肌肉是驱动我们身体运动的重要组织，关于快肌（快肌纤维，白肌）的多种机理已经得到阐明，但对于支撑姿势与日常生活的慢肌（慢肌纤维，红肌），仍有许多未知之处。这是由于慢肌的培养曾经很困难。日本国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构（QST）高崎量子技术基础研究所先进功能材料研究部的滨口裕贵博士研究员、大山智子上席研究员、大山广太郎主干研究员、田口光正项目负责人，与东京都立大学人类健康科学研究科的真锅康子教授、藤井宣晴教授等人组成的研究团队，利用独创的辐射加工技术，开发出了一种可在接近体内肌肉环境中培养细胞的凝胶材料，从而成功地制备出了具有慢肌特性的培养肌肉。田口项目负责人表示：“这将推动用于预防、改善肌肉衰减的药物开发及运动方法研究。今后，我们希望积极推进与制药企业、健康食品公司等机构的合作研究。”相关研究成果已发表在期刊《Scientific Reports》上。
图1．可模仿身体内部环境的QST独创凝胶材料（供图：QST）
图2．在凝胶材料柔软的凹凸上，肌肉细胞如体内的肌纤维般排列的状态（供图： QST）
为预防、改善慢肌的肌肉量及肌力下降而进行的药物、功能性食品、再生医学等的研发，需要制备出具有慢肌特性的培养肌肉，但在既往塑料制培养皿上生长出的肌肉细胞，因不呈现慢肌特性，故无法用于此类研究。
研究团队认为，培养肌肉无法成为慢肌的原因，或许在于培养皿的硬度以及其不具备凹凸结构。
体内的细胞被以蛋白质为主要成分的凝胶所包围，要模仿这种环境，需要使分子之间产生交联，并制备凝胶材料。但在既往技术中，蛋白质在交联过程中会发生变性。为此，研究团队通过向蛋白质的水溶液照射辐射，使羟基自由基与蛋白质发生反应的方法进行交联，从而在保留分子结构的情况下制备出凝胶。通过调整辐射的照射量，可以控制交联程度，实现凝胶软硬度的精密调整。此外，通过在模具内部进行交联，可以在凝胶表面制作出微米级宽度的沟槽。
此次，研究团队以胶原蛋白提炼后的明胶为主要成分，制备了模仿纤维形状的凝胶材料，并在其上培养了小鼠来源的肌肉细胞。在具有10～100千帕柔软度的多种凝胶上进行培养后发现，与收缩运动相关的MYH7以及与能量生成相关的肌红蛋白等慢肌特征性基因的表达量上升，尤其在柔软度最高的10千帕凝胶材料中活性化最大。
此外，研究团队制备了形成多种宽度凹凸结构的凝胶材料，其具有的凹凸宽度从比肌肉细胞细的3微米到比细胞粗的50微米不等，并探索了最适合培养肌肉生长的结构宽度。结果观察到，在培养皿及表面平坦的凝胶材料上，肌肉细胞的朝向不一致，而在形成了凹凸结构的凝胶材料上，无论结构的宽度如何，肌肉细胞均能如肌纤维般排列。
目前市面上虽然有许多宣称对肌肉衰减有效的健康食品及补充剂，但此前因为缺乏慢肌模型，无法进行评估。本次慢肌模型的开发，除上述用途外，还蕴藏着推动药物研发、对EMS等电刺激疗法及运动效果的评估，以及应用于移植医疗、发展为商业培养肉等诸多可能性。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Scientific Reports
论文：Combined stimuli of elasticity and microgrooves form aligned myotubes that characterize slow twitch muscles
DOI：10.1038/s41598-025-12744-7
