近日，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授常凌乾团队成功研发一款名为NICHE的新型纳米医疗芯片。该芯片可以快速检测肺癌循环肿瘤细胞（CTCs）内PD-L1基因表达和肿瘤细胞响应免疫细胞的行为表型，并进一步对源自患者的CTCs进行亚群划分，为肺癌患者提供更精准的免疫治疗方案。相关研究论文发表在《美国国家科学院院刊》上。
当前，肺癌患者临床诊断面临的最大难点是什么？NICHE芯片如何助力精准免疫治疗？其应用前景如何？记者采访了相关专家。
现有方法存在短板
据国家癌症中心公布的数据，2022年，我国恶性肿瘤新发病例数为482.47万例。恶性肿瘤已经成为严重威胁中国人群健康的主要公共卫生问题之一。
在众多肿瘤治疗手段中，免疫治疗因其显著疗效和创新性，于2013年被《科学》杂志评为年度十大科学突破之一。特别是免疫检查点抑制剂（如PD-1/PD-L1抑制剂），可以有效阻断免疫抑制通路，增强机体抗癌能力。然而，在临床实践中，仅有部分患者能从免疫治疗中获益，这一疗法的普适性与精准度尚待提升。
“在临床工作中，我们目前主要依赖影像学和活检手段评估肿瘤状况，进而制定个性化的免疫治疗策略。”常凌乾介绍，影像学在肿瘤检测中发挥了重要作用，但仅能在肿瘤发展到一定阶段、形态明显变化后才可以检测。该手段只反映肿瘤大小，无法直接评估肿瘤的良恶性、基因突变状况以及是否适合靶向治疗。
一般而言，肿瘤治疗的难易程度并非单纯由肿瘤大小决定，关键在于是否存在有效的靶向药物。在常凌乾看来，活检手段的优势在于能弥补影像学的不足，直接检测患者的基因信息，从而判断是否适用特定靶向药物。
但这种方式同样存在局限性。活检通过手术或穿刺获取患者少量肿瘤组织，染色后观察其基因突变情况。这种方法虽然直接，但肿瘤内部细胞的异质性使得单一样本难以全面反映整个肿瘤的真实情况。
常凌乾认为，当前肺癌诊断面临的最大挑战，在于现有方法无法在全时空范围内准确预测患者是否适合接受特定的免疫疗法。如何准确评估肿瘤特征，以实现对免疫治疗效果的精准预测，成为提升免疫治疗效率亟须攻克的难题。
集多重功能于一身
面对临床挑战，常凌乾团队研发的NICHE芯片集CTCs捕获、基因检测与细胞行为分析功能于一身，展现了极高的检测速度与精度。
检测过程中，该芯片首先根据细胞大小，利用磁场高效去除肺癌患者血样中的白细胞，精准捕获CTCs，并使其形成单细胞阵列。随后采用纳米电穿孔技术，将一种新型四面体荧光探针快速准确地递送至活细胞内，实现对PD-L1基因调控的即时检测。此外，通过与免疫T细胞共培养，芯片还能原位分析CTCs的增殖及表型变化，并将这些细胞行为与基因表达异质性进行深度关联分析。“NICHE芯片集成了单细胞生物技术领域的多项前沿技术，使得检测又快又准。”常凌乾说。
为实现对单细胞的精准操控，团队采用了光镊技术结合微流控技术，实现对单细胞的精确捕获、移动与分离。这样能确保从患者样本中精准提取出CTCs等目标细胞，同时有效剔除红细胞、白细胞等非目标细胞，让捕获效率由原来的90%提高到98%，为后续检测奠定坚实基础。
“纳米电穿孔技术则是利用直径五六百纳米的通道，将电场精准引导到细胞上，基因探针可瞬间递送至细胞内。”常凌乾说，相比传统方法，这一技术将检测时间从数小时缩短至1秒钟内，同时保证了探针递送的准确性。
在微小芯片上构建完整的生物实验环境，离不开芯片实验室技术。“在检测到细胞内部基因变化后，芯片能够进一步通过单细胞操控技术在CTCs旁放置免疫细胞，并进行实时连续的活细胞观察。”常凌乾说，这一创新设计使研究者能实时观察免疫细胞与肿瘤细胞的相互作用，以判断患者是否适合免疫治疗，让临床预测准确率从约60%提升至90%以上。
未来应用前景广阔
为全面评估NICHE芯片在临床上预测免疫治疗效果的准确性，常凌乾团队联合北京大学肿瘤医院收集了80名非小细胞肺癌患者的外周血，通过检测证明了该芯片捕获CTCs并鉴定其基因和行为表型的能力。团队还对部分患者进行了长时间的用药监测，证实了该芯片在长期监测中的适用性。
北京大学肿瘤医院副院长吴楠介绍，目前，医院正积极与常凌乾团队合作，努力构建一项旨在筛选肺癌免疫治疗潜在受益者的行业标准。双方计划开展大规模临床试验，以期推动肺癌治疗的个性化进程，有效减轻患者的医疗负担。
“NICHE芯片在大规模应用过程中面临的主要挑战是操作复杂且成本高昂。”常凌乾坦言，NICHE芯片集成了光镊技术、微流控技术等，并配套使用光显微镜等高端设备，用它进行检测的成本相较于传统组织活检等手段显著增加。为此，团队正探索在细胞操控、检测及培养环节降低成本。
在提升检测精准度方面，当前团队主要聚焦于PD-L1这一关键药物靶点。为进一步增强检测准确性，团队计划拓宽芯片的应用范围，增加可检测的细胞基因突变靶点种类。常凌乾说，如果能同时检测多个靶点，并将检测准确率提升至95%乃至98%，就有望实现检测效能的飞跃式提升，进而带来更精准高效的治疗效果。