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微流體生物反應(yīng)器靶細(xì)胞快速控制傳感平臺(tái)

一、研究背景

免疫療法利用基因工程 T 細(xì)胞表達(dá)嵌合抗原受體（CAR）和 T 細(xì)胞受體（TCR）對(duì)抗癌細(xì)胞，成為個(gè)性化癌癥治療的有前途策略。然而，當(dāng)前免疫治療中 CAR – T 細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增依賴封閉生物反應(yīng)器和手動(dòng)質(zhì)量控制，存在耗時(shí)、勞動(dòng)密集、昂貴且易出錯(cuò)的問題，且生物反應(yīng)器在擴(kuò)增階段不可接近，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，質(zhì)量控制只能在過程結(jié)束時(shí)進(jìn)行，可能導(dǎo)致資源損失和時(shí)間浪費(fèi)，因此急需實(shí)時(shí)決策工具。芯片實(shí)驗(yàn)室（LoC）設(shè)備因能自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室操作、減少生物樣品和試劑用量，成為集成質(zhì)量控制功能的潛在解決方案。

二、材料和方法

材料：采用具有光學(xué)表面質(zhì)量（表面粗糙度Ra<5nm）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基材和玻璃基板分別制造微流體和傳感模塊，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄層粘合兩種材料。實(shí)驗(yàn)試劑包括磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）溶液、乙醇、Dulbecco 改良 Eagle 培養(yǎng)基（DMEM）等，永生化前列腺癌細(xì)胞（PC 3）在特定條件下培養(yǎng)，使用抗 EpCAM 抗體功能化的金納米顆粒（AuNP）標(biāo)記 PC 3 細(xì)胞。

方法

設(shè)備制造：檢測(cè)平臺(tái)由 PMMA 底物上的微流體模塊和玻璃基板上的傳感模塊通過 PDMS 層結(jié)合而成。微流體通道為 Y 形，有兩個(gè)入口，用于注入細(xì)胞培養(yǎng)基和載體流體，主臂長(zhǎng) 10 毫米，寬 300μm，深 200μm 。通過激光光刻在玻璃基板上制造兩個(gè)金微電極，排列在微流體通道底部，傳感元件部分的手指電極間距約 40μm，另一端為墊形并微焊到傳感器集成電路板用于 QVAR 檢測(cè)。

電子器件：系統(tǒng)電子核心是意法半導(dǎo)體的商用電容傳感器 ILPS22QS，用于壓力、溫度和電容測(cè)量，能對(duì)輸出電壓采樣數(shù)字化，電荷變化測(cè)量（QVAR）是核心。傳感器通過額外電路與外部環(huán)境連接，由安裝在原型板上的微控制器 STM32L476RG 本地管理。

軟件：開發(fā)的軟件包括 STM32L476RG 微控制器中的軟件，用于控制傳感器、設(shè)置輸出數(shù)據(jù)速率、讀取電壓值并發(fā)送時(shí)間戳到外部 PC，傳感器和 MCU 通過 I2C 接口通信，數(shù)據(jù)通過 UART 協(xié)議傳輸?shù)?MATLAB 用戶界面進(jìn)行存儲(chǔ)和后處理。

圖1.檢測(cè)平臺(tái)的組成(a)設(shè)備的俯視圖(b)與傳感模塊對(duì)齊的微流體界面三維模型(c)微流體通道中嵌入的微電極的傳感區(qū)域細(xì)節(jié)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• 初步靜態(tài)表征：在組裝微流體前，對(duì)電容傳感器進(jìn)行初步表征，先使用不含細(xì)胞的液體（PBS、DIW、乙醇、DMEM）測(cè)試，證實(shí)系統(tǒng)正常工作。隨后測(cè)定不同濃度 PC3 細(xì)胞在 DMEM 中的情況，傳感器能區(qū)分最低濃度稀釋液。對(duì)用 AuNP 標(biāo)記的 LbPC3 細(xì)胞測(cè)試，結(jié)果表明金納米粒子增強(qiáng)了電容檢測(cè)，降低了低濃度下的電導(dǎo)波動(dòng)。
• 微流體平臺(tái)測(cè)試：搭建微流體平臺(tái)，在低壓下注入流體模擬樣品從反應(yīng)器噴出，對(duì) PC3 和 LbPC3 細(xì)胞在不同濃度下測(cè)試。結(jié)果顯示，LbPC3 細(xì)胞懸浮液的平均輸出電壓高于基線，且不同濃度的 LbPC3 細(xì)胞平均電壓可檢測(cè)且有明顯區(qū)別，微通道中少量標(biāo)記細(xì)胞也能產(chǎn)生可檢測(cè)電壓變化，但重復(fù)測(cè)試會(huì)使微流控模塊磨損泄漏，不過此問題與原型制造方法有關(guān)，不影響最終設(shè)備。

四、研究總結(jié)

該 LoC 細(xì)胞探測(cè)器將標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞特異性金納米顆粒標(biāo)記與簡(jiǎn)單低成本的電容探測(cè)器相結(jié)合，具有明顯優(yōu)勢(shì)。其性能適用于現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用，通道中細(xì)胞數(shù)量少，功耗低，滿足便攜式平臺(tái)要求。不僅可用于免疫療法中 CAR – T 細(xì)胞質(zhì)量控制，還能根據(jù)細(xì)胞特定表面膜特征定位細(xì)胞亞群，應(yīng)用范圍廣泛 。

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