据麦姆斯咨询报道，近日，世界领先的纳米电子、数字技术研究和创新中心imec联合奥地利早期技术初创公司Sarcura GmbH（以下简称“Sarcura”），展示了基于集成光子学的片上流式细胞仪的概念验证。相关论文以“On-chip flow cytometer using integrated photonics for the detection of human leukocytes”为题发表在自然出版集团（Nature Publishing Group）旗下的《科学报告》（Scientific Reports）期刊上，这项创新为检测和区分人体白细胞提供了一个独特的平台，标志着细胞分析向经济高效、可扩展和高度并行化等方面迈出了重要的一步。
片上流式细胞仪示意图
对人体细胞的准确识别是现代医学的一项关键工作，对于理解疾病机制、推进靶向和个性化治疗至关重要。随着细胞制造技术的出现，特别是在癌症的CAR-T免疫细胞治疗方法等开创性疗法中，活细胞可以被设计改造用于治疗。在复杂的细胞产品中，高通量识别这些治疗细胞的能力至关重要，同时识别的效率也是一个关键点。
目前，常用的方法是流式细胞术，它可以根据单个细胞流过激光时的物理和化学特性来表征细胞群。然而，该实施中涉及笨重的仪器、复杂的手动工作流程（有污染的风险）和高运营成本。这些挑战阻碍了细胞疗法在分散环境中的广泛应用。
片上流式细胞仪图片
为了解决这些限制，imec利用其在CMOS技术、光子学和应用流体学方面的专业知识来实现流式细胞术的自动化、小型化和并行化。在《科学报告》上发表的论文中，imec与Sarcura联合推出了一款基于集成光子学的片上流式细胞仪。该光流控芯片在imec的200mm CMOS试验线上制造而成，具有开创性的材料堆栈，可通过波导光学元件改善细胞照明和捕获散射光，并使用微流控通道精确地将细胞递送到检测点。
（左）芯片层堆叠的示意图，表明光耦合到芯片、细胞照明，以及细胞散射信号的收集和检测；（右）用片上流式细胞仪测量全外周血单个核细胞（PBMC）样本的实验散点图
Sarcura首席执行官（CEO）兼联合创始人Daniela Buchmayr表示：“硅光子学是一种革命性的、必不可少的构建模块，正如在这种新型光子学芯片中成功展示的那样，它将单细胞检测能力与大规模并行化结合在一起，使体积大幅度缩小。这一突破为解决细胞疗法等应用领域未得到解决的挑战开辟了新的可能性。”
照明光束轮廓
imec科学总监Niels Verellen说：“我们首次证明了单片集成生物光子学芯片可用于收集光的散射信号，从而可以从患者血液样本中区分淋巴细胞和单核细胞，其性能可与商用血细胞仪相媲美。其主要优势在于多流通道的密集并行化，从而提高系统吞吐量。”在下一阶段，这种紧凑的、无需对齐的设计应该能够在有限的时间内识别出数十亿个细胞。
至关重要的是，该芯片架构与imec先前开发的气泡喷射细胞分选模块无缝集成，兼容晶圆级制造工艺。此外，光子元件和布局可定制，以适应特定的应用。因此，这一概念验证标志着向经济高效、可扩展和高度并行化的细胞分选平台迈出了实质性的一步。
关于Sarcura
Sarcura是一家总部位于奥地利的早期技术初创公司，为细胞疗法提供了新的可能性。虽然细胞疗法已经彻底改变了癌症治疗策略，但制造患者衍生的细胞疗法仍然是该行业面临的重大挑战。质量和可扩展方面的问题导致高昂的治疗成本，使挽救生命的治疗机会受限。Sarcura通过利用硅光子芯片技术，旨在开发一款小型化且自主化的细胞治疗制造平台。这一创新预计将使制造能力提高100倍，成本降低90%，使先进的细胞疗法更容易获得且负担得起。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-024-60708-0
