關(guān)于氣管替代物研究的進(jìn)展與展望

許可 楊海堂,2 仲晨曦,2 趙珩,2 姚烽,2

創(chuàng)傷、先天性狹窄、腫瘤性疾病和長(zhǎng)時(shí)間氣管插管等多種病因都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的氣管損傷，隨著氣管外科60年來(lái)的長(zhǎng)足進(jìn)步與發(fā)展，以上大多數(shù)氣管病變現(xiàn)在都可以通過(guò)手術(shù)切除和重建獲得理想的預(yù)后。但氣管切除的長(zhǎng)度有限，當(dāng)成人切除氣管長(zhǎng)度＞50%或超過(guò)6 cm，兒童＞30%時(shí)，直接進(jìn)行“端端吻合”可能會(huì)因?yàn)槲呛峡趶埩^(guò)大而失敗[1]。因此有必要通過(guò)使用氣管替代物實(shí)現(xiàn)氣道的安全修復(fù)。

不同于臨床已經(jīng)能夠被成功移植的實(shí)體器官（如肝、腎、心臟和肺等），氣管移植最大的特殊性在于其獨(dú)特的血液供應(yīng)和與外界環(huán)境直接接觸。氣管的血液供應(yīng)具有節(jié)段性的特點(diǎn)，且沒(méi)有直接的中心營(yíng)養(yǎng)動(dòng)脈和引流靜脈與受體血管系統(tǒng)相連[2]。供應(yīng)氣管的各節(jié)段動(dòng)脈從氣管兩側(cè)接近氣管壁，并沿著縱軸向上下形成分支，與相鄰節(jié)段的動(dòng)脈分支形成吻合，在軟骨間韌帶內(nèi)，氣管動(dòng)脈分出前支和后支，沿著氣管壁與來(lái)自對(duì)側(cè)的相應(yīng)動(dòng)脈分支形成吻合[3]。這種血供的節(jié)段性分布不僅限制了環(huán)周氣管切除的范圍，還大大增加了移植物血運(yùn)重建的難度。另外，與一般的實(shí)體器官存在于無(wú)菌環(huán)境不同，氣管暴露于干燥、有菌的外界環(huán)境，氣道與假體界面的細(xì)菌感染會(huì)影響移植物的生長(zhǎng)[4]。

理想的氣管替代物需滿(mǎn)足以下條件：①具有橫向剛性和縱向彈性；②管壁完全密封不漏氣；③不需要使用免疫抑制劑；④技術(shù)可靠、可行、重復(fù)性好；⑤具有良好的生物相容性（能與鄰近組織相容并愈合，不發(fā)生慢性炎癥、肉芽組織生長(zhǎng)、感染或壞死）[5]。此外，對(duì)于特殊的患者，比如惡性腫瘤患者在應(yīng)用替代物時(shí)不建議使用生長(zhǎng)因子，兒童在選擇替代物時(shí)應(yīng)選擇合適大小以匹配解剖生理結(jié)構(gòu)[6]。隨著探索的深入，不同于Belsey最早在1950年所提出的觀點(diǎn)[7]，現(xiàn)在的觀點(diǎn)認(rèn)為只要患者能進(jìn)行有效的咳嗽，氣管替代物中就不必使用纖毛柱狀上皮襯里[5]。

氣管替代物可分為五種類(lèi)型：人工合成假體、自體組織氣管、同種異體移植、異種移植和組織工程氣管。目前尚未有理想的氣管替代物正式應(yīng)用于臨床，但一些技術(shù)已在動(dòng)物或臨床探索性應(yīng)用中顯示出較好的效果。本文將總結(jié)各種人類(lèi)氣管替代物的發(fā)展過(guò)程及其優(yōu)缺點(diǎn)，并討論未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

一、人工合成假體

人工合成假體從最初的無(wú)孔單一材料逐漸向多孔復(fù)合材料演變。對(duì)于無(wú)孔材料，常用的有硅樹(shù)脂和金屬兩大類(lèi)[8]。從機(jī)械性能和并發(fā)癥角度來(lái)看，硅樹(shù)脂假體性能優(yōu)于金屬假體[9-10]。所以臨床對(duì)于硅樹(shù)脂材料的使用經(jīng)驗(yàn)比金屬豐富[11]。臨床試驗(yàn)主要以Neville假體（無(wú)孔硅膠管）為代表[12]。從1970年到1988年，Neville等[12]采用硅膠假體對(duì)62例患者進(jìn)行氣管替代，但由于其生物相容性差，受體縫合處肉芽組織增生嚴(yán)重，再狹窄發(fā)生率高，臨床應(yīng)用及推廣受到限制。為提升假體在宿主相容性方面的性能，人們開(kāi)發(fā)出不同的方法，包括復(fù)合支架的制作[8]、添加生物相容材料如膠原蛋白[13]和滌綸[14]以及使用含抗炎成分的材料[15]等。

為進(jìn)一步促進(jìn)假體與周?chē)M織的融合，防止發(fā)生移位，研究者開(kāi)始嘗試多孔材料，其多孔性特點(diǎn)允許結(jié)締組織生長(zhǎng)，誘導(dǎo)氣管上皮遷移，進(jìn)一步促進(jìn)假體的生物相容性。Maziak等[16]對(duì)多孔材料在氣管重建中的應(yīng)用進(jìn)行了初步嘗試，他們對(duì)5例氣道腺樣囊性癌患者采用Marlex網(wǎng)狀假體進(jìn)行氣管重建，其中3名患者分別獲得2、5和8年的遠(yuǎn)期療效。金屬鈦及鎳鈦合金材料因其具有排斥反應(yīng)低、理化性質(zhì)穩(wěn)定及力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療支架材料[17]。Schultz等[18]開(kāi)發(fā)了一種多孔鈦氣管假體，在大鼠身上觀察到假體內(nèi)出現(xiàn)上皮化，并與受體組織相融合。這一裝置的臨床應(yīng)用已取得令人欣喜的結(jié)果，一位56歲的男性在進(jìn)行全喉切除術(shù)后接受了永久性鈦制氣管假體植入，在16個(gè)月的隨訪過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)感染或狹窄等跡象[19]，但目前這種方法僅限于與喉相關(guān)的氣管近端替代，其作為延伸氣管替代的價(jià)值尚不清楚。

盡管多孔復(fù)合材料的應(yīng)用提高了假體在宿主反應(yīng)方面的性能，但合成材料構(gòu)成的呼吸道界面因直接暴露于有菌的環(huán)境，發(fā)生微生物定植、感染的風(fēng)險(xiǎn)仍然很高，且長(zhǎng)時(shí)間的合成假體植入增加了侵蝕臨近器官?gòu)亩纬莎浌艿娘L(fēng)險(xiǎn)[20-21]，因此尚需要一種與自體組織相容性好的有活性的功能氣管移植物來(lái)替代氣管。

二、自體組織氣管

自體組織因其能夠避開(kāi)血管化及免疫排斥問(wèn)題、具有良好的組織相容性而備受關(guān)注。目前用于自體組織氣管制作的皮瓣主要包括兩大類(lèi)，分別是區(qū)域性皮瓣（如胸鎖乳突肌皮瓣[22]、胸大肌皮瓣[23]、大網(wǎng)膜皮瓣[24]、肋間肌皮瓣[25]）和游離筋膜皮瓣（如前臂橈側(cè)皮瓣[26-27]、大腿前外側(cè)皮瓣[28]、頸項(xiàng)皮瓣[29]）。不論使用哪種組織，目標(biāo)都是為了形成灌注良好的管狀帶蒂移植物。此外，為了獲得與氣管環(huán)類(lèi)似的剛性結(jié)構(gòu)，還需要將移植物與支撐材料相結(jié)合。一開(kāi)始，Spaggiari等[30]運(yùn)用胸壁皮瓣替代氣管，并用大網(wǎng)膜、胸大肌進(jìn)行覆蓋成型，術(shù)后7天移植物出現(xiàn)狹窄，但在放置支架后得到明顯改善，并在術(shù)后1年內(nèi)未出現(xiàn)復(fù)發(fā)。Yu等[31]采用PolyMax網(wǎng)（Synthes、Paoli、PA）和Hemashield血管移植物（Boston Scientific、Natick、MA）對(duì)前臂橈側(cè)游離瓣制成的導(dǎo)管進(jìn)行外固定，用于氣管重建，術(shù)后6個(gè)月隨訪顯示管腔通暢，無(wú)需支架置入。Maciejewski等[27]采用可降解生物材料制成的環(huán)，通過(guò)縫線固定于前臂橈側(cè)游離瓣外，增強(qiáng)自體組織的剛性，術(shù)后隨訪過(guò)程中同樣顯示管腔通暢，無(wú)呼吸困難。然而，缺乏對(duì)以上兩例患者的長(zhǎng)期隨訪數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估這兩種重建技術(shù)的遠(yuǎn)期效果。Zhang等[32]采用自體肺組織瓣聯(lián)合彈性金屬支架對(duì)5名患者進(jìn)行了氣管替代，在長(zhǎng)達(dá)7年的隨訪過(guò)程中，未出現(xiàn)明顯的支架相關(guān)并發(fā)癥，自體肺組織具有易獲得、供血充足等優(yōu)點(diǎn)，且能為以后氣管上皮再生提供良好的環(huán)境，為氣管替代提供了一種可能的選擇。

除外固定技術(shù)外，F(xiàn)abre等[29]采用自體肋軟骨作為支撐，在成年豬身上進(jìn)行氣管重建，結(jié)果顯示移植氣管存活率高，移植后呼吸功能佳。以此證實(shí)以肋軟骨為支撐的自體組織氣管置換是一種有前途的方法。不同于人造材料，用自體肋軟骨進(jìn)行加強(qiáng)不會(huì)發(fā)生排斥反應(yīng)和慢性炎癥或感染。在這之后，F(xiàn)abre等[33-34]開(kāi)展了大規(guī)模的臨床試驗(yàn)，應(yīng)用肋軟骨加強(qiáng)前臂游離瓣，結(jié)果證實(shí)這是一種良好、耐用的氣管替代物，具有橫向剛性且不需要使用任何免疫抑制劑，有廣闊的應(yīng)用前景。但這種方法的氣管重建在短期內(nèi)尚需要支架置入以防止塌陷或狹窄，并且缺乏自發(fā)的纖毛擺動(dòng)清除作用，受者在術(shù)后需要積極處理或通過(guò)劇烈咳嗽清除氣道分泌物。因此，不太適合膈肌功能不佳或呼吸功能不良的患者[33]。

三、同種異體移植

多年來(lái)，研究者對(duì)于同種異體移植在氣管替代中的應(yīng)用研究主要圍繞兩個(gè)方面，分別是同種異體氣管移植和同種異體主動(dòng)脈移植。免疫排斥反應(yīng)和移植物的血管化是同種異體移植的核心問(wèn)題[5]。

1. 同種異體氣管移植

如上所述，氣管血供的特殊性阻礙了移植過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)的血管吻合與重建。為解決移植后再血管化問(wèn)題，將氣管移植物包裹在受者具有良好血供的異位組織中，從而實(shí)現(xiàn)間接血運(yùn)重建，這可能是一種有效的方法。

1979年，Rose等[35]報(bào)道了人類(lèi)第一例同種異體氣管移植，氣管首先被異位植入受者胸鎖乳突肌，再在3周后進(jìn)行原位移植，移植氣管在9周內(nèi)功能良好，沒(méi)有任何排斥反應(yīng)、缺血或感染跡象。但缺乏對(duì)移植物存活能力和移植后長(zhǎng)期療效的隨訪信息。上海市胸科醫(yī)院趙珩教授等[36]在經(jīng)過(guò)多年大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，摸索出合適的氣管低溫保存方法，并于1997年率先在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了2例臨床同種異體氣管移植手術(shù)，獲得良好療效，移植后患者最長(zhǎng)存活時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5年6個(gè)月[37]。

為有效解決免疫排斥問(wèn)題，Kleoetko等[38]嘗試在移植后使用免疫抑制劑，發(fā)現(xiàn)同種異體氣管中的軟骨和呼吸上皮能夠在受體大網(wǎng)膜包裹下繼續(xù)存活而不出現(xiàn)排斥反應(yīng)，但由于最終患者在氣管切除后能夠?qū)崿F(xiàn)直接的端端吻合，異體氣管最終沒(méi)有用于替代。北大第一醫(yī)院李簡(jiǎn)教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展采用大網(wǎng)膜包裹氣管進(jìn)行分期移植的研究，異體氣管首先被植入受體腹腔，用大網(wǎng)膜包裹以建立血供，隨后二期將帶大網(wǎng)膜蒂的異體氣管移植到受體氣管缺損處。該方法在動(dòng)物和臨床研究中均獲得良好的短期療效[2,39]。2010年，Delaere等[40]在二階段移植技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出免疫抑制劑撤退方案，為同種異體氣管移植提供了更詳盡的臨床經(jīng)驗(yàn)。將供體氣管首先植入受體前臂使其重新血管化，同時(shí)進(jìn)行免疫抑制防止排斥反應(yīng)，當(dāng)移植物中出現(xiàn)受體細(xì)胞時(shí)，免疫抑制劑開(kāi)始逐漸減量直至停止使用。一旦移植物實(shí)現(xiàn)了完全的黏膜血運(yùn)重建，再對(duì)移植物進(jìn)行原位移植，將血管蒂與頸部血管吻合以重建血供。結(jié)果顯示，軟骨環(huán)的彈性得到保留，最終供體氣管的黏膜被受體細(xì)胞填充，氣管重建后一年，隨訪結(jié)果令人滿(mǎn)意[40]。隨后，Delaere等[25]還發(fā)現(xiàn)：移植體黏膜下間隙中受體血管的生長(zhǎng)是安全停止免疫抑制的關(guān)鍵，可以通過(guò)切開(kāi)部分軟骨間韌帶打破受體血管的生長(zhǎng)屏障來(lái)縮短使用免疫抑制劑的時(shí)間、加快二階段移植進(jìn)程。該項(xiàng)技術(shù)一共被應(yīng)用于6位患者，包括5名長(zhǎng)段氣管狹窄患者和1名低級(jí)別氣管軟骨肉瘤患者，除了一位患者在停止免疫抑制后出現(xiàn)黏膜壞死、軟骨失去支撐，以及另一位患者重建的氣道不足以維持呼吸外，其余患者預(yù)后良好，無(wú)腫瘤復(fù)發(fā)[25,40]。但Delaere等[25]提出的二階段技術(shù)尚存在一些不足：首先，移植物在原位移植前需要幾個(gè)月的異位發(fā)育，因此不能應(yīng)用于緊急移植。第二，這種方法需要較長(zhǎng)時(shí)間的免疫抑制，這會(huì)帶來(lái)機(jī)會(huì)性感染的風(fēng)險(xiǎn)，并限制了其在惡性腫瘤中的應(yīng)用。但不可否認(rèn)，這種方法具有廣闊的前景，需要更多病例的報(bào)道及更長(zhǎng)時(shí)間的隨訪觀察證實(shí)其有效性及穩(wěn)定性。

2. 同種異體主動(dòng)脈移植

Martinod等[41-42]在自體主動(dòng)脈替代氣管的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，移植后主動(dòng)脈上出現(xiàn)纖毛柱狀上皮覆蓋，提出動(dòng)脈移植可能是纖毛柱狀上皮再生較好的材料。在隨后的臨床應(yīng)用中，Hoffman等[43]首次將主動(dòng)脈作為肺移植后氣管開(kāi)裂患者的臨時(shí)替代物修復(fù)缺損，在正壓通氣3天后，主動(dòng)脈替代物被切除并成功進(jìn)行了再次移植。Azorin等[44]應(yīng)用自體主動(dòng)脈對(duì)氣管進(jìn)行替代，但患者在術(shù)后6個(gè)月死于急性肺部感染，家屬拒絕尸檢，因此無(wú)法對(duì)移植物進(jìn)行分析。在此之后，同種異體主動(dòng)脈移植因可以避免自體主動(dòng)脈在取材時(shí)可能發(fā)生的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。

主動(dòng)脈由于缺乏橫向剛性，需要安裝支架進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。1997年，Alain Carpentier基金會(huì)的實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了一項(xiàng)應(yīng)用帶支架主動(dòng)脈基質(zhì)進(jìn)行氣道移植的研究計(jì)劃，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中觀察到主動(dòng)脈基質(zhì)上出現(xiàn)上皮細(xì)胞再生和軟骨新生，且只需6個(gè)月就可以取出支架[45]，以此證明自體和新鮮或冷凍保存的同種異體主動(dòng)脈作為氣道替代物的可行性。隨后，為降低同種異體主動(dòng)脈的免疫原性，在移植前對(duì)主動(dòng)脈衍生出多種預(yù)處理方法，Seguin等[46]在綿羊模型中評(píng)估了其中常用的三種：低溫保存、去細(xì)胞和戊二醛浸泡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有低溫保存處理的主動(dòng)脈移植物可在氣管移植后獲得功能組織的再生，且再生過(guò)程遵循新鮮同種異體移植相同的模式。隨后，Wurtz等[47]進(jìn)行了大規(guī)模同種異體主動(dòng)脈替代的臨床研究，將同種異體主動(dòng)脈結(jié)合內(nèi)支撐支架和外支撐肌瓣進(jìn)行氣管替代，血管化良好并有局部呼吸道上皮襯里，但50%患者出現(xiàn)嚴(yán)重的并發(fā)癥，如吻合口開(kāi)裂、真菌感染等，且所有患者不能脫離支架。

但是，針對(duì)軟骨再生問(wèn)題，在不同的實(shí)驗(yàn)研究中結(jié)果不一，不同于Seguin等人的結(jié)果，Wurtz等[47]和Tsukada等[48]未在移植物中發(fā)現(xiàn)明顯的軟骨再生。為解決軟骨再生問(wèn)題，Martinod等[49]將低溫保存溫度從傳統(tǒng)的-150 ℃改變?yōu)?80 ℃，并提出體內(nèi)組織工程機(jī)制，即在移植物替代受損氣道后，剩余存活的主動(dòng)脈基質(zhì)細(xì)胞釋放細(xì)胞生長(zhǎng)和血管生成相關(guān)因子，促進(jìn)祖細(xì)胞/干細(xì)胞歸巢，人體作為一個(gè)天然的生物反應(yīng)器，在基質(zhì)中再生上皮和軟骨。該方法在兩名喉氣管良性狹窄患者中證實(shí)有效，患者分別在15和39個(gè)月后移除支架，研究證實(shí)了從受體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中獲得軟骨再生的可能[49]。隨后，同一研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)前瞻性研究[50]，旨在評(píng)估以低溫保存的同種異體主動(dòng)脈作為氣道替代物的可行性。結(jié)果顯示：受者術(shù)后平均18.2個(gè)月取出支架，13例患者中10例（76.9%）存活，其中8例（80%）術(shù)后通過(guò)新形成的氣道正常呼吸，在主動(dòng)脈基質(zhì)中觀察到上皮細(xì)胞再生和軟骨新生。

同種異體主動(dòng)脈在氣管重建中的應(yīng)用顯示出較好的前景。低溫保存的同種異體主動(dòng)脈移植物主要優(yōu)點(diǎn)在于可用于組織庫(kù)、永久儲(chǔ)存，且不需要免疫抑制。這將進(jìn)一步為今后的臨床應(yīng)用提供支柱與希望。目前，全球共有2項(xiàng)在研的有關(guān)低溫保存的主動(dòng)脈支架用于氣管、支氣管替代的臨床研究，分別由法國(guó)的Emmanuel Martinod（NCT04263129）和中國(guó)臺(tái)灣的Jin-Shing Chen（NCT04850742）教授牽頭，相信在未來(lái)，當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)的安全性和有效性得到更大規(guī)模、多中心的研究來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證后，能為氣管替代帶來(lái)新的希望。

3. 異種移植

同種異體材料由于數(shù)量上的缺乏，在臨床應(yīng)用中受到限制。于是，Remlinger等[51]開(kāi)始探索異種氣管移植的可能性。利用水合脫細(xì)胞豬氣管對(duì)犬進(jìn)行氣管重建，異位移植8周后，貼片仍能保持生理負(fù)荷下所必須的機(jī)械性能，且移植物支持纖毛柱狀上皮的發(fā)育，但新生軟骨的形成受限，不能保證移植后的遠(yuǎn)期效果。Cheng等[52]應(yīng)用脫細(xì)胞牛頸動(dòng)脈生物片對(duì)犬進(jìn)行氣管重建，所有犬在氣管重建術(shù)后6個(gè)月內(nèi)均存活，無(wú)呼吸道癥狀，且管腔內(nèi)氣管缺損修復(fù)順利，組織學(xué)和掃描電鏡檢查顯示移植片表面覆蓋著類(lèi)似于氣管上皮的纖毛柱狀上皮，表明脫細(xì)胞牛頸動(dòng)脈在犬體內(nèi)成功發(fā)生再上皮化。這些結(jié)果為異種主動(dòng)脈生物片作為氣管替代物的臨床前研究提供了依據(jù)，提示脫細(xì)胞牛頸動(dòng)脈生物片可能是氣管移植的潛在材料。但關(guān)于異種移植的研究尚處在起步階段，還需要更多的研究報(bào)道以證實(shí)其可行性。

四、組織工程氣管

組織工程氣管是指將三維基質(zhì)支架與體外培養(yǎng)的宿主干細(xì)胞結(jié)合，從而在體內(nèi)或體外生物反應(yīng)器中構(gòu)建無(wú)排異性人工氣管組織[53]。理論上來(lái)說(shuō)，組織工程氣管的出現(xiàn)為創(chuàng)造一種能夠更新、再生和修復(fù)的活體氣管替代物提供可能，具有較好的應(yīng)用前景。盡管人們對(duì)其寄予厚望，但組織工程氣管的應(yīng)用因慢性炎癥、移植后狹窄和上皮化延遲等原因而受到限制[54]。

組織工程包含三大基本元素，分別是細(xì)胞、支架和生長(zhǎng)因子[53]。目前，用于氣管組織再生的細(xì)胞主要為自體軟骨細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞[55]。此外，上皮細(xì)胞也在組織工程中發(fā)揮重要的作用，在調(diào)節(jié)氣道代謝功能的同時(shí)也起屏障作用，植入上皮細(xì)胞的支架顯示出更好的組織再生能力和細(xì)胞活性[56-57]。三維基質(zhì)支架為細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和分化提供場(chǎng)所和環(huán)境，目前，許多人工合成和天然衍生的生物材料被用于組織工程氣管基質(zhì)的合成[58-60]，同時(shí)各種交聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用也提高了合成材料的機(jī)械強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保障了組織工程氣管的安全性與有效性[61]。盡管經(jīng)過(guò)不懈的改進(jìn)，但成功應(yīng)用于臨床的合成支架屈指可數(shù)?？赡茉蛟谟谌藗兒鲆暳宋⒂^水平細(xì)胞與細(xì)胞之間，細(xì)胞與基質(zhì)之間的相互作用[62]。而生長(zhǎng)因子作為信號(hào)分子，有助于將周?chē)h(huán)境中的信息傳遞給細(xì)胞促進(jìn)增殖和分化，同時(shí)也能為細(xì)胞的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)[53]。已有研究[63]證實(shí)：含有表皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子和堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子的支架有助于促進(jìn)上皮組織功能的再生，從而改善組織工程氣管的移植效果。2012年，Elliott等[6]將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和自體上皮種植于經(jīng)粒細(xì)胞集落刺激因子處理的脫細(xì)胞供體氣管，局部應(yīng)用人重組促紅細(xì)胞生成素促進(jìn)血管生成，注入組織轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β促進(jìn)軟骨再生，最終組織工程氣管獲得了良好的上皮化和血管化。但移植物在18個(gè)月后才具有局部生物力學(xué)強(qiáng)度。對(duì)該兒童長(zhǎng)達(dá)4年的隨訪顯示：盡管需要多個(gè)支架及多次支氣管鏡檢查及干預(yù)，但脫細(xì)胞組織工程氣管在兒童體內(nèi)上皮化良好，具有長(zhǎng)期存活能力[64]。隨后，Elliott等[65]在此基礎(chǔ)上總結(jié)出接種自體細(xì)胞的脫細(xì)胞氣管支架移植的標(biāo)準(zhǔn)操作流程，完善了一期臨床試驗(yàn)的方案。

隨著材料學(xué)的進(jìn)步，越來(lái)越多的高性能聚合材料開(kāi)始應(yīng)用于支架的制作。其中以苯二甲酸乙二醇酯/聚氨酯（polyethylene terephthalate/polyurethane，PET/PU）和聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）為代表。Pepper等[66]采用植入自體骨髓單核細(xì)胞（bone marrow mononuclear cells，BM-MNCs）的PET/PU電紡合成支架對(duì)綿羊進(jìn)行氣管替代。用PET/PU制備的氣管支架具有仿生力學(xué)性能，BM-MNCs的植入提高了人工氣管的生物相容性，并誘導(dǎo)新生上皮形 成[67-68]，但氣管在移植后會(huì)出現(xiàn)狹窄和上皮化延遲等問(wèn)題[66]。Fux等[69]首次將其應(yīng)用于臨床，但接受移植的2例患者在隨訪過(guò)程中均出現(xiàn)嚴(yán)重的移植物相關(guān)并發(fā)癥，需要多次手術(shù)再干預(yù)。以上結(jié)果表明該移植物尚不能在體內(nèi)成為有活性的功能氣管。Dharmadhikari等[70]對(duì)這種組織工程氣管的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，原位植入PET/PU電紡合成氣管補(bǔ)片能夠發(fā)生再上皮化，而植入節(jié)段型人工氣管的上皮化有限，且不受細(xì)胞接種的影響。以上結(jié)果表明：雖然PET/PU支架的制作是為了在結(jié)構(gòu)上模擬天然氣管細(xì)胞外基質(zhì)，但仍需要對(duì)合成基質(zhì)進(jìn)行額外的修飾，以增強(qiáng)節(jié)段人工氣管的上皮化，此外，BMMNCs的種植效果不佳、缺乏持久性，需要進(jìn)一步研究以促進(jìn)細(xì)胞的附著、遷移和生長(zhǎng)。

與其他可降解生物聚合物相比，PCL具有降解速度慢、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種有發(fā)展前景的高分子材料。Jang等[71]將PCL-膠原電紡支架植入大鼠氣管缺損處，術(shù)后7周顯示軟骨完全再生，管腔上皮化，體內(nèi)無(wú)炎癥反應(yīng)。2015年，Lee等[72]在兔模型中發(fā)現(xiàn)帶有層粘連蛋白涂層的PCL支架能夠加快黏膜的再生，層粘連蛋白和間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)促進(jìn)氣管上皮再生發(fā)揮協(xié)同作用，在氣管缺損的再生治療中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著3D打印技術(shù)的興起，越來(lái)越多的研究開(kāi)始設(shè)計(jì)3D打印的人工支架，并顯示出良好的機(jī)械穩(wěn)定性和愈合率[73-74]。Gao等[75]提出，以3D打印支架為基礎(chǔ)，在體外接種自體軟骨細(xì)胞，在體內(nèi)進(jìn)行血管化的組織工程氣管構(gòu)建模式能夠提高術(shù)后早期生存率，是長(zhǎng)段氣管缺損重建中一種有前景的方法。

目前，對(duì)于氣管組織構(gòu)建的理想材料和細(xì)胞類(lèi)型并沒(méi)有一致的意見(jiàn)。組織工程氣管尚存在管腔上皮化不足、黏膜再生緩慢、替代物血管化困難等問(wèn)題，限制了組織功能的恢復(fù)，并可能導(dǎo)致移植物感染和開(kāi)裂。針對(duì)以上問(wèn)題，上海市胸科醫(yī)院譚強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種“體內(nèi)生物反應(yīng)器”技術(shù)，即在體內(nèi)植入組織工程氣管的基礎(chǔ)上，用體外便攜式泵系統(tǒng)為支架基質(zhì)持續(xù)灌注抗生素，并每2周輸注一次外周總有核細(xì)胞，使預(yù)接種的細(xì)胞在移植物血運(yùn)重建前保持存活，同時(shí)控制局部感染，術(shù)后4個(gè)月隨訪證實(shí)，受者氣管替代物發(fā)生完全血管化和再上皮化，且能夠耐受放化療，適合于氣管腫瘤的治療[76]。隨后，同一研究團(tuán)隊(duì)又將此技術(shù)應(yīng)用于3例侵犯隆突的長(zhǎng)段氣道病變患者，均獲得1年以上的良好替代效果[77]，這一體內(nèi)生物反應(yīng)器技術(shù)顯示出潛在的應(yīng)用價(jià)值，需要進(jìn)一步研究來(lái)評(píng)估療效及安全性。此外，臨床應(yīng)用前仍需要對(duì)再生醫(yī)學(xué)進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)研究，以完全了解這一領(lǐng)域及其背后的病理生理學(xué)機(jī)制。

五、展望

目前為止仍未找到理想的氣管替代物。理想的氣管替代物需要有穩(wěn)定的機(jī)械性能，快速的血運(yùn)重建，良好的生物相容性，以及軟骨再生、黏膜生長(zhǎng)的能力。除了人工合成假體外，其他4種氣道替代方法在臨床試驗(yàn)中都取得了一定的成效（表1），但沒(méi)有一種能夠?qū)μ烊粴夤苓M(jìn)行完美替代，均有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)（表2）。在此之中，同種異體移植和以肋軟骨作支撐的前臂游離筋膜瓣自體組織氣管已經(jīng)取得較好的移植效果。目前看來(lái)，不受供體數(shù)量限制以及不需要使用免疫抑制治療等特點(diǎn)使得自體組織氣管展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但自體組織缺乏氣管纖毛清除分泌物的功能，仍需解決術(shù)后短期內(nèi)伴隨支架植入和頻繁清除氣道分泌物而來(lái)的問(wèn)題。低溫保存的同種異體主動(dòng)脈移植也顯示出潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值，且與其他替代方式相比較為成熟，目前已有2項(xiàng)有關(guān)主動(dòng)脈替代氣管的在研臨床研究正在進(jìn)行，若該種方法能夠通過(guò)多中心的臨床驗(yàn)證證實(shí)有效，組織庫(kù)的建立將為今后大規(guī)模臨床應(yīng)用創(chuàng)造條件，但此方法同樣存在早期支架植入相關(guān)并發(fā)癥等風(fēng)險(xiǎn)。組織工程氣管的研究為未來(lái)制造更優(yōu)良的氣管替代物提供可能，雖然近年來(lái)已取得一些臨床個(gè)案的成功，但組織再生和干細(xì)胞使用背后復(fù)雜的病理生理學(xué)機(jī)制仍需要進(jìn)一步探索。我們認(rèn)為單純利用組織工程氣管進(jìn)行替代移植以滿(mǎn)足氣管生物學(xué)功能的需要尚為困難，但在自體組織氣管和同種異體移植的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮組織工程技術(shù)中干細(xì)胞再生的優(yōu)勢(shì)，加速移植物在體內(nèi)的融合，縮短支架撤離時(shí)間，減少并發(fā)癥，開(kāi)創(chuàng)更為穩(wěn)定、安全的替代方案是值得研究的新方向。

表1 主流氣管替代物臨床應(yīng)用代表文獻(xiàn)

表2 氣管替代主要方法的優(yōu)缺點(diǎn)

續(xù)表