淺析芯片技術(shù)在細胞治療領(lǐng)域的作用

　　癌癥治療的新時(shí)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胞的免疫療法，它利用患者自身的免疫細胞(T細胞)，經(jīng)過(guò)改良能夠更好地抵抗癌癥。細胞免疫療法是對T細胞進(jìn)行改造，使其帶有一種專(zhuān)門(mén)與癌細胞結合的特定T細胞受體。其中最有前景的是表面帶有嵌合抗原受體(簡(jiǎn)稱(chēng)CAR)的嵌合抗原受體T細胞(CAR-T細胞)。CAR-T細胞療法起初僅限于針對血癌患者的小型臨床試驗，這些試驗往往屬于實(shí)驗研究性質(zhì)，而現在該療法已發(fā)展成首款獲FDA批準的針對兩種血癌的療法。這些療法的價(jià)格相當驚人，高達數十萬(wàn)美元。價(jià)格之所以如此昂貴，是因為該療法的高質(zhì)量、可重復性和療效的證明涉及繁復的工作流程和監管條例。

　　細胞療法流程CAR-T細胞療法利用的是患者自身的免疫系統。因此，治療流程的第一步是抽取患者的血液(抽血通常在醫院內進(jìn)行)，從血液中篩選白細胞，繼而從中提取T細胞。下一步是將分離出來(lái)的T細胞從收集點(diǎn)運送到制備中心。在那里，T細胞經(jīng)過(guò)改造后在表面產(chǎn)生受體，此時(shí)細胞在這個(gè)表面能夠識別并摧毀癌細胞。新受體的編碼通過(guò)病毒載體或電穿孔嵌入到T細胞中。隨后，在生物反應器中培養這些改造后的T細胞，使其擴增至數以?xún)|計。最后，這些經(jīng)過(guò)改造的細胞被重新注入患者體內，它們能在患者體內進(jìn)一步繁殖并且能殺死癌細胞。
 

　　除了生物問(wèn)題(副作用、對實(shí)體腫瘤的療效、新腫瘤靶點(diǎn)等等)，最主要的挑戰是與制備過(guò)程有關(guān)的。在患者特異性細胞療法中，由于最終產(chǎn)物(具有特定產(chǎn)物特征的活細胞)的復雜性和起始材料(患者自身的細胞)的可變性，很難確保細胞療法產(chǎn)品具備應有的質(zhì)量、安全性和功效。此外還涉及復雜的物流鏈：在醫院或中心抽取患者血液，將血液進(jìn)行冷藏保存后運送到實(shí)驗室進(jìn)行重編和制備，然后再運回去注入患者體內。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完成上述過(guò)程。同時(shí)還要將商品成本控制在較低的水平，使療法價(jià)格相對低廉，更重要的是要有一套可擴展和可持續發(fā)展的制造工藝。

　　納電子學(xué)如何促進(jìn)細胞療法流程的創(chuàng )新必須克服主要挑戰，即CAR-T細胞療法流程的復雜性、周期時(shí)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)現這一目標。在過(guò)去的幾十年里，半導體行業(yè)取得了驚人的發(fā)展，有利于為終端用戶(hù)提供更大的價(jià)值，同時(shí)通過(guò)擴展而拉低成本。由此帶來(lái)的結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利用自己的半導體工藝知識和基礎設施，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 )造了覆蓋細胞分選、單細胞電穿孔、集成生物傳感器和酶法測定的芯片功能工具箱，這些功能是應對CAR-T療法挑戰的關(guān)鍵?，F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)現從患者體內分離出T細胞一直到將經(jīng)過(guò)治療性修飾的細胞重新注入患者體內的完整的CAR-T療法流程。一旦這些挑戰得到解決，將會(huì )有更多患者可以獲得并受益于接下來(lái)最受期待的、足以改變人生的一種療法。
 

　　標示了納電子學(xué)潛在影響的CAR-T細胞療法Imec研發(fā)的相關(guān)芯片技術(shù)列舉如下：- 一項基于氣泡的射流分選技術(shù)Imec研發(fā)出一項替代分選技術(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)行高速而溫和的細胞分選。該技術(shù)結合了多項優(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?xún)r(jià)比。分選速度為每單個(gè)微流體通道每秒5000個(gè)細胞，細胞分選得率大于90%、純度高于99%并且活性保持。和其它微流體細胞分選技術(shù)相比，氣泡射流分選技術(shù)屬于通用的細胞分選技術(shù)，不受細胞的大小或壓縮性等各種物理特征限制。這種細胞分選技術(shù)在許多方面優(yōu)于目前細胞療法的標準篩選方法IMS技術(shù)，具體優(yōu)勢包括：支持多標記，更加緊湊和自動(dòng)化，一次性成本低，不需要執行分選后的步驟。

　　Imec研發(fā)的蒸汽泡射流細胞分選技術(shù)概覽。從左至右：細胞分選芯片;這種芯片的動(dòng)畫(huà)細節，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進(jìn)行細胞分選的圖片。- 一種用于單細胞電穿孔的微電極陣列Imec研發(fā)出一種用于單細胞電穿孔的特大規模的微電極陣列。這些陣列是帶有數千個(gè)微小電極的硅芯片，表面覆有化學(xué)物，以便和細胞培養物相容。對細胞稍微施加(通過(guò)底下的電極施加)電壓時(shí)，細胞膜就會(huì )打開(kāi)，溶液中的分子則進(jìn)入細胞中。這樣即可確保每個(gè)細胞都得以轉染。在這些電極中采用的電壓非常低，所以不會(huì )對細胞造成不良影響。除了低電壓之外，基于MEA的單細胞電穿孔的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確控制各個(gè)細胞的電穿孔參數，可以對這些參數逐一核實(shí)。

　　這樣很有可能提高這項技術(shù)的精確度，得到轉染效果更好并且狀態(tài)良好的細胞。這將會(huì )提高得率和再現性，最大程度降低潛在毒效應，提高細胞療法對患者的最終療效。- 離子傳感器在基因轉移后，必須將CAR-T細胞繁殖出數百萬(wàn)個(gè)活細胞。該步驟是在生物反應器里進(jìn)行的。必須謹慎地監測和控制這些生物反應器里的情況，這是獲得較高性?xún)r(jià)比的、穩健且統一的商業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵。通過(guò)測量pH值、溶解氧和溶解二氧化碳等參數，可以提供關(guān)于細胞微環(huán)境的信息。
 

　　Imec研發(fā)出用于流體監測的多離子傳感器，可測量pH值、氯、鈉、鉀、鈣和硝酸鹽等。這是一個(gè)通用平臺，可根據具體應用而量身定做：只需更換電極上的可選膜，就能把傳感器用來(lái)檢測其它離子。這些傳感器在性能上現有系統，很容易批量生產(chǎn)，可無(wú)線(xiàn)連接，經(jīng)過(guò)能量?jì)?yōu)化，并且體積極小。- 微型無(wú)透鏡顯微鏡在生物反應器里對細胞進(jìn)行目視檢查也是不可或缺的步驟，這是為了針對細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行，操作員從生物反應器里取出一個(gè)樣本，然后用顯微鏡進(jìn)行檢視。

　　Imec一直在研發(fā)一種無(wú)透鏡的成像細胞儀技術(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(dòng)細胞成像，或者對進(jìn)入生物反應器壁的細胞進(jìn)行成像。這種無(wú)透鏡的全息成像系統使用LED或激光光源和CMOS成像器來(lái)捕捉小物體衍射的光。所捕捉的衍射圖(稱(chēng)為全息圖)類(lèi)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成與正在成像的物體類(lèi)似的聚焦圖像。

　　這是一個(gè)緊湊型解決方案，以相對低廉的價(jià)格帶來(lái)較寬視場(chǎng)和頗為理想的分辨率。此外還研發(fā)出了一種基于機器學(xué)習的成像分析和分類(lèi)管道，運用強大的分類(lèi)算法來(lái)評估圖像和區分多種特定的細胞類(lèi)型。- 基于波導的生物傳感器測定在工作流程的生物傳感器步驟中，對細胞代謝的副產(chǎn)物蛋白質(zhì)和酶進(jìn)行分析也非常重要?；诿庖邷y定(主要是ELISA酶聯(lián)免疫吸附測定法)、質(zhì)譜法或光譜法的現有測定技術(shù)暫時(shí)還不能在線(xiàn)使用，需要耗費大量精力制備樣本，并且往往在復雜的培養介質(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)廣為人知的應用領(lǐng)域之一是用于玻璃纖維內，作為更高效的數據傳輸途徑。但光子波導和其它器件還可以應用于生命科學(xué)領(lǐng)域。為了實(shí)現這方面的應用，imec聯(lián)同參與歐洲PIX4life項目的合作伙伴建立了一條針對可見(jiàn)光的氮化硅光子試產(chǎn)線(xiàn)。有一整個(gè)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(gè)光子學(xué)平臺(更確切地說(shuō)是利用光子波導)，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(xiàn)監測用于CAR-T細胞擴增的生物反應器里的相關(guān)細胞因子。

　　利用以芯片為主的工作流程節約時(shí)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細胞篩選到融合的時(shí)間)，原因包括以下幾點(diǎn)：

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

　　(2)通過(guò)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胞重編比傳統的重編方法快50倍);

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

　　小結分享

　　賽億方案十三年電子產(chǎn)品硬件及嵌入式軟件開(kāi)發(fā)設計經(jīng)驗，累計開(kāi)發(fā)產(chǎn)品電子應用設計完成5000多個(gè)方案設計;目前為客戶(hù)提供理念超前的手機APP開(kāi)發(fā)、智能家居系統、電子技術(shù)、電子線(xiàn)路設計、PCB設計、電路板設計、單片機技術(shù)、智能控制、嵌入式系統等。如有產(chǎn)品方案開(kāi)發(fā)意向，期待您的來(lái)訪(fǎng)。