癌症治療的新時代

繼40年前的化療法發展之後,免疫療法被視為下一件業界大事。不同於化療和放療,免疫療法有望全面、持久地緩解和治癒各種癌症。

有一種免疫療法是基於細胞的免疫療法,它利用患者自身的免疫細胞(T細胞),經過改良能夠更好地抵抗癌症。細胞免疫療法是對T細胞進行改造,使其帶有一種專門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(簡稱CAR)的嵌合抗原受體T細胞(CAR-T細胞)。CAR-T細胞療法起初僅限於針對血癌患者的小型臨床試驗,這些試驗往往屬於實驗研究性質,而現在該療法已發展成首款獲FDA批准的針對兩種血癌的療法。

這些療法的價格相當驚人,高達數十萬美元。價格之所以如此昂貴,是因為該療法的高品質、可重複性和療效的證明涉及繁複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的T細胞從收集點運送到製備中心。在那裡,T細胞經過改造後在表面產生受體,此時細胞在這個表面能夠識別並摧毀癌細胞。新受體的編碼通過病毒載體或電穿孔嵌入到T細胞中。

隨後,在生物反應器中培養這些改造後的T細胞,使其擴增至數以億計。最後,這些經過改造的細胞被重新注入患者體內,它們能在患者體內進一步繁殖並且能殺死癌細胞。

20180918_imec_NT71P1 CAR-T細胞療法流程圖

除了生物問題(副作用、對實體腫瘤的療效、新腫瘤靶點等等),最主要的挑戰是與製備過程有關的。在患者特異性細胞療法中,由於最終產物(具有特定產物特徵的活細胞)的複雜性和起始材料(患者自身的細胞)的可變性,很難確保細胞療法產品具備應有的品質、安全性和功效。此外還涉及複雜的物流鏈:在醫院或中心抽取患者血液,將血液進行冷藏保存後運送到實驗室進行重編和製備,然後再運回去注入患者體內。不僅如此,由於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程。同時還要將商品成本控制在較低的水準,使療法價格相對低廉,更重要的是要有一套可擴展和可持續發展的製造製程。

奈米電子學創新細胞療法流程

必須克服主要挑戰,即CAR-T細胞療法流程的複雜性、週期時間和成本,這種革命性的癌症新療法才能在臨床上實施。晶片技術有助於實現這一目標。

在過去的幾十年裡,半導體產業取得了驚人的發展,有利於為終端使用者提供更大的價值,同時透過擴展而拉低成本。由此帶來的結果是全世界最高精確度的奈米電子晶片解決方案的大量生產。

Imec利用自己的半導體製程知識和基礎設施,在一次性生物晶片和微流體技術方面做出重大創新,創造了覆蓋細胞分選、單細胞電穿孔、整合生物感測器和酶法測定的晶片功能工具箱,這些功能是因應CAR-T療法挑戰的關鍵。現有的晶片展示可促進提供更智慧的離散式元件操作解決方案,以實現從患者體內分離出T細胞一直到將經過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,將會有更多患者可以獲得並受益於接下來最受期待的、足以改變人生的一種療法。

20180918_imec_NT71P2 標示了奈米電子學潛在影響(以藍色圓圈標示)的CAR-T細胞療法

Imec研發的相關晶片技術如下:

基於氣泡的射流分選技術

Imec研發出一項替代分選技術,這是一種微流體FACS技術,利用產生射流的微蒸汽泡在微流體通道裡進行高速而溫和的細胞分選。該技術結合了多項優點,包括大通量、高精度、靈活性、有保障的生物安全性和性價比。分選速度為每單個微流體通道每秒5,000個細胞,細胞分選率大於90%、純度高於99%並且活性保持。

相較於其它微流體細胞分選技術,氣泡射流分選技術屬於通用的細胞分選技術,不受細胞的大小或壓縮性等各種物理特徵限制。這種細胞分選技術在許多方面優於目前細胞療法的標準篩選方法IMS技術,具體優勢包括:支援多標記,更加緊湊和自動化,一次性成本低,不需要執行分選後的步驟。

20180918_imec_NT71P3

Imec研發的蒸汽泡射流細胞分選技術概覽。從左至右:細胞分選晶片;這種晶片的動畫細節,重點在於產生微蒸汽泡的微加熱器;在晶片上的微流體通道內進行細胞分選的圖片。

**用於單細胞電穿孔的微電極陣列 **

Imec研發出一種用於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微小電極的矽晶片,表面覆有化學物,以便和細胞培養物相容。對細胞稍微施加(通過底下的電極施加)電壓時,細胞膜就會打開,溶液中的分子則進入細胞中。這樣即可確保每個細胞都得以轉染。在這些電極中採用的電壓非常低,所以不會對細胞造成不良影響。除了低電壓之外,基於MEA的單細胞電穿孔的另一個優點在於能夠精確控制各個細胞的電穿孔參數,可以對這些參數逐一核實。這樣很有可能提高這項技術的精確度,得到轉染效果更好並且狀態良好的細胞。這將會提高得率和再現性,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。

離子感測器

在基因轉移後,必須將CAR-T細胞繁殖出數百萬個活細胞。該步驟是在生物反應器裡進行的。必須謹慎地監測和控制這些生物反應器裡的情況,這是獲得較高性價比的、穩健且統一的商業產品的關鍵。通過測量pH值、溶解氧和溶解二氧化碳等參數,可以提供關於細胞微環境的資訊。Imec研發出用於流體監測的多離子感測器,可測量pH值、氯、鈉、鉀、鈣和硝酸鹽等。這是一個通用平台,可根據具體應用而量身定做:只需更換電極上的可選膜,就能把感測器用來檢測其它離子。這些感測器在性能上現有系統,很容易批量生產,可無線連接,經過能量優化,並且體積極小。

微型無透鏡顯微鏡

在生物反應器裡對細胞進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回饋。該步驟通常由製程操作員執行,操作員從生物反應器裡取出一個樣本,然後用顯微鏡進行檢視。Imec一直在研發一種無透鏡的成像細胞儀技術,該技術可整合到微流體通道的頂部,從而可在微流體通道中進行流動細胞成像,或者對進入生物反應器壁的細胞進行成像。這種無透鏡的全息成像系統使用LED或鐳射光源和CMOS成像器來捕捉小物體衍射的光。所捕捉的衍射圖(稱為全息圖)類似於物體落在水面上產生的漣漪圖形。需要利用自訂軟體演算法將全息圖重構成與正在成像的物體類似的聚焦圖像。這是一個緊湊型解決方案,以相對低廉的價格帶來較寬視場和頗為理想的解析度。此外還研發出了一種基於機器學習的成像分析和分類管道,運用強大的分類演算法來評估圖像和區分多種特定的細胞類型。

基於波導的生物感測器測定

在工作流程的生物感測器步驟中,對細胞代謝的副產物蛋白質和酶進行分析也非常重要。基於免疫測定(主要是ELISA酶聯免疫吸附測定法)、質譜法或光譜法的現有測定技術暫時還不能線上使用,需要耗費大量精力製備樣本,並且往往在複雜的培養介質中特異性不足、蛋白背景高。Imec研發的基於光子學的免疫測定技術可以作為上述技術的替代方案。光子學技術廣為人知的應用領域之一是用於玻璃纖維內,作為更高效的資料傳輸途徑。但光子波導和其它元件還可以應用於生命科學領域。為了實現這方面的應用,imec聯手參與歐洲PIX4life專案的合作夥伴建立了一條針對可見光的氮化矽光子試產線。有一整個光子器件庫可供生命科學公司用於建造新一代光子生物晶片。利用這個光子學平台(更確切地說是利用光子波導),imec建立了一套螢光免疫測定法和一套酶比色測定法,採用這些測定法可線上監測用於CAR-T細胞擴增的生物反應器裡的相關細胞因數。

基於晶片技術的工作流程縮短治療週期

利用一種基於微流體和以晶片為主的方法,有望大大縮短週期(從T細胞篩選到融合的時間),原因包括以下幾點:(1)所有製程步驟(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)通過利用微流體,製程流程可以進行得更快速(例如利用微流體的細胞重編比傳統的重編方法快50倍);(3)晶片處理可以實現更高程度的平行化,令製程流程的速度大幅提升。

晶片技術和製藥技術的獨特合作關係可以帶來創新成果,在細胞治療領域也同樣如此。