近日，由紐約大學坦登工程學院陳偉強教授領銜的科研團隊，成功研發(fā)出一款革命性的微型裝置——“白血病芯片”。這款與顯微鏡載玻片尺寸相當的芯片，首次實現(xiàn)了人體骨髓物理結構與功能性免疫系統(tǒng)的三維重構，為血液癌癥治療領域帶來了突破性進展。該研究成果已發(fā)表于Nature Biomedical Engineering期刊，標志著免疫療法臨床前評估模式將迎來重大變革。
這項新技術使科學家能實時觀察免疫治療藥物在高度模擬人體環(huán)境中的抗癌作用機制。
這項創(chuàng)新恰逢美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）近日宣布逐步取消單克隆抗體等藥物動物實驗要求的政策節(jié)點。FDA同步發(fā)布全面路線圖，旨在減少臨床前安全性研究中的動物測試，而該芯片技術正是監(jiān)管機構鼓勵的新型替代檢測方法典范。
芯片構成
這款白血病芯片通過精密的微流控技術，在體外重建了骨髓的三維結構，結構基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）復制模塑技術，設計包含中央竇、髓腔和骨內膜的三維互聯(lián)結構。
研究團隊將患者骨髓單核細胞、基質細胞（包括血管細胞、間充質干細胞等）以及白血病母細胞嵌入纖維蛋白水凝膠中，通過細胞自組裝及生長因子誘導，形成可灌注的血管網絡。
值得關注的是，芯片內的骨髓基質細胞能夠自主分泌膠原蛋白、纖連蛋白等細胞外基質成分，形成與人體高度相似的免疫生態(tài)位。
單細胞RNA測序（scRNA-seq）顯示，芯片培養(yǎng)9天后仍維持髓系（如CD14?單核細胞、CD68?巨噬細胞）和淋巴系（如CD8?、CD4? T細胞）細胞的多樣性，且血管網絡完整。
芯片用途：實時監(jiān)測CAR-T
首先在這項研究中得到應用的是CAR-T，研究人員在芯片中模擬抗CD19 CAR-T細胞治療，并實時監(jiān)測其動態(tài)行為。
通過延時成像技術，科研人員首次在活體系統(tǒng)中清晰觀測到CAR-T細胞治療的全過程。
他們跟蹤了單個CAR-T細胞（DiD標記）在髓腔區(qū)域的遷移軌跡，發(fā)現(xiàn)其以1.213μm/min的平均速度主動巡邏，并在識別CD19?白血病細胞后減速形成免疫突觸，釋放穿孔素和顆粒酶B。CAR-T細胞與白血病細胞相互作用后，表面激活標志物CD25和CD69表達顯著上調，并分泌干擾素-γ（IFNγ）、顆粒酶B等細胞毒性因子
scRNA-seq顯示，非CAR-T細胞（如Mock T，未被轉導的T細胞）在芯片中亦被激活，這表明CAR-T治療可能通過旁觀者效應影響整體免疫環(huán)境。
在模仿CAR-T治療后，研究人員又借此機會對CAR-T耐藥、復發(fā)等場景進行了模擬，并解析了CAR-T細胞與骨髓微環(huán)境的相互作用。
例如耐藥模型就采取了注入低劑量的CAR-T細胞（2500個）；
復發(fā)模型則采取在白血病母細胞中混入5%或1%的CD19?克隆，CAR-T細胞清除CD19?細胞后，CD19?細胞因選擇性壓力而擴增。
研究人員通過解析CAR-T與骨髓微環(huán)境相互作用后發(fā)現(xiàn)，當CAR-T細胞激活后，血管細胞上調細胞間黏附分子-1（ICAM-1），單核細胞增強HLA-DR表達，且MIP-1β等細胞因子分泌增加。
scRNA-seq顯示，骨髓基質細胞在CAR-T治療中上調干擾素誘導跨膜蛋白（IFITM）家族成員及色氨酰-tRNA合成酶（TrpRS），提示基質細胞通過代謝和信號通路調控免疫反應
評估更多CAR-T
研究通過芯片評估了不同CAR設計、制備工藝及患者來源的CAR-T細胞功能。
研究發(fā)現(xiàn)，第二代CD28ζ-CAR、ICOSζ-CAR和4-1BBζ-CAR均能在芯片中清除白血病，但4-1BBζ-CAR分泌更多IL-13（TH2型細胞因子），而CD28ζ-CAR和ICOSζ-CAR分泌更多IL-10。
縮短體外培養(yǎng)時間（3天 vs. 9天）的CAR-T細胞（D3-CAR）在低劑量下療效更優(yōu)，且增殖能力和細胞因子分泌更強。
而從患者細胞來源方面，4例患者（3例B-ALL，1例非B-ALL肺癌）的CAR-T細胞中，僅肺癌患者來源的PD145-CAR-T細胞在芯片中實現(xiàn)緩解，其細胞因子分泌指數顯著。
整合IL-18的4-1BBζ-CAR-IL18在芯片中表現(xiàn)出更強的細胞毒性及TH2型細胞因子分泌，尤其在低效患者來源CAR-T細胞中改善療效。
總結
這款白血病芯片為CAR-T細胞療法提供了革命性的臨床前評估工具，突破了傳統(tǒng)二維模型的局限，實現(xiàn)CAR-T細胞遷移、殺傷及與微環(huán)境互作的實時觀測，還可以做到系統(tǒng)比較不同CAR設計、制備工藝及患者來源產品的療效，支持治療方案的個體化優(yōu)化。
未來該研究可能通過患者特異性芯片，為自體CAR-T細胞療法建立體外篩選平臺，完善全流程的個性化治療方案。
參考來源：
Chao Ma et al, Bioengineered immunocompetent preclinical trial-on-chip tool enables screening of CAR T cell therapy for leukaemia, Nature Biomedical Engineering (2025). DOI: 10.1038/s41551-025-01428-2
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