Startups rennen um die Reproduktion von Muttermilch im Labor

Viele Eltern verlassen sich auf Säuglingsnahrung, um ihre Neugeborenen zu ernähren. Könnte die Zellkulturtechnologie etwas produzieren, das der menschlichen Muttermilch näher kommt?





Biomilq-Konzept

Illustrationen von Amrita Marino

  • Haley Cohen Gilliland Archivseite
18. Dezember 2020

An einem Sommertag im Jahr 2013 saß Leila Strickland verzückt vor ihrem Laptop und sah auf dem Bildschirm zu, wie Mark Post den ersten im Labor gezüchteten Hamburger enthüllte.

Um den rosafarbenen, flachen Bratling herzustellen, hatte Post, Professor für Gefäßphysiologie an der Universität Maastricht in den Niederlanden, Tausende Gewebekulturplatten voller Rinderstammzellen genommen, sie mit fötalem Kälberserum und anderen Nährstoffen gemischt und gewartet, bis sie sich differenziert hatten in Muskelzellen. Das war an und für sich spannend. Aber Stricklands Gedanken wanderten zu einer anderen möglichen Anwendung der Zellkultivierung: menschliche Muttermilch.



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Wie viele Mütter hatte Strickland gehofft, ihre beiden Kinder in den ersten sechs Monaten nach der Geburt stillen zu können.

Das medizinische Establishment betrachtet das Stillen als Goldstandard der Säuglingsernährung, da es die Wahrscheinlichkeit von Verdauungsproblemen, Hautausschlägen und – am überzeugendsten – einer nekrotisierenden Enterokolitis, einer seltenen, aber potenziell tödlichen Darmerkrankung bei Frühgeborenen, verringert.



Aber wie viele Mütter hatte Strickland das Stillen als schwierig empfunden. Ihr erstes Kind, ein drei Jahre zuvor geborener Sohn, hatte Mühe, sich effektiv an ihre Brustwarze zu klammern; Als er es tat, verspürte sie brennende Schmerzen. Er begann abzunehmen. Sie hatte den ganzen Tag damit verbracht, jeden Tag zu stillen oder abzupumpen, um ihren Milchfluss anzuregen, und ihr Sohn weinte immer noch vor Hunger. Sie hatte jetzt ähnliche Probleme mit ihrer kleinen Tochter.

Während Strickland Post von ihrem Küchentisch aus beobachtete, begann sie darüber nachzudenken, wie sie ein Verfahren wie das seine nutzen könnte, um nicht künstliches Rindfleisch, sondern die Zellen zu züchten, die Muttermilch produzieren. Eine schwangere Frau könnte während der Schwangerschaft eine Nadelbiopsie ihrer Brust haben, und ich könnte die Zellen dazu bringen, zu wachsen und Milch zu produzieren, bevor das Baby geboren wird, schrieb Strickland damals aufgeregt in einer E-Mail an einen Freund.

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Sie hatte in Zellbiologie promoviert und mehrere Jahre als Forscherin in Stanford verbracht, bevor sie Arbeit als medizinische Redakteurin und Autorin fand. Dies war eine Chance, mit mehr Unabhängigkeit als der durchschnittliche Akademiker zum Labortisch zurückzukehren. Ein paar Tage später haben sie und ihr Mann 5.000 Dollar an Ersparnissen zusammengekratzt und eine riesige graue Gewebekulturhaube, ein Mikroskop, einen Inkubator und eine Zentrifuge von eBay gekauft, damit sie damit experimentieren kann. Es war altes Dinosaurier-Equipment – ​​das meiste wahrscheinlich aus den 1960er Jahren, erinnert sich Strickland.

Jahrelang kämpfte sie darum, das Projekt finanziert zu halten, und sie war nahe daran, die Idee aufzugeben. Aber im Mai 2020 erhielt Biomilq, ein von ihr gegründetes Unternehmen, 3,5 Millionen Dollar von einer von Bill Gates geführten Investorengruppe. Biomilq befindet sich nun in einem Wettlauf mit Konkurrenten in Singapur und New York, um die Welt der Säuglingsnahrung in einer Weise aufzurütteln, wie es seit der Geburt der inzwischen 42 Milliarden Dollar schweren Säuglingsnahrungsindustrie nicht mehr gegeben wurde.

Das Stillen ist seit der Antike in Mode gekommen und wieder aus der Mode gekommen – beeinflusst von der Entwicklung des medizinischen Wissens, aber auch von Rasse und sozialem Status. Nasspflege, das Auslagern des Stillens an eine andere Person als die Mutter eines Babys, geht mindestens bis ins antike Griechenland zurück. Vor dem Bürgerkrieg in Amerika zwangen weiße Versklaver schwarze Frauen, die Kinder der Versklaver zu stillen, oft zum Nachteil der eigenen Säuglinge der Frauen.



1851 wurde in Frankreich die erste moderne Babyflasche erfunden – ein kunstvoller Apparat mit einem Korknippel und Elfenbeinstiften, die die Einlässe selektiv verschlossen, um den Luftstrom zu regulieren – und brachte die Nasspflege fast zum Aussterben. Kurz darauf braute der deutsche Chemiker Justus von Liebig die erste kommerzielle Säuglingsnahrung zusammen, die aus Kuhmilch, Weizen, Malzmehl und einer Prise Kaliumbicarbonat bestand. Es galt schnell als ideale Säuglingsnahrung.

Bis 1972 wurden 22 % der amerikanischen Säuglinge gestillt – ein historischer Tiefstand, verglichen mit 77 % der zwischen 1936 und 1940 Geborenen.

Bis zum 20. Jahrhundert war die Verwendung von Formeln in die Höhe geschossen, was zum großen Teil auf eifrige Werbung bei Ärzten und Verbrauchern zurückzuführen war. Eine Werbung für Carnation-Kondensmilch aus dem Jahr 1954 in Amerika zeigt eine strahlende Mutter und ein strahlendes Kind mit einem Text, der lautet: 8 von 10 Müttern, die ihre Babys mit Carnation-Nahrung füttern, sagen: „Mein Arzt hat es empfohlen!“ Später begannen Formelhersteller, Krankenhäusern kostenlose Formel zu geben an frischgebackene Mütter zu verteilen. Gleichzeitig traten immer mehr Frauen in den Arbeitsmarkt ein, was das nachhaltige Stillen komplizierter machte. Die Wahrnehmung, dass Säuglingsnahrung genauso sicher und effizient sei, wenn nicht sogar noch sicherer, führte zu einem Rückgang der Stillraten. Bis 1972 wurden 22 % der amerikanischen Säuglinge gestillt – ein historischer Tiefstand, verglichen mit 77 % der zwischen 1936 und 1940 Geborenen.

Heute haben sich diese Raten wieder erholt, und Ärzte sind sich weitgehend einig, dass Muttermilch die beste Ernährung für Säuglinge darstellt. Die meisten amerikanischen Babys – etwa 84 % laut Statistiken der Centers for Disease Control and Prevention – werden irgendwann gestillt. Aber nur ein Viertel wird sechs Monate lang ausschließlich mit Muttermilch ernährt, wie von der American Academy of Pediatrics und der Weltgesundheitsorganisation empfohlen.

Stillen ist nicht immer einfach. Wie Strickland erfahren hat, können Babys Schwierigkeiten haben, sich festzuhalten; manchmal produzieren die Brüste nicht genug Milch; und es kann für die Mutter entsetzlich schmerzhaft sein.

Außerdem müssen viele Mütter von Neugeborenen arbeiten, und es kann schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sein, am Arbeitsplatz zu stillen oder Milch abzupumpen. Dies ist natürlich für arme Frauen schwieriger, insbesondere in Ländern wie den Vereinigten Staaten, wo es keinen obligatorischen bezahlten Elternurlaub gibt und nur ein kleiner Prozentsatz der berufstätigen Mütter ihn von ihren Arbeitgebern erhält.

Der erste Schritt, den Strickland zur Herstellung von Muttermilch im Labor unternahm war alles andere als glamourös. Sie konnte es sich nicht leisten, menschliche Brustzelllinien zu kaufen, die Hunderte oder sogar Tausende von Dollar kosten können. Stattdessen entschied sie sich, mit Zellen von Kühen zu beginnen. Um mit ihren Experimenten zu beginnen, musste sie Zellen finden – viele Zellen – und zwar billig.

Biomilq-KonzeptAMRITA MARINO

An einem Wochenende im Februar 2014 packte Strickland eine Kühlbox, etwas Ethanol und sterile Instrumente in den Kofferraum ihres Autos, stopfte ein Bündel 20-Dollar-Scheine in ihre Tasche und fuhr die von Bäumen gesäumten Interstates in North Carolina hinunter zu Randolph Packing, einer Familie -eigenes Fleischverarbeitungsunternehmen in Asheboro, das von einem stämmigen Backsteinlager in einer Wohnstraße aus operierte.

Der Manager führte sie zum Verarbeitungsbereich, wo frisch geschlachtete Kühe an ihren Hufen aufgehängt und zur Verarbeitung über ein Förderband transportiert wurden. Sie versuchte, den Blick auf den Boden gerichtet zu halten, deutete auf das Euter einer Kuh und murmelte schwach: Das Stück hätte ich gern, bitte. Sie ging zurück in ihr provisorisches Labor, legte ein Stück Euter in eine Petrischale, übergoss es mit Aminosäuren, Vitaminen, Mineralien und Salzen und deponierte es vorsichtig in einem Inkubator.

In einer Nachricht an ihre Eltern schrieb sie am nächsten Tag: Ich war gestern im Schlachthof und habe einem Typen 20 Dollar bezahlt, damit er einer frisch geschlachteten Kuh das Euter abschneidet … Ich kann mit Sicherheit sagen, dass ich für a kein Rindfleisch essen werde während. Kam heute Morgen herein und stellte fest, dass die Zellen wachsen! Eine Kuh ist gestern Morgen gestorben, aber ein Stück von ihr lebt noch in meinem Labor!

Muttermilch stammt aus zwei Arten von Zellen in den Milchgängen und Lungenbläschen – kleine Säcke in der Brustdrüse, in denen sich Milch sammelt. Luminale Epithelzellen nehmen Nährstoffe aus dem Blutkreislauf auf und wandeln sie in Milch um. Daneben befinden sich glatte, muskelähnliche Myoepithelzellen, die die Gänge und Alveolen auskleiden. Wenn ein Säugling anfängt zu saugen, veranlasst dies die Myoepithelzellen, sich zusammenzuziehen und Milch aus den Luminalzellen durch die Milchgänge in den Mund des Babys zu drücken.

Drei Jahre lang brachte Strickland ihren Laptop in ihren winzigen gemieteten Laborraum, damit sie zwischen dem Schreiben und Bearbeiten von Aufgaben Experimente mit ihren Kuheuterzellen durchführen konnte. Ihr größter Erfolg bestand darin, die luminalen Epithelzellen davon zu überzeugen, eine durchgehende Schicht zu bilden, die die für die Milchsynthese entscheidenden Kompartimente aufrechterhalten konnte. Sie fand heraus, welche Oberflächen die gesündeste Zellteilung fördern und wie sich die Zelldichte auf deren Wachstumsrate auswirkt. Keines dieser Ergebnisse war neu, aber sie war erfreut, die Techniken zu lernen, die erforderlich sind, um schließlich zu menschlichen Zellen überzugehen.

Bis 2016 hatte Strickland kein Geld mehr und musste das Unterfangen auf Eis legen. Doch die Idee verließ sie nie.

Bis 2016 hatte Strickland kein Geld mehr und musste das Unterfangen auf Eis legen. Doch die Idee verließ sie nie. Schließlich, im Jahr 2019, als immer mehr Unternehmen für kultivierte Lebensmittel versuchten, alles von Fleisch über Fisch bis hin zu Chicken Nuggets in einem Labor herzustellen, überzeugten mehrere Freunde sie, ihren Plan wiederzubeleben.

Strickland rekrutierte zwei weitere Wissenschaftler, um mit ihr zu arbeiten. Im August 2019 wurden sie bei IndieBio aufgenommen, einem renommierten Biotech-Beschleuniger in San Francisco, der Start-ups 250.000 US-Dollar an Startfinanzierung und anderer Unterstützung gewährt. Sie kündigte ihren Job und begann Vollzeit an dem Projekt zu arbeiten.

Es gab jedoch ein Problem. Strickland und ihre beiden Partner hatten alle einen ähnlichen Hintergrund, mit umfassender wissenschaftlicher Erfahrung, aber begrenzter geschäftlicher Glaubwürdigkeit. Als sich das Team darauf vorbereitete, für vier Monate nach Kalifornien zu ziehen, wurde klar, dass sie nicht gut zusammenpassen würden.

Etwa zur gleichen Zeit stellte ein Freund Strickland Michelle Egger vor, einer Lebensmittelwissenschaftlerin Ende 20. Egger war von Milch fasziniert, seit sie als Kind in Minneapolis aufgewachsen war, wo sie einmal den zweiten Platz bei einem Jugend-Butterschnitzwettbewerb auf der Minnesota State Fair belegte. Nach dem College in Purdue bekam Egger eine Stelle in der Molkereiabteilung von General Mills, wo sie drei Jahre lang arbeitete, bevor sie sich an der Business School in Duke einschrieb. Sie war in ihrem zweiten Jahr, als sie Strickland zum ersten Mal traf.

Egger war von Stricklands Vorschlag begeistert. Die meisten Säuglingsanfangsnahrungen bestehen aus umweltintensiven Milchprodukten, für deren Herstellung und Zubereitung reichlich Wasser benötigt wird. Palmöl ist ein weiterer häufiger Inhaltsstoff. Eine Studie aus dem Jahr 2015 ergab, dass die Herstellung von einem Kilogramm Milchnahrung das Äquivalent von vier Kilogramm Kohlendioxidemissionen verursacht. Der Ansatz von Strickland hatte das Potenzial, viel effizienter zu sein.

Die Dinge waren am Anfang hart. Durch den Wechsel im Team verlor Biomilq seinen Platz bei IndieBio. Es bewarb sich um mehrere Forschungsstipendien, konnte diese jedoch nicht sichern. Besorgt darüber, dass Biomilq das Geld ausgehen könnte, begann Strickland mit ihrem alten Chef darüber zu sprechen, an den Job zurückzukehren, den sie verlassen hatte. Auch Egger begann stillschweigend mit der Stellensuche.

Biomilq stand kurz vor der Schließung, als Strickland und Egger von einer Gruppe von Investoren unter der Leitung von Breakthrough Energy Ventures, die Bill Gates gegründet hatte, um Technologien zu unterstützen, die die CO2-Emissionen reduzieren könnten, eine Finanzierung in Höhe von 3,5 Millionen US-Dollar versprochen wurden. Die Formelindustrie auf den Kopf zu stellen versprach, genau das zu tun. Als der Frühling 2020 dem Sommer wich, kam das Geld auf dem Bankkonto von Biomilq an.

Biomilq ist nicht das einzige Unternehmen, das darauf abzielt um eine neue Art von Babynahrung herzustellen. Laut Mitbegründer Max Rye hofft TurtleTree Labs in Singapur mit einem weitgehend ähnlichen Ansatz, die gesamte derzeit auf dem Markt befindliche Milch zu ersetzen. Neben anderen Projekten arbeitet das Unternehmen an der Entwicklung von Stärkungsmitteln, die Formeln zugesetzt werden können, um die Eigenschaften von Muttermilch zu duplizieren. Einige Formeln sind bereits mit synthetisch oder aus Kuhmilch gewonnenen Proteinen und Kohlenhydraten angereichert. Ein anderer Mitbegründer, Fengru Lin, erklärt, dass TurtleTree im Gegensatz zu Biomilq plant, mit der Formelindustrie zusammenzuarbeiten und hofft, seine Produkte im Jahr 2021 auf den Markt zu bringen.

Biomilq-Konzept

In der Zwischenzeit wird Helaina, ein Unternehmen mit Sitz in New York, Muttermilch durch Fermentation nachahmen. Laura Katz, die Gründerin des Unternehmens, plant, Mikroben zu verwenden, um die Bestandteile der Milch – Proteine, Kohlenhydrate und Fette – zu synthetisieren und sie dann zu einer nahrhaften Flüssigkeit zu rekombinieren. Da ähnliche Verfahren bereits die Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration für Produkte wie Impossible Burgers erhalten haben, die aus fermentiertem Sojaprotein hergestellt werden, hofft sie auf weniger regulatorische Hürden als ihre Konkurrenten. Wie Strickland und Egger treibt sie die Empörung über die fehlenden Möglichkeiten für frischgebackene Eltern.

Ich denke, das Beste, was wir tun können, ist, Frauen beim Stillen zu unterstützen, sagt Katz. Aber wenn das unmöglich ist, verdienen Mütter etwas Besseres als die aktuelle Säuglingsnahrung. Sie fügt hinzu: Ich sehe all diese Innovationen in der zellbasierten Fleischproduktion für Menschen, die nur einen Burger essen wollen, aber die Produkte, mit denen wir Babys füttern, sind in den letzten 20, 30 Jahren statisch geblieben.

Keine dieser Behauptungen wird wissenschaftlich einfach sein, teilweise weil relativ wenig über Muttermilch bekannt ist. Die meisten Studien zu menschlichen Brustepithelzellen konzentrieren sich eher auf ihre Rolle bei Brustkrebs als auf die Milchproduktion.

Die Milch selbst ist ein reichhaltiger und verwirrender Eintopf aus Tausenden von Chemikalien. Wir wissen ernährungsphysiologisch über die darin enthaltenen Proteine, Kohlenhydrate und Fette Bescheid. Wir kennen einige bestimmte bioaktive Moleküle darin, wie Oligosaccharide [komplexe Zucker, die gesunde Bakterien im Darm eines Babys ernähren], IgA [der Hauptantikörper in der Muttermilch], Gallensalz-stimulierte Lipase [ein Enzym, das die Verdauung unterstützt von Fetten] – diese Dinge, die die Leute immer als gut in der Muttermilch ansprechen, sagt Tarah Colaizy, die Forschungsdirektorin der Human Milk Banking Association of North America, die auch an der University of Iowa lehrt. Aber sie merkt an, dass Muttermilch auch kurze RNA-Stränge enthält, deren Vorhandensein erst 2010 entdeckt wurde und deren Rolle bei der Entwicklung von Säuglingen noch nicht gut verstanden ist.

Aus diesem Grund planen Strickland und Egger die Verwendung von Massenspektrometrie, einer Technik, die die Masse verschiedener Moleküle in einer Probe misst, um zu untersuchen, wie die in ihrem Produkt enthaltenen Proteine, Oligosaccharide und Fette im Vergleich zu den Bestandteilen der aus einer Brust abgepumpten Muttermilch abschneiden. Aber eine andere Herausforderung taucht noch größer auf: Wie kann man eine Substanz standardisieren, die für jede Mutter einzigartig ist.

Die Zusammensetzung der Muttermilch ändert sich mit dem Wachstum des Kindes. In den ersten Tagen nach der Geburt produzieren Mütter Kolostrum, eine dicke, gelbe, konzentrierte Milch, die mit Verbindungen wie dem Antikörper IgA und Lactoferrin, einem reichlich vorhandenen Protein, das die Immunität eines Babys stärkt, gefüllt ist. Bald wird Kolostrum durch Übergangsmilch ersetzt, die dünner ist, aber mehr Fett und Laktose enthält. Nach etwa zwei Wochen gilt die Muttermilch als reif. Aber selbst dann kann es sich im Laufe einer einzigen Fütterung in seiner Zusammensetzung ändern. Hintermilch oder die letzte in einer Brust verbliebene Milch hat einen höheren Fettgehalt als die früher produzierte Milch, weshalb Frauen oft geraten wird, eine Brust zu entleeren, bevor sie zur anderen wechselt.

Sie planen, mit schwangeren Frauen zusammenzuarbeiten, Proben ihrer Brustepithelzellen zu entnehmen und diese zu kultivieren, um individualisierte Milch für die Verwendung bei der Geburt ihrer Babys herzustellen.

Obwohl Egger und Strickland zugeben, dass sie diese Komplexität und alle Antikörper und Mikroben in der Milch einer bestimmten Frau nicht replizieren können, sagen sie, dass ihr Produkt personalisierter sein wird als das ihrer Konkurrenten. Genau wie Strickland es sich 2013 vorgestellt hat, planen sie, mit schwangeren Frauen zusammenzuarbeiten, Proben ihrer Brustepithelzellen zu entnehmen und diese zu kultivieren, um individualisierte Milch für die Verwendung bei der Geburt ihrer Babys herzustellen. Danach hoffen sie, mit Spenderzellen eine wirtschaftlichere generische Option zu schaffen. Beides, betont Egger, sei besser als Formel.

Die Biomilq-Forscher arbeiten jetzt in einem weiß getünchten Laborraum in Durham, North Carolina, den sie sich mit mehreren anderen Biotech-Startups teilen. In einem auf -80 °C (-112 °F) eingestellten Gefrierschrank lagern sie Reagenzgläser voller Zellen verschiedener Spender. Einige von ihnen, wie die einer 27-jährigen Frau, die ihr Brustgewebe nach einer Brustverkleinerungsoperation gespendet hat, wurden unsterblich gemacht – manipuliert, um sich auf unbestimmte Zeit zu vermehren.

Strickland und Egger haben bereits eine Flüssigkeit hergestellt, die sowohl Laktose als auch Kasein enthält – die wichtigsten Protein- und Zuckerverbindungen, die in Muttermilch vorkommen. Sie testen es jetzt, um zu sehen, ob sie andere Komponenten wie Oligosaccharide und Lipide erkennen können. Sie basteln derzeit an ihrer Ausrüstung und den Nährstoffen, die sie zum Züchten der Zellen verwenden, um zu sehen, welche Kombination sie der Zusammensetzung der natürlichen Muttermilch am nächsten bringt. Sie schätzen, dass es etwa zwei Jahre dauern wird, bis eine ausreichend gute Übereinstimmung gefunden ist.

Ein Freitagmorgen im September nahm Strickland ein Reagenzglas mit 3 Millionen Zellen, erwärmte es zwischen ihren Händen und verteilte den Inhalt auf einer Gewebekulturplatte aus Plastik. Ein Kollege übergoss den Teller dann mit einer warmen gelben Flüssigkeit, die 53 verschiedene Salze, Vitamine, Mineralien und Aminosäuren enthielt. Sobald die Oberfläche der Platte größtenteils mit sich duplizierenden Zellen bedeckt war, planten sie, die Zellen in einen kleinen Bioreaktor zu bringen, ein Plastikgerät mit durchsichtigen Röhren, die von seinen Seiten ausgehen und das Wachstum fördern. Nach etwa einem Monat würden die Zellen beginnen, eine der Muttermilch ähnliche Substanz abzusondern. Es gibt nur ein kleines Problem, sagt Strickland. Wir wissen noch nicht, wie wir es nennen sollen.