微纳流控阵列的高通量细胞电融合系统集成及其多参数效能表征

1. 引言：突破单克隆抗体制备的物理瓶颈

在目前的生物制药、免疫治疗领域中，杂交瘤技术（Hybridoma Technology）仍然是单克隆抗体发现的基础。但是传统的聚乙二醇(PEG)诱导融合法需要随机碰撞来实现细胞配对，并且效率很低(<1%)，而且化学试剂会对细胞造成明显的毒性作用，严重地限制了稀有抗原特异性抗体的筛选通量。

本案例展示了我们最新集成的基于微纳流控阵列高通量细胞电融合系统。该体系利用介电弹性体（DEP）力控制以及微型尺度下的液体动力学协同作用，实现了对胞间配准和聚合过程的有效调控，并建立了全面且具有代表性的参数表征技术平台，在此基础上重新定义了工业上对于膜性蛋白质工程的高标准要求。

微流控芯片结构与精密流体控制

2. 系统集成架构：由随机走向确定

本系统主要在于微流控芯片结构的创新设计。不同于传统的宏观电融合杯（Bulk Chamber），我们把反应单元缩小到微米级别，并用微纳加工技术制造出带有数万个独立微孔阵列的控制型芯片。

2.1 微纳流控阵列设计

我们采用流体动力学捕获结构和局部电场集中设计相结合的方法。

双向异性微孔：经过有限元仿真（COMSOL Multiphysics）优化后的几何尺寸，保证两个待融合的细胞可以以1:1的比例准确落入捕获陷阱。

电场聚焦：用微电极阵列来控制脉冲电场，使它只作用于细胞接触面，在这个界面处跨膜电压（TMP）被精确地调节到可以产生可逆性穿孔的阈值上(大约0.5-1V)，而不会出现因为过高的电流导致了胞裂。

2.2 自动化系统集成

系统中包含高精度的压力控制器、纳秒级的脉冲发生器以及实时阻抗监测模块。使用LabVIEW编写上位机程序，实现了从细胞进样到电融合脉冲施加再到子回收全过程自动化，在很大程度上减少了人为操作造成的实验误差。

3. 多参数效能表征：数据驱动的性能验证

为了全面评估系统工业化的可能性，我们建立了一个包含物理参数和生物学活性的多维表征模型。

显微镜下的细胞阵列荧光表征

3.1 细胞配对率和融合率

使用高分辨显微成像统计，在流速为2 µL/min的情况下，该微纳流控阵列可以达到70%以上的异种细胞1:1配对率。在施加优化的交流（AC）排布信号以及直流（DC）融合脉冲之后，有效电融合率达到45±3.5%，这个数据比传统的PEG融合法高出几十倍，并且远远超过传统的方法——例如采用PEO材料制备出的传统金属接触方式得到的结果。

3.2 细胞存活率 (Cell Viability)

用钙黄绿素-AM (Calcein-AM) 和碘化丙啶(PI）双荧光染色法来对融合后的细胞进行活性表征。结果显示，由于微纳尺度上的精准散热以及低电压脉冲的存在使得融合后细胞的即时存活率维持在85%以上。

3. 3 杂交瘤生长效能

除了物理层面的融合之外，我们还对生物行为做了进一步的研究。经过HAT培养基筛选14天之后，在微流控系统中产生的杂交瘤细胞克隆形成率明显提高，并且单个克隆分泌抗体稳定性得到了ELISA验证。

4. 关键技术突破及讨论

本案例研究发现，利用微纳流控的电融合系统可以解决传统方法中“融合效率”和“细胞损伤”的矛盾。

高通量并行处理：单个芯片可以同时对超>10^5的细胞进行操作，符合抗体库筛选中需要的大容量需求。

热效应抑制：微尺度下焦耳加热效应对原代B细胞造成的影响被大大削弱，从而保证了其健康。

标准化流程：集成的系统参数（电压、脉宽、流速）可以被数字化存储和复现，在GMP环境下用于抗体生产，从而实现一个标准化的解决方案。

5. 结语

本项“微纳流控阵列的高通量细胞电融合系统”不但在理论上证明了对纳米尺度上物理场控制可以精确地改变生物体的行为，而且给生物医药行业提供了一种高效、低损耗的方式来进行组织工程。未来我们将进一步整合单细胞测序模块，并且形成从细胞融合到序列确定的一条完整的研发平台。