许可 杨海堂,2 仲晨曦,2 赵珩,2 姚烽,2

创伤、先天性狭窄、肿瘤性疾病和长时间气管插管等多种病因都会导致严重的气管损伤，随着气管外科60年来的长足进步与发展，以上大多数气管病变现在都可以通过手术切除和重建获得理想的预后。但气管切除的长度有限，当成人切除气管长度＞50%或超过6 cm，儿童＞30%时，直接进行“端端吻合”可能会因为吻合口张力过大而失败[1]。因此有必要通过使用气管替代物实现气道的安全修复。

不同于临床已经能够被成功移植的实体器官（如肝、肾、心脏和肺等），气管移植最大的特殊性在于其独特的血液供应和与外界环境直接接触。气管的血液供应具有节段性的特点，且没有直接的中心营养动脉和引流静脉与受体血管系统相连[2]。供应气管的各节段动脉从气管两侧接近气管壁，并沿着纵轴向上下形成分支，与相邻节段的动脉分支形成吻合，在软骨间韧带内，气管动脉分出前支和后支，沿着气管壁与来自对侧的相应动脉分支形成吻合[3]。这种血供的节段性分布不仅限制了环周气管切除的范围，还大大增加了移植物血运重建的难度。另外，与一般的实体器官存在于无菌环境不同，气管暴露于干燥、有菌的外界环境，气道与假体界面的细菌感染会影响移植物的生长[4]。

理想的气管替代物需满足以下条件：①具有横向刚性和纵向弹性；②管壁完全密封不漏气；③不需要使用免疫抑制剂；④技术可靠、可行、重复性好；⑤具有良好的生物相容性（能与邻近组织相容并愈合，不发生慢性炎症、肉芽组织生长、感染或坏死）[5]。此外，对于特殊的患者，比如恶性肿瘤患者在应用替代物时不建议使用生长因子，儿童在选择替代物时应选择合适大小以匹配解剖生理结构[6]。随着探索的深入，不同于Belsey最早在1950年所提出的观点[7]，现在的观点认为只要患者能进行有效的咳嗽，气管替代物中就不必使用纤毛柱状上皮衬里[5]。

气管替代物可分为五种类型：人工合成假体、自体组织气管、同种异体移植、异种移植和组织工程气管。目前尚未有理想的气管替代物正式应用于临床，但一些技术已在动物或临床探索性应用中显示出较好的效果。本文将总结各种人类气管替代物的发展过程及其优缺点，并讨论未来的发展趋势。

一、人工合成假体

人工合成假体从最初的无孔单一材料逐渐向多孔复合材料演变。对于无孔材料，常用的有硅树脂和金属两大类[8]。从机械性能和并发症角度来看，硅树脂假体性能优于金属假体[9-10]。所以临床对于硅树脂材料的使用经验比金属丰富[11]。临床试验主要以Neville假体（无孔硅胶管）为代表[12]。从1970年到1988年，Neville等[12]采用硅胶假体对62例患者进行气管替代，但由于其生物相容性差，受体缝合处肉芽组织增生严重，再狭窄发生率高，临床应用及推广受到限制。为提升假体在宿主相容性方面的性能，人们开发出不同的方法，包括复合支架的制作[8]、添加生物相容材料如胶原蛋白[13]和涤纶[14]以及使用含抗炎成分的材料[15]等。

为进一步促进假体与周围组织的融合，防止发生移位，研究者开始尝试多孔材料，其多孔性特点允许结缔组织生长，诱导气管上皮迁移，进一步促进假体的生物相容性。Maziak等[16]对多孔材料在气管重建中的应用进行了初步尝试，他们对5例气道腺样囊性癌患者采用Marlex网状假体进行气管重建，其中3名患者分别获得2、5和8年的远期疗效。金属钛及镍钛合金材料因其具有排斥反应低、理化性质稳定及力学性能优良等特点，广泛应用于医疗支架材料[17]。Schultz等[18]开发了一种多孔钛气管假体，在大鼠身上观察到假体内出现上皮化，并与受体组织相融合。这一装置的临床应用已取得令人欣喜的结果，一位56岁的男性在进行全喉切除术后接受了永久性钛制气管假体植入，在16个月的随访过程中没有出现感染或狭窄等迹象[19]，但目前这种方法仅限于与喉相关的气管近端替代，其作为延伸气管替代的价值尚不清楚。

尽管多孔复合材料的应用提高了假体在宿主反应方面的性能，但合成材料构成的呼吸道界面因直接暴露于有菌的环境，发生微生物定植、感染的风险仍然很高，且长时间的合成假体植入增加了侵蚀临近器官从而形成瘘管的风险[20-21]，因此尚需要一种与自体组织相容性好的有活性的功能气管移植物来替代气管。

二、自体组织气管

自体组织因其能够避开血管化及免疫排斥问题、具有良好的组织相容性而备受关注。目前用于自体组织气管制作的皮瓣主要包括两大类，分别是区域性皮瓣（如胸锁乳突肌皮瓣[22]、胸大肌皮瓣[23]、大网膜皮瓣[24]、肋间肌皮瓣[25]）和游离筋膜皮瓣（如前臂桡侧皮瓣[26-27]、大腿前外侧皮瓣[28]、颈项皮瓣[29]）。不论使用哪种组织，目标都是为了形成灌注良好的管状带蒂移植物。此外，为了获得与气管环类似的刚性结构，还需要将移植物与支撑材料相结合。一开始，Spaggiari等[30]运用胸壁皮瓣替代气管，并用大网膜、胸大肌进行覆盖成型，术后7天移植物出现狭窄，但在放置支架后得到明显改善，并在术后1年内未出现复发。Yu等[31]采用PolyMax网（Synthes、Paoli、PA）和Hemashield血管移植物（Boston Scientific、Natick、MA）对前臂桡侧游离瓣制成的导管进行外固定，用于气管重建，术后6个月随访显示管腔通畅，无需支架置入。Maciejewski等[27]采用可降解生物材料制成的环，通过缝线固定于前臂桡侧游离瓣外，增强自体组织的刚性，术后随访过程中同样显示管腔通畅，无呼吸困难。然而，缺乏对以上两例患者的长期随访数据来评估这两种重建技术的远期效果。Zhang等[32]采用自体肺组织瓣联合弹性金属支架对5名患者进行了气管替代，在长达7年的随访过程中，未出现明显的支架相关并发症，自体肺组织具有易获得、供血充足等优点，且能为以后气管上皮再生提供良好的环境，为气管替代提供了一种可能的选择。

除外固定技术外，Fabre等[29]采用自体肋软骨作为支撑，在成年猪身上进行气管重建，结果显示移植气管存活率高，移植后呼吸功能佳。以此证实以肋软骨为支撑的自体组织气管置换是一种有前途的方法。不同于人造材料，用自体肋软骨进行加强不会发生排斥反应和慢性炎症或感染。在这之后，Fabre等[33-34]开展了大规模的临床试验，应用肋软骨加强前臂游离瓣，结果证实这是一种良好、耐用的气管替代物，具有横向刚性且不需要使用任何免疫抑制剂，有广阔的应用前景。但这种方法的气管重建在短期内尚需要支架置入以防止塌陷或狭窄，并且缺乏自发的纤毛摆动清除作用，受者在术后需要积极处理或通过剧烈咳嗽清除气道分泌物。因此，不太适合膈肌功能不佳或呼吸功能不良的患者[33]。

三、同种异体移植

多年来，研究者对于同种异体移植在气管替代中的应用研究主要围绕两个方面，分别是同种异体气管移植和同种异体主动脉移植。免疫排斥反应和移植物的血管化是同种异体移植的核心问题[5]。

1. 同种异体气管移植

如上所述，气管血供的特殊性阻碍了移植过程中标准的血管吻合与重建。为解决移植后再血管化问题，将气管移植物包裹在受者具有良好血供的异位组织中，从而实现间接血运重建，这可能是一种有效的方法。

1979年，Rose等[35]报道了人类第一例同种异体气管移植，气管首先被异位植入受者胸锁乳突肌，再在3周后进行原位移植，移植气管在9周内功能良好，没有任何排斥反应、缺血或感染迹象。但缺乏对移植物存活能力和移植后长期疗效的随访信息。上海市胸科医院赵珩教授等[36]在经过多年大量的动物实验研究，摸索出合适的气管低温保存方法，并于1997年率先在国内进行了2例临床同种异体气管移植手术，获得良好疗效，移植后患者最长存活时间长达5年6个月[37]。

为有效解决免疫排斥问题，Kleoetko等[38]尝试在移植后使用免疫抑制剂，发现同种异体气管中的软骨和呼吸上皮能够在受体大网膜包裹下继续存活而不出现排斥反应，但由于最终患者在气管切除后能够实现直接的端端吻合，异体气管最终没有用于替代。北大第一医院李简教授团队在国内率先开展采用大网膜包裹气管进行分期移植的研究，异体气管首先被植入受体腹腔，用大网膜包裹以建立血供，随后二期将带大网膜蒂的异体气管移植到受体气管缺损处。该方法在动物和临床研究中均获得良好的短期疗效[2,39]。2010年，Delaere等[40]在二阶段移植技术的基础上进一步提出免疫抑制剂撤退方案，为同种异体气管移植提供了更详尽的临床经验。将供体气管首先植入受体前臂使其重新血管化，同时进行免疫抑制防止排斥反应，当移植物中出现受体细胞时，免疫抑制剂开始逐渐减量直至停止使用。一旦移植物实现了完全的黏膜血运重建，再对移植物进行原位移植，将血管蒂与颈部血管吻合以重建血供。结果显示，软骨环的弹性得到保留，最终供体气管的黏膜被受体细胞填充，气管重建后一年，随访结果令人满意[40]。随后，Delaere等[25]还发现：移植体黏膜下间隙中受体血管的生长是安全停止免疫抑制的关键，可以通过切开部分软骨间韧带打破受体血管的生长屏障来缩短使用免疫抑制剂的时间、加快二阶段移植进程。该项技术一共被应用于6位患者，包括5名长段气管狭窄患者和1名低级别气管软骨肉瘤患者，除了一位患者在停止免疫抑制后出现黏膜坏死、软骨失去支撑，以及另一位患者重建的气道不足以维持呼吸外，其余患者预后良好，无肿瘤复发[25,40]。但Delaere等[25]提出的二阶段技术尚存在一些不足：首先，移植物在原位移植前需要几个月的异位发育，因此不能应用于紧急移植。第二，这种方法需要较长时间的免疫抑制，这会带来机会性感染的风险，并限制了其在恶性肿瘤中的应用。但不可否认，这种方法具有广阔的前景，需要更多病例的报道及更长时间的随访观察证实其有效性及稳定性。

2. 同种异体主动脉移植

Martinod等[41-42]在自体主动脉替代气管的动物实验中发现，移植后主动脉上出现纤毛柱状上皮覆盖，提出动脉移植可能是纤毛柱状上皮再生较好的材料。在随后的临床应用中，Hoffman等[43]首次将主动脉作为肺移植后气管开裂患者的临时替代物修复缺损，在正压通气3天后，主动脉替代物被切除并成功进行了再次移植。Azorin等[44]应用自体主动脉对气管进行替代，但患者在术后6个月死于急性肺部感染，家属拒绝尸检，因此无法对移植物进行分析。在此之后，同种异体主动脉移植因可以避免自体主动脉在取材时可能发生的并发症风险而受到越来越多的关注。

主动脉由于缺乏横向刚性，需要安装支架进行补强。1997年，Alain Carpentier基金会的实验室启动了一项应用带支架主动脉基质进行气道移植的研究计划，在动物实验中观察到主动脉基质上出现上皮细胞再生和软骨新生，且只需6个月就可以取出支架[45]，以此证明自体和新鲜或冷冻保存的同种异体主动脉作为气道替代物的可行性。随后，为降低同种异体主动脉的免疫原性，在移植前对主动脉衍生出多种预处理方法，Seguin等[46]在绵羊模型中评估了其中常用的三种：低温保存、去细胞和戊二醛浸泡。结果发现，只有低温保存处理的主动脉移植物可在气管移植后获得功能组织的再生，且再生过程遵循新鲜同种异体移植相同的模式。随后，Wurtz等[47]进行了大规模同种异体主动脉替代的临床研究，将同种异体主动脉结合内支撑支架和外支撑肌瓣进行气管替代，血管化良好并有局部呼吸道上皮衬里，但50%患者出现严重的并发症，如吻合口开裂、真菌感染等，且所有患者不能脱离支架。

但是，针对软骨再生问题，在不同的实验研究中结果不一，不同于Seguin等人的结果，Wurtz等[47]和Tsukada等[48]未在移植物中发现明显的软骨再生。为解决软骨再生问题，Martinod等[49]将低温保存温度从传统的-150 ℃改变为-80 ℃，并提出体内组织工程机制，即在移植物替代受损气道后，剩余存活的主动脉基质细胞释放细胞生长和血管生成相关因子，促进祖细胞/干细胞归巢，人体作为一个天然的生物反应器，在基质中再生上皮和软骨。该方法在两名喉气管良性狭窄患者中证实有效，患者分别在15和39个月后移除支架，研究证实了从受体骨髓间充质干细胞中获得软骨再生的可能[49]。随后，同一研究团队进行了一项前瞻性研究[50]，旨在评估以低温保存的同种异体主动脉作为气道替代物的可行性。结果显示：受者术后平均18.2个月取出支架，13例患者中10例（76.9%）存活，其中8例（80%）术后通过新形成的气道正常呼吸，在主动脉基质中观察到上皮细胞再生和软骨新生。

同种异体主动脉在气管重建中的应用显示出较好的前景。低温保存的同种异体主动脉移植物主要优点在于可用于组织库、永久储存，且不需要免疫抑制。这将进一步为今后的临床应用提供支柱与希望。目前，全球共有2项在研的有关低温保存的主动脉支架用于气管、支气管替代的临床研究，分别由法国的Emmanuel Martinod（NCT04263129）和中国台湾的Jin-Shing Chen（NCT04850742）教授牵头，相信在未来，当这项技术的安全性和有效性得到更大规模、多中心的研究来进行验证后，能为气管替代带来新的希望。

3. 异种移植

同种异体材料由于数量上的缺乏，在临床应用中受到限制。于是，Remlinger等[51]开始探索异种气管移植的可能性。利用水合脱细胞猪气管对犬进行气管重建，异位移植8周后，贴片仍能保持生理负荷下所必须的机械性能，且移植物支持纤毛柱状上皮的发育，但新生软骨的形成受限，不能保证移植后的远期效果。Cheng等[52]应用脱细胞牛颈动脉生物片对犬进行气管重建，所有犬在气管重建术后6个月内均存活，无呼吸道症状，且管腔内气管缺损修复顺利，组织学和扫描电镜检查显示移植片表面覆盖着类似于气管上皮的纤毛柱状上皮，表明脱细胞牛颈动脉在犬体内成功发生再上皮化。这些结果为异种主动脉生物片作为气管替代物的临床前研究提供了依据，提示脱细胞牛颈动脉生物片可能是气管移植的潜在材料。但关于异种移植的研究尚处在起步阶段，还需要更多的研究报道以证实其可行性。

四、组织工程气管

组织工程气管是指将三维基质支架与体外培养的宿主干细胞结合，从而在体内或体外生物反应器中构建无排异性人工气管组织[53]。理论上来说，组织工程气管的出现为创造一种能够更新、再生和修复的活体气管替代物提供可能，具有较好的应用前景。尽管人们对其寄予厚望，但组织工程气管的应用因慢性炎症、移植后狭窄和上皮化延迟等原因而受到限制[54]。

组织工程包含三大基本元素，分别是细胞、支架和生长因子[53]。目前，用于气管组织再生的细胞主要为自体软骨细胞和间充质干细胞[55]。此外，上皮细胞也在组织工程中发挥重要的作用，在调节气道代谢功能的同时也起屏障作用，植入上皮细胞的支架显示出更好的组织再生能力和细胞活性[56-57]。三维基质支架为细胞生长、增殖和分化提供场所和环境，目前，许多人工合成和天然衍生的生物材料被用于组织工程气管基质的合成[58-60]，同时各种交联技术的应用也提高了合成材料的机械强度与结构稳定性，保障了组织工程气管的安全性与有效性[61]。尽管经过不懈的改进，但成功应用于临床的合成支架屈指可数。可能原因在于人们忽视了微观水平细胞与细胞之间，细胞与基质之间的相互作用[62]。而生长因子作为信号分子，有助于将周围微环境中的信息传递给细胞促进增殖和分化，同时也能为细胞的生长提供营养[53]。已有研究[63]证实：含有表皮细胞生长因子和碱性成纤维细胞生长因子的支架有助于促进上皮组织功能的再生，从而改善组织工程气管的移植效果。2012年，Elliott等[6]将骨髓间充质干细胞和自体上皮种植于经粒细胞集落刺激因子处理的脱细胞供体气管，局部应用人重组促红细胞生成素促进血管生成，注入组织转化生长因子β促进软骨再生，最终组织工程气管获得了良好的上皮化和血管化。但移植物在18个月后才具有局部生物力学强度。对该儿童长达4年的随访显示：尽管需要多个支架及多次支气管镜检查及干预，但脱细胞组织工程气管在儿童体内上皮化良好，具有长期存活能力[64]。随后，Elliott等[65]在此基础上总结出接种自体细胞的脱细胞气管支架移植的标准操作流程，完善了一期临床试验的方案。

随着材料学的进步，越来越多的高性能聚合材料开始应用于支架的制作。其中以苯二甲酸乙二醇酯/聚氨酯（polyethylene terephthalate/polyurethane，PET/PU）和聚己内酯（polycaprolactone，PCL）为代表。Pepper等[66]采用植入自体骨髓单核细胞（bone marrow mononuclear cells，BM-MNCs）的PET/PU电纺合成支架对绵羊进行气管替代。用PET/PU制备的气管支架具有仿生力学性能，BM-MNCs的植入提高了人工气管的生物相容性，并诱导新生上皮形 成[67-68]，但气管在移植后会出现狭窄和上皮化延迟等问题[66]。Fux等[69]首次将其应用于临床，但接受移植的2例患者在随访过程中均出现严重的移植物相关并发症，需要多次手术再干预。以上结果表明该移植物尚不能在体内成为有活性的功能气管。Dharmadhikari等[70]对这种组织工程气管的进一步研究发现，原位植入PET/PU电纺合成气管补片能够发生再上皮化，而植入节段型人工气管的上皮化有限，且不受细胞接种的影响。以上结果表明：虽然PET/PU支架的制作是为了在结构上模拟天然气管细胞外基质，但仍需要对合成基质进行额外的修饰，以增强节段人工气管的上皮化，此外，BMMNCs的种植效果不佳、缺乏持久性，需要进一步研究以促进细胞的附着、迁移和生长。

与其他可降解生物聚合物相比，PCL具有降解速度慢、力学性能好等优点，是一种有发展前景的高分子材料。Jang等[71]将PCL-胶原电纺支架植入大鼠气管缺损处，术后7周显示软骨完全再生，管腔上皮化，体内无炎症反应。2015年，Lee等[72]在兔模型中发现带有层粘连蛋白涂层的PCL支架能够加快黏膜的再生，层粘连蛋白和间充质干细胞对促进气管上皮再生发挥协同作用，在气管缺损的再生治疗中具有广阔的应用前景。随着3D打印技术的兴起，越来越多的研究开始设计3D打印的人工支架，并显示出良好的机械稳定性和愈合率[73-74]。Gao等[75]提出，以3D打印支架为基础，在体外接种自体软骨细胞，在体内进行血管化的组织工程气管构建模式能够提高术后早期生存率，是长段气管缺损重建中一种有前景的方法。

目前，对于气管组织构建的理想材料和细胞类型并没有一致的意见。组织工程气管尚存在管腔上皮化不足、黏膜再生缓慢、替代物血管化困难等问题，限制了组织功能的恢复，并可能导致移植物感染和开裂。针对以上问题，上海市胸科医院谭强团队开发出一种“体内生物反应器”技术，即在体内植入组织工程气管的基础上，用体外便携式泵系统为支架基质持续灌注抗生素，并每2周输注一次外周总有核细胞，使预接种的细胞在移植物血运重建前保持存活，同时控制局部感染，术后4个月随访证实，受者气管替代物发生完全血管化和再上皮化，且能够耐受放化疗，适合于气管肿瘤的治疗[76]。随后，同一研究团队又将此技术应用于3例侵犯隆突的长段气道病变患者，均获得1年以上的良好替代效果[77]，这一体内生物反应器技术显示出潜在的应用价值，需要进一步研究来评估疗效及安全性。此外，临床应用前仍需要对再生医学进行更多的实验研究，以完全了解这一领域及其背后的病理生理学机制。

五、展望

目前为止仍未找到理想的气管替代物。理想的气管替代物需要有稳定的机械性能，快速的血运重建，良好的生物相容性，以及软骨再生、黏膜生长的能力。除了人工合成假体外，其他4种气道替代方法在临床试验中都取得了一定的成效（表1），但没有一种能够对天然气管进行完美替代，均有着各自的优缺点（表2）。在此之中，同种异体移植和以肋软骨作支撑的前臂游离筋膜瓣自体组织气管已经取得较好的移植效果。目前看来，不受供体数量限制以及不需要使用免疫抑制治疗等特点使得自体组织气管展现出广阔的应用前景，但自体组织缺乏气管纤毛清除分泌物的功能，仍需解决术后短期内伴随支架植入和频繁清除气道分泌物而来的问题。低温保存的同种异体主动脉移植也显示出潜在的临床应用价值，且与其他替代方式相比较为成熟，目前已有2项有关主动脉替代气管的在研临床研究正在进行，若该种方法能够通过多中心的临床验证证实有效，组织库的建立将为今后大规模临床应用创造条件，但此方法同样存在早期支架植入相关并发症等风险。组织工程气管的研究为未来制造更优良的气管替代物提供可能，虽然近年来已取得一些临床个案的成功，但组织再生和干细胞使用背后复杂的病理生理学机制仍需要进一步探索。我们认为单纯利用组织工程气管进行替代移植以满足气管生物学功能的需要尚为困难，但在自体组织气管和同种异体移植的基础上，充分发挥组织工程技术中干细胞再生的优势，加速移植物在体内的融合，缩短支架撤离时间，减少并发症，开创更为稳定、安全的替代方案是值得研究的新方向。

表1 主流气管替代物临床应用代表文献

表2 气管替代主要方法的优缺点

续表