生物工程免疫活性白血病芯片：CAR-T细胞疗法筛选的革命性平台

本研究开发了一种生物工程免疫活性白血病芯片模型，能够模拟人类白血病骨髓微环境，用于CAR-T细胞疗法的临床前评估。研究人员通过构建包含血管化骨髓基质和免疫生态位的器官型芯片，实现了对CAR-T细胞功能（包括迁移、激活和杀伤）的实时时空监测，并成功模拟了临床治疗反应（缓解、耐药和复发）。该平台为个性化CAR-T疗法开发和临床决策提供了强有力的工具。

　　

在血液系统恶性肿瘤治疗领域，CAR（嵌合抗原受体）T细胞免疫疗法展现出革命性的潜力，但临床疗效仍存在不可预测性。当前面临的三大核心挑战在于：缺乏能够准确模拟人类病理生理特征的临床前评估平台；难以实时监测CAR-T细胞与肿瘤微环境的动态互作；以及无法预测患者个体化治疗反应。这些瓶颈严重制约了CAR-T产品的优化和临床应用。

为解决这些关键问题，由Chao Ma、Huishu Wang等组成的国际研究团队在《Nature Biomedical Engineering》发表重要成果。该研究创新性地开发了一种"白血病试验芯片"系统，通过整合微流控器官芯片技术和单细胞组学分析，构建了具有免疫活性的三维血管化人类白血病骨髓微环境模型。

研究采用多项关键技术：1）多区室微流控芯片设计模拟骨髓解剖结构（中央窦、髓腔和骨内膜）；2）原代人类骨髓单核细胞与基质细胞共培养构建功能性生态位；3）实时活细胞成像追踪CAR-T细胞动态；4）单细胞RNA测序(scRNA-seq)解析细胞互作网络；5）炎症因子阵列全面评估免疫反应。特别值得注意的是，研究纳入了健康供体和白血病患者的匹配样本，增强了临床相关性。

研究结果部分的重要发现包括：

"Engineering an ex vivo immunocompetent human leukaemia chip"证实成功构建了具有人类骨髓免疫和基质特征的器官型芯片。通过scRNA-seq分析显示，芯片培养9天后仍保持丰富的造血和基质细胞组成，与体内骨髓高度相似。血管网络的形成促进了T细胞等免疫细胞的维持。

"Modelling CAR T cell therapy on-chip"展示了芯片平台对CAR-T细胞治疗全过程的监测能力。抗CD19 CAR-T细胞在3天内清除70%白血病细胞，7天达到完全缓解(>99%)。活体成像首次在单细胞水平捕获了CAR-T细胞外渗、识别白血病细胞并形成免疫突触的全过程。CAR-T细胞平均迁移速度(1.213μm/min)显著低于Mock T细胞(1.545μm/min)，证实了靶向识别效应。

"Dissecting interaction between CAR T cell and leukaemia niche"揭示了治疗引发的系统性免疫反应。血管细胞ICAM-1和单核细胞HLA-DR表达上调，MIP-1β等细胞因子分泌增加。scRNA-seq发现色氨酸-tRNA合成酶(WARS)在基质细胞中显著上调，提示IFNγ信号通路的激活。

"Replicating clinically relevant CAR T cell responses"成功模拟了三种临床场景：缓解（10,000 CAR-T细胞完全清除白血病）、耐药（低剂量CAR-T细胞治疗失败）和复发（CD19阴性克隆选择）。特别发现桥接化疗（长春新碱预处理）可改善高肿瘤负荷下的治疗反应。

"Validating functional performance of CAR T cell products"系统评估了不同设计方案（CD28ζ、ICOSζ、4-1BBζ）、培养时间（3天vs 9天）和患者来源CAR-T产品的效能。发现缩短体外培养时间（D3-CAR）可增强增殖和细胞因子分泌；4-1BB-CAR-IL18设计显著提升治疗效果，尤其对低反应性患者产品。

"Evaluating patient-specific CAR T cell responses"采用患者匹配的骨髓单核细胞和CAR-T产品，证实了平台的个性化评估潜力。三个患者样本均显示CAR-T特异性激活（CD69表达）和IFNγ分泌增加，但反应强度存在个体差异。

这项研究的主要结论在于：1）创建的免疫活性白血病芯片高度模拟人类骨髓病理生理特征；2）首次实现CAR-T细胞治疗全过程（迁移、识别、杀伤）的实时监测；3）系统解析了骨髓微环境对CAR-T功能的调控机制；4）验证了不同CAR设计和制备方案的优劣；5）展示了患者特异性评估的临床转化潜力。

该研究的突破性意义体现在三方面：技术层面，将器官芯片与单细胞组学相结合，创建了多维评估体系；科学层面，揭示了骨髓生态位在CAR-T治疗中的调控作用；临床层面，为个性化CAR-T产品开发和治疗决策提供了可靠工具。这种"临床试验芯片"概念可扩展到其他血液肿瘤和实体瘤的免疫治疗评估，有望加速肿瘤免疫治疗的转化研究进程。