Nystartade företag tävlar om att reproducera bröstmjölk i labbet

Många föräldrar är beroende av modersmjölksersättning för att mata sina nyfödda. Kan cellodlingsteknik producera något som är närmare mänsklig bröstmjölk?





biomilq koncept

Illustrationer av Amrita Marino

  • Haley Cohen Gilliland arkivsida
18 december 2020

En sommardag 2013 satt Leila Strickland, hänförd, framför sin bärbara dator och såg på skärmen när Mark Post avtäckte den första labbodlade hamburgaren.

För att skapa den rosa, platta biffen hade Post, en professor i kärlfysiologi vid Maastricht University i Nederländerna, tagit tusentals vävnadsodlingsplattor fulla av bovina stamceller, blandat dem med fetalt kalvserum och andra näringsämnen och väntat tills de differentierades. in i muskelcellerna. Detta var spännande i och för sig. Men Stricklands sinne vandrade till en annan potentiell tillämpning av cellodling: mänsklig bröstmjölk.



Matfrågan

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2021

  • Se resten av frågan
  • Prenumerera

Liksom många mammor hade Strickland hoppats på att kunna amma båda sina barn under de första sex månaderna efter att de föddes.

Det medicinska etablissemanget överväger att amma den gyllene standarden för spädbarnsnäring, vilket minskar sannolikheten för matsmältningsproblem, utslag och - mest övertygande - nekrotiserande enterokolit, en sällsynt men potentiellt dödlig tarmsjukdom hos för tidigt födda barn.



Men som många mammor hade Strickland haft svårt att amma. Hennes första barn, en son född tre år tidigare, hade kämpat för att effektivt haka fast på hennes bröstvårta; när han gjorde det kände hon brännande smärta. Han började gå ner i vikt. Hon hade ägnat hela dagen, varje dag, åt att amma eller pumpa för att stimulera hennes mjölkflöde, och fortfarande grät hennes son hungrig. Hon upplevde nu liknande problem med sin spädbarnsdotter.

När Strickland tittade på Post från sitt köksbord började hon fundera på hur hon skulle kunna använda en process som hans för att inte odla konstgjorda nötkött utan cellerna som producerar bröstmjölk. En gravid kvinna skulle kunna få en nålbiopsi av sitt bröst under graviditeten, och jag kunde få cellerna att växa och producera mjölk innan barnet föds, skrev Strickland upprymt i ett mejl till en dåvarande vän.

Matfrågan

Den här historien var en del av vårt nummer för januari/februari 2021



  • Se resten av frågan

Hon hade tagit sin doktorsexamen i cellbiologi och tillbringade flera år som forskare på Stanford innan hon fick arbete som medicinsk redaktör och skribent. Detta var en chans att vända tillbaka till labbbänken, med mer självständighet än den genomsnittliga akademikern. Några dagar senare samlade hon och hennes man ihop 5 000 dollar i besparingar och köpte en grym grå vävnadsodlingshuv, ett mikroskop, en inkubator och en centrifug från eBay som hon kunde experimentera med. Det var gammal dinosaurieutrustning - det mesta troligen från 1960-talet, minns Strickland.

I flera år kämpade hon för att behålla projektet finansierat och hon var nära att överge idén. Men i maj 2020 fick Biomilq, ett företag som hon hade grundat, 3,5 miljoner dollar från en grupp investerare under ledning av Bill Gates. Biomilq är nu i en kapplöpning med konkurrenter i Singapore och New York för att skaka om världen av spädbarnsnäring på ett sätt som inte setts sedan födelsen av den nu 42 miljarder dollar formelindustrin.

Amning har svängt in och ut ur modet sedan urminnes tider —påverkad av utvecklingen av medicinsk kunskap, men också av ras och social status. Våt amning, outsourcing av amning till någon annan än en babys mamma, går åtminstone tillbaka till antikens Grekland. Före inbördeskriget i Amerika tvingade vita förslavare svarta kvinnor att amma förslavarnas barn, ofta till nackdel för kvinnornas egna spädbarn.



År 1851 uppfanns den första moderna nappflaskan - en utarbetad anordning med en korknipple och elfenbensstift som selektivt stängde inloppen för att reglera luftflödet - i Frankrike, vilket drev våt omvårdnad till nästan utrotning. Kort därefter kokade den tyske kemisten Justus von Liebig ihop den första kommersiella modersmjölksersättningen, som bestod av komjölk, vete, maltmjöl och en nypa kaliumbikarbonat. Det kom snabbt att betraktas som den perfekta barnmaten.

År 1972 ammades 22 % av amerikanska spädbarn – en historisk låg nivå, en minskning från 77 % av de som föddes mellan 1936 och 1940.

På 1900-talet hade formelanvändningen skjutit i höjden, till stor del driven av nitisk reklam till läkare och konsumenter. En reklam från 1954 för Carnation evaporated milk i Amerika visar en strålande mor och spädbarn med text som lyder, 8 av 10 mödrar som matar sina barn med en Carnation formel säger: 'Min läkare rekommenderade det!' Senare började mjölkersättningsföretag ge sjukhusen gratis mjölkersättning. att dela ut till nyblivna mammor. Samtidigt kom fler kvinnor till arbetskraften, vilket gjorde långvarig amning mer komplicerad. Uppfattningen att formeln var lika säker och effektiv, om inte mer så, ledde till att amningsfrekvensen sjönk. År 1972 ammades 22 % av amerikanska spädbarn – en historisk låg nivå, en minskning från 77 % av de som föddes mellan 1936 och 1940.

Idag har dessa siffror återhämtat sig, och läkarna är överens om att bröstmjölk ger den bästa näringen för spädbarn. De flesta amerikanska spädbarn – cirka 84 %, enligt statistik från Centers for Disease Control and Prevention – ammas någon gång. Men bara en fjärdedel får enbart bröstmjölk i sex månader, enligt rekommendationerna från American Academy of Pediatrics och World Health Organization.

Amning är inte alltid lätt. Som Strickland upplevde, kan bebisar kämpa för att haka fast; ibland producerar brösten inte tillräckligt med mjölk; och det kan vara oerhört smärtsamt för mamman.

Dessutom måste många mödrar till nyfödda arbeta, och det kan vara svårt för att inte säga omöjligt att amma eller pumpa mjölk på arbetsplatsen. Detta är uppenbarligen svårare för kvinnor som är fattiga, och särskilt i länder som USA, där det inte finns någon obligatorisk betald föräldraledighet och endast en liten andel av arbetande mödrar får den från sina arbetsgivare.

Det första steget Strickland tog mot att skapa bröstmjölk i labbet var mindre än glamoröst. Hon hade inte råd att köpa mänskliga bröstcellinjer, som kan kosta hundratals eller till och med tusentals dollar. Istället bestämde hon sig för att börja med celler från kor. För att påbörja sina experiment behövde hon hitta celler – massor av celler – och billigt.

biomilq konceptAMRITA MARINO

En helg i februari 2014 satte Strickland en kylare, lite etanol och sterila instrument i bagageutrymmet på sin bil, stoppade en bunt med $20-sedlar i fickan och körde nerför de trädkantade motorvägarna i North Carolina till Randolph Packing, en familj -ägt köttbearbetningsföretag i Asheboro som drivs från ett lager i tegel på en bostadsväg.

Chefen ledde henne till bearbetningsområdet, där nyligen slaktade kor spändes upp i sina hovar och flyttades längs ett transportband för bearbetning. Hon försökte hålla ögonen låsta på marken, pekade upp på en kos juver och muttrade svagt: Jag vill ha den biten, tack. Hon gick tillbaka till sitt provisoriska labb, placerade en bit juver i en petriskål, sköljde över den med aminosyror, vitaminer, mineraler och salter och lade den försiktigt i en inkubator.

I ett meddelande till sina föräldrar, dagen efter, skrev hon: Jag gick till slakteriet igår och betalade en kille 20 dollar för att skära av juvret från en nyslaktad ko ... Det är säkert att säga att jag inte kommer att äta något nötkött för en medan. Kom in i morse och upptäckte att cellerna växer! En ko dog i går morse, men en bit av henne lever fortfarande i mitt labb!

Bröstmjölk kommer från två typer av celler i mjölkkanalerna och alveolerna —små säckar i bröstkörteln där mjölk samlas. Luminala epitelceller absorberar näringsämnen från blodomloppet och omvandlar dem till mjölk. Bredvid dem, som kantar kanalerna och alveolerna, finns släta, muskelliknande myoepitelceller. När ett spädbarn börjar di, får det myoepitelcellerna att dra ihop sig, vilket skjuter mjölk från luminalcellerna, genom kanalerna, till barnets mun.

I tre år tog Strickland med sig sin bärbara dator till hennes lilla hyrda labbutrymme så att hon kunde experimentera med sina kojuverceller mellan skriv- och redigeringsuppgifter. Hennes största triumf var att övertala de luminala epitelcellerna att bilda ett kontinuerligt skikt som kunde bibehålla de fack som är avgörande för att syntetisera mjölk. Hon kom på vilka ytor som främjade den hälsosammaste celldelningen och hur tätheten av celler påverkade deras tillväxthastighet. Inga av dessa fynd var nya, men hon var glad över att lära sig de tekniker som behövs för att slutligen gå vidare till mänskliga celler.

År 2016 hade Strickland slut på pengar och var tvungen att lägga strävan på is. Men idén lämnade henne aldrig.

År 2016 hade Strickland slut på pengar och var tvungen att lägga strävan på is. Men idén lämnade henne aldrig. Så småningom, 2019, när fler och fler odlade livsmedelsföretag började försöka göra allt från kött till fisk till kycklingnuggets i ett labb, övertygade flera vänner henne att återuppliva sin plan.

Strickland rekryterade två andra forskare för att arbeta med henne. I augusti 2019 antogs de till IndieBio, en prestigefylld bioteknikaccelerator i San Francisco som ger startups $250 000 i startfinansiering och annat stöd. Hon slutade sitt dagliga jobb och började arbeta med projektet på heltid.

Det var dock ett problem. Strickland och hennes två partners kom alla från liknande bakgrunder, med omfattande vetenskaplig erfarenhet men begränsad affärsmässighet. När teamet förberedde sig för att flytta till Kalifornien i fyra månader stod det klart att de inte passade bra.

Ungefär samtidigt presenterade en vän Strickland för Michelle Egger, en matforskare i sena 20-årsåldern. Egger hade varit fascinerad av mjölk sedan hon var liten när hon växte upp i Minneapolis, där hon en gång kom tvåa i en ungdomssmörsnideritävling på Minnesota State Fair. Efter college i Purdue fick Egger ett jobb på mejeriavdelningen på General Mills, där hon arbetade i tre år innan hon skrev in sig på handelsskola på Duke. Hon var inne på sitt andra år när hon träffade Strickland första gången.

Egger var exalterad över Stricklands förslag. De flesta modersmjölksersättningar består av miljöintensiva mejeriprodukter som kräver rikligt med vatten för att tillverka och förbereda. Palmolja är en annan vanlig ingrediens. En studie 2015 antydde att produktion av ett kilo mjölkersättning genererar motsvarande fyra kilo koldioxidutsläpp. Stricklands tillvägagångssätt hade potential att bli mycket effektivare.

Det var svårt i början. Förändringen av teamet gjorde att Biomilq tappade sin plats på IndieBio. Den ansökte om, men lyckades inte säkra, flera forskningsanslag. Orolig för att Biomilq skulle få slut på pengar började Strickland prata med sin gamla chef om att återvända till jobbet hon lämnat. Egger började också tyst söka jobb.

Biomilq var på randen av att sluta när Strickland och Egger lovades 3,5 miljoner dollar i finansiering från en grupp investerare ledda av Breakthrough Energy Ventures, som Bill Gates hade etablerat för att stödja teknik som kunde minska koldioxidutsläppen. Att höja formelindustrin höll löftet om att göra just det. När våren 2020 gav vika för sommaren kom pengarna in på Biomilqs bankkonto.

Biomilq är inte det enda företaget som siktar att göra en ny typ av modersmjölksersättning. Genom att använda ett i stort sett liknande tillvägagångssätt hoppas TurtleTree Labs i Singapore så småningom ersätta all mjölk som för närvarande finns på marknaden, enligt medgrundaren Max Rye. Förutom andra projekt arbetar företaget med att skapa förstärkare som kan läggas till formel för att duplicera egenskaperna hos bröstmjölk. Vissa formler är redan berikade med proteiner och kolhydrater som kommer från syntetiskt eller från komjölk. En annan medgrundare, Fengru Lin, förklarar att TurtleTree, i motsats till Biomilq, planerar att arbeta med formelindustrin och hoppas få ut sina produkter på marknaden 2021.

biomilq koncept

Samtidigt kommer Helaina, ett företag baserat i New York, att efterlikna bröstmjölk genom jäsning. Laura Katz, företagets grundare, planerar att använda mikrober för att syntetisera mjölkens beståndsdelar - proteiner, kolhydrater och fetter - och sedan kombinera dem till en näringsrik vätska. Eftersom liknande processer redan har vunnit godkännande från US Food and Drug Administration för produkter som Impossible Burgers, som är gjorda av fermenterat sojaprotein, hoppas hon att möta färre regulatoriska hinder än sina konkurrenter. Liksom Strickland och Egger motiveras hon av indignation över bristen på alternativ för nyblivna föräldrar.

Jag tror att det bästa vi kan göra är att stödja kvinnor att amma, säger Katz. Men om det är omöjligt, förtjänar mammor något bättre än nuvarande modersmjölksersättning. Hon tillägger, jag ser all denna innovation hända inom cellbaserad köttproduktion för människor som bara vill äta en hamburgare, men produkterna som vi matar spädbarn har förblivit statiska under de senaste 20, 30 åren.

Inget av dessa förslag kommer att vara vetenskapligt enkelt, delvis för att relativt lite är känt om bröstmjölk. De flesta studier av mänskliga bröstepitelceller tenderar att fokusera på deras roll i bröstcancer snarare än mjölkproduktion.

När det gäller själva mjölken är det en rik och förvirrande gryta med tusentals kemikalier. Vi vet näringsmässigt om proteinerna, kolhydraterna och fettet där. Vi känner till några speciella bioaktiva molekyler där, som oligosackarider [komplexa sockerarter som matar friska bakterier i en babys tarm], IgA [den huvudsakliga antikroppen som finns i bröstmjölk], gallsaltstimulerat lipas [ett enzym som hjälper till med matsmältningen av fetter] – dessa saker som folk alltid tar upp som bra i bröstmjölk, säger Tarah Colaizy, forskningschef för Human Milk Banking Association of North America, som också undervisar vid University of Iowa. Men, noterar hon, bröstmjölk innehåller också korta RNA-strängar, vars närvaro upptäcktes först 2010, och vars roll i spädbarnsutvecklingen ännu inte är väl förstått.

Det är därför Strickland och Egger planerar att använda masspektrometri, en teknik som mäter massan av olika molekyler i ett prov, för att studera hur proteinerna, oligosackariderna och fetterna i deras produkt jämförs med beståndsdelarna i bröstmjölk som pumpas från ett bröst. Men en annan utmaning hägrar ännu större: hur man standardiserar ett ämne som är unikt för varje mamma.

Bröstmjölken förändras i sammansättning när ett barn växer. Under de första dagarna efter förlossningen producerar mammor råmjölk, en tjock, gul, koncentrerad mjölk packad med föreningar som antikroppen IgA och laktoferrin, ett rikligt protein som stärker barnets immunitet. Snart ersätts råmjölken med övergångsmjölk, som är tunnare men innehåller mer fett och laktos. Efter cirka två veckor anses en modersmjölk vara mogen. Men även då kan det ändras i sammansättning under loppet av en enda matning. Bakmjölk, eller den sista mjölken som finns kvar i ett bröst, har en högre fetthalt än den mjölk som producerats tidigare, varför kvinnor ofta uppmanas att tömma ett bröst innan de byter till det andra.

De planerar att arbeta med gravida kvinnor, ta prover på deras bröstepitelceller och odla dem för att skapa individualiserad mjölk för användning när deras bebisar kommer.

Även om Egger och Strickland erkänner att de inte kommer att kunna replikera denna komplexitet, och inte heller alla antikroppar och mikrober i en given kvinnas mjölk, säger de att deras produkt kommer att vara mer personlig än konkurrenternas. Precis som Strickland föreställde sig redan 2013, planerar de att arbeta med gravida kvinnor, ta prover på deras bröstepitelceller och odla dem för att skapa individualiserad mjölk för användning när deras bebisar kommer. Efter det hoppas de kunna skapa ett mer ekonomiskt generiskt alternativ med hjälp av donatorceller. Båda, insisterar Egger, kommer att vara bättre än formel.

Biomilq-forskarna arbetar nu från ett vitkalkat labbutrymme i Durham, North Carolina, som de delar med flera andra bioteknikföretag. I en frys inställd på -80 °C (-112 °F) förvarar de provrör fulla med celler från ett antal olika donatorer. Några av dem, som de från en 27-årig kvinna som donerade sin bröstvävnad efter en bröstförminskningsoperation, har förevigats – manipulerats för att föröka sig på obestämd tid.

Strickland och Egger har redan producerat en vätska som innehåller både laktos och kasein - de viktigaste protein- och sockerföreningarna som finns i bröstmjölk. De testar nu det för att se om de kan upptäcka andra komponenter, som oligosackarider och lipider. De håller just nu på att mixtra med sin utrustning och de näringsämnen de använder för att odla cellerna för att se vilken kombination som får dem närmast att matcha sammansättningen av naturlig bröstmjölk; de uppskattar att det kommer att ta ungefär två år att komma fram till en tillräckligt bra matchning.

En fredagsmorgon i september , tog Strickland ett provrör som innehöll 3 miljoner celler, värmde det mellan händerna och spred innehållet över en vävnadsodlingsplatta av plast. En kollega sköljde sedan över tallriken med en varm gul vätska innehållande 53 olika salter, vitaminer, mineraler och aminosyror. När plattans yta till största delen var täckt med duplicerande celler, planerade de att flytta cellerna till en liten bioreaktor, en plastanordning med genomskinliga rör som utgår från dess sidor som uppmuntrar tillväxt. Efter ungefär en månad skulle cellerna börja utsöndra ett ämne som liknar bröstmjölk. Det finns bara ett litet problem, säger Strickland. Vi vet ännu inte vad vi ska kalla det.