微流体生物反应器靶细胞快速控制传感平台

一、研究背景

免疫疗法利用基因工程 T 细胞表达嵌合抗原受体（CAR）和 T 细胞受体（TCR）对抗癌细胞，成为个性化癌症治疗的有前途策略。然而，当前免疫治疗中 CAR – T 细胞培养扩增依赖封闭生物反应器和手动质量控制，存在耗时、劳动密集、昂贵且易出错的问题，且生物反应器在扩增阶段不可接近，无法实时监测，质量控制只能在过程结束时进行，可能导致资源损失和时间浪费，因此急需实时决策工具。芯片实验室（LoC）设备因能自动化实验室操作、减少生物样品和试剂用量，成为集成质量控制功能的潜在解决方案。

二、材料和方法

材料：采用具有光学表面质量（表面粗糙度Ra<5nm）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基材和玻璃基板分别制造微流体和传感模块，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄层粘合两种材料。实验试剂包括磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液、乙醇、Dulbecco 改良 Eagle 培养基（DMEM）等，永生化前列腺癌细胞（PC 3）在特定条件下培养，使用抗 EpCAM 抗体功能化的金纳米颗粒（AuNP）标记 PC 3 细胞。

方法

设备制造：检测平台由 PMMA 底物上的微流体模块和玻璃基板上的传感模块通过 PDMS 层结合而成。微流体通道为 Y 形，有两个入口，用于注入细胞培养基和载体流体，主臂长 10 毫米，宽 300μm，深 200μm 。通过激光光刻在玻璃基板上制造两个金微电极，排列在微流体通道底部，传感元件部分的手指电极间距约 40μm，另一端为垫形并微焊到传感器集成电路板用于 QVAR 检测。

电子器件：系统电子核心是意法半导体的商用电容传感器 ILPS22QS，用于压力、温度和电容测量，能对输出电压采样数字化，电荷变化测量（QVAR）是核心。传感器通过额外电路与外部环境连接，由安装在原型板上的微控制器 STM32L476RG 本地管理。

软件：开发的软件包括 STM32L476RG 微控制器中的软件，用于控制传感器、设置输出数据速率、读取电压值并发送时间戳到外部 PC，传感器和 MCU 通过 I2C 接口通信，数据通过 UART 协议传输到 MATLAB 用户界面进行存储和后处理。

图1.检测平台的组成(a)设备的俯视图(b)与传感模块对齐的微流体界面三维模型(c)微流体通道中嵌入的微电极的传感区域细节。

三、实验结果

• 初步静态表征：在组装微流体前，对电容传感器进行初步表征，先使用不含细胞的液体（PBS、DIW、乙醇、DMEM）测试，证实系统正常工作。随后测定不同浓度 PC3 细胞在 DMEM 中的情况，传感器能区分最低浓度稀释液。对用 AuNP 标记的 LbPC3 细胞测试，结果表明金纳米粒子增强了电容检测，降低了低浓度下的电导波动。
• 微流体平台测试：搭建微流体平台，在低压下注入流体模拟样品从反应器喷出，对 PC3 和 LbPC3 细胞在不同浓度下测试。结果显示，LbPC3 细胞悬浮液的平均输出电压高于基线，且不同浓度的 LbPC3 细胞平均电压可检测且有明显区别，微通道中少量标记细胞也能产生可检测电压变化，但重复测试会使微流控模块磨损泄漏，不过此问题与原型制造方法有关，不影响最终设备。

四、研究总结

该 LoC 细胞探测器将标准细胞特异性金纳米颗粒标记与简单低成本的电容探测器相结合，具有明显优势。其性能适用于现实世界应用，通道中细胞数量少，功耗低，满足便携式平台要求。不仅可用于免疫疗法中 CAR – T 细胞质量控制，还能根据细胞特定表面膜特征定位细胞亚群，应用范围广泛 。

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