组织工程在喉、气管修复重建中的应用前景

[摘要] 软骨组织工程基础研究已取得重要进展，但在喉、气管修复重建实际应用中尚未呈现其应有的优势。目前真正意义上的组织工程技术修复重建喉、气管支架功能尚未实现。本文就软骨组织工程基础研究及其在喉、气管修复重建应用中的瓶颈问题与可能突破点做一慨述，展望其应用前景。

喉和气管是全身软骨组织相对集中的部位，其腔状支架主要由软骨支撑，喉、气管的生理功能与美学意义依赖支架软骨的完整性。创伤、疾病或畸形等常使喉、气管支架软骨破坏或被迫切除。由于软骨缺乏再生能力，病损后难以自身修复，必须利用其它组织或替代材料进行修复与重建。自体组织（如肋软骨、会厌软骨、耳廓软骨和舌骨、髂骨、肋骨及其附属的软骨膜、骨膜或肌肉组织等）和同种异体软骨移植以及人工材料（如羟基磷灰石、金属记忆合金支架等）替代等是常用的修复重建方法。但自体组织以牺牲供区正常组织为代价，不仅增加患者痛苦，造成新缺损，而且取材有限，往往难以满足修复重建要求；同种异体软骨整体移植和人工材料替代存在免疫排斥、传染疾病及与机体不融合等问题。因此，多年来，喉、气管修复重建技术仍是人们不断探索的课题。

组织工程技术的出现为喉、气管软骨修复重建提供了新思路和新方法。软骨由于细胞单一、无血管和淋巴管、细胞被基质包埋等特殊组织结构，使其成为组织工程化组织构建及其应用研究最多、发展最快和最早获得成功的例子^[1，2]。但在耳鼻咽喉科领域，软骨组织工程研究并未呈现出其应有的优势。究其原因可能在于喉、气管软骨属中空不规则结构软骨框架，构建技术要求高，实际应用存在腔内不易上皮化和组织工程化软骨营养来源受限等难题，使轰轰烈烈的软骨组织工程基础研究无法与实际应用相衔接，限制了其优势的发挥。

【喉、气管软骨组织工程研究状况】

1.软骨构建与初步应用研究 自1987年提出“组织工程”这一概念起，软骨组织成为组织工程研究较为成熟的领域。1997年在裸鼠体内形成的人耳廓形态软骨无疑是软骨组织工程具有重要意义的里程碑^[3]。迄今已无怀疑地论证了以自体软骨和同种异体软骨细胞作为种子细胞在具有免疫力的动物体内成功形成组织工程化软骨组织的事实^[4，5]。但是相对于较为成熟的种子细胞、生物材料和组织工程化软骨组织构建等基础研究，软骨组织工程的应用研究相对滞后，目前在关节软骨可见初步应用的报道^[6]，这可能与关节软骨塑形要求不高、易于构建和植入简单等有关。喉、气管组织工程化软骨组织构建与应用存在细胞载体生物材料的选择及塑形难度大、体内外构建技术要求高、植入复杂等问题，涉及其应用实验研究的资料颇少，零星报道的组织工程化气管软骨移植，均为长管状软骨移植，缺乏自然气管软骨的伸缩性和柔韧性，且腔内无组织衬里，血供无有效保障^[7，8]。长管状工程化软骨移植一方面限制头颈部活动范围，另一方面头颈部活动又易使软骨移位，不利于移植软骨的愈合，而且由于无法解决工程化软骨腔内粘膜化与血管化营养等问题，易出现管腔阻塞和组织工程化软骨坏死而使实验动物死亡。组织工程化喉软骨缺损修复的实验研究迄今也未能突破软骨支架结构遭受破坏后实施修复重建的范畴^[9，10]。总之，到目前为止，真正意义上的组织工程技术修复重建喉、气管支架软骨缺损尚未实现。

2.种子细胞研究 目前软骨种子细胞来源的研究颇为活跃，除了传统的自体软骨细胞、同种异体软骨细胞外，尚有骨髓基质干细胞、软骨或骨膜间充质干细胞、肌肉源性基质干细胞、脂肪源性基质干细胞、胚胎干细胞等向软骨细胞转化及其培养的研究报道^[11]。但诱导这些“干细胞”向软骨细胞转化的条件及其扩增技术的研究只是初步的，远未达到成熟的程度，形成的所谓软骨细胞不但数量有限，而且存在致瘤性、安全性和伦理性等问题^[12]。因此目前大量获取“干细胞”来源的软骨组织工程种子细胞还只是一种奢望。

自体软骨细胞和同种异体软骨细胞仍是目前乃至今后相当长时期软骨组织工程主要的种子细胞来源。自体软骨数量有限，体外培养扩增易“去分化”而失去表型。相比之下，同种异体来源广、易获取，是值得研究的软骨种子细胞来源之一。软骨内除无血管、淋巴管和神经分布外，细胞由软骨基质包埋，可阻挡免疫细胞直接与其接触，因而不易被机体免疫系统攻击。软骨基质抗原性微弱，一般不引起或仅有极低的免疫刺激性。应用同种异体软骨细胞在具有免疫力动物体内已成功形成同种异体组织工程化软骨并用于修复同种异体软骨缺损，未发现明显的免疫排斥反应^[4，8]。

3.生物材料研究 目前软骨组织工程所用生物材料主要有四大类：天然生物材料（胶原、纤维蛋白和壳聚糖等）、人工合成生物材料（聚羟基乙酸（PGA）和聚乳酸（PLA）等）、由微生物合成的新型生物材料（聚羟基烷酸酯类生物材料及其共聚物（PHBHH和PHBV））和复合材料（聚乳酸－胶原和纤维蛋白－聚氨酯等）^[13]。软骨组织工程生物材料的种类较多，在生物相容性、机械强度、内部结构设计、细胞黏附性、降解速率控制、代谢微环境及塑形要求等方面各有其优缺点。虽然目前针对众多应用于软骨组织工程的生物材料尚缺乏系统的对照研究与统一标准，也还没有一种生物材料能完全符合软骨构建与应用的要求，但对于塑形要求较高的中空状软骨组织工程研究，早期的PGA与新型生物材料PHBHH显示出较好的性能^[14]。

【喉、气管修复重建方法简介】

1.自体组织移植 经过不懈的努力，目前已有多种方法应用于临床，常用的修复重建方法仍以就近转移组织瓣移植（包括肌骨瓣或肌骨膜瓣移植等）或游离组织瓣（包括肌皮瓣或肌骨膜瓣、软骨膜瓣移植等），以胸大肌肌筋膜瓣、胸骨舌骨肌骨瓣、胸锁乳突肌与锁骨制成肌骨瓣和游离腹直肌肌筋膜瓣和胫骨骨膜瓣等应用较广^[15，16]，也有以鼻中隔软骨、耳廓软骨及会厌软骨等重建喉支架软骨的方法。但使用自体组织对于大多数病例来讲，组织来源有限，并以牺牲供区组织为代价。

2.人工代用品 目前人工羟基磷灰石材料和金属记忆合金支架等在喉、气管软骨修复重建的研究中有初步应用的报道^[17]。但研究表明，人工替代材料存在异物反应、易于裸露和受区组织磨损与感染等问题，远期疗效难以确定。

3.喉、气管整体移植 喉为人类生命非必需器官，正因为如此，对于喉移植的实用性和利弊关系一致存在争论^[18]，使喉移植的研究远远落后于其他器官移植。在过去的30年，虽然有鼠、犬、猪和羊等多种动物喉移植模型建立^[19，20],但在人类罕有喉移植的病例，仅见Strome等1998年进行吻合血管和神经的人类喉移植并获得成功的报道^[21]。

气管与喉均是软骨组织集中的器官，两者的解剖关系与软骨支架功能决定了其联系的密切性。喉创伤或疾病常易同时累及颈部气管，一般认为气管缺损超过5cm～6cm难以端端吻合，必须置入替代物才能重建其连续性，气管整体移植是替代治疗方法之一，但血供障碍及免疫排斥是移植失败的两个主要原因[17]。因为人类气管本身没有知名血管，气管的血供是分段供给的，气管静脉在气管周围呈丛状分布，使得气管移植时无法通过显微外科直接进行血管吻合来完成移植物的再血管化。气管移植免疫排斥反应主要由气管上皮细胞和一些混合腺体引起，而不是软骨细胞^[22]。这样在气管整体移植后，不可避免地要大量应用免疫抑制剂，从而易致包括严重感染在内的一系列并发症。近年来应用超低温冷冻方法虽然可降低移植物的抗原性，但不能完全使抗原失活，反而易使软骨细胞失去活性，导致移植后的软骨组织无代谢能力，软骨很快被机体吸收，管壁出现塌陷而使移植失败。因此迄今同种异体气管移植同喉移植一样仍存在较多的问题有待探索。

【组织瓣在头颈部修复重建中的应用研究】

头颈部组织缺损修复重建在缺损区附近设计组织瓣就近转移移植已有较成熟的应用经验，所选用的组织瓣主要包括胸大肌肌皮瓣、颈前带状肌肌皮瓣（胸骨舌骨肌肌皮瓣等）、胸锁乳突肌肌皮瓣、肩胛舌骨肌肌瓣、斜方肌肌皮瓣、颈阔肌肌皮瓣、背阔肌肌皮瓣、颞筋膜－帽状腱膜瓣和颞肌复合组织瓣等。其中胸大肌组织瓣以其制备简便、术中无需变换体位、既能带蒂就近转移移植又能游离移植、血管蒂解剖恒定、蒂长、血供可靠、组织容量丰富可修复较大缺损以及抗感染能力强、对受区条件要求较低等特点显示出较大的优势^[23]。

近年来随着显微外科技术日臻完善，游离组织瓣移植在头颈部缺损修复重建方面越来越多地得到应用^[15,24]。通过选择合适的游离组织瓣，大多数头颈部缺损可由单一的游离瓣完成修复。但是对于部分大型头颈部复合缺损，单一的游离组织瓣移植往往无法满足恢复外形和功能的需要。对此有应用双游离瓣移植进行手术修复的报道^[25]。也有以游离组织瓣与带蒂组织瓣相结合的修复重建方法^[26]。常用的游离组织瓣包括腹直肌肌皮瓣、前臂皮瓣、带腓骨前臂皮瓣、大腿外侧皮瓣、上臂外侧皮瓣、背阔肌肌皮瓣以及腓骨瓣、肩胛骨瓣和额骨瓣等。

虽然有很多组织瓣可用于头颈部缺损修复的游离移植，但相对而言，除了胸大肌组织瓣外，腹直肌组织瓣也有足够大的可选供区，其可用的腹壁下动静脉的管径较大，利于组织瓣制作及其与受区血管吻合，另外组织瓣的取材部位也不受头颈部手术体位的影响，供区也相对隐蔽，用于腔状器官修复时组织瓣所附属的筋膜组织又有上皮化倾向^[27,28]，因此是较为理想的游离移植组织瓣来源。

【工程化软骨与组织瓣移植相结合有可能突破喉、气管修复重建治疗模式】

如上所述，带蒂组织瓣及游离组织瓣移植修复重建头颈部组织缺损已广泛应用^[15，29]。但是，组织瓣本身为软组织，无支撑力，单独应用显然不适宜喉、气管支架功能的修复与重建。用组织瓣连同骨或软骨组织共同移植，虽可解决支撑问题，但供区损伤大、取材有限和难以雕刻成形等是其不足。若将组织工程技术可按需预构组织形态和再生软骨的优势与组织瓣的修复重建技巧和显微外科技术相互结合，设计实用化的肌筋膜组织瓣包裹体内、外形成的组织工程化喉、气管软骨通过就近转移或显微外科游离移植方法，共同用于喉、气管支架软骨缺损的修复与重建，有可能突破软骨组织工程在喉、气管支架软骨修复重建领域应用受限的瓶颈。

目前组织工程化气管软骨移植的实验研究，均为长管状软骨移植，缺乏自然气管软骨的伸缩性和柔韧性。组织工程化气管软骨的构建及其应用应以具有一定的伸缩性和柔韧性、腔内有黏膜组织衬里和有效血供保障为目标。

基于目前在喉、气管修复重建领域软骨组织工程基础研究与实际应用相脱节这一事实，今后软骨组织工程在喉、气管修复重建方面的研究应以临床应用为目的，将组织工程技术与组织瓣移植技术的优势相结合，在喉、气管修复重建上引入有血供、有支撑和能使腔内衬里黏膜化的仿生组织工程化软骨治疗新模式，将有助于推动软骨组织工程在耳鼻咽喉科的应用进程。