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。
图5 用于评估和预测治疗效力的微生理系统
结论和展望
微流控技术在厘米乃至毫米尺度的器件上展现出超越传统仪器的效能，正在为细胞疗法的制备和优化带来革命性的变革。目前，已有多种基于微流控系统的细胞疗法进入I/II期临床试验，例如Miltenyi Biotech的MACSQuant Tyto以及CTRL Therapeutics的IsoQore。
随着微流控技术的不断成熟与商业化，可以预见：
- 去中心化、点对点细胞治疗制造将成为现实，大多数患者有望在几天甚至当天获得个性化的细胞疗法。
- 微流控技术结合本地化人工智能模型，将大幅提升细胞疗法疗效的预测能力，使治疗更具可控性和个体化。
- ACT疗法在自身免疫疾病领域的应用将不断拓展，有望用于1型糖尿病等疾病的治疗，为更多患者提供创新性解决方案。
综上所述，借助微流控技术的突破，ACT终将从“昂贵且不可预测”迈向“普惠且精准”，真正造福癌症及自身免疫疾病患者。
https://doi.org/10.1038/s41551-024-01315-2
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