淺析芯片技術(shù)在細(xì)胞治療領(lǐng)域的作用

癌癥治療的新時代繼40年前的化療法發(fā)展之后，免疫療法被視為下一件業(yè)界大事。不同于化療和放療，免疫療法有望全面、持久地緩解和治愈各種癌癥。有一種免疫療法是基于細(xì)胞的免疫療法，它利用患者自身的免疫細(xì)胞（T細(xì)胞），經(jīng)過改良能夠更好地抵抗癌癥。細(xì)胞免疫療法是對T細(xì)胞進(jìn)行改造，使其帶有一種專門與癌細(xì)胞結(jié)合的特定T細(xì)胞受體。其中最有前景的是表面帶有嵌合抗原受體（簡稱CAR）的嵌合抗原受體T細(xì)胞（CAR-T細(xì)胞）。CAR-T細(xì)胞療法起初僅限于針對血癌患者的小型臨床試驗(yàn)，這些試驗(yàn)往往屬于實(shí)驗(yàn)研究性質(zhì)，而現(xiàn)在該療法已發(fā)展成首款獲FDA批準(zhǔn)的針對兩種血癌的療法。這些療法的價格相當(dāng)驚人，高達(dá)數(shù)十萬美元。價格之所以如此昂貴，是因?yàn)樵摨煼ǖ母哔|(zhì)量、可重復(fù)性和療效的證明涉及繁復(fù)的工作流程和監(jiān)管條例。

細(xì)胞療法流程CAR-T細(xì)胞療法利用的是患者自身的免疫系統(tǒng)。因此，治療流程的第一步是抽取患者的血液（抽血通常在醫(yī)院內(nèi)進(jìn)行），從血液中篩選白細(xì)胞，繼而從中提取T細(xì)胞。下一步是將分離出來的T細(xì)胞從收集點(diǎn)運(yùn)送到制備中心。在那里，T細(xì)胞經(jīng)過改造后在表面產(chǎn)生受體，此時細(xì)胞在這個表面能夠識別并摧毀癌細(xì)胞。新受體的編碼通過病毒載體或電穿孔嵌入到T細(xì)胞中。隨后，在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)這些改造后的T細(xì)胞，使其擴(kuò)增至數(shù)以億計(jì)。最后，這些經(jīng)過改造的細(xì)胞被重新注入患者體內(nèi)，它們能在患者體內(nèi)進(jìn)一步繁殖并且能殺死癌細(xì)胞。

CAR-T細(xì)胞療法流程圖

除了生物問題（副作用、對實(shí)體腫瘤的療效、新腫瘤靶點(diǎn)等等），最主要的挑戰(zhàn)是與制備過程有關(guān)的。在患者特異性細(xì)胞療法中，由于最終產(chǎn)物（具有特定產(chǎn)物特征的活細(xì)胞）的復(fù)雜性和起始材料（患者自身的細(xì)胞）的可變性，很難確保細(xì)胞療法產(chǎn)品具備應(yīng)有的質(zhì)量、安全性和功效。此外還涉及復(fù)雜的物流鏈：在醫(yī)院或中心抽取患者血液，將血液進(jìn)行冷藏保存后運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重編和制備，然后再運(yùn)回去注入患者體內(nèi)。不僅如此，由于患者的狀況和病情變化的緣故，必須在較短的期限內(nèi)完成上述過程。同時還要將商品成本控制在較低的水平，使療法價格相對低廉，更重要的是要有一套可擴(kuò)展和可持續(xù)發(fā)展的制造工藝。

納電子學(xué)如何促進(jìn)細(xì)胞療法流程的創(chuàng)新必須克服主要挑戰(zhàn)，即CAR-T細(xì)胞療法流程的復(fù)雜性、周期時間和成本，這種革命性的癌癥新療法才能在臨床上實(shí)施。芯片技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在過去的幾十年里，半導(dǎo)體行業(yè)取得了驚人的發(fā)展，有利于為終端用戶提供更大的價值，同時通過擴(kuò)展而拉低成本。由此帶來的結(jié)果是全世界最高精確度的納電子芯片解決方案的大量生產(chǎn)。Imec利用自己的半導(dǎo)體工藝知識和基礎(chǔ)設(shè)施，在一次性生物芯片硅片和微流體技術(shù)方面做出重大創(chuàng)新，創(chuàng)造了覆蓋細(xì)胞分選、單細(xì)胞電穿孔、集成生物傳感器和酶法測定的芯片功能工具箱，這些功能是應(yīng)對CAR-T療法挑戰(zhàn)的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的芯片演示可促進(jìn)提供更智能的分立元件操作解決方案，以實(shí)現(xiàn)從患者體內(nèi)分離出T細(xì)胞一直到將經(jīng)過治療性修飾的細(xì)胞重新注入患者體內(nèi)的完整的CAR-T療法流程。一旦這些挑戰(zhàn)得到解決，將會有更多患者可以獲得并受益于接下來最受期待的、足以改變?nèi)松囊环N療法。

標(biāo)示了納電子學(xué)潛在影響（以藍(lán)色圓圈標(biāo)示）的CAR-T細(xì)胞療法Imec研發(fā)的相關(guān)芯片技術(shù)列舉如下：- 一項(xiàng)基于氣泡的射流分選技術(shù)Imec研發(fā)出一項(xiàng)替代分選技術(shù)，這是一種微流體FACS技術(shù)，利用產(chǎn)生射流的微蒸汽泡在微流體通道里進(jìn)行高速而溫和的細(xì)胞分選。該技術(shù)結(jié)合了多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，包括大通量、高精度、靈活性、有保障的生物安全性和性價比。分選速度為每單個微流體通道每秒5000個細(xì)胞，細(xì)胞分選得率大于90%、純度高于99%并且活性保持。和其它微流體細(xì)胞分選技術(shù)相比，氣泡射流分選技術(shù)屬于通用的細(xì)胞分選技術(shù)，不受細(xì)胞的大小或壓縮性等各種物理特征限制。這種細(xì)胞分選技術(shù)在許多方面優(yōu)于目前細(xì)胞療法的標(biāo)準(zhǔn)篩選方法IMS技術(shù)，具體優(yōu)勢包括：支持多標(biāo)記，更加緊湊和自動化，一次性成本低，不需要執(zhí)行分選后的步驟。

Imec研發(fā)的蒸汽泡射流細(xì)胞分選技術(shù)概覽。從左至右：細(xì)胞分選芯片；這種芯片的動畫細(xì)節(jié)，重點(diǎn)在于產(chǎn)生微蒸汽泡的微加熱器；在芯片上的微流體通道內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞分選的圖片。- 一種用于單細(xì)胞電穿孔的微電極陣列Imec研發(fā)出一種用于單細(xì)胞電穿孔的特大規(guī)模的微電極陣列。這些陣列是帶有數(shù)千個微小電極的硅芯片，表面覆有化學(xué)物，以便和細(xì)胞培養(yǎng)物相容。對細(xì)胞稍微施加（通過底下的電極施加）電壓時，細(xì)胞膜就會打開，溶液中的分子則進(jìn)入細(xì)胞中。這樣即可確保每個細(xì)胞都得以轉(zhuǎn)染。在這些電極中采用的電壓非常低，所以不會對細(xì)胞造成不良影響。除了低電壓之外，基于MEA的單細(xì)胞電穿孔的另一個優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確控制各個細(xì)胞的電穿孔參數(shù)，可以對這些參數(shù)逐一核實(shí)。

這樣很有可能提高這項(xiàng)技術(shù)的精確度，得到轉(zhuǎn)染效果更好并且狀態(tài)良好的細(xì)胞。這將會提高得率和再現(xiàn)性，最大程度降低潛在毒效應(yīng)，提高細(xì)胞療法對患者的最終療效。- 離子傳感器在基因轉(zhuǎn)移后，必須將CAR-T細(xì)胞繁殖出數(shù)百萬個活細(xì)胞。該步驟是在生物反應(yīng)器里進(jìn)行的。必須謹(jǐn)慎地監(jiān)測和控制這些生物反應(yīng)器里的情況，這是獲得較高性價比的、穩(wěn)健且統(tǒng)一的商業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵。通過測量pH值、溶解氧和溶解二氧化碳等參數(shù)，可以提供關(guān)于細(xì)胞微環(huán)境的信息。

Imec研發(fā)出用于流體監(jiān)測的多離子傳感器，可測量pH值、氯、鈉、鉀、鈣和硝酸鹽等。這是一個通用平臺，可根據(jù)具體應(yīng)用而量身定做：只需更換電極上的可選膜，就能把傳感器用來檢測其它離子。這些傳感器在性能上現(xiàn)有系統(tǒng)，很容易批量生產(chǎn)，可無線連接，經(jīng)過能量優(yōu)化，并且體積極小。- 微型無透鏡顯微鏡在生物反應(yīng)器里對細(xì)胞進(jìn)行目視檢查也是不可或缺的步驟，這是為了針對細(xì)胞的活性和整體狀況獲得直接的反饋。該步驟通常由工藝操作員執(zhí)行，操作員從生物反應(yīng)器里取出一個樣本，然后用顯微鏡進(jìn)行檢視。

Imec一直在研發(fā)一種無透鏡的成像細(xì)胞儀技術(shù)，該技術(shù)可集成到微流體通道的頂部，從而可在微流體通道中進(jìn)行流動細(xì)胞成像，或者對進(jìn)入生物反應(yīng)器壁的細(xì)胞進(jìn)行成像。這種無透鏡的全息成像系統(tǒng)使用LED或激光光源和CMOS成像器來捕捉小物體衍射的光。所捕捉的衍射圖（稱為全息圖）類似于物體落在水面上產(chǎn)生的漣漪圖形。需要利用自定義軟件算法將全息圖重構(gòu)成與正在成像的物體類似的聚焦圖像。

這是一個緊湊型解決方案，以相對低廉的價格帶來較寬視場和頗為理想的分辨率。此外還研發(fā)出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的成像分析和分類管道，運(yùn)用強(qiáng)大的分類算法來評估圖像和區(qū)分多種特定的細(xì)胞類型。- 基于波導(dǎo)的生物傳感器測定在工作流程的生物傳感器步驟中，對細(xì)胞代謝的副產(chǎn)物蛋白質(zhì)和酶進(jìn)行分析也非常重要。基于免疫測定（主要是ELISA酶聯(lián)免疫吸附測定法）、質(zhì)譜法或光譜法的現(xiàn)有測定技術(shù)暫時還不能在線使用，需要耗費(fèi)大量精力制備樣本，并且往往在復(fù)雜的培養(yǎng)介質(zhì)中特異性不足、蛋白背景高。

Imec研發(fā)的基于光子學(xué)的免疫測定技術(shù)可以作為上述技術(shù)的替代方案。光子學(xué)技術(shù)廣為人知的應(yīng)用領(lǐng)域之一是用于玻璃纖維內(nèi)，作為更高效的數(shù)據(jù)傳輸途徑。但光子波導(dǎo)和其它器件還可以應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)這方面的應(yīng)用，imec聯(lián)同參與歐洲PIX4life項(xiàng)目的合作伙伴建立了一條針對可見光的氮化硅光子試產(chǎn)線。有一整個光子器件庫可供生命科學(xué)公司用于建造新一代光子生物芯片。利用這個光子學(xué)平臺（更確切地說是利用光子波導(dǎo)），imec建立了一套熒光免疫測定法和一套酶比色測定法，采用這些測定法可在線監(jiān)測用于CAR-T細(xì)胞擴(kuò)增的生物反應(yīng)器里的相關(guān)細(xì)胞因子。

利用以芯片為主的工作流程節(jié)約時間和拯救生命利用一種基于微流體和以芯片為主的方法，有望大大縮短周期（從T細(xì)胞篩選到融合的時間），原因包括以下幾點(diǎn)：

(1)所有工藝步驟（篩選、電穿孔）準(zhǔn)確執(zhí)行，因此從同等血量中獲得的CAR T細(xì)胞得率更高；此外，還消除了如今臨床試驗(yàn)中存在的療效和毒性方面的差異；

(2)通過利用微流體，工藝流程可以進(jìn)行得更快速（例如利用微流體的細(xì)胞重編比傳統(tǒng)的重編方法快50倍）；

(3)芯片處理可以實(shí)現(xiàn)更高程度的平行化，令工藝流程的速度大幅提升。芯片技術(shù)和制藥技術(shù)的獨(dú)特合作關(guān)系可以帶來創(chuàng)新成果，在細(xì)胞治療領(lǐng)域也同樣如此。