Science：人工气管移植挑战极限
Paolo Macchiarini已经用人工气管为十几位患者进行了手术。
在过去5年里，世界上已经有十几位患者接受了人工气管移植手术，这种人工气管是用最先进的干细胞技术制造而成的，但是治疗结果却千差万别，批评者认为这种人工气管的治疗作用并没有其开发者宣称的那么好。
5年前，CLAUDIA CASTILLO连最基本的呼吸都很困难。当时这位30岁的西班牙巴塞罗那母亲患有严重的肺结核（tuberculosis），病情已经侵犯了她的气道，使她呼吸困难，甚至连上楼梯都上不了，更别提追上她的两个孩子了。面对为数不多的几条治疗方案，CASTILLO最终选择了一项被载入医学史册的治疗手段，也是一项治本的治疗手段——CASTILLO于2008年的6月接受了人工气管移植手术，这根人工气管就是用她自己的干细胞培育而成的，这是当时组织工程学（tissue engineering）界最先进的一项成果。
在随后的几个月里CASTILLO接受了多家媒体的采访，她告诉记者，这次手术非常成功，她终于又能够过上正常人的生活了。这次手术也让CASTILLO的主治医生——Paolo Macchiarini和Martin Birchall等人成为了医学界的明星。他们被誉为医学界的先驱，将现代医学带入了迷人的再生医学（regenerative medicine）时代，医生们将可以随心所欲地生产出移植器官和组织。在CASTILLO之后，又先后有14名患者接受了人工气管（bioengineered tracheas）移植手术。
不过上述所有患者采用的都是“特许使用（compassionate use）”方式，即这种人工气管尚未得到上市批准，但是因为这些患者的病情都比较重，传统的治疗方法对他们已经无效了，所以可以用这种尚未获得验证和批准的治疗手段对他们进行治疗。可是这样，我们就很难如评价临床试验结果一样评价这种新型疗法的治疗效果。事实上，的确有一些观察家对这种“临床新成就（clinical feat）”的真正治疗效果非常感兴趣，想知道这是不是我们利用干细胞的“特殊技能”成功开展的一次组织工程学实践，还是这只是一次暂时疗效还不错的手术，只能治标不能治本。而且至少有两名患者已经在术后死亡，死亡原因都可能与手术有关。
美国波士顿麻省中心医院再生医学中心（Massachusetts General Hospital Center for Regenerative Medicine in Boston）的外科医生Harald Ott认为，Macchiarini和Birchall等人的初衷绝对是好的，他们是想帮助患者缓解病情，改善生存质量。但是使用同样技术进行的动物实验的结果还比较少。如果你太急于将某项技术应用于人体，那么就一定会对这项技术可能产生的后果缺少了解，所以我们才需要在前期做大量的动物实验，看看某项技术会带来怎样的结果。实际上，有一位批评家已经非常直接地指出，这项人工气管移植技术绝对达不到其使用者宣称的疗效——使用新的细胞重建气管。比利时鲁汶大学医院（University Hospital Leuven）头颈外科的Pierre Delaere为此事专门给《柳叶刀》（The Lancet）杂志写过两封批评邮件，他认为，那些西班牙医生绝对在说大话。
与此同时，Macchiarini和Birchall也在尽力证明他们的疗效。Macchiarini和Birchall现在没有在一起工作，他俩手里各有一个基金，都正在用经典的临床试验方法对这种贴满了干细胞的人工气管进行检测，只是他俩一个在俄罗斯做试验，另一个在英国做实验。其中已经从欧盟和俄罗斯申请到了1000多万美元基金的Macchiarini最近又获得了美国食品与药品监督管理局（FDA）的批准，同意他在美国开展了第一例人工气管移植手术。
尽管如此，Delaere和Ott等人还是坚持认为在取得临床试验结果之前，这些人工气管“专家”还是应该先将精力集中起来，去了解这项技术的远期影响。如果他们没完成好这项工作，那就有可能会危害到患者，最终还会彻底毁掉再生医学这个新兴领域。美国旧金山加利福尼亚州再生医学研究院（California Institute for Regenerative Medicine in San Francisco）的主席兼干细胞研究专家Alan Trounson认为，虽然目前开展的这几起医疗实践（手术）的确具有重大的意义，预示着医学又向前迈进了一步，但是他们还需要开展更多的基础研究工作，让这项技术更好地造福广大患者，Trounson说道：“我们最终能够得到一种可以使用终身的人造组织吗？我现在对这个问题的答案还不确定。”
精妙的平衡
最开始瞅见气管时我们可能会觉得它就是一根普普通通的管子，它很细，然而，用软骨支撑起来的（cartilage-reinforced）管壁还是能够随着我们的呼吸持续不断地扩张和收缩，还要能够承受我们清嗓子和咳嗽时产生的巨大压力。所以人造气管也得足够结实，要承受得起气道的压力而不会塌陷。但是常规的气道成型术有可能会损伤胸腔入口处临近气管的大血管，这有可能会让患者因为大出血而死亡。另外，气管组织的血供非常复杂，而且血管很细，如果进行气管移植，外科医生很难进行血管吻合操作。而且由于气道是与外界相通的，所以植入气管与体内气道的吻合处也非常容易发生感染。
面对这些问题，外科医生想了很多办法，用了很多年时间，可还是没有很好地解决它们。Castillo在2008年3月到巴塞罗那当地一家医院就诊时，当时正在巴塞罗那大学临床医学中心（University of Barcelona’s Hospital Clínic）工作的Macchiarini和英国布里斯托大学（University of Bristol in the United Kingdom）的Birchall正在对猪进行人工气管移植物的试验。Macchiarini等人首先从供体猪体内取出一段气管组织，然后将气管组织上的活细胞全部去掉，只留下无细胞的组织骨架（decellularized scaffold）。然后再将这种骨架组织和受体猪的细胞共同培养，让受体猪的骨髓细胞长在气管外侧面，使其长出新的软骨细胞；让受体猪的上皮细胞长在气管的内侧面，使其长出新的气管上皮细胞。在生物反应器里采用不同的培养条件培养数天之后，这两种细胞都能够很好地生长。
Macchiarini等人认为，这种去细胞的气管骨架组织不会引起受体的免疫排斥反应（所以不需要使用免疫抑制剂类的药物），而来自受体的细胞又可以重新覆盖气管骨架，两者合二为一，成为一个完美的人工气管移植物。
不过这项猪活体试验的结果到现在都还没有公布，可是据Macchiarini等人介绍，受体猪在接受了人工气管移植之后可以存活60天左右。当时因为严重的复发感染而再次入院的Castillo正面临着失去一侧肺组织的风险。所以Macchiarini建议Castillo试试他们刚刚在猪身上用过的人工气管移植治疗方案，最后Castillo决定赌一把。
Birchall也承认，当手术开始之后，他们自己也意识到这套技术离适于应用于临床还有相当大的距离。不过西班牙和英国的医疗管理部门最终也允许他们在缺乏通常必须具备的临床前试验结果的情况下进行手术，于是Birchall等人从一位死者体内取了一段气管组织，用Castillo的细胞培养之后对Castillo进行了手术。据Birchall回忆，他们’践踏’了管理规定，不过这是在获得批准的前提下。虽然他们的手术没有取得最好的结果，但还是起到了一定的治疗效果，而且更重要的是，他们的工作改变了人们对再生医学的看法。
不过他们也都知道可能存在很多风险。据Birchall介绍，他们当时可能是对年轻人（Castillo）的体质太过相信了。所以他们认为自己一定会成功。Paolo是一位经验丰富、胆大心细的优秀的外科医生，他是Birchall力量的源泉。而Birchall的工作主要是说服管理部门，同时负责与科研相关的部分。
手术进行得非常顺利，而且很快就登上了世界各国的媒体。当《柳叶刀》杂志在2008年的12月刊登了Birchall等人的文章的时候，Castillo已经出院10天了，而且没有任何的合并症，几个月之后，Castillo就可以下地走路了，而且她又能够上楼梯，照顾孩子们了，同时她的肺功能也恢复正常了。
不过好几个月之后，合并症开始出现了，Castillo的气道开始狭窄、塌陷，医生们不得不在她的气管里再插入一根可半弯曲的（semiflexible）管道做支架，起到撑开气道的作用。6个月之后又取出了这根支架，不过在近5年来，Castillo又接受过多次支架植入和取出手术。据Macchiarini介绍，Castillo现在的身体状况不错，也刚刚取出了支架。Macchiarini则表示感谢再生医学，因为它，Castillo现在还拥有完整的肺脏和不错的生活质量。也要感谢Castillo的支持，所以Macchiarini等人才能得到更多的第一手信息，让他们的研究得以更进一步。不过虽然人们多次联系Castillo，她还是不愿意接受采访。
Claudia Castillo是全球首位接受人工气管移植的患者，这是在2008年她接受移植手术几个月之后和她的孩子们拍的一张照片。
Macchiarini从2010年开始就已经在瑞典斯德哥尔摩的卡罗林斯卡医学院（Karolinska Institute in Stockholm）工作，据他介绍，他后来又用这种方法对8名患者进行过手术，其中还有3人是儿童。而且他还使用了另外一种方法治疗了其他6名患者，这种新方法使用的不是去细胞的人体气管组织，而是一段用纳米复合材料制成的多聚物（nanocomposite polymer）做成的全人工气管支架，这种结构就可以模拟人体软骨的功能。
不过并不是每一位患者的结果都那么好，其中就有一位患儿死于气道肿瘤（所以在第一时间对她进行了手术），“尽管我们的手术让她在生命最后的那几个月里有了不错的生存质量。” Macchiarini介绍说。另外还有一名成年患者也是死于肿瘤，肿瘤已经破坏了他的气管。
另外还有另外两名患者是突然死亡的。其中一人是一名儿童，她在接受去细胞人工气管移植手术之后，因为突然发生胸腔内大出血而死亡。据Birchall回忆，他们当时也不清楚是怎么回事。另外一位患者是来自美国马里兰州巴尔的摩的Chris Lyles，他于2011年的11月接受了纳米材料全人工气管移植手术，Lyles手术之后于2012年1月回到了美国，最开始感觉很不错，可是在2012年的3月5日却突然死亡了。Lyles的家属没有公布死因，据Macchiarini介绍他们也没有进行尸检，不过Macchiarini根据医疗记录推测Lyles应该是死于肺炎。
不过法国里尔大学教学医院（Lille University Teaching Hospital in France）的胸科医生Alain Wurtz却认为这两起死亡病例应该都与胸腔大血管破裂有关，可能是因为在进行移植手术的时候损伤了血管。Wurtz自己就做过多例这样的手术，不过他们都是从组织库里获得一段主动脉（aorta）组织，然后移植到患者的颈部。
除了报道Castillo手术的这篇文章之外，Macchiarini等人还报道了另外两名患者的手术情况。2012年7月，Birchall在《柳叶刀》上发文介绍了一个全世界首次接受人工气管移植手术患儿在术后两年内的跟踪调查情况。该文指出，这名患儿由于自身的气管不能正常发育，所以接受了手术治疗，并且在术后也进行过多次的支架植入手术，但是在移植手术一年半之后，CT显示患儿的肺功能已经恢复正常，现在这个孩子已经回学校上课了。
2011年，《柳叶刀》也刊登了Macchiarini等人发表的一篇文章，Macchiarini等人为冰岛一名地球物理学专业的研究生Andemariam Beyene进行了手术，因为Beyene的气管上长了一个大肿瘤，Macchiarini等人在术后对Beyene进行了为期5个月的跟踪调查，然后将整个情况写成论文投给了《柳叶刀》杂志。Beyene是世界上第一位接受纳米人工气管移植的患者，他目前的医生，冰岛雷基亚比克Landspitali 大学医院（Landspitali University Hospital in Reykjavik）的Tomas Gudbjartsson告诉《科学》（Science）杂志的记者，Beyene也接受过多次支架植入手术，他目前的身体状况很好，并且于去年顺利的毕业，完成了他的学业。其他几位接受过移植手术的患者也都在其他杂志上有过报道，但是到目前为止还没有有关这几位患者身体健康状况的正式报道文章出现，《科学》杂志也不确定所有这些患者目前的身体健康状况。
气管上接喉部（larynx），下至胸腔，由一层薄薄的上皮组织和软骨环组合而成，外面还有丰富的供应血管。
尚存在的问题
目前已经发表的文章，以及在各大学术交流会议上提交的报告都还不足以让批评者们对这种以干细胞为基础的新疗法感到满意。“他们不应该向全世界宣称他们开展了世界上第一例人工合成器官移植手术。” Delaere这样评论道。我们都知道，用网膜（omentum）将人工支架包裹起来就可以对需要新气管的患者进行暂时的替代治疗，这种所谓的人工气管方案，从本质上来说其实和这种传统技术没什么区别。实际上，Macchiarini等人也将他们制备的人工气管包裹在网膜里，用这种方法来抑制炎症反应，并且促进血管生长。“如果他们真的创造了什么奇迹，他们就应该拿出相应的证据。可他们并没有拿数据出来说话。” Delaere继续说道，他现在正在开发他自己的受损气管解决方案，他的办法是从供者体内先取一段气管组织，然后将其移植到受者前臂当中，几个月之后，等这段气管组织上长出了新生血管，然后再将其取出，移植到受者的颈部，取代受损的气管。Delaere还认为《柳叶刀》杂志并没有提供令人信服的证据表明Macchiarini等人的手术取得了成功，患者的呼吸功能得到了改善。Wurtz也这么认为，他说道：“我们根本没有了解到任何与这些患者术后相关的详细资料。”
Macchiarini和目前在英国伦敦大学学院（University College London）工作的Birchall也都承认他们很难知道移植物在患者体内的具体状况。不过他们表示，患者的临床表现才是他们最关心的，而且目前在接受了他们手术治疗的患者当中，有一大半的人都表现良好，健康状况稳定，这就足以说明他们的手术是成功的，他们的疗法也是成功的。虽然Macchiarini和Birchall现在已经分开，各自开展工作（可能是因为一篇论文的内容和署名发生了矛盾），但他们俩都在为人工气管开展临床试验验证工作。
今年3月，Birchall获得了英国医学研究会（United Kingdom’s Medical Research Council）提供的280万英镑（约合430万美元）的资助，他用这笔钱招募了10位患者，开始对去细胞骨架混合受者干细胞的人工气管（主要是喉及气管上段）技术进行临床试验。Macchiarini则已经在俄罗斯政府提供的600万美元资助下在俄罗斯完成了两例移植手术，这也是他临床试验工作的一部分，他计划共招募20至25名志愿者进行临床试验。Macchiarini介绍说：“过去，由于政府的规定，我们俩只能招募没有其它治疗方案可供选择的重症患者进行移植手术，现在，我们终于有机会招募非重症患者进行临床试验了。”
现在Macchiarini还领导着一个为期5年，投资额高达400万欧元（约合520万美元）的欧盟研究项目，对他的人工气管进行临床试验，同时还要用大型动物模型开发人工聚合材料气管骨架。不过由于去年在意大利发生了一场法律纠纷，所以这个项目可能需要重新调整。Macchiarini之前曾经在佛罗伦萨的Careggi医院（Careggi Hospital in Florence）担任兼职医生，原本要进行一场移植手术的，不过在去年9月，意大利的经济警察指控Macchiarini涉嫌敲诈勒索，因为他“非法”地告诉一名患者，可以到德国接受治疗，不过需要给他15万欧元的费用，当地警方很快就对Macchiarini采取了软禁措施。不过Macchiarini和他的律师表示，他们只不过是给患者另外一种选择，并不是敲诈勒索。很快，对Macchiarini的指控也被撤销了，不过Macchiarini认为这项指控其实是意大利托斯卡纳（他当时与当地的医院和大学有业务往来）的同行对他进行的恶意构陷，“我绝不会再去那里了。” Macchiarini愤怒的表示。
结果可靠吗？
Castillo这个全世界第一例人工气管移植手术开展至今已经过去5年了，但是相关的问题还是存在，而且事关整个组织工程学领域的发展。在其他科研人员使用覆盖有细胞的组织骨架修复血管时，他们发现这些细胞最后并不能占据整个移植物。不过这些细胞可以激活某些信号通路，抑制机体的抗移植物免疫排斥反应，同时从周围的组织中招募其它的细胞。这些细胞最后会占据整个移植物，成为新生组织（详见Science, 26 August 2011, p. 1088）。
现在没人知道人工气管里是不是也发生了同样的生理反应。科学家们用小鼠试验对血管移植物进行了详细的研究，使用小鼠作为试验材料主要是因为可以很方便地对小鼠细胞进行遗传标记操作，容易对这些细胞在体内的迁移、演变情况进行跟踪和了解。不过小鼠的气管非常细小，所以手术难度相当大。大部分动物气管移植试验都是以猪、羊和兔子为试验材料开展的，不过大部分研究人员都没想过去了解气管植入之后的再生情况和动向。
美国哥伦布市全美儿童医院（Nationwide Children’s Hospital in Columbus）的外科医生Christopher Breuer认为这可是一个大好的科研机会。Breuer曾经使用这种覆盖有细胞的移植物对先天性心脏病患儿进行过心脏修补手术，同时也进行过小鼠动物实验，详细地研究过移植物在体内的工作情况。Breuer个人认为，应该在开展临床试验之前先退后一步，用动物试验来看看移植手术的效果。这样反而会起到事半功倍的效果。
Macchiarini也进行过一次实验室试验，他想看看这种去细胞的人工气管在一段时间之后会发生什么改变。在生理盐水中浸泡一年以后，Macchiarini发现这种人工气管明显变软，而且失去了很多有利于新生细胞附着、并再生为健康组织的微结构。美国休斯敦市德克萨斯心脏病研究所（Texas Heart Institute in Houston）的Doris Taylor也参与了这项研究，她也是去年在《生物材料》（Biomaterials）杂志上发表的那篇文章的作者之一，她认为这没什么。因为在体内，邻近的细胞会解决这个问题，不过具体的机制现在还不清楚。
这些试验结果，以及Castillo和其他几名接受了人工气管移植手术的患者后来出现气道塌陷的事实都促使Macchiarini转向使用由英国伦敦大学学院的材料科学家Alexander Seifalian开发的人工纳米合成气管。俄罗斯的临床试验使用的就是这种在实验室里合成的人造气管，Macchiarini计划在这个月为一名儿童进行移植手术，这也是首次在儿童身上使用这种人工气管。这是一名只有两岁的患儿，他的气管天生就发育不全。美国食品与药品监督管理局已经依照《临床研究新药管理规定》（Investigational New Drug rules）对这次手术提供了许可。
但是Ott认为，即便是设有良好对照的临床试验，其结果还是比不了设计周全的动物实验。也就是说其他人很难重复这些临床试验的结果。Taylor也补充说：“虽然我们从来就不能真正的接近事物的真相，但是我们也应该尽可能地让试验结果可重复，找到安全、有效的新型治疗方案。”
