Science：人工氣管移植挑戰極限

Paolo Macchiarini已經用人工氣管為十幾位患者進行了手術。

　　在過去5年里，世界上已經有十幾位患者接受了人工氣管移植手術，這種人工氣管是用最先進的干細胞技術制造而成的，但是治療結果卻千差萬別，批評者認為這種人工氣管的治療作用并沒有其開發者宣稱的那么好。

　　5年前，CLAUDIA CASTILLO連最基本的呼吸都很困難。當時這位30歲的西班牙巴塞羅那母親患有嚴重的肺結核（tuberculosis），病情已經侵犯了她的氣道，使她呼吸困難，甚至連上樓梯都上不了，更別提追上她的兩個孩子了。面對為數不多的幾條治療方案，CASTILLO最終選擇了一項被載入醫學史冊的治療手段，也是一項治本的治療手段——CASTILLO于2008年的6月接受了人工氣管移植手術，這根人工氣管就是用她自己的干細胞培育而成的，這是當時組織工程學（tissue engineering）界最先進的一項成果。

　　在隨后的幾個月里CASTILLO接受了多家媒體的采訪，她告訴記者，這次手術非常成功，她終于又能夠過上正常人的生活了。這次手術也讓CASTILLO的主治醫生——Paolo Macchiarini和Martin Birchall等人成為了醫學界的明星。他們被譽為醫學界的先驅，將現代醫學帶入了迷人的再生醫學（regenerative medicine）時代，醫生們將可以隨心所欲地生產出移植器官和組織。在CASTILLO之后，又先后有14名患者接受了人工氣管（bioengineered tracheas）移植手術。

　　不過上述所有患者采用的都是“特許使用（compassionate use）”方式，即這種人工氣管尚未得到上市批準，但是因為這些患者的病情都比較重，傳統的治療方法對他們已經無效了，所以可以用這種尚未獲得驗證和批準的治療手段對他們進行治療。可是這樣，我們就很難如評價臨床試驗結果一樣評價這種新型療法的治療效果。事實上，的確有一些觀察家對這種“臨床新成就（clinical feat）”的真正治療效果非常感興趣，想知道這是不是我們利用干細胞的“特殊技能”成功開展的一次組織工程學實踐，還是這只是一次暫時療效還不錯的手術，只能治標不能治本。而且至少有兩名患者已經在術后死亡，死亡原因都可能與手術有關。

　　美國波士頓麻省中心醫院再生醫學中心（Massachusetts General Hospital Center for Regenerative Medicine in Boston）的外科醫生Harald Ott認為，Macchiarini和Birchall等人的初衷絕對是好的，他們是想幫助患者緩解病情，改善生存質量。但是使用同樣技術進行的動物實驗的結果還比較少。如果你太急于將某項技術應用于人體，那么就一定會對這項技術可能產生的后果缺少了解，所以我們才需要在前期做大量的動物實驗，看看某項技術會帶來怎樣的結果。實際上，有一位批評家已經非常直接地指出，這項人工氣管移植技術絕對達不到其使用者宣稱的療效——使用新的細胞重建氣管。比利時魯汶大學醫院（University Hospital Leuven）頭頸外科的Pierre Delaere為此事專門給《柳葉刀》（The Lancet）雜志寫過兩封批評郵件，他認為，那些西班牙醫生絕對在說大話。

　　與此同時，Macchiarini和Birchall也在盡力證明他們的療效。Macchiarini和Birchall現在沒有在一起工作，他倆手里各有一個基金，都正在用經典的臨床試驗方法對這種貼滿了干細胞的人工氣管進行檢測，只是他倆一個在俄羅斯做試驗，另一個在英國做實驗。其中已經從歐盟和俄羅斯申請到了1000多萬美元基金的Macchiarini最近又獲得了美國食品與藥品監督管理局（FDA）的批準，同意他在美國開展了第一例人工氣管移植手術。

　　盡管如此，Delaere和Ott等人還是堅持認為在取得臨床試驗結果之前，這些人工氣管“專家”還是應該先將精力集中起來，去了解這項技術的遠期影響。如果他們沒完成好這項工作，那就有可能會危害到患者，最終還會徹底毀掉再生醫學這個新興領域。美國舊金山加利福尼亞州再生醫學研究院（California Institute for Regenerative Medicine in San Francisco）的主席兼干細胞研究專家Alan Trounson認為，雖然目前開展的這幾起醫療實踐（手術）的確具有重大的意義，預示著醫學又向前邁進了一步，但是他們還需要開展更多的基礎研究工作，讓這項技術更好地造福廣大患者，Trounson說道：“我們最終能夠得到一種可以使用終身的人造組織嗎？我現在對這個問題的答案還不確定。”

　　精妙的平衡

　　最開始瞅見氣管時我們可能會覺得它就是一根普普通通的管子，它很細，然而，用軟骨支撐起來的（cartilage-reinforced）管壁還是能夠隨著我們的呼吸持續不斷地擴張和收縮，還要能夠承受我們清嗓子和咳嗽時產生的巨大壓力。所以人造氣管也得足夠結實，要承受得起氣道的壓力而不會塌陷。但是常規的氣道成型術有可能會損傷胸腔入口處臨近氣管的大血管，這有可能會讓患者因為大出血而死亡。另外，氣管組織的血供非常復雜，而且血管很細，如果進行氣管移植，外科醫生很難進行血管吻合操作。而且由于氣道是與外界相通的，所以植入氣管與體內氣道的吻合處也非常容易發生感染。

　　面對這些問題，外科醫生想了很多辦法，用了很多年時間，可還是沒有很好地解決它們。Castillo在2008年3月到巴塞羅那當地一家醫院就診時，當時正在巴塞羅那大學臨床醫學中心（University of Barcelona’s Hospital Clínic）工作的Macchiarini和英國布里斯托大學（University of Bristol in the United Kingdom）的Birchall正在對豬進行人工氣管移植物的試驗。Macchiarini等人首先從供體豬體內取出一段氣管組織，然后將氣管組織上的活細胞全部去掉，只留下無細胞的組織骨架（decellularized scaffold）。然后再將這種骨架組織和受體豬的細胞共同培養，讓受體豬的骨髓細胞長在氣管外側面，使其長出新的軟骨細胞；讓受體豬的上皮細胞長在氣管的內側面，使其長出新的氣管上皮細胞。在生物反應器里采用不同的培養條件培養數天之后，這兩種細胞都能夠很好地生長。

　　Macchiarini等人認為，這種去細胞的氣管骨架組織不會引起受體的免疫排斥反應（所以不需要使用免疫抑制劑類的藥物），而來自受體的細胞又可以重新覆蓋氣管骨架，兩者合二為一，成為一個完美的人工氣管移植物。

　　不過這項豬活體試驗的結果到現在都還沒有公布，可是據Macchiarini等人介紹，受體豬在接受了人工氣管移植之后可以存活60天左右。當時因為嚴重的復發感染而再次入院的Castillo正面臨著失去一側肺組織的風險。所以Macchiarini建議Castillo試試他們剛剛在豬身上用過的人工氣管移植治療方案，最后Castillo決定賭一把。

　　Birchall也承認，當手術開始之后，他們自己也意識到這套技術離適于應用于臨床還有相當大的距離。不過西班牙和英國的醫療管理部門最終也允許他們在缺乏通常必須具備的臨床前試驗結果的情況下進行手術，于是Birchall等人從一位死者體內取了一段氣管組織，用Castillo的細胞培養之后對Castillo進行了手術。據Birchall回憶，他們’踐踏’了管理規定，不過這是在獲得批準的前提下。雖然他們的手術沒有取得最好的結果，但還是起到了一定的治療效果，而且更重要的是，他們的工作改變了人們對再生醫學的看法。

　　不過他們也都知道可能存在很多風險。據Birchall介紹，他們當時可能是對年輕人（Castillo）的體質太過相信了。所以他們認為自己一定會成功。Paolo是一位經驗豐富、膽大心細的優秀的外科醫生，他是Birchall力量的源泉。而Birchall的工作主要是說服管理部門，同時負責與科研相關的部分。

　　手術進行得非常順利，而且很快就登上了世界各國的媒體。當《柳葉刀》雜志在2008年的12月刊登了Birchall等人的文章的時候，Castillo已經出院10天了，而且沒有任何的合并癥，幾個月之后，Castillo就可以下地走路了，而且她又能夠上樓梯，照顧孩子們了，同時她的肺功能也恢復正常了。

　　不過好幾個月之后，合并癥開始出現了，Castillo的氣道開始狹窄、塌陷，醫生們不得不在她的氣管里再插入一根可半彎曲的（semiflexible）管道做支架，起到撐開氣道的作用。6個月之后又取出了這根支架，不過在近5年來，Castillo又接受過多次支架植入和取出手術。據Macchiarini介紹，Castillo現在的身體狀況不錯，也剛剛取出了支架。Macchiarini則表示感謝再生醫學，因為它，Castillo現在還擁有完整的肺臟和不錯的生活質量。也要感謝Castillo的支持，所以Macchiarini等人才能得到更多的第一手信息，讓他們的研究得以更進一步。不過雖然人們多次聯系Castillo，她還是不愿意接受采訪。

Claudia Castillo是全球首位接受人工氣管移植的患者，這是在2008年她接受移植手術幾個月之后和她的孩子們拍的一張照片。

　　Macchiarini從2010年開始就已經在瑞典斯德哥爾摩的卡羅林斯卡醫學院（Karolinska Institute in Stockholm）工作，據他介紹，他后來又用這種方法對8名患者進行過手術，其中還有3人是兒童。而且他還使用了另外一種方法治療了其他6名患者，這種新方法使用的不是去細胞的人體氣管組織，而是一段用納米復合材料制成的多聚物（nanocomposite polymer）做成的全人工氣管支架，這種結構就可以模擬人體軟骨的功能。

　　不過并不是每一位患者的結果都那么好，其中就有一位患兒死于氣道腫瘤（所以在第一時間對她進行了手術），“盡管我們的手術讓她在生命最后的那幾個月里有了不錯的生存質量。” Macchiarini介紹說。另外還有一名成年患者也是死于腫瘤，腫瘤已經破壞了他的氣管。

　　另外還有另外兩名患者是突然死亡的。其中一人是一名兒童，她在接受去細胞人工氣管移植手術之后，因為突然發生胸腔內大出血而死亡。據Birchall回憶，他們當時也不清楚是怎么回事。另外一位患者是來自美國馬里蘭州巴爾的摩的Chris Lyles，他于2011年的11月接受了納米材料全人工氣管移植手術，Lyles手術之后于2012年1月回到了美國，最開始感覺很不錯，可是在2012年的3月5日卻突然死亡了。Lyles的家屬沒有公布死因，據Macchiarini介紹他們也沒有進行尸檢，不過Macchiarini根據醫療記錄推測Lyles應該是死于肺炎。

　　不過法國里爾大學教學醫院（Lille University Teaching Hospital in France）的胸科醫生Alain Wurtz卻認為這兩起死亡病例應該都與胸腔大血管破裂有關，可能是因為在進行移植手術的時候損傷了血管。Wurtz自己就做過多例這樣的手術，不過他們都是從組織庫里獲得一段主動脈（aorta）組織，然后移植到患者的頸部。

　　除了報道Castillo手術的這篇文章之外，Macchiarini等人還報道了另外兩名患者的手術情況。2012年7月，Birchall在《柳葉刀》上發文介紹了一個全世界首次接受人工氣管移植手術患兒在術后兩年內的跟蹤調查情況。該文指出，這名患兒由于自身的氣管不能正常發育，所以接受了手術治療，并且在術后也進行過多次的支架植入手術，但是在移植手術一年半之后，CT顯示患兒的肺功能已經恢復正常，現在這個孩子已經回學校上課了。

　　2011年，《柳葉刀》也刊登了Macchiarini等人發表的一篇文章，Macchiarini等人為冰島一名地球物理學專業的研究生Andemariam Beyene進行了手術，因為Beyene的氣管上長了一個大腫瘤，Macchiarini等人在術后對Beyene進行了為期5個月的跟蹤調查，然后將整個情況寫成論文投給了《柳葉刀》雜志。Beyene是世界上第一位接受納米人工氣管移植的患者，他目前的醫生，冰島雷基亞比克Landspitali 大學醫院（Landspitali University Hospital in Reykjavik）的Tomas Gudbjartsson告訴《科學》（Science）雜志的記者，Beyene也接受過多次支架植入手術，他目前的身體狀況很好，并且于去年順利的畢業，完成了他的學業。其他幾位接受過移植手術的患者也都在其他雜志上有過報道，但是到目前為止還沒有有關這幾位患者身體健康狀況的正式報道文章出現，《科學》雜志也不確定所有這些患者目前的身體健康狀況。

氣管上接喉部（larynx），下至胸腔，由一層薄薄的上皮組織和軟骨環組合而成，外面還有豐富的供應血管。

　　尚存在的問題

　　目前已經發表的文章，以及在各大學術交流會議上提交的報告都還不足以讓批評者們對這種以干細胞為基礎的新療法感到滿意。“他們不應該向全世界宣稱他們開展了世界上第一例人工合成器官移植手術。” Delaere這樣評論道。我們都知道，用網膜（omentum）將人工支架包裹起來就可以對需要新氣管的患者進行暫時的替代治療，這種所謂的人工氣管方案，從本質上來說其實和這種傳統技術沒什么區別。實際上，Macchiarini等人也將他們制備的人工氣管包裹在網膜里，用這種方法來抑制炎癥反應，并且促進血管生長。“如果他們真的創造了什么奇跡，他們就應該拿出相應的證據。可他們并沒有拿數據出來說話。” Delaere繼續說道，他現在正在開發他自己的受損氣管解決方案，他的辦法是從供者體內先取一段氣管組織，然后將其移植到受者前臂當中，幾個月之后，等這段氣管組織上長出了新生血管，然后再將其取出，移植到受者的頸部，取代受損的氣管。Delaere還認為《柳葉刀》雜志并沒有提供令人信服的證據表明Macchiarini等人的手術取得了成功，患者的呼吸功能得到了改善。Wurtz也這么認為，他說道：“我們根本沒有了解到任何與這些患者術后相關的詳細資料。”

　　Macchiarini和目前在英國倫敦大學學院（University College London）工作的Birchall也都承認他們很難知道移植物在患者體內的具體狀況。不過他們表示，患者的臨床表現才是他們最關心的，而且目前在接受了他們手術治療的患者當中，有一大半的人都表現良好，健康狀況穩定，這就足以說明他們的手術是成功的，他們的療法也是成功的。雖然Macchiarini和Birchall現在已經分開，各自開展工作（可能是因為一篇論文的內容和署名發生了矛盾），但他們倆都在為人工氣管開展臨床試驗驗證工作。

　　今年3月，Birchall獲得了英國醫學研究會（United Kingdom’s Medical Research Council）提供的280萬英鎊（約合430萬美元）的資助，他用這筆錢招募了10位患者，開始對去細胞骨架混合受者干細胞的人工氣管（主要是喉及氣管上段）技術進行臨床試驗。Macchiarini則已經在俄羅斯政府提供的600萬美元資助下在俄羅斯完成了兩例移植手術，這也是他臨床試驗工作的一部分，他計劃共招募20至25名志愿者進行臨床試驗。Macchiarini介紹說：“過去，由于政府的規定，我們倆只能招募沒有其它治療方案可供選擇的重癥患者進行移植手術，現在，我們終于有機會招募非重癥患者進行臨床試驗了。”

　　現在Macchiarini還領導著一個為期5年，投資額高達400萬歐元（約合520萬美元）的歐盟研究項目，對他的人工氣管進行臨床試驗，同時還要用大型動物模型開發人工聚合材料氣管骨架。不過由于去年在意大利發生了一場法律糾紛，所以這個項目可能需要重新調整。Macchiarini之前曾經在佛羅倫薩的Careggi醫院（Careggi Hospital in Florence）擔任兼職醫生，原本要進行一場移植手術的，不過在去年9月，意大利的經濟警察指控Macchiarini涉嫌敲詐勒索，因為他“非法”地告訴一名患者，可以到德國接受治療，不過需要給他15萬歐元的費用，當地警方很快就對Macchiarini采取了軟禁措施。不過Macchiarini和他的律師表示，他們只不過是給患者另外一種選擇，并不是敲詐勒索。很快，對Macchiarini的指控也被撤銷了，不過Macchiarini認為這項指控其實是意大利托斯卡納（他當時與當地的醫院和大學有業務往來）的同行對他進行的惡意構陷，“我絕不會再去那里了。” Macchiarini憤怒的表示。

　　結果可靠嗎？

　　Castillo這個全世界第一例人工氣管移植手術開展至今已經過去5年了，但是相關的問題還是存在，而且事關整個組織工程學領域的發展。在其他科研人員使用覆蓋有細胞的組織骨架修復血管時，他們發現這些細胞最后并不能占據整個移植物。不過這些細胞可以激活某些信號通路，抑制機體的抗移植物免疫排斥反應，同時從周圍的組織中招募其它的細胞。這些細胞最后會占據整個移植物，成為新生組織（詳見Science, 26 August 2011, p. 1088）。

　　現在沒人知道人工氣管里是不是也發生了同樣的生理反應。科學家們用小鼠試驗對血管移植物進行了詳細的研究，使用小鼠作為試驗材料主要是因為可以很方便地對小鼠細胞進行遺傳標記操作，容易對這些細胞在體內的遷移、演變情況進行跟蹤和了解。不過小鼠的氣管非常細小，所以手術難度相當大。大部分動物氣管移植試驗都是以豬、羊和兔子為試驗材料開展的，不過大部分研究人員都沒想過去了解氣管植入之后的再生情況和動向。

　　美國哥倫布市全美兒童醫院（Nationwide Children’s Hospital in Columbus）的外科醫生Christopher Breuer認為這可是一個大好的科研機會。Breuer曾經使用這種覆蓋有細胞的移植物對先天性心臟病患兒進行過心臟修補手術，同時也進行過小鼠動物實驗，詳細地研究過移植物在體內的工作情況。Breuer個人認為，應該在開展臨床試驗之前先退后一步，用動物試驗來看看移植手術的效果。這樣反而會起到事半功倍的效果。

　　Macchiarini也進行過一次實驗室試驗，他想看看這種去細胞的人工氣管在一段時間之后會發生什么改變。在生理鹽水中浸泡一年以后，Macchiarini發現這種人工氣管明顯變軟，而且失去了很多有利于新生細胞附著、并再生為健康組織的微結構。美國休斯敦市德克薩斯心臟病研究所（Texas Heart Institute in Houston）的Doris Taylor也參與了這項研究，她也是去年在《生物材料》（Biomaterials）雜志上發表的那篇文章的作者之一，她認為這沒什么。因為在體內，鄰近的細胞會解決這個問題，不過具體的機制現在還不清楚。

　　這些試驗結果，以及Castillo和其他幾名接受了人工氣管移植手術的患者后來出現氣道塌陷的事實都促使Macchiarini轉向使用由英國倫敦大學學院的材料科學家Alexander Seifalian開發的人工納米合成氣管。俄羅斯的臨床試驗使用的就是這種在實驗室里合成的人造氣管，Macchiarini計劃在這個月為一名兒童進行移植手術，這也是首次在兒童身上使用這種人工氣管。這是一名只有兩歲的患兒，他的氣管天生就發育不全。美國食品與藥品監督管理局已經依照《臨床研究新藥管理規定》（Investigational New Drug rules）對這次手術提供了許可。

　　但是Ott認為，即便是設有良好對照的臨床試驗，其結果還是比不了設計周全的動物實驗。也就是說其他人很難重復這些臨床試驗的結果。Taylor也補充說：“雖然我們從來就不能真正的接近事物的真相，但是我們也應該盡可能地讓試驗結果可重復，找到安全、有效的新型治療方案。”