腹腔鏡消化道重建術(shù)中所用胃腸吻合釘?shù)难芯楷F(xiàn)狀及思考

王思逸，朱甲明，周 敏，那 迪

(中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院腫瘤外科，遼寧 沈陽，110002)

胃癌仍是全球第三大癌癥死亡原因[1]，結(jié)直腸癌患者死亡人數(shù)約占全球每年確診癌癥的相關(guān)死亡患者的10%[2]。對于進展期結(jié)直腸癌、胃癌，外科治療在所有治療方式中占主導(dǎo)地位[3]。一項72 650例結(jié)直腸癌手術(shù)病例資料中，直腸癌手術(shù)占57.9%。自上個世紀(jì)腹腔鏡技術(shù)誕生以來，隨著攝像機技術(shù)的進步，腹腔鏡手術(shù)在短時間內(nèi)快速發(fā)展。1987～1990年，腹腔鏡技術(shù)不僅應(yīng)用于簡單的腹部手術(shù)，如闌尾切除術(shù)，還應(yīng)用于更加復(fù)雜的膽囊切除術(shù)[4]。自1993年后，腹腔鏡技術(shù)幾乎可用于所有消化系統(tǒng)疾病的手術(shù)治療[4]。這對消化道腫瘤切除術(shù)后的消化道重建而言，無疑是一次革命性的轉(zhuǎn)變。胃切除術(shù)后的消化道重建約有130年歷史，自1893年Billroth行胃遠端切除術(shù)后Billroth Ⅰ式吻合重建開始，各種重建方式應(yīng)運而生，但至今尚無統(tǒng)一、具有循證醫(yī)學(xué)高級別證據(jù)的明確意見。消化道重建是極為復(fù)雜的，在進行消化道重建吻合的過程中我們需注意：(1)選擇合理的吻合方法，把握吻合對象的構(gòu)造、組織功能特點；(2)把握異常情況如消化道炎性水腫時的變化特點，選擇安全合理的吻合方式；(3)技術(shù)操作時應(yīng)把握使用器械、材料的特性及其對組織的影響，如縫合吻合材料的物理損傷及引起的炎性反應(yīng)[5]。對于經(jīng)過充分訓(xùn)練的臨床醫(yī)生，上述前兩條幾乎不成問題。因此，對于吻合材料的選擇成為廣泛議論的熱點。

隨著腔鏡手術(shù)的不斷推廣，機械吻合器逐漸顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。機械吻合相較手工縫合具有相當(dāng)大的優(yōu)勢[6]。與傳統(tǒng)手工縫合相比，機械吻合不僅可縮短手術(shù)時間，對手工操作難以涉及的狹小地帶可精準(zhǔn)把握，而且還能減少組織損傷與出血從而縮短術(shù)后住院時間[7]。機械吻合器的出現(xiàn)也使低位直腸前切除成為可能，避免了行經(jīng)腹會陰聯(lián)合直腸前切除術(shù)，改善了低位直腸癌患者的術(shù)后生活質(zhì)量。在消化道重建的術(shù)后并發(fā)癥中，重建帶來的吻合口漏、吻合口狹窄、出血是臨床醫(yī)生關(guān)注的焦點，在如何減少吻合口并發(fā)癥的調(diào)查研究中，吻合方式及吻合材料成為減少這些并發(fā)癥的可選項。

1 目前使用的鈦合金機械吻合釘及其優(yōu)勢

機械吻合器類似于訂書機，其內(nèi)部也有與訂書釘一樣的吻合釘，術(shù)中，術(shù)者通過操作吻合器等機械吻合器內(nèi)部的吻合釘受到力的作用，發(fā)生形狀變化，牢牢地固定對合組織[8]。在普通外科消化道重建手術(shù)中，被廣泛用于吻合釘制造的材料為純Ti、Ti-3Al-2.5V及Ti-6Al-4V。

鈦合金作為生物醫(yī)用材料的優(yōu)勢[9]主要有：(1)密度小。在常溫下鈦合金密度僅為4.5 g/cm3。對于患者而言，術(shù)后吻合釘會長期存在于體內(nèi)，若使用大量密度過高的材料作為機械吻合釘使用，不僅會使患者感受到植入物帶來的重量增加，也會增加吻合口漏的風(fēng)險，由于患者術(shù)后下床活動時吻合口還未完全愈合，吻合釘?shù)闹亓ψ饔脮~外增加吻合口張力。鈦合金重量輕，操作更方便。(2)無磁性。鈦合金作為胃腸吻合釘不會增加患者術(shù)后遠期面對磁場時的負擔(dān)。(3)彈性模量低。鈦合金受外力作用時容易變形，這一點至關(guān)重要，作為機械吻合釘使用時，若擠壓作用無法使吻合釘成功變形，后果非常嚴(yán)重。未發(fā)生形變的吻合釘或殘留于釘槽內(nèi)或灑落于患者腹腔內(nèi)，對吻合是無效的，若無效吻合釘過多，會增加術(shù)后吻合口漏的風(fēng)險[10]。(4)耐腐蝕。鈦及鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性使其不容易在人體環(huán)境如腸液中被腐蝕。(5)高強度，高韌性。鈦合金不會因使用后受外力作用輕易斷裂、彎曲，保證術(shù)后吻合口能正常有效愈合。

鈦釘吻合器大大縮短了手術(shù)時間、減少了術(shù)后吻合口相關(guān)并發(fā)癥，但由于鈦釘?shù)牟豢山到庑裕呛厢敓o法被周圍組織吸收。這些吻合釘作為類似植入物在體內(nèi)長期殘留。術(shù)后不僅會影響CT斷層掃描及一系列影像學(xué)檢查，也會給患者增加心理負擔(dān)。相關(guān)病例報道了鈦合金吻合釘造成嚴(yán)重的異物肉芽腫。此外，對于低位直腸前切除術(shù)后患者，殘留吻合釘會增加直腸前切除綜合征的發(fā)生率。因此，在消化道重建手術(shù)的吻合材料使用方面，需要有更好的選擇。從長遠考慮，消化道重建手術(shù)需要一種新的吻合材料，既能在術(shù)后胃腸道切口愈合時提供有效的支撐，也能在消化道功能完全恢復(fù)后有效降解。因此，實現(xiàn)這種理想狀態(tài)的最優(yōu)解決方法就是使用生物可降解吻合釘。

2 Mg-6Zn可降解機械吻合釘?shù)难芯楷F(xiàn)狀

生物可降解吻合材料一直是研究的重點，幾乎所有外科醫(yī)生都希望獲得一種可短暫存留于人體組織的吻合材料。在機械吻合方式未廣泛應(yīng)用前，消化道吻合需要外科醫(yī)生手工縫合，在這一時期，聚合物所制的吻合材料得到了廣泛應(yīng)用，直到目前，仍有許多聚合物縫線應(yīng)用于消化道重建手術(shù)中，或在重建手術(shù)中起到輔助作用。但聚合物材料由于力學(xué)性能較差，在機械吻合方式出現(xiàn)后慢慢退出了歷史舞臺。消化道重建手術(shù)急需一種可滿足所有臨床需求的機械吻合釘。

其他醫(yī)用植入器械如心血管支架也已向生物可降解方向轉(zhuǎn)變，機械胃腸吻合釘目前也有此趨勢。對比傳統(tǒng)無法降解的鈦合金胃腸機械吻合釘，可降解機械吻合釘具有以下優(yōu)勢：(1)可降解。降解后容易被人體吸收。(2)不影響后續(xù)CT及MRI等影像學(xué)檢查。(3)減少形成異物肉芽腫的風(fēng)險，避免術(shù)后形成吻合口狹窄[11]、吻合口梗阻、壞死、瘺等。(4)減輕患者心理壓力，避免大部分患者因吻合釘長期殘留引起的不適感。

目前生物醫(yī)用可降解材料有鎂及其合金、鋅及其合金等，作為生物醫(yī)用植入材料已被廣泛應(yīng)用于口腔科、骨科、心血管內(nèi)科?？山到鈾C械吻合釘?shù)脑O(shè)計研究基本也是圍繞這幾種金屬合金展開。當(dāng)可降解金屬合金作為機械胃腸吻合釘被植入體內(nèi)時，需滿足以下基本要求：(1)具有適宜的降解速率，要在吻合釘降解前保持吻合口所需張力。(2)具有良好的生物相容性，即降解產(chǎn)物無毒性，不引起炎癥反應(yīng)，機體組織不會產(chǎn)生過敏反應(yīng)。(3)具有良好的機械性能，不易斷裂。(4)強度高，不易發(fā)生形變?？山到鈾C械吻合釘目前正在不斷研究中，部分已進入動物實驗階段，研究證實大部分可降解金屬合金材料具有作為機械胃腸吻合釘?shù)臐摿?，其中最具有代表性的就是鎂合金及鋅合金。鎂合金在自然界儲量豐富，容易制備，同時也是人體不可或缺的元素之一。鎂元素在人體內(nèi)儲量僅次于鈉、鉀及鈣元素，正常標(biāo)準(zhǔn)身材的成年人(70 kg)體內(nèi)含有1 mol鎂元素。鎂元素在人體代謝中起著非常重要的作用：(1)作為輔助因子參與體內(nèi)酶的調(diào)節(jié)。(2)維持滲透梯度。(3)參與人體內(nèi)環(huán)境pH值的調(diào)節(jié)。(4)維持肌肉及神經(jīng)的興奮性[12]。鋅元素也是人體必須元素之一，鋅元素在人體細胞分裂、細胞生長、傷口愈合、碳水化合物分解等多種生化功能中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。此外，許多蛋白質(zhì)、酶、轉(zhuǎn)錄因子也依賴于鋅代謝。缺鋅與嬰兒、年輕人的身體生長發(fā)育障礙、更大的感染風(fēng)險、認知功能喪失、記憶與行為問題及學(xué)習(xí)障礙有關(guān)[13]。通過將鎂、鋅合金化并通過不同的制造工藝改良將其作為機械吻合釘應(yīng)用于消化道重建手術(shù)中，或許能在未來得以實現(xiàn)，同時也將改善患者預(yù)后。

純鎂具有較高的生物相容性，但純鎂耐腐蝕性能差，其降解特點是分段降解，不能在吻合口愈合期間發(fā)揮完整的力學(xué)性能。純鋅也具有良好的生物相容性，但作為可降解金屬，在人體內(nèi)過量可導(dǎo)致細胞毒性[14]，且純鋅極限抗拉強度小于200 MPa，不適于大多情況。因此鎂、鋅常通過合金化，增強其耐腐蝕性能及力學(xué)性能，其合金作為胃腸機械吻合釘目前已進行了廣泛研究。其中最具有代表性、最具應(yīng)用前景的是Mg-6Zn胃腸吻合釘。Mg-6Zn的密度為1.82 g/cm3，彈性模量為(42.3±0.1)GPa，屈服強度為(169.5±3.6)MPa，抗拉強度為(279.5±2.3)MPa，延伸率為18.8%±0.8%，抗壓強度為(433.7±1.4)MPa，降解速率為3天(0.20±0.05)mm yr-1/30天(0.07±0.02)mm yr-1。在消化道重建術(shù)后，吻合口將經(jīng)歷一個復(fù)雜的愈合過程，大致可概括為三個階段：滲出期、增殖期、修復(fù)期[15]。此過程是多細胞參與的，其中膠原纖維起著至關(guān)重要的作用[16]。Ⅰ型膠原纖維參與瘢痕組織形成，Ⅲ型膠原纖維作用于切口愈合的早期階段。Ⅰ型膠原與Ⅲ型膠原的比例影響吻合口愈合初期形成的結(jié)締組織張力，與術(shù)后吻合口漏具有相關(guān)性。Wang等[17]對比了Mg-6Zn機械吻合釘(實驗組)與鈦合金機械吻合釘(對照組)在植入腸道后對腸道膠原代謝的影響，發(fā)現(xiàn)Mg-6Zn合金機械吻合釘在植入腸道后第三周開始降解，且降解產(chǎn)物多沉淀于材料表面；實驗組術(shù)后第一周血清Mg含量開始增加，但第二周呈逐漸下降趨勢。根據(jù)實驗組膠原組織免疫組化結(jié)果來看，Mg-6Zn合金對Ⅰ型膠原及Ⅲ型膠原有促進作用，且同時間接抑制了與Ⅰ、Ⅲ型膠原降解有關(guān)的基質(zhì)金屬蛋白酶1及基質(zhì)金屬蛋白酶3的表達。在腸道愈合環(huán)境下，Mg-6Zn合金機械吻合釘通過促進膠原纖維生成從而促進細胞外基質(zhì)的合成，達到吻合口快速愈合的目的，由此可見，Mg-6Zn可作為目前鈦合金吻合釘?shù)奶娲?。在吻合口愈合的增殖階段，新生血管大量生成。轉(zhuǎn)化生長因子-β、血管內(nèi)皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子在血管生成過程中充當(dāng)信號載體，其中轉(zhuǎn)化生長因子-β1可誘導(dǎo)其細胞因子發(fā)揮作用，是整個血管生成過程中的“扳機點”[18]。腫瘤壞死因子-α是介導(dǎo)炎癥的重要因子，在慢性炎癥中起重要作用[19]。Yan等[20]探究了Mg-6Zn合金吻合釘對腸道愈合過程中細胞因子的影響作用，研究得出Mg-6Zn合金可促進血管生成過程中轉(zhuǎn)化生長因子-β的表達，進而間接促進血管內(nèi)皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子等細胞因子的表達，促進吻合口愈合。隨著Mg-6Zn降解析出高濃度的Zn2+抑制腫瘤壞死因子-α的表達，從而減輕術(shù)后吻合口的炎癥。Mg-6Zn應(yīng)用于胃腸外科領(lǐng)域具有巨大潛能，其不僅僅作為提供張力的吻合釘存在，降解產(chǎn)物也為消化道重建術(shù)后吻合口愈合帶來正面影響。不同胃腸吻合釘合金性能的比較見表1。

表1 不同胃腸吻合釘合金性能的比較

3 面臨的問題

3.1 鈦合金吻合釘面臨的問題 生物相容性是指生命體組織對非活性材料產(chǎn)生反應(yīng)的一種性能，一般是指材料與宿主之間的相容性。生物材料植入人體后，對特定的生物組織環(huán)境產(chǎn)生影響與作用，生物組織對生物材料也會產(chǎn)生影響與作用，兩者的循環(huán)作用一直持續(xù)，直至平衡或植入物被去除。生物相容性可分為生物學(xué)反應(yīng)與材料反應(yīng)兩部分，其中生物反應(yīng)包括血液反應(yīng)、免疫反應(yīng)、組織反應(yīng)；材料反應(yīng)主要表現(xiàn)在材料物理與化學(xué)性質(zhì)的改變。將鈦合金機械吻合釘植入消化道后，不僅會對生物體產(chǎn)生特殊的反應(yīng)，材料本身也會發(fā)生物理及化學(xué)性質(zhì)的變化。

鈦合金機械吻合釘長期被認為是一種惰性材料，即作為機械吻合釘植入后幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這一觀點與鈦合金表面形成的薄層鈍化膜有關(guān)[21]。然而在炎癥反應(yīng)階段，白細胞產(chǎn)生的過氧化氫等仍然可以穿過鈍化膜，從而導(dǎo)致鈦合金腐蝕[21]。體內(nèi)微量元素分析可作為鈦合金降解的一項證據(jù)，如在鈦合金(Ti-6Al-4V)植入患者的頭發(fā)中檢測到鋁元素[22]。鈦合金并不是完全沒有生物毒性，對于鈦合金毒性的主要集中點是鈦合金(Ti-3Al-2.5V及Ti-6Al-4V)中的釩元素[23]。此外，Haynes等使用鈦鋁釩(Ti-Al-V)、鈷鉻顆粒進行大鼠腹腔巨噬細胞實驗，鈷鉻產(chǎn)生了高毒性反應(yīng)，而Ti-Al-V增加了炎癥誘導(dǎo)介質(zhì)的釋放，如前列腺素E2、白細胞介素-1、白細胞介素-6、腫瘤壞死因子[24]。更有研究表示，在人血清中，Ti-Al-V金屬顆粒與血清中的蛋白質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生的復(fù)合物將引起淋巴細胞反應(yīng)，反應(yīng)程度與蛋白質(zhì)分子量成正比[25]。這些觀點與鈦合金作為生物醫(yī)用材料具有無毒性的優(yōu)勢[9]相悖，這也是我們尋找更加合適的機械吻合釘材料的理由。

到底是什么導(dǎo)致了鈦合金的腐蝕？這一點可能與生物體組織對被植入的鈦合金產(chǎn)生的影響作用有關(guān)。消化道重建手術(shù)的切口可能污染，屬于Ⅱ級手術(shù)，原因是術(shù)中術(shù)者很難保證消化道內(nèi)容物不流入腹腔。這一過程造成了術(shù)后消化道切口可能有一段時間處于炎癥期。當(dāng)鈦合金被作為機械吻合釘植入消化道時，鈦合金吻合釘是被切口處的消化道組織包裹的。吻合釘所處的周圍環(huán)境包含了大部分的炎癥期細胞生理產(chǎn)物，如白蛋白及過氧化氫(H2O2)[26]，同時也存在許多消化液。有研究證明，H2O2會降低純鈦的耐腐蝕性，與鈦表面的TiO2鈍化膜改變有關(guān)[27]。對于Ti-6Al-4V合金而言，生物環(huán)境中H2O2的增加會促進合金體系的腐蝕，Ti、Al、V析出增多。白蛋白將小幅度引起合金腐蝕后Ti析出量增加。白蛋白與H2O2協(xié)同效應(yīng)引起Ti-6Al-4V腐蝕速率增加，且腐蝕對Ti-6Al-4V合金β相破壞較大[28]。目前來看，鈦合金胃腸吻合釘并未出現(xiàn)因植入周圍環(huán)境腐蝕造成力學(xué)性能下降的情況，其力學(xué)性能在吻合口愈合期間仍能保持較好狀態(tài)。但在術(shù)后長期過程中，鈦合金并非不發(fā)生任何腐蝕降解，其降解后析出的其他金屬元素所造成的影響甚至并發(fā)癥是我們此后需要考慮的重點。

3.2 Mg-6Zn面臨的問題 目前大部分對于Mg-6Zn合金機械吻合釘?shù)膱蟮蓝际怯幸娴?，似乎大多?shù)的研究都在為Mg-6Zn合金作為目前機械吻合釘?shù)淖顑?yōu)替換方案提供正面的證據(jù)，但事實上，Mg-6Zn合金的確存在一些負面效應(yīng)，如對腸上皮細胞周期的負面影響。在Mg-6Zn合金與腸上皮細胞相互作用的過程中，存在許多細胞周期調(diào)節(jié)因子，如細胞周期蛋白D1[29]、細胞周期蛋白依賴性激酶4[30]、p21[31]。其中細胞周期蛋白D1是一種原癌基因，可將細胞外信號與細胞周期之間建立有效聯(lián)系[32]。大部分癌癥的發(fā)生是由基因易位而表達細胞周期蛋白D1。細胞周期蛋白依賴性激酶4這種關(guān)鍵蛋白在細胞周期從G1期到S期發(fā)揮重要作用。p21是細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑家族的重要成員，與腫瘤抑制作用密切相關(guān)，也通過抑制周期素依賴激酶復(fù)合物活性，協(xié)調(diào)細胞周期、DNA復(fù)制。p21可以與p53共同構(gòu)成細胞周期G1檢查站，使不經(jīng)修復(fù)的損傷DNA無法通過，減少受損DNA的積累，從而達到抑癌作用[33]。Wang等[34]通過實驗評估植入Mg-6Zn合金吻合釘后的腸上皮細胞細胞周期蛋白D1、細胞周期蛋白依賴性激酶4、p21表達，探究Mg-6Zn合金機械吻合釘是否具有良好的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn)，Mg-6Zn合金快速腐蝕所造成的堿性環(huán)境不利于腸上皮細胞的細胞周期循環(huán)，會導(dǎo)致腸上皮細胞周期的停滯。因此，解決Mg-6Zn合金腐蝕后的堿性環(huán)境影響，將為Mg-6Zn合金作為機械胃腸吻合釘提供更有利的證據(jù)。鈦合金吻合釘及Mg-6Zn吻合釘優(yōu)缺點的比較見表2。

表2 鈦合金吻合釘及Mg-6Zn吻合釘優(yōu)缺點的比較

4 總結(jié)與展望

根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，可降解機械吻合釘?shù)难芯恐匦膽?yīng)放在以下方面：(1)吻合釘材料的生物相容性，盡可能降低合金材料降解后產(chǎn)物對植入生物體環(huán)境的影響及生物體環(huán)境對合金材料本身的影響。(2)吻合釘材料的力學(xué)性能及強度，保持吻合釘使用前后即通過擠壓變形植入消化道前后力學(xué)性能不受影響，不因形變而造成彎曲部位受力降低或因重建后消化道張力導(dǎo)致吻合釘形變部位發(fā)生二次變形。(3)吻合釘材料的降解特性，既應(yīng)保持可降解吻合釘具有較好的降解速率，能在消化道愈合前提供張力維持消化道暫時功能，并在愈合后達到部分降解或完全降解，也應(yīng)保持可降解吻合釘不因降解而改變其本身的力學(xué)性能。根據(jù)患者及臨床醫(yī)生的需求現(xiàn)狀，可降解吻合釘材料的研究不能僅局限于材料本身，還應(yīng)考慮改善可降解吻合釘?shù)闹委焹r值，如通過涂層加以抗菌特性，預(yù)防術(shù)后感染；通過降解產(chǎn)物與被植入生物體組織(消化道組織)之間的影響作用，改善吻合口愈合狀態(tài)。

盡管腹腔鏡消化道重建手術(shù)所使用的機械胃腸吻合釘?shù)难芯恳讶〉靡欢ㄟM展，但目前尚未應(yīng)用于臨床，歸根結(jié)底還是研究不夠充分。從臨床角度而言，也是出于對患者的考慮，只有將所有情況尤其極其特殊的情況都考慮其中，設(shè)計一種幾乎可適合所有場景的機械吻合釘，才能逐步進行臨床試驗。消化道的范圍很大，自口腔延續(xù)為咽、食管、胃、小腸、大腸，終于肛管，每一段的消化道功能、消化液環(huán)境也有所區(qū)別。我們所考慮的不只局限于某種手術(shù)，而是適于全消化道吻合術(shù)的機械吻合釘。因此，對于可降解機械吻合釘仍有很大的研究空間。