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组织工程气管软骨的应用前景

2018年07月19日 8307人阅读 返回文章列表

 

 

[摘要] 软骨组织工程基础研究已取得重要进展,但在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。

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,创伤、疾病或畸形等易使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、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,气管缺损的修复重建一直受到人们的密切关注。沈阳军区总医院耳鼻喉科孙安科

组织工程技术的出现为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]。但在气管软骨修复重建的实际应用中,软骨组织工程到目前为止尚未呈现出应有的优势,面临着诸如柔韧化、血管化、黏膜化组织工程气管构建及其移植技术创新等难题,使软骨组织工程基础研究无法与实际应用相衔接,因此,必须突破两者间联系的瓶颈问题才能使软骨组织工程在气管修复重建方面得到应用。

1.组织工程气管研究概况: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和类似于气管形态的管状软骨组织的事实[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[6,7],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。组织工程气管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[8,9]。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,而且由于无法解决组织工程化软骨腔内粘膜化与血管化等问题,易出现管腔阻塞和组织工程化软骨坏死而使移植失败。因此今后组织工程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。目前虽然可再生类似气管形态的软骨组织,但真正意义上的组织工程技术修复重建长段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[10]。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。目前大量获取“干细胞”来源的软骨组织工程种子细胞仍无法实现。

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,提示同种异体软骨细胞作为组织工程气管种子细胞的可行性[11,12]。

3. 生物材料研究:如上所述,气管软骨不仅担负着维持呼吸道通畅的重要生理功能,而且其形态特征具有重要的美学意义。因此构建组织工程气管,其生物材料除了具有良好的生物相容性、适宜的生物降解性和合理的比例与空隙结构外,还应具有足够的机械强度和灵活的塑性要求。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(polyglycolic acid ,PGA)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(poly(3-hydroxybutyrate-co -3-hydroxyhexanoate,PHBHH))和复合材料(聚乳酸-胶原和纤维蛋白-聚氨酯等)[13]。这些生物材料,在生物相容性、降解速率控制、内部结构设计、细胞黏附性、代谢微环境、机械强度及塑形灵活性等方面各有其优缺点,迄今对众多软骨组织工程生物材料尚缺乏系统的对照研究与统一标准,还没有一种生物材料能完全符合气管软骨构建与应用的独特要求。但比较而言,对于塑形要求较高的中空状软骨组织工程研究,PGA与新型生物材料PHBHH显示出较好的性能[14]。

4. 组织瓣在头颈外科的应用研究简介:头颈部组织缺损修复重建中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、颈前带状肌皮瓣(胸骨舌骨肌皮瓣等)、胸锁乳突肌皮瓣、肩胛舌骨肌瓣、斜方肌肌皮瓣、颈阔肌皮瓣、背阔肌皮瓣、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优势而备受青睐[15]。

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。通过选择合适的游离组织瓣,大多数缺损一个游离瓣组织瓣即可完成修复,但是对于部分大型复合缺损,单一的游离组织瓣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修复的报道[16],也有以游离组织瓣与带蒂组织瓣相结合的修复重建方法[17]。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[18],因此是较为理想的游离移植组织瓣来源。

5. 气管修复重建方法:自体组织移植最为理想,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复合组织瓣移植(包括肌骨瓣或肌骨膜瓣移植、肋软骨与肌瓣复合移植等)或游离复合组织瓣移植(包括肌皮瓣或肌骨膜瓣、软骨膜瓣、复合软骨组织的带蒂肌瓣移植等)为主,以胸大肌肌筋膜瓣、胸骨舌骨肌骨瓣、胸锁乳突肌与锁骨或肋软骨制成肌骨或肌软骨瓣和游离腹直肌肌筋膜瓣和胫骨骨膜瓣等应用较广[19,20]。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。

目前羟基磷灰石材料和金属记忆合金支架等人造气管在气管软骨修复重建的研究有初步应用的报道[21]。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。

气管整体移植也是替代治疗方法之一,但移植气管的血供障碍及免疫排斥是移植失败的两个主要原因[21,22]。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。

6. 组织瓣与组织工程化气管共同移植的优势

虽然带蒂组织瓣就近转移与游离组织瓣远处转移移植的应用已相当成熟。但是,组织瓣本身为软组织,无支撑力,单独应用显然不适宜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。现阶段组织工程气管软骨构建及移植的实验研究颇为活跃[23,24],用组织工程技术已构建出类似于气管形态的管状软骨,虽然缺乏自然气管软骨的伸缩性和柔韧性,但具有一定的机械强度和支撑能力。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,共同用于长段气管支架软骨缺损的修复与重建,利用带蒂转移或吻合血管技术使共同移植的组织有可靠的血供保障,利用衬里筋膜组织有黏膜化倾向的特点使共同移植的组织工程气管腔内逐渐黏膜化[18,25],将有可能突破组织工程气管软骨构建与实际应用相脱节的瓶颈,在长段气管缺损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支架软骨构建与实际应用的一体化治疗新模式,将有助于推动软骨组织工程在气管修复重建领域的应用进程。

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