《Science Translational Medicine》：3D打印构建可移植活性气管

来源： EngineeringForLife

肿瘤、外伤和先天性疾病等均可导致气管狭窄的发生。作为人体气体交换的唯一通道，气管阻塞可能随时夺去患者生命。对于较短的气管狭窄，手术切除并进行端-端吻合是临床常用手段。然而，当病损范围过长，端-端吻合会造成吻合口张力过大，引起吻合口瘘、气管破裂等严重并发症，而非活性的气管替代物也因为并发症严重，无法临床应用。目前，长段气管狭窄患者无法手术，只能保守治疗短暂延长生命，临床亟需可移植的活性气管。然而气管组织结构复杂，长期暴露于外界空气中导致感染风险高、损伤愈合难度大，可移植的活性气管一直被全球医学界认为无法再造。

近期，同济大学附属上海市肺科医院陈昶教授团队和浙江大学贺永教授团队合作，面向可移植活性气管这一世界医学领域历史性难题，借助高精度3D打印构建一种模块化活性气管，能同时实现天然气管的解剖结构和生物功能，并形成益于再生的免疫微环境，在兔气管缺损模型的修复中展示出较高的临床潜力。相关工作“A bioengineered trachea-like structure improves survival in a rabbit tracheal defect model”发表于专注于转化医学研究的Science子刊《Science Translational Medicine》。

图1 活性气管的设计和制造思路

仿生天然气管设计，匹配临床应用需求
气管是连接喉咽与肺脏的一段中空管状器官，拥有特殊的解剖学特点：由多个软骨环和环间结缔组织交替排列形成。软骨组织提供关键力学支撑，维持气道通畅。毗邻的血管网络可通过环间的结缔组织穿透至气管内壁，满足气管全层的营养供应。此外，这种“叠环式”结构使得气管在保障径向机械强度的同时，具备轴向弯曲的柔韧性，以适应头颈部的运动。因此，气管替代物需模拟天然气管的特殊解剖结构，为此我们提出了活性气管软骨环+结缔组织环环环相扣的仿生设计，通过软骨环提供支撑、结缔组织环为整个气管提供营养。

除结构仿生外，活性气管再造还需要克服以下挑战：（1）快速提升软骨强度：软骨环作为气管力学性能的主要提供者，其机械性能是气管抵御外界压力，维持基本通气功能的关键。（2）透壁血运的快速重建：活性气管的存活和抗感染能力依赖于血运重建，加速环间结缔组织中的血管再生，并促使新生血管沿透壁方向浸润气管全层，是保证气管存活的关键。（3）免疫微环境调控：在气管替代物的有创性移植难免会造成局部炎症反应，若不能及时控制炎症，极易引起软骨降解和纤维组织增生，导致气管塌陷和再狭窄。因此，气管替代物移植后的免疫微环境调控是不可忽视的要素。

支撑技术：高精度3D打印模拟ECM结构
近场直写通过高压电场二次拉伸，是一种精度可达纳米级的3D打印方法。本研究中我们选用近场直写为气管中的软骨及结缔组织的重建，营造一个仿生的ECM结构环境。以临床许可的可降解材料PCL（聚己内酯）为支架原料，通过优化支架内部网格排列形式和孔隙大小等参数，制备了适合活性气管构建的超细纤维支架。

图2 PCL超细纤维支架的打印与表征

生物工程软骨组织——纤维-软骨环的构建
团队首先在MEW制备的超细纤维支架上接种软骨细胞，进行体外软骨诱导培养，形成气管替代物构建的基本模块：纤维-软骨环。支架中的超细纤维排列与天然软骨中的胶原分布近似。当纤维精度接近细胞尺寸时，其可有效影响软骨细胞分泌的基质蛋白的沉积模式，形成在偏光下呈现多色网格状的仿生胶原网络。在此基础上，有序排列的超细纤维与软骨基质蛋白联合，形成近似“钢筋-混凝土”的复合体，产生显著的力学协同增强作用，进一步提升软骨的机械性。结果表明，纤维-软骨环具备近似天然软骨的力学性能。

图3 高强度工程软骨的制备与功能测试

结缔组织再造——纤维-凝胶环的构建
为促进透壁血管快速生成和调节免疫发育微环境，研究团队设计了由PCL超细纤维网络和甲基丙烯酰胺明胶（GelMA）制备另一基本模块——纤维-凝胶环。在纤维-凝胶环中，由外向内排布的PCL超细纤维作为细胞黏附表面，为细胞快速迁移提供了“竞速跑道”，加快原生内皮细胞和炎症细胞的跨壁迁移，促进透壁血管再生。这将有效避免替代物植入后发生感染坏死，确保了替代物各组分的长期存活。此外，MEW可以在微米尺度调节PCL超细纤维网络内部结构，能够调控细胞形态和机械应力，具有促进内皮细胞分化和诱导巨噬细胞的极化潜能，这将有助于移植气管周边组织快速再生和炎症缓解。

图4 纤维-凝胶对细胞生长调控及其皮下移植后生物功能评估

气道缺损重建的应用检验与探索
研究团队从组织发育和器官移植需求出发，采用“体外塑形”+“体内塑性”的思路，将受体作为组织发育生物反应器，采用预血管化后带蒂原位移植方案，完成长段缺损气管的重建。首先，组合软骨细胞和超细纤维网络形成纤维-软骨环，完成体外培养后形成具有良好力学性能的生物工程软骨环。将GelMA凝胶与超细纤维网络结合，组成纤维-凝胶环。将生物工程软骨环与纤维-凝胶环的交替套叠，构建类气管样结构。随后，将其植入兔气管旁完成预血管化。待气管替代物在预血管化期间完成组织再生后，进行二期手术移除兔天然气管构建气管缺损模型，并再将气管替代物带蒂与原生气管残端吻合，重建兔缺损气管，保证兔正常通气。

图5 生物工程气管用于兔气管缺损模型修复

文章来源：
http://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abo4272