CAR T细胞免疫疗法是一种新兴的癌症治疗方法，通过改造患者自身的T细胞来识别并攻击癌细胞，在治疗血液癌症方面显示出巨大潜力。然而，其临床效果存在不确定性，许多患者在治疗后会出现疾病复发或耐药现象。目前的临床前评估平台，如体外细胞共培养和动物模型，由于缺乏与人类生理的直接相关性，难以准确预测CAR T细胞在人体内的实际表现。因此，开发一种能够模拟人类生理环境的先进临床前测试平台，对于优化CAR T细胞产品和提高治疗效果至关重要。

这篇文章的核心内容是关于一种生物工程化的免疫能力健全的临床试验芯片工具，用于筛选针对白血病的CAR T细胞疗法。该工具通过模拟人类白血病骨髓基质和免疫微环境，实现了对CAR T细胞治疗效果的实时监测和评估。研究团队通过开发这种芯片，旨在提高CAR T细胞治疗的临床效果，并为个性化治疗和临床决策提供支持。相关内容以“Bioengineered immunocompetent preclinical trial-on-chip tool enables screening of CAR T cell therapy for leukaemia”为题由纽约大学陈伟强、宾夕法尼亚大学Saba Ghassemi等人团队发表在《Nature Biomedical Engineering》。

【主要内容】

图1生物工程化白血病骨髓芯片的设计与构建

图中展示了研究团队开发的三维微流控白血病骨髓芯片的设计和构建过程。该芯片模拟了人类白血病骨髓的解剖结构，包含中央窦、骨髓腔和外周骨膜三个区域。通过在芯片中加载人类造血细胞、基质细胞和白血病细胞，并利用血管细胞的自组装能力，成功构建了具有三维结构的骨髓微环境。此外，通过单细胞mRNA测序（scRNA-seq）技术验证了芯片的生物模拟性，表明芯片能够维持与体内骨髓相似的细胞组成和功能。

图2CAR T细胞在白血病骨髓芯片中的动态监测

研究团队通过实时荧光成像技术观察到CAR T细胞在芯片中的外渗、迁移和杀伤白血病细胞的过程。结果显示，CAR T细胞能够有效地识别并杀死白血病细胞，约70%的白血病细胞在3天内被清除，7天左右达到99%以上的完全清除。此外，CAR T细胞在与白血病细胞相互作用后，显著增强了T细胞激活标志物（如CD25和CD69）的表达，并分泌了大量细胞毒性相关细胞因子（如IFN-γ和颗粒酶B）。

图3CAR T细胞与白血病骨髓微环境的相互作用

研究人员进一步探讨了CAR T细胞治疗过程中白血病骨髓微环境的变化。研究发现，CAR T细胞的注入显著增强了血管细胞表面的ICAM-1表达和单核细胞表面的HLA-DR表达，这表明CAR T细胞能够诱导骨髓微环境中的系统性炎症反应。此外，CAR T细胞与白血病细胞相互作用后，芯片中分泌的细胞因子（如MIP-1β、RANTES和MCP-2）显著增加，这些细胞因子在免疫细胞的招募和激活中起重要作用。通过单细胞mRNA测序分析，研究团队进一步揭示了CAR T细胞治疗对骨髓微环境中免疫细胞和基质细胞的广泛影响。

图4模拟CAR T细胞治疗的不同临床反应场景

图中展示了白血病骨髓芯片在模拟CAR T细胞治疗的不同临床反应场景（如缓解、耐药和复发）中的应用。通过调整CAR T细胞的数量和白血病细胞的初始比例，研究团队成功模拟了临床上观察到的不同反应。结果显示，较低剂量的CAR T细胞（如2,500个细胞）难以有效控制白血病的进展，而较高剂量（如10,000个细胞）则能够显著降低白血病细胞的数量。此外，研究还发现，在白血病细胞中掺入少量CD19阴性细胞（如5%或1%）会导致复发，这与临床上因表面抗原丢失而引起的复发现象相似。通过对比不同反应场景下CAR T细胞的分布和功能表现，研究揭示了CAR T细胞治疗效果的差异性。

图5评估不同CAR T细胞产品的功能表现

评估了不同设计和制造工艺的CAR T细胞产品在白血病骨髓芯片上的功能表现。研究团队比较了第二代CAR T细胞（如CD28ζ-CAR、ICOSζ-CAR和4-1BBζ-CAR）和第四代CAR T细胞（如4-1BBζ-CAR-IL18）的治疗效果。结果显示，不同设计的CAR T细胞在清除白血病细胞方面均表现出良好的效果，但在细胞因子分泌和T细胞激活标志物的表达上存在差异。此外，研究还发现，缩短CAR T细胞的体外培养时间（如3天）能够提高其抗白血病活性，这可能与减少T细胞的耗竭有关。通过构建功能指数，研究团队系统地比较了不同CAR T细胞产品的治疗潜力。

图6评估患者特异性CAR T细胞反应

研究团队使用来自三位患者的骨髓单核细胞构建了个性化的骨髓芯片，并评估了这些患者自身CAR T细胞的治疗效果。结果显示，不同患者的CAR T细胞在清除白血病细胞方面表现出显著差异，这可能与患者CAR T细胞的扩增能力和细胞因子分泌水平有关。此外，研究还发现，第四代CAR T细胞（如4-1BBζ-CAR-IL18）在某些患者中表现出更好的治疗效果，这表明通过优化CAR设计可以提高CAR T细胞的抗白血病活性。

【全文总结】

本研究开发了一种三维微流控芯片，成功模拟了人类白血病骨髓的微结构和免疫微环境。该芯片通过实时监测CAR T细胞的功能动态，包括细胞外渗、识别、激活、细胞毒性和杀伤作用，能够系统地评估CAR T细胞治疗的效果。研究团队利用该芯片模拟了临床上观察到的不同反应场景，如缓解、耐药和复发，并通过单细胞mRNA测序技术揭示了CAR T细胞与白血病微环境之间的相互作用。此外，该芯片还能够评估不同设计和制造工艺的CAR T细胞产品的功能表现，为个性化治疗方案的制定提供了有力支持。这一研究成果不仅为CAR T细胞治疗的临床前评估提供了一个强大的工具，也为未来免疫疗法的开发和优化开辟了新的途径。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-025-01428-2

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