《Science Translational Medicine》：3D打印構(gòu)建可移植活性氣管

來源： EngineeringForLife

腫瘤、外傷和先天性疾病等均可導(dǎo)致氣管狹窄的發(fā)生。作為人體氣體交換的唯一通道，氣管阻塞可能隨時奪去患者生命。對于較短的氣管狹窄，手術(shù)切除并進行端-端吻合是臨床常用手段。然而，當(dāng)病損范圍過長，端-端吻合會造成吻合口張力過大，引起吻合口瘺、氣管破裂等嚴重并發(fā)癥，而非活性的氣管替代物也因為并發(fā)癥嚴重，無法臨床應(yīng)用。目前，長段氣管狹窄患者無法手術(shù)，只能保守治療短暫延長生命，臨床亟需可移植的活性氣管。然而氣管組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長期暴露于外界空氣中導(dǎo)致感染風(fēng)險高、損傷愈合難度大，可移植的活性氣管一直被全球醫(yī)學(xué)界認為無法再造。

近期，同濟大學(xué)附屬上海市肺科醫(yī)院陳昶教授團隊和浙江大學(xué)賀永教授團隊合作，面向可移植活性氣管這一世界醫(yī)學(xué)領(lǐng)域歷史性難題，借助高精度3D打印構(gòu)建一種模塊化活性氣管，能同時實現(xiàn)天然氣管的解剖結(jié)構(gòu)和生物功能，并形成益于再生的免疫微環(huán)境，在兔氣管缺損模型的修復(fù)中展示出較高的臨床潛力。相關(guān)工作“A bioengineered trachea-like structure improves survival in a rabbit tracheal defect model”發(fā)表于專注于轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究的Science子刊《Science Translational Medicine》。

圖1 活性氣管的設(shè)計和制造思路

仿生天然氣管設(shè)計，匹配臨床應(yīng)用需求
氣管是連接喉咽與肺臟的一段中空管狀器官，擁有特殊的解剖學(xué)特點：由多個軟骨環(huán)和環(huán)間結(jié)締組織交替排列形成。軟骨組織提供關(guān)鍵力學(xué)支撐，維持氣道通暢。毗鄰的血管網(wǎng)絡(luò)可通過環(huán)間的結(jié)締組織穿透至氣管內(nèi)壁，滿足氣管全層的營養(yǎng)供應(yīng)。此外，這種“疊環(huán)式”結(jié)構(gòu)使得氣管在保障徑向機械強度的同時，具備軸向彎曲的柔韌性，以適應(yīng)頭頸部的運動。因此，氣管替代物需模擬天然氣管的特殊解剖結(jié)構(gòu)，為此我們提出了活性氣管軟骨環(huán)+結(jié)締組織環(huán)環(huán)環(huán)相扣的仿生設(shè)計，通過軟骨環(huán)提供支撐、結(jié)締組織環(huán)為整個氣管提供營養(yǎng)。

除結(jié)構(gòu)仿生外，活性氣管再造還需要克服以下挑戰(zhàn)：（1）快速提升軟骨強度：軟骨環(huán)作為氣管力學(xué)性能的主要提供者，其機械性能是氣管抵御外界壓力，維持基本通氣功能的關(guān)鍵。（2）透壁血運的快速重建：活性氣管的存活和抗感染能力依賴于血運重建，加速環(huán)間結(jié)締組織中的血管再生，并促使新生血管沿透壁方向浸潤氣管全層，是保證氣管存活的關(guān)鍵。（3）免疫微環(huán)境調(diào)控：在氣管替代物的有創(chuàng)性移植難免會造成局部炎癥反應(yīng)，若不能及時控制炎癥，極易引起軟骨降解和纖維組織增生，導(dǎo)致氣管塌陷和再狹窄。因此，氣管替代物移植后的免疫微環(huán)境調(diào)控是不可忽視的要素。

支撐技術(shù)：高精度3D打印模擬ECM結(jié)構(gòu)
近場直寫通過高壓電場二次拉伸，是一種精度可達納米級的3D打印方法。本研究中我們選用近場直寫為氣管中的軟骨及結(jié)締組織的重建，營造一個仿生的ECM結(jié)構(gòu)環(huán)境。以臨床許可的可降解材料PCL（聚己內(nèi)酯）為支架原料，通過優(yōu)化支架內(nèi)部網(wǎng)格排列形式和孔隙大小等參數(shù)，制備了適合活性氣管構(gòu)建的超細纖維支架。

圖2 PCL超細纖維支架的打印與表征

生物工程軟骨組織——纖維-軟骨環(huán)的構(gòu)建
團隊首先在MEW制備的超細纖維支架上接種軟骨細胞，進行體外軟骨誘導(dǎo)培養(yǎng)，形成氣管替代物構(gòu)建的基本模塊：纖維-軟骨環(huán)。支架中的超細纖維排列與天然軟骨中的膠原分布近似。當(dāng)纖維精度接近細胞尺寸時，其可有效影響軟骨細胞分泌的基質(zhì)蛋白的沉積模式，形成在偏光下呈現(xiàn)多色網(wǎng)格狀的仿生膠原網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，有序排列的超細纖維與軟骨基質(zhì)蛋白聯(lián)合，形成近似“鋼筋-混凝土”的復(fù)合體，產(chǎn)生顯著的力學(xué)協(xié)同增強作用，進一步提升軟骨的機械性。結(jié)果表明，纖維-軟骨環(huán)具備近似天然軟骨的力學(xué)性能。

圖3 高強度工程軟骨的制備與功能測試

結(jié)締組織再造——纖維-凝膠環(huán)的構(gòu)建
為促進透壁血管快速生成和調(diào)節(jié)免疫發(fā)育微環(huán)境，研究團隊設(shè)計了由PCL超細纖維網(wǎng)絡(luò)和甲基丙烯酰胺明膠（GelMA）制備另一基本模塊——纖維-凝膠環(huán)。在纖維-凝膠環(huán)中，由外向內(nèi)排布的PCL超細纖維作為細胞黏附表面，為細胞快速遷移提供了“競速跑道”，加快原生內(nèi)皮細胞和炎癥細胞的跨壁遷移，促進透壁血管再生。這將有效避免替代物植入后發(fā)生感染壞死，確保了替代物各組分的長期存活。此外，MEW可以在微米尺度調(diào)節(jié)PCL超細纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠調(diào)控細胞形態(tài)和機械應(yīng)力，具有促進內(nèi)皮細胞分化和誘導(dǎo)巨噬細胞的極化潛能，這將有助于移植氣管周邊組織快速再生和炎癥緩解。

圖4 纖維-凝膠對細胞生長調(diào)控及其皮下移植后生物功能評估

氣道缺損重建的應(yīng)用檢驗與探索
研究團隊從組織發(fā)育和器官移植需求出發(fā)，采用“體外塑形”+“體內(nèi)塑性”的思路，將受體作為組織發(fā)育生物反應(yīng)器，采用預(yù)血管化后帶蒂原位移植方案，完成長段缺損氣管的重建。首先，組合軟骨細胞和超細纖維網(wǎng)絡(luò)形成纖維-軟骨環(huán)，完成體外培養(yǎng)后形成具有良好力學(xué)性能的生物工程軟骨環(huán)。將GelMA凝膠與超細纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，組成纖維-凝膠環(huán)。將生物工程軟骨環(huán)與纖維-凝膠環(huán)的交替套疊，構(gòu)建類氣管樣結(jié)構(gòu)。隨后，將其植入兔氣管旁完成預(yù)血管化。待氣管替代物在預(yù)血管化期間完成組織再生后，進行二期手術(shù)移除兔天然氣管構(gòu)建氣管缺損模型，并再將氣管替代物帶蒂與原生氣管殘端吻合，重建兔缺損氣管，保證兔正常通氣。

圖5 生物工程氣管用于兔氣管缺損模型修復(fù)

文章來源：
http://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abo4272