浅析芯片技术在细胞治疗领域的作用

癌症治疗的新时代继40年前的化疗法发展之后，免疫疗法被视为下一件业界大事。不同于化疗和放疗，免疫疗法有望全面、持久地缓解和治愈各种癌症。有一种免疫疗法是基于细胞的免疫疗法，它利用患者自身的免疫细胞（T细胞），经过改良能够更好地抵抗癌症。细胞免疫疗法是对T细胞进行改造，使其带有一种专门与癌细胞结合的特定T细胞受体。其中最有前景的是表面带有嵌合抗原受体（简称CAR）的嵌合抗原受体T细胞（CAR-T细胞）。CAR-T细胞疗法起初仅限于针对血癌患者的小型临床试验，这些试验往往属于实验研究性质，而现在该疗法已发展成首款获FDA批准的针对两种血癌的疗法。这些疗法的价格相当惊人，高达数十万美元。价格之所以如此昂贵，是因为该疗法的高质量、可重复性和疗效的证明涉及繁复的工作流程和监管条例。

细胞疗法流程CAR-T细胞疗法利用的是患者自身的免疫系统。因此，治疗流程的第一步是抽取患者的血液（抽血通常在医院内进行），从血液中筛选白细胞，继而从中提取T细胞。下一步是将分离出来的T细胞从收集点运送到制备中心。在那里，T细胞经过改造后在表面产生受体，此时细胞在这个表面能够识别并摧毁癌细胞。新受体的编码通过病毒载体或电穿孔嵌入到T细胞中。随后，在生物反应器中培养这些改造后的T细胞，使其扩增至数以亿计。最后，这些经过改造的细胞被重新注入患者体内，它们能在患者体内进一步繁殖并且能杀死癌细胞。

CAR-T细胞疗法流程图

除了生物问题（副作用、对实体肿瘤的疗效、新肿瘤靶点等等），最主要的挑战是与制备过程有关的。在患者特异性细胞疗法中，由于最终产物（具有特定产物特征的活细胞）的复杂性和起始材料（患者自身的细胞）的可变性，很难确保细胞疗法产品具备应有的质量、安全性和功效。此外还涉及复杂的物流链：在医院或中心抽取患者血液，将血液进行冷藏保存后运送到实验室进行重编和制备，然后再运回去注入患者体内。不仅如此，由于患者的状况和病情变化的缘故，必须在较短的期限内完成上述过程。同时还要将商品成本控制在较低的水平，使疗法价格相对低廉，更重要的是要有一套可扩展和可持续发展的制造工艺。

纳电子学如何促进细胞疗法流程的创新必须克服主要挑战，即CAR-T细胞疗法流程的复杂性、周期时间和成本，这种革命性的癌症新疗法才能在临床上实施。芯片技术有助于实现这一目标。在过去的几十年里，半导体行业取得了惊人的发展，有利于为终端用户提供更大的价值，同时通过扩展而拉低成本。由此带来的结果是全世界最高精确度的纳电子芯片解决方案的大量生产。Imec利用自己的半导体工艺知识和基础设施，在一次性生物芯片硅片和微流体技术方面做出重大创新，创造了覆盖细胞分选、单细胞电穿孔、集成生物传感器和酶法测定的芯片功能工具箱，这些功能是应对CAR-T疗法挑战的关键。现有的芯片演示可促进提供更智能的分立元件操作解决方案，以实现从患者体内分离出T细胞一直到将经过治疗性修饰的细胞重新注入患者体内的完整的CAR-T疗法流程。一旦这些挑战得到解决，将会有更多患者可以获得并受益于接下来最受期待的、足以改变人生的一种疗法。

标示了纳电子学潜在影响（以蓝色圆圈标示）的CAR-T细胞疗法Imec研发的相关芯片技术列举如下：- 一项基于气泡的射流分选技术Imec研发出一项替代分选技术，这是一种微流体FACS技术，利用产生射流的微蒸汽泡在微流体通道里进行高速而温和的细胞分选。该技术结合了多项优点，包括大通量、高精度、灵活性、有保障的生物安全性和性价比。分选速度为每单个微流体通道每秒5000个细胞，细胞分选得率大于90%、纯度高于99%并且活性保持。和其它微流体细胞分选技术相比，气泡射流分选技术属于通用的细胞分选技术，不受细胞的大小或压缩性等各种物理特征限制。这种细胞分选技术在许多方面优于目前细胞疗法的标准筛选方法IMS技术，具体优势包括：支持多标记，更加紧凑和自动化，一次性成本低，不需要执行分选后的步骤。

Imec研发的蒸汽泡射流细胞分选技术概览。从左至右：细胞分选芯片；这种芯片的动画细节，重点在于产生微蒸汽泡的微加热器；在芯片上的微流体通道内进行细胞分选的图片。- 一种用于单细胞电穿孔的微电极阵列Imec研发出一种用于单细胞电穿孔的特大规模的微电极阵列。这些阵列是带有数千个微小电极的硅芯片，表面覆有化学物，以便和细胞培养物相容。对细胞稍微施加（通过底下的电极施加）电压时，细胞膜就会打开，溶液中的分子则进入细胞中。这样即可确保每个细胞都得以转染。在这些电极中采用的电压非常低，所以不会对细胞造成不良影响。除了低电压之外，基于MEA的单细胞电穿孔的另一个优点在于能够精确控制各个细胞的电穿孔参数，可以对这些参数逐一核实。

这样很有可能提高这项技术的精确度，得到转染效果更好并且状态良好的细胞。这将会提高得率和再现性，最大程度降低潜在毒效应，提高细胞疗法对患者的最终疗效。- 离子传感器在基因转移后，必须将CAR-T细胞繁殖出数百万个活细胞。该步骤是在生物反应器里进行的。必须谨慎地监测和控制这些生物反应器里的情况，这是获得较高性价比的、稳健且统一的商业产品的关键。通过测量pH值、溶解氧和溶解二氧化碳等参数，可以提供关于细胞微环境的信息。

Imec研发出用于流体监测的多离子传感器，可测量pH值、氯、钠、钾、钙和硝酸盐等。这是一个通用平台，可根据具体应用而量身定做：只需更换电极上的可选膜，就能把传感器用来检测其它离子。这些传感器在性能上现有系统，很容易批量生产，可无线连接，经过能量优化，并且体积极小。- 微型无透镜显微镜在生物反应器里对细胞进行目视检查也是不可或缺的步骤，这是为了针对细胞的活性和整体状况获得直接的反馈。该步骤通常由工艺操作员执行，操作员从生物反应器里取出一个样本，然后用显微镜进行检视。

Imec一直在研发一种无透镜的成像细胞仪技术，该技术可集成到微流体通道的顶部，从而可在微流体通道中进行流动细胞成像，或者对进入生物反应器壁的细胞进行成像。这种无透镜的全息成像系统使用LED或激光光源和CMOS成像器来捕捉小物体衍射的光。所捕捉的衍射图（称为全息图）类似于物体落在水面上产生的涟漪图形。需要利用自定义软件算法将全息图重构成与正在成像的物体类似的聚焦图像。

这是一个紧凑型解决方案，以相对低廉的价格带来较宽视场和颇为理想的分辨率。此外还研发出了一种基于机器学习的成像分析和分类管道，运用强大的分类算法来评估图像和区分多种特定的细胞类型。- 基于波导的生物传感器测定在工作流程的生物传感器步骤中，对细胞代谢的副产物蛋白质和酶进行分析也非常重要。基于免疫测定（主要是ELISA酶联免疫吸附测定法）、质谱法或光谱法的现有测定技术暂时还不能在线使用，需要耗费大量精力制备样本，并且往往在复杂的培养介质中特异性不足、蛋白背景高。

Imec研发的基于光子学的免疫测定技术可以作为上述技术的替代方案。光子学技术广为人知的应用领域之一是用于玻璃纤维内，作为更高效的数据传输途径。但光子波导和其它器件还可以应用于生命科学领域。为了实现这方面的应用，imec联同参与欧洲PIX4life项目的合作伙伴建立了一条针对可见光的氮化硅光子试产线。有一整个光子器件库可供生命科学公司用于建造新一代光子生物芯片。利用这个光子学平台（更确切地说是利用光子波导），imec建立了一套荧光免疫测定法和一套酶比色测定法，采用这些测定法可在线监测用于CAR-T细胞扩增的生物反应器里的相关细胞因子。

利用以芯片为主的工作流程节约时间和拯救生命利用一种基于微流体和以芯片为主的方法，有望大大缩短周期（从T细胞筛选到融合的时间），原因包括以下几点：

(1)所有工艺步骤（筛选、电穿孔）准确执行，因此从同等血量中获得的CAR T细胞得率更高；此外，还消除了如今临床试验中存在的疗效和毒性方面的差异；

(2)通过利用微流体，工艺流程可以进行得更快速（例如利用微流体的细胞重编比传统的重编方法快50倍）；

(3)芯片处理可以实现更高程度的平行化，令工艺流程的速度大幅提升。芯片技术和制药技术的独特合作关系可以带来创新成果，在细胞治疗领域也同样如此。