综述：微流控如何重塑细胞治疗的未来

MEMS 2025-02-23 00:01

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近年来，过继性细胞疗法（Adoptive Cell Therapy, ACT）在癌症治疗领域展现出巨大的潜力。CAR-T细胞在白血病治疗中的卓越疗效已广为人知。同时，FDA于2024年批准了两款用于治疗实体瘤的细胞疗法，标志着细胞疗法进入新的发展阶段。然而，由于治疗依赖于病人来源的活细胞，ACT的大规模生产仍面临诸多挑战。当前的中心化生产模式在临床推广过程中受到制造工艺复杂、细胞异质性显著、高昂的生产成本以及药效不稳定等因素的制约。因此，开发创新的生产设备和工艺，以推动细胞疗法的规模化临床应用，已成为当务之急。

据麦姆斯咨询介绍，美国陈-扎克伯格研究所的王宗杰与Shana O. Kelley研究团队近期在Nature Biomedical Engineering发表了一篇题为“Microfluidic technologies for enhancing the potency, predictability, and affordability of adoptive cell therapies”的综述论文。该论文系统回顾了微流控（Microfluidics）技术在ACT细胞制备的各个环节中所发挥的变革性作用。

图1 癌症治疗的细胞疗法

ACT疗法的痛点：为何仍未普及？

尽管CAR-T细胞疗法在B细胞淋巴瘤等癌症中展现出超过50%的完全缓解率，其大规模推广仍面临三大核心挑战：（1）冗长的生产周期。现有ACT疗法涉及多个关键步骤，包括细胞富集、基因编辑、扩增以及质量检测，整个生产流程通常需时15-33天。对于进展迅速的癌症（如急性白血病），这一漫长的等待时间可能导致患者错失最佳治疗窗口。（2）细胞功能的高度异质性。扩增后的ACT细胞在不同患者体内表现出显著差异。在某些患者体内，细胞能够迅速增殖并产生良好的抗癌效果，而在另一些患者体内，同样流程扩增的细胞可能缺乏增殖能力，导致治疗失败。这种不可预测性严重影响了ACT疗法的稳定性和普适性。（3）高昂的生产成本。细胞富集、基因编辑以及大规模培养的成本极为高昂，使得一线药企研发的一剂ACT疗法费用高达37-50万美元。即使是国内研发的平替版本，价格仍需十几万人民币，这对大多数患者而言仍然是沉重的经济负担。这些挑战限制了ACT疗法的广泛应用，亟需技术突破以提高生产效率、降低成本，并增强疗效的可预测性。

微流控技术如何破解ACT生产瓶颈？

微流控技术的核心优势在于精准操控微米尺度的流体和单细胞，从而优化ACT生产中的关键步骤。目前，微流控技术已在ACT制备的四个关键环节取得重要进展。

- 细胞富集：传统的荧光激活细胞分选（FACS）和磁珠分选（MACS）在大规模细胞富集中的效率较低，且分选后的细胞存活率受限。相比之下，新型磁性微流控分选技术显著提升了富集效率（图2）。例如，BioArt先前报道的MATIC技术实现了3.2亿细胞/小时的高通量富集，为治疗所需的免疫细胞提供了高效解决方案。此外，微流控技术能够精确测量和控制纳牛顿（nN）至皮牛顿（pN）级别的生物力学应力，用于筛选最适合的CAR和TCR免疫细胞克隆。这一能力有助于选择合适的亲和力，进而提高疗效的可预测性，增强ACT细胞的抗癌效能。

图2 磁性微流控分选技术的工作原理

- 基因编辑：当前，ACT细胞的基因编辑主要依赖于病毒载体（如慢病毒和逆转录病毒），然而，这些方法存在高昂的制备成本和潜在的基因插入突变风险。相比之下，微流控转染技术（如机械穿孔和电穿孔）通过短时间改变细胞膜通透性（图3），可在几分钟内以非病毒方式完成目标基因的递送，并实现高达90%的转染效率。这一技术显著提升了基因编辑的效率、安全性和性价比，为大规模生产ACT细胞提供了更具优势的解决方案。

图3 微流控转染技术的工作原理

- 细胞培养：在传统生物反应器中扩增免疫细胞通常需要1-10L的培养基和大量的细胞因子，这进一步推高了ACT疗法的生产成本。微流控生物反应器通过精准控制细胞培养环境，能够在150 × 10⁶ cells/mL的高密度条件下高效扩增免疫细胞。此外，微流控系统可实时监测培养环境中的氧气、pH及营养物质浓度，并动态调控培养液更换，确保细胞始终处于最佳生长状态（图4）。相比传统方法，微流控生物反应器显著降低了细胞扩增的成本，同时提升了扩增速度，为ACT疗法的降本增效提供了创新解决方案。

图4 微流控生物反应器结构示意图

- 疗效预测：传统ACT依赖简单的二维共培养系统评估生产细胞的疗效。然而，这种方法已被广泛认为难以准确预测细胞在体内的实际效力。微流控系统（如器官芯片）能够在体外重建高度模拟体内环境的三维微环境，为免疫细胞提供更真实的生理条件。将生产的免疫细胞引入器官芯片，可以更精确地模拟其在体内的行为和效力，从而提高疗效预测的准确性。这一技术有助于优化ACT生产流程，确保最终产品在患者体内发挥良好的治疗效果。