211service.com
Startups racen om moedermelk in het laboratorium te reproduceren
Veel ouders vertrouwen op zuigelingenvoeding om hun pasgeborenen te voeden. Kan celcultuurtechnologie iets produceren dat dichter bij menselijke moedermelk ligt?
Illustraties door Amrita Marino
18 december 2020Op een zomerse dag in 2013 zat Leila Strickland verrukt voor haar laptop en keek op het scherm toe hoe Mark Post de eerste in het laboratorium gekweekte hamburger onthulde.
Om de roze, platte patty te maken, had Post, een professor in vasculaire fysiologie aan de Universiteit van Maastricht in Nederland, duizenden weefselkweekplaten vol runderstamcellen genomen, deze gemengd met foetaal kalfsserum en andere voedingsstoffen, en gewacht tot ze differentieerden in spiercellen. Dit was op zich al spannend. Maar Stricklands gedachten dwaalden af naar een andere mogelijke toepassing van celkweek: menselijke moedermelk.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2021
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Zoals veel moeders had Strickland gehoopt haar beide kinderen de eerste zes maanden na hun geboorte borstvoeding te kunnen geven.
De medische wereld beschouwt borstvoeding als de gouden standaard van kindervoeding, waardoor de kans op spijsverteringsproblemen, huiduitslag en - het meest dwingende - necrotiserende enterocolitis, een zeldzame maar potentieel dodelijke darmziekte bij premature baby's, wordt verkleind.
Maar zoals veel moeders had Strickland borstvoeding moeilijk gevonden. Haar eerste kind, een zoon die drie jaar eerder was geboren, had moeite om haar tepel goed vast te leggen; toen hij dat deed, voelde ze een brandende pijn. Hij begon af te vallen. Ze had de hele dag, elke dag, borstvoeding gegeven of gekolfd om haar melkstroom te stimuleren, en nog steeds huilde haar zoon, hongerig. Ze had nu soortgelijke problemen met haar dochtertje.
Terwijl Strickland vanaf haar keukentafel naar Post keek, begon ze na te denken over hoe ze een proces als het zijne zou kunnen gebruiken om niet kunstmatig rundvlees te kweken, maar de cellen die moedermelk produceren. Een zwangere vrouw zou tijdens de zwangerschap een naaldbiopsie van haar borst kunnen krijgen, en ik zou de cellen kunnen laten groeien en melk produceren voordat de baby wordt geboren, schreef Strickland destijds opgewonden in een e-mail aan een vriend.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari/februari 2021
- Zie de rest van het nummer
Ze was gepromoveerd in celbiologie en werkte een aantal jaren als onderzoeker aan Stanford voordat ze werk vond als medisch redacteur en schrijver. Dit was een kans om terug te keren naar de laboratoriumbank, met meer onafhankelijkheid dan de gemiddelde academicus. Een paar dagen later verzamelden zij en haar man $ 5.000 aan spaargeld en kochten ze een kolossale grijze weefselkweekkap, een microscoop, een incubator en een centrifuge van eBay om mee te experimenteren. Het was oude uitrusting van dinosauriërs - het meeste waarschijnlijk uit de jaren zestig, herinnert Strickland zich.
Jarenlang worstelde ze om het project gefinancierd te houden, en ze kwam dicht bij het opgeven van het idee. Maar in mei 2020 kreeg Biomilq, een bedrijf dat ze had opgericht, 3,5 miljoen dollar van een groep investeerders onder leiding van Bill Gates. Biomilq is nu in een race met concurrenten in Singapore en New York om de wereld van kindervoeding wakker te schudden op een manier die niet is gezien sinds de geboorte van de nu 42 miljard dollar kostende formule-industrie.
Borstvoeding is sinds de oudheid in en uit de mode geraakt -beïnvloed door de evolutie van medische kennis, maar ook door ras en sociale status. Natte borstvoeding, het uitbesteden van borstvoeding aan iemand anders dan de moeder van een baby, gaat in ieder geval terug tot het oude Griekenland. Vóór de Amerikaanse burgeroorlog dwongen blanke slaven zwarte vrouwen om de kinderen van de slaven borstvoeding te geven, vaak ten koste van de eigen baby's van de vrouwen.
In 1851 werd in Frankrijk de eerste moderne zuigfles uitgevonden - een ingewikkeld apparaat met een kurken nippel en ivoren pinnen die selectief de inlaten sloten om de luchtstroom te regelen -, waardoor natvoeding bijna uitgestorven was. Kort daarna bedacht de Duitse chemicus Justus von Liebig de eerste commerciële zuigelingenvoeding, die bestond uit koemelk, tarwe, moutmeel en een snufje kaliumbicarbonaat. Het werd al snel beschouwd als de ideale babyvoeding.
In 1972 kreeg 22% van de Amerikaanse zuigelingen borstvoeding - een historisch dieptepunt, vergeleken met 77% van degenen die tussen 1936 en 1940 zijn geboren.
Tegen de 20e eeuw was het gebruik van formules omhooggeschoten, grotendeels gedreven door ijverige reclame voor artsen en consumenten. Een advertentie uit 1954 voor verdampte anjermelk in Amerika toont een stralende moeder en baby met de tekst: 8 van de 10 moeders die hun baby's een anjer-formule geven, zeggen: 'Mijn dokter heeft het aanbevolen!' Later begonnen flesvoedingsbedrijven ziekenhuizen gratis flesvoeding te geven uitdelen aan nieuwe moeders. Tegelijkertijd traden meer vrouwen toe tot het personeelsbestand, waardoor het moeilijker werd om borstvoeding te geven. De perceptie dat de formule net zo veilig en efficiënt was, zo niet meer, deed de borstvoedingscijfers kelderen. In 1972 kreeg 22% van de Amerikaanse zuigelingen borstvoeding - een historisch dieptepunt, vergeleken met 77% van degenen die tussen 1936 en 1940 zijn geboren.
Tegenwoordig zijn die percentages hersteld en artsen zijn het er in grote lijnen over eens dat moedermelk de beste voeding voor zuigelingen is. De meeste Amerikaanse baby's - ongeveer 84%, volgens statistieken van de Centers for Disease Control and Prevention - krijgen op een gegeven moment borstvoeding. Maar slechts een kwart krijgt gedurende zes maanden uitsluitend moedermelk, zoals aanbevolen door de American Academy of Pediatrics en de Wereldgezondheidsorganisatie.
Borstvoeding geven is niet altijd gemakkelijk. Zoals Strickland heeft ervaren, kunnen baby's moeite hebben met aanleggen; soms produceren de borsten niet genoeg melk; en het kan ondraaglijk pijnlijk zijn voor de moeder.
Bovendien moeten veel moeders van pasgeborenen werken en kan het moeilijk, zo niet onmogelijk zijn om op de werkplek borstvoeding te geven of melk af te kolven. Dit is duidelijk moeilijker voor arme vrouwen, vooral in landen als de Verenigde Staten, waar geen verplicht betaald ouderschapsverlof is en slechts een klein percentage werkende moeders het van hun werkgever krijgt.
De eerste stap die Strickland zette om moedermelk te maken in het laboratorium was minder dan glamoureus. Ze kon het zich niet veroorloven om menselijke borstcellijnen te kopen, die honderden of zelfs duizenden dollars kunnen kosten. In plaats daarvan besloot ze te beginnen met cellen van koeien. Om met haar experimenten te beginnen, moest ze cellen vinden - veel cellen - en goedkoop.
AMRITA MARINOOp een weekend in februari 2014 stopte Strickland een koelbox, wat ethanol en steriele instrumenten in de kofferbak van haar auto, stopte een prop biljetten van 20 dollar in haar zak en reed over de met bomen omzoomde snelwegen van North Carolina naar Randolph Packing, een gezin -eigen vleesverwerkingsbedrijf in Asheboro dat opereerde vanuit een gedrongen bakstenen magazijn aan een woonweg.
De manager leidde haar naar de verwerkingsruimte, waar recent geslachte koeien aan hun hoeven werden vastgebonden en langs een transportband werden bewogen voor verwerking. Ze probeerde haar ogen op de grond gericht te houden, wees naar de uier van een koe en mompelde zwakjes: ik wil dat stuk, alsjeblieft. Ze ging terug naar haar geïmproviseerde laboratorium, deed een stuk uier in een petrischaal, overgoot het met aminozuren, vitamines, mineralen en zouten en legde het voorzichtig in een couveuse.
In een bericht aan haar ouders schreef ze de volgende dag: Ik ben gisteren naar het slachthuis geweest en heb een man $ 20 betaald om de uier van een vers geslachte koe te snijden... Het is veilig om te zeggen dat ik geen rundvlees zal eten voor een terwijl. Kwam vanmorgen en ontdekte dat de cellen groeien! Er is gisterochtend een koe overleden, maar een stukje van haar leeft nog in mijn lab!
Moedermelk is afkomstig van twee soorten cellen in de melkkanalen en longblaasjes -kleine zakjes in de borstklier waar melk zich verzamelt. Luminale epitheelcellen absorberen voedingsstoffen uit de bloedbaan en zetten deze om in melk. Naast hen, langs de kanalen en longblaasjes, bevinden zich gladde, spierachtige myoepitheelcellen. Wanneer een baby begint te zuigen, worden de myoepitheelcellen ertoe aangezet om samen te trekken, waardoor melk van de luminale cellen, door de kanalen, naar de mond van de baby wordt geduwd.
Drie jaar lang nam Strickland haar laptop mee naar haar kleine gehuurde laboratoriumruimte, zodat ze tussen schrijf- en bewerkingsopdrachten door kon experimenteren met haar koeienuiercellen. Haar grootste triomf was het overtuigen van de luminale epitheelcellen om een continue laag te vormen die de compartimenten kon behouden die cruciaal zijn voor het synthetiseren van melk. Ze ontdekte welke oppervlakken de gezondste celdeling bevorderden en hoe de dichtheid van cellen hun groeisnelheid beïnvloedde. Geen van deze bevindingen was nieuw, maar ze was blij dat ze de technieken leerde die nodig waren om uiteindelijk over te gaan naar menselijke cellen.
In 2016 had Strickland geen geld meer en moest hij de onderneming in de wacht zetten. Maar het idee heeft haar nooit verlaten.
In 2016 had Strickland geen geld meer en moest hij de onderneming in de wacht zetten. Maar het idee heeft haar nooit verlaten. Uiteindelijk, in 2019, toen steeds meer bedrijven in gecultiveerde voedingsmiddelen begonnen te proberen alles van vlees tot vis tot kipnuggets in een laboratorium te maken, overtuigden verschillende vrienden haar om haar plan nieuw leven in te blazen.
Strickland rekruteerde twee andere wetenschappers om met haar samen te werken. In augustus 2019 werden ze toegelaten tot IndieBio, een prestigieuze biotech-accelerator in San Francisco die startups $ 250.000 aan startkapitaal en andere ondersteuning geeft. Ze zei haar baan op en begon fulltime aan het project te werken.
Er was echter een probleem. Strickland en haar twee partners hadden allemaal een vergelijkbare achtergrond, met uitgebreide wetenschappelijke ervaring maar beperkte zakelijke bonafides. Toen het team zich voorbereidde om voor vier maanden naar Californië te verhuizen, werd het duidelijk dat ze niet bij elkaar pasten.
Rond dezelfde tijd stelde een vriend Strickland voor aan Michelle Egger, een voedingswetenschapper van achter in de twintig. Egger was gefascineerd door melk sinds ze een kind was dat opgroeide in Minneapolis, waar ze ooit tweede werd in een wedstrijd voor het snijden van boter voor jongeren op de Minnesota State Fair. Na haar studie aan Purdue kreeg Egger een baan op de zuivelafdeling van General Mills, waar ze drie jaar werkte voordat ze zich inschreef voor de business school bij Duke. Ze was in haar tweede jaar toen ze Strickland voor het eerst ontmoette.
Egger was enthousiast over het voorstel van Strickland. De meeste zuigelingenvoeding bestaat uit milieu-intensieve zuivelproducten die voldoende water nodig hebben om te produceren en te bereiden. Palmolie is een ander veelgebruikt ingrediënt. Een studie in 2015 suggereerde dat de productie van één kilogram flesvoeding het equivalent van vier kilogram CO2-uitstoot genereert. De aanpak van Strickland had het potentieel om veel efficiënter te zijn.
De dingen waren in het begin moeilijk. Door de verandering in het team verloor Biomilq zijn plek bij IndieBio. Het heeft verschillende onderzoeksbeurzen aangevraagd, maar niet gekregen. Bezorgd dat Biomilq geen geld meer zou hebben, begon Strickland met haar oude baas te praten over terugkeer naar de baan die ze had verlaten. Egger ging ook stilletjes op zoek naar werk.
Biomilq stond op het punt te sluiten toen Strickland en Egger $ 3,5 miljoen aan financiering werd beloofd van een groep investeerders onder leiding van Breakthrough Energy Ventures, die Bill Gates had opgericht om technologieën te ondersteunen die de koolstofemissies konden verminderen. De formule-industrie had de belofte om precies dat te doen. Toen het voorjaar van 2020 plaats maakte voor de zomer, kwam het geld op de bankrekening van Biomilq.
Biomilq is niet het enige bedrijf dat streeft naar om een nieuw soort babyvoeding te maken. Met een in grote lijnen vergelijkbare aanpak hoopt TurtleTree Labs in Singapore uiteindelijk alle melk die momenteel op de markt is te vervangen, aldus medeoprichter Max Rye. Naast andere projecten werkt het bedrijf aan het maken van versterkers die aan de formule kunnen worden toegevoegd om de eigenschappen van moedermelk te dupliceren. Sommige formules zijn al verrijkt met eiwitten en koolhydraten die synthetisch of uit koemelk zijn afgeleid. Een andere medeoprichter, Fengru Lin, legt uit dat TurtleTree, in tegenstelling tot Biomilq, van plan is om samen te werken met de formule-industrie en hoopt zijn producten in 2021 op de markt te krijgen.
Ondertussen zal Helaina, een bedrijf gevestigd in New York, moedermelk nabootsen door middel van fermentatie. Laura Katz, de oprichter van het bedrijf, is van plan microben te gebruiken om de bestanddelen van de melk - eiwitten, koolhydraten en vetten - te synthetiseren en ze vervolgens te recombineren tot een voedzame vloeistof. Aangezien soortgelijke processen al goedkeuring hebben gekregen van de Amerikaanse Food and Drug Administration voor producten als Impossible Burgers, die gemaakt zijn van gefermenteerde soja-eiwitten, hoopt ze minder hindernissen op het gebied van regelgeving te krijgen dan haar concurrenten. Net als Strickland en Egger wordt ze gemotiveerd door verontwaardiging over het gebrek aan opties voor nieuwe ouders.
Ik denk dat het beste wat we kunnen doen is om vrouwen te ondersteunen bij het geven van borstvoeding, zegt Katz. Maar als dat niet mogelijk is, verdienen moeders iets beters dan de huidige zuigelingenvoeding. Ze voegt eraan toe: ik zie al deze innovatie gebeuren in celgebaseerde vleesproductie voor mensen die gewoon een burger willen eten, maar de producten die we baby's voeren, zijn de afgelopen 20, 30 jaar statisch gebleven.
Geen van deze stellingen zal wetenschappelijk eenvoudig zijn, deels omdat er relatief weinig bekend is over moedermelk. De meeste onderzoeken naar menselijke borstepitheelcellen richten zich eerder op hun rol bij borstkanker dan op de melkproductie.
Wat betreft de melk zelf, het is een rijke en verbijsterende stoofpot van duizenden chemicaliën. We weten qua voedingswaarde over de eiwitten, de koolhydraten en het vet daarin. We kennen bepaalde bioactieve moleculen die daarin zitten, zoals oligosachariden [complexe suikers die gezonde bacteriën in de darm van een baby voeden], IgA [het belangrijkste antilichaam dat in moedermelk wordt aangetroffen], door galzout gestimuleerde lipase [een enzym dat helpt bij de spijsvertering van vetten] - deze dingen waarvan mensen altijd zeggen dat ze goed zijn in moedermelk, zegt Tarah Colaizy, de onderzoeksdirecteur van de Human Milk Banking Association of North America, die ook lesgeeft aan de Universiteit van Iowa. Maar, merkt ze op, moedermelk bevat ook korte strengen RNA, waarvan de aanwezigheid pas in 2010 werd ontdekt en waarvan de rol in de ontwikkeling van baby's nog niet goed wordt begrepen.
Daarom zijn Strickland en Egger van plan om massaspectrometrie te gebruiken, een techniek die de massa van verschillende moleculen in een monster meet, om te bestuderen hoe de eiwitten, oligosachariden en vetten in hun product zich verhouden tot de bestanddelen van moedermelk die uit een borst wordt gepompt. Maar een andere uitdaging doemt nog groter op: hoe een stof te standaardiseren die uniek is voor elke moeder.
Moedermelk verandert van samenstelling naarmate een kind groeit. De eerste paar dagen na de bevalling produceren moeders colostrum, een dikke, gele, geconcentreerde melk boordevol verbindingen zoals het antilichaam IgA en lactoferrine, een overvloedig eiwit dat de immuniteit van een baby verhoogt. Al snel wordt colostrum vervangen door overgangsmelk, die dunner is maar meer vet en lactose bevat. Na ongeveer twee weken wordt moedermelk als rijp beschouwd. Maar zelfs dan kan het in de loop van een enkele voeding van samenstelling veranderen. Achtermelk, of de laatste melk die nog in een borst zit, heeft een hoger vetgehalte dan de melk die eerder wordt geproduceerd. Daarom wordt vrouwen vaak aangeraden om de ene borst te legen voordat ze naar de andere overschakelen.
Ze zijn van plan om met zwangere vrouwen te werken, monsters te nemen van hun borstepitheelcellen en deze te kweken om geïndividualiseerde melk te maken voor gebruik wanneer hun baby's arriveren.
Hoewel Egger en Strickland toegeven dat ze niet in staat zullen zijn om deze complexiteit te repliceren, noch alle antilichamen en microben in een bepaalde vrouwenmelk, zeggen ze dat hun product persoonlijker zal zijn dan dat van hun concurrenten. Net zoals Strickland in 2013 voor ogen had, zijn ze van plan om met zwangere vrouwen te werken, monsters te nemen van hun borstepitheelcellen en deze te kweken om geïndividualiseerde melk te maken voor gebruik wanneer hun baby's arriveren. Daarna hopen ze een meer economische generieke optie te creëren met behulp van donorcellen. Beide, benadrukt Egger, zullen beter zijn dan formule.
De Biomilq-onderzoekers werken nu vanuit een witgekalkte laboratoriumruimte in Durham, North Carolina, die ze delen met verschillende andere biotech-startups. In een vriezer die is ingesteld op -80 ° C (-112 ° F), bewaren ze reageerbuizen vol cellen van een aantal verschillende donoren. Sommigen van hen, zoals die van een 27-jarige vrouw die haar borstweefsel doneerde na een borstverkleining, zijn onsterfelijk gemaakt - gemanipuleerd om zich voor onbepaalde tijd te vermenigvuldigen.
Strickland en Egger hebben al een vloeistof geproduceerd die zowel lactose als caseïne bevat - de belangrijkste eiwit- en suikerverbindingen die in moedermelk worden aangetroffen. Ze testen het nu om te zien of ze andere componenten kunnen detecteren, zoals oligosachariden en lipiden. Ze sleutelen momenteel aan hun apparatuur en de voedingsstoffen die ze gebruiken om de cellen te laten groeien om te zien welke combinatie ze het dichtst bij de samenstelling van natuurlijke moedermelk brengt; ze schatten dat het ongeveer twee jaar zal duren om tot een goede match te komen.
Op een vrijdagochtend in september , Strickland nam een reageerbuis met 3 miljoen cellen, verwarmde het tussen haar handen en spreidde de inhoud uit over een plastic weefselkweekplaat. Een collega overgoot het bord vervolgens met een warme gele vloeistof met 53 verschillende zouten, vitamines, mineralen en aminozuren. Toen het oppervlak van de plaat grotendeels bedekt was met duplicerende cellen, waren ze van plan de cellen naar een kleine bioreactor te verplaatsen, een plastic apparaat met doorzichtige buisjes die uit de zijkanten komen en die de groei stimuleren. Na ongeveer een maand begonnen de cellen een stof af te scheiden die lijkt op moedermelk. Er is maar één klein probleempje, zegt Strickland. We weten nog niet hoe we het moeten noemen.