers, som er laget av fermentert soyaprotein, håper hun å møte færre regulatoriske hindringer enn konkurrentene. I likhet med Strickland og Egger er hun motivert av indignasjon over mangelen på alternativer for nye foreldre.

Jeg tror det beste vi kan gjøre er å støtte kvinner til å amme, sier Katz. Men hvis det er umulig, fortjener mødre noe bedre enn dagens morsmelkerstatning. Hun legger til, jeg ser all denne innovasjonen skje i cellebasert kjøttproduksjon for folk som bare vil spise en burger, men produktene vi mater babyer har holdt seg statiske de siste 20, 30 årene.

Ingen av disse forslagene vil være vitenskapelig enkle, delvis fordi man vet relativt lite om morsmelk. De fleste studier av humane brystepitelceller har en tendens til å fokusere på deres rolle i brystkreft i stedet for melkeproduksjon.

Når det gjelder selve melken, er det en rik og forvirrende lapskaus med tusenvis av kjemikalier. Vi vet ernæringsmessig om proteinene, karbohydratene og fettet der inne. Vi vet om noen spesielle bioaktive molekyler der inne, som oligosakkarider [komplekse sukkerarter som mater sunne bakterier i en babys tarm], IgA [det viktigste antistoffet som finnes i morsmelk], gallesaltstimulert lipase [et enzym som hjelper til med fordøyelsen av fett] – disse tingene som folk alltid tar opp som gode i morsmelk, sier Tarah Colaizy, forskningsdirektør for Human Milk Banking Association of North America, som også underviser ved University of Iowa. Men, bemerker hun, morsmelk inneholder også korte tråder av RNA, hvis tilstedeværelse først ble oppdaget i 2010, og hvis rolle i spedbarnsutvikling ennå ikke er godt forstått.

Det er grunnen til at Strickland og Egger planlegger å bruke massespektrometri, en teknikk som måler massen av forskjellige molekyler i en prøve, for å studere hvordan proteinene, oligosakkaridene og fettene i produktet deres sammenlignes med bestanddelene i brystmelk pumpet fra et bryst. Men en annen utfordring er enda større: hvordan standardisere et stoff som er unikt for hver mor.

Morsmelk endres i sammensetning når et barn vokser. De første dagene etter fødselen produserer mødre råmelk, en tykk, gul, konsentrert melk fullpakket med forbindelser som antistoffet IgA og laktoferrin, et rikelig protein som øker en babys immunitet. Snart erstattes råmelk med overgangsmelk, som er tynnere, men inneholder mer fett og laktose. Etter omtrent to uker regnes en mors melk som moden. Men selv da kan det endre seg i sammensetning i løpet av en enkelt fôring. Bakmelk, eller den siste melken som er igjen i et bryst, har et høyere fettinnhold enn melken som ble produsert tidligere, og det er derfor kvinner ofte rådes til å tømme det ene brystet før de bytter til det andre.

De planlegger å jobbe med gravide kvinner, ta prøver av deres brystepitelceller og dyrke dem for å lage individualisert melk for bruk når babyene deres kommer.

Selv om Egger og Strickland innrømmer at de ikke vil være i stand til å gjenskape denne kompleksiteten, og heller ikke alle antistoffene og mikrobene i en gitt kvinnemelk, sier de at deres produkt vil være mer personlig enn konkurrentene. Akkurat som Strickland så for seg tilbake i 2013, planlegger de å jobbe med gravide kvinner, ta prøver av deres brystepitelceller og dyrke dem for å lage individualisert melk for bruk når babyene deres kommer. Etter det håper de å skape et mer økonomisk generisk alternativ ved å bruke donorceller. Begge, insisterer Egger, vil være bedre enn formel.

Biomilq-forskerne jobber nå fra en hvitkalket laboratorieplass i Durham, North Carolina, som de deler med flere andre bioteknologiske startups. I en fryser satt til -80 °C (-112 °F), lagrer de reagensrør fulle av celler fra en rekke forskjellige givere. Noen av dem, som de fra en 27 år gammel kvinne som donerte brystvevet hennes etter en brystreduksjonsoperasjon, har blitt udødeliggjort – manipulert til å spre seg på ubestemt tid.

Strickland og Egger har allerede produsert en væske som inneholder både laktose og kasein - de viktigste protein- og sukkerforbindelsene som finnes i morsmelk. De tester det nå for å se om de kan oppdage andre komponenter, som oligosakkarider og lipider. De pirker for tiden med utstyret og næringsstoffene de bruker for å dyrke cellene for å se hvilken kombinasjon som får dem nærmest å matche sammensetningen av naturlig morsmelk; de anslår at det vil ta omtrent to år å komme opp med en god nok match.

En fredag ​​morgen i september , tok Strickland et reagensrør som inneholdt 3 millioner celler, varmet det mellom hendene hennes og spredte innholdet over en plastvevskulturplate. En kollega overfylte deretter tallerkenen med en varm gul væske som inneholdt 53 forskjellige salter, vitaminer, mineraler og aminosyrer. Når platens overflate for det meste var dekket med dupliserende celler, planla de å flytte cellene inn i en liten bioreaktor, en plastenhet med klare rør som kommer fra sidene som oppmuntrer til vekst. Etter omtrent en måned begynte cellene å skille ut et stoff som ligner på morsmelk. Det er bare ett lite problem, sier Strickland. Vi vet ennå ikke hva vi skal kalle det.