虽然组织工程气管具有巨大的临床应用前景，但要将其进行广泛的临床转化仍旧存在许多未知和障碍，要实现功能性的气管移植重建仍是一个极具挑战的难题。
【综述】
21世纪以来，众多学者在组织工程学领域开展研究，材料学、工程学和生物医学联合构建组织工程气管成为研究热点之一。新型聚合材料的涌现和生命科学领域的各种新发现为构建理想的组织工程气管提供了夯实的研究基础和思路，赋予组织工程气管较高的临床转化价值和应用前景。本文拟就组织工程气管的研究现状和应用前景进行综述。
1.1组织工程气管构建的理想条件
构建理想的组织工程气管需要具备以下3个基本条件：①具有与自体气管相似的力学强度，可以实现良好的支撑，保证呼吸道的畅通；②组织相容性高，能够快速与自体组织融合完成血管化；③移植体管腔内实现快速上皮化，发挥气道的生理功能。
1.2组织工程气管的构建要素
气管的解剖结构和功能较为复杂，C形软骨环、平滑肌和结缔组织共同维持气道的畅通性和柔韧性；节段性横向分布的血管保证整个气管的营养供给；而气道管腔内的假覆层纤毛柱状上皮发挥着分泌、防御和清除异物等重要的生理功能；此三者缺一不可。因此，组织工程气管的构建需要具备以下要素：①支架材料；②种子细胞；③生物活性因子。这些要素的有机结合才能构建具有适当机械强度、高组织相容性、易诱导细胞黏附和增殖、免疫原性低和可生物降解的组织工程气管，以保证气管移植成功和气道功能重建。
构建组织工程气管的理想支架应与自体气管的力学性能相似，以发挥力学支撑作用；同时还应具备与组织重建速度相适应的降解速率；生物相容性好以减少不良反应；合适的孔径、孔隙率及相连通的内部孔结构为细胞提供良好的界面条件，实现细胞的黏附与增殖。
2.1金属合金网状支架
随着材料学和制造业的发展，合金材料制成的医疗用品已经广泛应用于临床，如骨科、心内科、神经外科等常用的合金类耗材，其生物安全性毋庸置疑，且能够提供长期强大的力学支撑。因此，有部分研究应用合金类材料构建组织工程气管。Zhao等和LopezMinguez等的研究分别采用镍钛合金和不锈钢的网状螺旋支架进行动物气道重建，观察期内并未发现严重的不良反应，且能够完成气道上皮再生，但是长期预后仍需要进一步验证。应用金属支架的问题在于有可能发生支架移位，局部组织侵蚀、瘘道和感染形成，而且因其不能随机体生长故不适用于儿童患者。因此，与其他材料相结合以避免上述问题才能拓展其应用范围。
2.2高分子聚合材料支架
PP与PCL的理化性质相似，也是组织工程领域常用的高分子聚合材料，一些研究将PP网应用于气道移植发挥支撑作用，能够产生与自体气管相似的机械强度，且PP在体内性质稳定，组织相容性较高，较少出现不良反应。
聚癸二酸丙三醇酯是一种内部多孔连通且能够快速完全降解的弹性合成材料，在机体内可以快速募集细胞，具有促进细胞黏附和组织重塑的潜能。Wu等的研究应用聚癸二酸丙三醇酯制备组织工程气管，在兔腹侧皮下包埋改建后进行气管移植，实现了较好的力学支撑和血管化。
无论是金属支架还是高分子聚合材料应用于气道的重建时，其主要目的是发挥力学支撑作用，这是气道实现通气功能的首要条件。但是仅依靠支架材料本身的生物相容性还不足以实现气道的功能重建，必须结合其他要素提高组织相容性和生物活性，才能在不同的动物和模型中实现气管再生和重塑。
最大程度地模拟气管的微观结构，提供细胞黏附增殖和分化的内环境是实现气管移植成功的根本保障。这要求组织工程气管具备高度的组织相容性，可以实现快速血管化，以保证新生组织和细胞的营养供给，促进气管组织再生和重建。种子细胞和生物活性因子的应用一方面可以直接形成新生组织，另一方面可以传递生物学信号诱导自体组织和细胞的再生潜能，促进气管上皮的再生。
3.1组织工程气管微观结构的构建
生物活性材料包括胶原、透明质酸、藻酸盐和脱细胞基质等，它们的共同特点是与机体细胞外基质的成分和微观结构高度相似。这类材料的优点在于免疫原性较低，组织相容性好，较少引起宿主的免疫反应，适用范围广泛；同时这类材料的内部具有细胞可识别生物学信号，有利于细胞黏附、增殖和分化，促进组织再生。但此类材料的不足之处在于机械强度较差、降解速率差异较大，导致应用时需要与前述支架材料相结合，取长补短。
3.2种子细胞的多样性
3.2.1干细胞
胚胎或成体干细胞在细胞修复、发育生物学、药学等领域有着极为广泛的应用。利用干细胞的自我分化和更新能力可以使受损组织或细胞快速修复，研究其在组织损伤修复中的作用对生命科学有着重要的意义。在组织工程气管的构建中，各种干细胞的应用有着举足轻重的地位，其中以间充质干细胞更为普遍。间充质干细胞免疫原性较低，可以降低移植后免疫排斥的发生，且能够通过自分泌和旁分泌作用诱导其自身或自体细胞增殖和分化，促进组织的修复与再生。Park等的研究应用人鼻甲间充质干细胞制备组织工程气管，与自体气管、异种气管进行对比发现，组织工程气管的管腔内形成一层高度成熟的纤毛上皮，明显优于另外两种方法。AlAyoubi等的研究应用人骨髓间充质干细胞与脱细胞基质结合进行猪的局灶性气管缺损修补，结果显示干细胞组实验动物的软骨再生明显，并且实现了缺损部位的血管化和上皮化。以上研究结果提示干细胞在气管组织工程领域的应用的确有明显的优势和潜力。
3.2.2气道上皮细胞
气道上皮细胞是气管的重要组成部分，因此它成为组织工程气管构建时常用的种子细胞。虽然这些细胞在体内的长期结局仍不确定，但研究者认为这种策略可以改善受体气道上皮的修复潜能或者直接促进上皮再生。取自供体的鼻甲上皮细胞应用体外生物反应器在脱细胞气管基质中获得快速体外扩增，在兔的局灶性气管缺损移植术后效果明显优于对照组，术后3个月可以实现气道内纤毛柱状上皮的再生。还有研究应用人的气道上皮基底细胞修复兔的气管缺损，移植3个月后发现角蛋白阳性上皮细胞再生，12个月后形成完整的上皮重建。近期还有研究发现气道上皮的黏膜层存在祖细胞可以向上皮方向分化，其作为种子细胞制备组织工程气管同样也取得了一定的成果。
3.2.3软骨细胞
3.2.4成纤维细胞
成纤维细胞作为结缔组织中占比最多的细胞类型，在组织损伤后可以通过细胞增殖和合成细胞外基质的方式来进行组织修复。气道上皮细胞和成纤维细胞之间的相互作用对于上皮细胞的增殖和分化以及上皮层基底膜的形成是必要的，另外成纤维细胞在体外比较容易获得，且增殖较快，因此在组织工程研究领域应用广泛。有研究应用成纤维细胞与胶原凝胶结合构建气管的基质部分，该气管补片在大鼠体内移植1周后气管内覆盖上皮细胞，2周后纤毛上皮细胞再生。Naito等的团队应用成纤维细胞和干细胞联合与水凝胶相结合制备了组织工程气管，在大鼠体内进行气管移植后，虽然大鼠在观察期内恢复了自主呼吸，但是气管管腔内缺乏气道上皮的再生。
3.3生物活性分子的应用
3.3.1生长因子
生长因子作为信号分子可以将机体内环境的生物学信号传递给细胞促进其增殖和分化，同时也可以为细胞生长提供养分。外源性生长因子的应用主要用于轻度的气管损伤；对于范围较大的损伤，内源性生长因子可能对损伤部位的修复更有利。在组织工程气管的研究中，不同类型的生长因子（如上皮生长因子、血小板源性生长因子、血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子、粒细胞集落刺激因子、转化生长因子等）均有应用。一项研究应用生长因子组合（胰岛素样生长因子1、碱性成纤维细胞生长因子和上皮生长因子）附载在胶原海绵中构建了工程气管，用于大鼠气管局灶型缺损模型后，可以促进气管上皮组织的功能性再生。
3.3.2EVs
EVs是细胞之间传递信号的重要载体，它们装载的生物活性物质，如RNA、生长因子、蛋白、脂质分子等，是EVs发挥免疫调节和细胞间通讯的物质基础。近年来大量研究专注于应用EVs作为载体输送活性成分发挥生物学效应，其优点在于避免了种子细胞移植的弊端，且能够装载多种活性成分，促进组织修复和再生。目前EVs在肿瘤发生、心脏修复、药物研发、组织工程皮肤等领域研究较为普遍，但在组织工程气管的构建方面鲜有报道。通过组织工程技术来提高EVs的稳定性、生物活性、信号呈递能力以及与细胞或组织的靶向结合能力，并将其与组织工程气管有机结合发挥促进机体修复再生的作用，具有较好的研究前景。
4组织工程气管临床应用与展望
目前，临床上对严重气管损伤的治疗和处理仍较为困难和棘手。2018年完成的一项包含20例患者的临床研究证实了应用支架复合主动脉基质进行气管和支气管重建的可行性。还有1例12岁男童在接受组织工程气管移植后的连续随访结果表明，移植后1年内实现了组织工程气管管腔内纤毛柱状上皮细胞的再生和力学强度的恢复，此后其肺功能恢复理想，但长期预后仍是未知。
虽然组织工程气管具有巨大的临床应用前景，但要将其进行广泛的临床转化仍旧存在许多未知和障碍，要实现功能性的气管移植重建仍是一个极具挑战的难题。我们团队近期的研究尝试将快降解材料与慢降解材料结合构建支架，并与具有高度生物活性的新型脱细胞基质有机结合进行气道重建取得了一定的进展，实现了气道纤毛上皮的再生和良好的血管化。目前的研究现状提示我们，优化和整合不同要素发挥协同作用，促进气管组织再生和功能恢复是组织工程气管构建的重中之重；同时对气管组织重建和上皮再生的分子机制进行深入的探索和干预是加速组织工程气管移植成功的新方向；大动物模型的验证以及长期的多样的临床研究是优化和论证组织工程气管安全性和有效性的必要环节；以上问题的解决都亟待广大研究者们不断地探索和努力。
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