肌肉是驅動我們身體運動的重要組織，關於快肌（快肌纖維，白肌）的多種機制已經得到闡明，但對於支撐姿勢與日常生活的慢肌（慢肌纖維，紅肌），仍有許多未知之處。這是由於慢肌的培養曾經很困難。日本國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構（QST）高崎量子技術基礎研究所先進功能材料研究部的濱口裕貴博士研究員、大山智子上席研究員、大山廣太郎主幹研究員、田口光正項目負責人，與東京都立大學人類健康科學研究科的真鍋康子教授、藤井宣晴教授等人組成的研究團隊，利用獨創的輻射處理技術，開發出了一種可在接近體內肌肉環境中培養細胞的凝膠材料，從而成功地製備出了具有慢肌特性的培養肌肉。田口項目負責人表示：「這將推動用於預防、改善肌肉衰減的藥物開發及運動方法研究。今後，我們希望積極推進與製藥企業、健康食品公司等機構的合作研究。」相關研究成果已發表在期刊《Scientific Reports》上。
圖1．可模仿身體內部環境的QST獨創凝膠材料（供圖：QST）
圖2．在凝膠材料柔軟的凹凸上，肌肉細胞如體內的肌纖維般排列的狀態（供圖： QST）
為預防、改善慢肌的肌肉量及肌力下降而進行的藥物、功能性食品、再生醫學等的研發，需要製備出具有慢肌特性的培養肌肉，但在既往塑料製培養皿上生長出的肌肉細胞，因不呈現慢肌特性，故無法用於此類研究。
研究團隊認為，培養肌肉無法成為慢肌的原因，或許在於培養皿的硬度以及其不具備凹凸結構。
體內的細胞被以蛋白質為主要成分的凝膠所包圍，要模仿這種環境，需要使分子之間產生交聯，並製備凝膠材料。但在既往技術中，蛋白質在交聯過程中會發生變性。為此，研究團隊通過向蛋白質的水溶液照射輻射，使羥基自由基與蛋白質發生反應的方法進行交聯，從而在保留分子結構的情況下製備出凝膠。通過調整輻射的曝露，可以控制交聯程度，實現凝膠軟硬度的精密調整。此外，通過在模具內部進行交聯，可以在凝膠表面製作出微米級寬度的溝槽。
此次，研究團隊以膠原蛋白提煉後的明膠為主要成分，製備了模仿纖維形狀的凝膠材料，並在其上培養了小鼠來源的肌肉細胞。在具有10～100千帕柔軟度的多種凝膠上進行培養後發現，與收縮運動相關的MYH7以及與能量生成相關的肌蛋白等慢肌特徵性基因的表達量上升，尤其在柔軟度最高的10千帕凝膠材料中活性化最大。
此外，研究團隊製備了形成多種寬度凹凸結構的凝膠材料，其具有的凹凸寬度從比肌肉細胞細的3微米到比細胞粗的50微米不等，並探索了最適合培養肌肉生長的結構寬度。結果觀察到，在培養皿及表面平坦的凝膠材料上，肌肉細胞的朝向不一致，而在形成了凹凸結構的凝膠材料上，無論結構的寬度如何，肌肉細胞均能如肌纖維般排列。
目前市面上雖然有許多宣稱對肌肉衰減有效的健康食品及補充劑，但此前因為缺乏慢肌模型，無法進行評估。本次慢肌模型的開發，除上述用途外，還蘊藏著推動藥物研發、對EMS等電刺激療法及運動效果的評估，以及應用於移植醫療、發展為商業培養肉等諸多可能性。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Scientific Reports
論文：Combined stimuli of elasticity and microgrooves form aligned myotubes that characterize slow twitch muscles
DOI：10.1038/s41598-025-12744-7
