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。

  气管损伤的原因众多，包括先天性疾病、肿瘤、外伤和医源性损伤等。其中医源性气管损伤主要发生在困难气道反复气管插管、气管切开术后长期置管、扩张性气管造口、胸科手术术中损伤以及支气管介入诊断与治疗过程中。在麻醉科和ICU，根据气道侵入操作的不同方式，气管损伤的发生率为0.005%~0.190% 。依据气管损伤的部位和程度，临床上会采用不一样的治疗方法，如保守治疗、支架置入、端端吻合和气管移植。当患者气管损伤范围较大时，结局往往是致命的，需要尽早应用气管替代物做修复。目前临床上气管重建方式包括应用自体组织重建、同种异体气管移植、人造气管假体移植和组织工程气管移植。这些方案在某些特定的程度和一段时间范围内能够恢复气道功能，但仍没有一种办法能够长期、广泛地应用于临床。

  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。

  构建理想的组织工程气管需要具备以下3个门槛：① 具有与自体气管相似的力学强度，能轻松实现良好的支撑，保证呼吸道的畅通；② 组织相容性高，能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。

  目前实验研究和临床应用的各种人工气管各具优势但也存在相应的不足，尚不具备大范围推广应用的条件，要进一步深入研究。如自体组织重建气管会造成患者别的部位的创伤，且组织架构与气管本身差异较大；同种异体气管移植的组织来源有限，且需要长期的免疫抑制；不一样的材料制成的气管假体可能存在组织相容性差，不能生物降解，易造成自体组织的侵蚀、感染等问题；组织工程气管目前制备技术复杂、难度较高且周期长，这些问题都制约了气管移植重建技术的发展。

  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。

  随着材料学和制造业的发展，合金材料制造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Lopez‑Minguez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。

  高分子聚合材料种类繁多且在气管重建研究中有着广泛的应用，常见的有聚己内酯（polycaprolactone, PCL）、聚L‑丙交酯‑己内酯、聚丙烯（polypropylene, PP）、聚乳酸、聚羟基乙酸和聚乳乙醇酸等 。这些材料的机械强度、孔隙率和生物降解等特性各不相同，由于合成类材料大多为热塑性材料，早期研究中通常采用模具进行制备，导致出品结构较为单一，且孔隙率较低。3D打印技术的发展使得构建个性化的组织工程气管成为可能。选择合适的支架材料和设备就可以打印出适合患者气管管径和缺损形状的组织工程气管，再复合其他的生物材料和活性成分后，就能最大可能地实现对自体气管的仿生和模拟，从而提高移植后的成功率，促进气道功能恢复 。3D打印技术在一定程度上弥补了传统组织工程技术的不足和缺陷，其展现的巨大潜力备受研究者的关注。近期还有研究者提出了利用四维生物学打印来完成对小范围气管损伤的重建，结果表明移植体内有新生的软骨细胞，且实现了上皮再生，得到了较好的短期结果 ；但是该方法在节段性气管损伤修复重建中的有效性还需要进一步验证。

  PCL是目前组织工程领域应用最为广泛的合成材料之一，其生物相容性好，虽然降解速度稍慢，但其良好的力学性能可以在较长时间内维持工程气管的结构，且理化性质稳定能够在常温条件下长期保存，以便随时满足临床应用的需要。许多研究利用3D打印技术或模具铸造技术将PCL制备成节段性和局灶性组织工程气管 ，短期观察效果较好，能够实现部分上皮再生，但材料自身引起的慢性炎症会导致气道内狭窄，影响远期预后，是亟待解决的问题之一。

  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。

  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。

  脱细胞基质是组织工程领域的研究热点之一。通过对异体组织或器官进行脱细胞处理，去除组织中细胞成分和相关抗原，从而获得具有一定生理解剖结构和生物活性的多孔隙低免疫原性生物材料。脱细胞基质可以最大程度地保留细胞外基质的主要成分和结构，维持一定的机械强度和生物学功能，为体内创伤修复和组织再生提供骨架和物质基础 。许多研究应用异体或异种气管的脱细胞基质与支架材料相结合或直接用于移植，为气管再生提供了接近生理状态的微环境，同时避免了受体免疫排斥等不良反应，在一定程度上实现了管腔内上皮的再生 。Zhao等 的团队长期致力于对人工脱细胞基质的制备和研究，他们应用大动物的动脉平滑肌细胞在体外生物反应器内进行长达8~12周的培养，促进细胞增殖和基质分泌，形成致密的管状平滑肌组织，然后经过系列脱细胞流程制成管状脱细胞基质，与支架材料相结合，在大鼠和猴子的气管移植实验中取得了较好的效果，气道上皮再生贯穿组织工程气管。但该方法体外制备时间较长，限制了临床转化和应用。由于人工的脱细胞基质避免了供体资源短缺的问题，有望成为组织工程的研究热点和方向。同时生物反应器为体外培养细胞提供模拟体内环境的生理刺激，对于支持细胞在3D结构中的存活至关重要 ，可以实现细胞的快速增殖并促进细胞外基质的合成与分泌，这是平面静态细胞培养所不能实现的，也是组织工程领域不可或缺的一个技术平台。

  还有相当多的研究应用胶原凝胶、水凝胶与硬质支架相结合，模拟自体气管的软组织结构，由于胶原和水凝胶能够在机体内完全降解，组织相容性好且易于制备，受到研究者的青睐。Kobayashi等 的研究应用胶原凝胶与PP网相结合，对大鼠气管局灶性缺损进行修补，在术后2周就能够实现气道上皮的再生。但是各种凝胶材料的应用目前仍以气管局灶性缺损为主，较少应用于节段性气管损伤的重建，可能与其力学强度较差和降解速度较快相关，解决这样一些问题可能更有利于这类材料的大范围的应用。

  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。Al‑Ayoubi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。

  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 。

  C形软骨环在气道的生理作用不容忽视，它是维持气管力学强度和通气功能的关键，所以应用软骨细胞或者实现软骨再生是研究者关注的一个主要方向。耳廓、肋骨和鼻中隔是软骨细胞的主要来源，众多研究将软骨细胞与其他种子细胞同时应用构建高度仿生的组织工程气管，目的是形成与正常气管类似的韧性和强度。Li等 的研究采用软骨细胞膜片的新策略来完成对软骨再生的需求，避免了合成材料引起的炎症反应。他们将自体软骨膜片与口腔黏膜结合，在山羊气管损伤模型中成功构建了具有良好血管化、上皮化和以管状软骨为支撑的组织工程气管，重建的气管具有与自体气管高度相似的肌肉‑软骨‑筋膜‑黏膜的多层结构，可长期维持气道功能。Dennis等 同样应用兔软骨膜片与自体组织构建组织工程气管，实现力学支撑的同时在某些特定的程度上完成了气管内上皮化。

  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。

  种子细胞直接植入组织工程气管面临的问题包括免疫排斥、无方向的细胞分化以及成瘤的可能等。新的研究观点表明，在尽可能减少外部种子细胞应用的情况下诱导组织再生，植入无细胞支架以促进组织再生这一策略更具前景。很多研究对组织再生过程的关键分子［如生长因子、细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）等］和信号通路进行了深层次的探索，使得这些活性分子能够直接应用于组织工程气管的构建。虽然这类研究不多，而且这些活性成分在移植后能够在多长时间范围内保持活性并发挥作用仍不确定，但是经过组织工程技术的改良和优化，应用生物活性成分修饰组织工程材料这类技术无疑具有较高的临床转化价值，可能成为未来研究的主流方向。

  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、、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（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 。

  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。

  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根据结果得出，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。