可重塑生物补片在疝及腹壁外科的应用和展望

刘文博，高　茗



·综述与讲座·

可重塑生物补片在疝及腹壁外科的应用和展望

刘文博，高茗

非交联生物补片、合成生物补片、改性生物补片、可重塑

外科的发展已经从切除(resection)、修补(repair)、替代(replacement)进入到第4个“R—再生(regeneration)时代。在疝与腹壁外科领域，理想的补片应具备如下特点：(1)使用方便，力学稳定；(2)炎症反应轻，腹腔内植入异常黏连少；(3)耐受感染或主动抗感染；(4)可降解、吸收、重塑[1]。其中耐受感染、可重塑是当前补片的主要发展趋势，代表性材料是动物源性的非交联生物补片(non-crosslinked biologics)、合成生物补片(synthetic biologics)以及改性或载药非交联生物补片。笔者就相关应用进展综述如下。

1　动物源性的非交联生物补片

动物源性的非交联生物补片制备技术是将来源于人尸或动物的组织，经严格脱细胞处理去除组织中含有的各种异种异体蛋白、DNA、抗原而保留下具有完整外观形态、组织学超微结构的不溶性支架(acellular tissue matrix, ACTM)作为修复材料[2]。根据组织来源的不同ACTM可大体分为两类：(1)惰性组织(inert tissue，IT)源产品，以人尸/猪的真皮(acellular dermis matrix, ADM)、牛/猪/马的心包、牛/猪的腹膜等为代表。来源组织属机体内生物惰性组织，成分几乎仅为结构蛋白(胶原纤维和弹力纤维)、无黏连蛋白、生长因子和蛋白聚糖类等生物活性成分。(2)细胞外基质(extracellular matrix，ECM)源产品，其拥有完整的活体组织ECM的三维超微结构和黏连蛋白类、生长因子类、糖胺聚糖类等生物活性成分。这类产品以猪小肠黏膜下层(small intestinal submucosa, SIS)、猪膀胱黏膜层基底膜(urinary bladder matrix, UBM)、人羊膜(anmiotic membrane)等为代表。以UBM为例，其生物活性成分除了上述可定量测定的以外，其植入体内后的降解产物经高效液相色谱分离可得5 000余种多肽和蛋白质，其中确认与组织黏附、促结合、抗凋亡、诱导分化、促增殖相关的成分有42种[3]。

ECM源产品的制备技术(包括脱细胞处理和成型工艺)较IT源产品更复杂但前者拥有更多修复组织缺损的优势[4]：(1)IT源产品仅能诱导血管化的结缔组织再生填充组织缺损、实现解剖层面的修复，而ECM源产品植入后可与宿区有效整合，主动吸引自体干细胞迁入损伤处并促进增殖和分化而实现部分程度的特异性、功能性修复，如实现肌肉筋膜等组织再生和神经支配部分恢复而改善残疾肢体功能[5]。(2)IT源产品结构致密，含有大量降解缓慢且人体25岁后不能再生的弹性纤维，导致修复区远期不稳定，易失弹性[6-7]。

ACTM修复组织缺损的原理是“内源性诱导再生”，这与非降解高分子材料通过异物刺激、慢性炎症反应来刺激纤维生成，最终用结构瘢痕组织来修复缺损的原理完全不同[8]。基于此原理，ACTM修复区无永久异物和慢性炎症，能应用于全身几乎所有的软组织创面修复，如疝和腹壁缺损修补、脏器填塞止血、吻合口加强、盆底重建等[9]。已有大量动物实验和临床应用证实动物源性的非交联生物补片具有良好的腹壁缺损修复疗效。截至2008年3月31日，累计已有超过2000名患者的临床应用及随访资料证实生物补片用于清洁创面有超过90%的成功率，用于轻度污染或潜在感染创面缺损有超过75%的成功率，并且术后长期疼痛发生率降低[10]。ADM修复切口疝的平均随访期已达38个月[11]，而SIS修复腹股沟疝的随访时间甚至已有至72个月的报道[12]。如Franklin等[13]腹腔镜下应用SIS修复伴有轻度污染或潜在感染的疝116名患者，共计133例疝修补包括29例腹股沟疝、57例切口疝、38例脐疝，平均随访时间(52±20.9)个月，确认有7例疝复发，11例血清肿，10名患者诉有轻度痛，修复疗效令人满意。我国学者回顾性分析2011年5月至2013年12月362例使用SIS补片行腹股沟疝无张力修补术的患者,术后随访(24±12)个月，2例(0.55%)复发；SIS补片固定时间(5±2)min；46.4%患者术后3 d内有低热(低于38.5℃)，3 d后体温均降至正常，未使用抗生素。2例出现感染，均为嵌顿疝肠破裂污染切口，感染后未将补片取出，予以换药3～4周后愈合，未复发。应用SIS补片行无张力疝修补术疗效确切、手术简便，对年轻患者或者高危感染患者可能更具有优势[14]。

ACTM还具有天然耐受感染的特性，这得益于其植入后再血管化速度快、吞噬细胞能早期进入材料内部，细菌生物被膜难以形成[15]。此外，ACTM植入部位若有继发补片感染，植入物将被细菌分泌的胶原酶降解，只需及时彻底引流即可，不会出现不可吸收材料切口迁延不愈，需二次手术去除补片弊端[16]。

2　合成生物材料

2.1TIGRTIGR是在疝外科中应用最早的完全合成可降解材料补片。由2种不同降解速率的合成生物材料编织而成。快降解纤维由乙交酯(glycolide)、丙交酯(lactide)及三亚甲基碳酸酯(trimethylene carbonate)构成，慢降解纤维则为丙交酯和三亚甲基碳酸酯，快慢降解纤维质量比为2∶3。Hjort等[17]在腹壁缺损羊模型中植入TIGR补片和PP补片，观察发现，与PP补片相比，TIGR修复区胶原纤维排列更接近于自体组织。随着补片的降解，Ⅰ型胶原与Ⅲ型胶原的比值逐渐上升，提示修复区高强度的胶原重塑。36个月后TIGR补片几乎完全降解[18]。

Ruiz-Jasbon等[19]用TIGR补片对40名腹股沟疝患者行手术修复，35名患者完成3年术后随访。术后1年均未发现严重并发症。单侧斜疝患者3年随访中未复发且无术后疼痛及不适，4名直疝(4/9，44%)及4名复合疝(4/12，33%)患者复发。复杂腹股沟疝复发率高的可能原因为直疝和斜疝复合的情况对力学要求较高，而TIGR在缺损组织再生出能够承受腹腔张力之前已经完全降解，新生组织并未完成有力的重塑，导致的力学失衡。因此，如果合成生物材料植入体内后可延长力学保持的时间，延缓降解的速率，可能减少疝复发。

2.2BIO-ABIO-A由聚乙交酯和聚三亚甲基碳酸酯的共聚物构成，植入体内后约7个月可完全降解，但降解产物为酸性，易加重炎性反应和纤维化。其三维基质中的开放网孔便于宿主细胞浸润并启动组织再生及再血管化，最终达到1∶1自体组织替换。目前BIO-A已应用于修复Amyand疝[20]、食管裂孔疝[21]、腹股沟疝[22]等。Priego等[21]应用BIO-A修复大型食管裂孔疝老年患者10例，平均20.3个月的随访期内，仅1名患者复发。Negro等[22]报道15例BIO-A修复的斜疝患者，18个月后所有患者未出现疼痛、复发等症状，且均对修复结果表示满意。

2.3PhasixPhasix由聚-4-羟基丁酸酯(Poly-4-hydroxybutyrate, P4HB)构成，属于聚羟基脂肪酸酯的一种。Phasix补片的降解-重塑曲线更趋于平衡，新生组织能够及时填补已经降解的补片；腹内压得以逐渐缓慢的施加到新生组织之上，完成二者间的力学承接，降低疝复发率。此外，其降解产物不含酸性物质，不改变植入区pH值，可以避免由此引起的局部炎症反应。Deeken等[23]在猪腹壁缺损模型中植入Phasix补片及P4HB网塞，证实二者修复区的爆破力和硬度均强于天然腹壁。另外有报道称P4HB网片较聚丙烯能降低细菌定植率[24]，不过笔者对这一临床意义心存疑虑，补片感染大多发生术后1个月内，因为P4HB是细菌代谢产物、不受细菌分泌的胶原酶等降解，在术区至少存在18个月，这段时间内是否会出现创面迁延不愈而不得不再次手术取出补片不得而知。

2.4SERISERI是由高度纯化的蚕丝蛋白纤维编织成的慢降解补片，具有较好的力学性能及生物相容性。Fine等[25]2015年报道了71例患者接受SERI补片修复乳房，术者对SERI补片操作性的满意度都较高。在术后半年及1年，术后主要并发症发生率均较低，包括组织坏死(6.7%)、血清肿(5.7%)、皮下血肿(4.8%)、囊性收缩(1.9%)及感染(1.0%)。

3　载药非交联生物补片

非交联生物补片拥有三维网状胶原纤维支架结构，含有一定黏蛋白成分和负电荷，易于吸附各种微粒，通过添加不同的微粒可以改良生物补片的特定属性。Mondalek等[26]在生物补片中植入透明质酸纳米颗粒以提高其表面生物相容性、加快细胞在其表面的增殖速度。Suckow等[27]在生物补片中添加尼美舒利(选择性COX-2抑制剂)以提高防粘连性。非交联生物补片也被作为细胞支架构建组织工程补片[28]。碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)可以在体内外促进血管再生及细胞迁移增殖，因其半衰期较短，并且易被体液降解、稀释，限制其应用。因此，研究者利用基因工程将胶原结合域(collagen binding domain，CBD)重组于bFGF将其绑定至胶原等[29]，加载CBD-bFGF的活化生物材料补片在组织学及生物力学上都能够达到较好的修补效果。

在疝及腹壁外科中，如何修补污染的腹壁缺损一直是棘手的问题。ACTM具有一定的耐受感染性，但不可否认的是，ACTM仅是部分耐受感染而不是抗感染，其自身并没有抗微生物活性[30]。鉴于ACTM的临床应用以污染创面为主，具备抗菌活性的补片可以在修复区释放抗感染药物，有效降低切口感染率。Zhou等[31]将SIS补片浸入纳米银溶液(颗粒浓度为25～500 μg/mL)，24 h后制备出纳米银SIS补片(NS-PSIS)，NS-PSIS体外表现出对金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大肠埃希菌及铜绿假单胞菌较强的抗菌能力。纳米银不影响PSIS的重塑特性及新生血管的长入，并且无热源和皮肤刺激性，体内几乎无残留。

4　交联改性生物补片和生物-合成复合

非交联生物补片修复组织缺损实现成功的组织再生需要3个因素：支架、信号、细胞，其中周围组织提供毛细血管并供应宿主细胞是重要前提[2]，但实际临床情况下植入材料往往两面都不能接触到充分血供。非交联生物补片在此类应用环境下的复发率高于合成补片，另有报道称生物补片修复高张力疝远期复发率可能高于合成补片[32]。为改善这一现状，材料学专家尝试将生物补片内的胶原先期进行交联，以此延迟置入生物补片的降解而达到维持置入补片张力的目的。交联后的胶原蛋白的三维螺旋支架间发生黏结，以此稳定了胶原酶对支架的降解(通俗讲就是“皮革化”)，从而增加了置入支架的强度和持久性[33]。在某些领域交联材料的应用很重要，如作为心脏瓣膜的生物补片需经过交联处理，以避免被降解而使外形改变不能导致有效关闭，最常用的交联方法是借助化学制剂发生生物、化学反应。

任何事物都有两面性，交联处理后虽然可拮抗降解，却导致补片网孔缩小，限制宿主细胞对补片的浸润，最终在软组织修复过程中纤维性包膜的产生远胜于生物补片的“重塑”过程[34]。交联生物补片的材料-宿主反应类型与合成材料类似，出现慢性异物反应，补片周围形成纤维囊“包裹”。交联生物补片植入后的宿主反应类型接近聚四氟乙烯材料，决定了其不能应用于感染创面，甚至可以说交联生物补片的耐受感染能力远逊于轻量、大网孔的合成纤维补片。美国FDA MAUDE在1997-2008年共有150例生物补片不良反应报道，其中112例(75%)都是交联脱细胞真皮材料，其中79%是应用于污染或潜在感染创面[32]。

另一种措施是非交联生物-不可吸收合成纤维“杂交疝修补装置”，具体是超轻量聚丙烯补片被细胞外基质包裹而成的补片，其中的轻量大网孔补片的力学强度高于人体天然腹壁筋膜，即使非交联生物补片被完全降解无任何组织再生，单独合成补片也足以应付腹腔压力[35]。而细胞外基质成分能改善复合材料的宿主-材料交界区炎症反应、减少细菌定植于永久性植入物。美国FDA已经允许相关新材料上市，临床适应征主要是桥接技术修补腹壁疝时使用。

总之，在寻找理想腹壁修复材料的道路上，可重塑生物补片是生物相容材料发展到个体化组织工程材料间的一个过渡，未来的修复材料必将会由传统的被动修补转向主动、功能化的自体组织重塑再生。

[1]Badylak SF, Brown BN, Gilbert TW. Regenerative medicine applications in organ transplantation: Chapter II Tissue engineering with decellularized tissues [M]. Elsevier Inc, 2014：230. ISBN:978-0-12-398523-1.

[2]Londono R, Badylak SF. Biologic scaffolds for regenerative medicine: mechanisms of in vivo remodeling [J]. Ann Biomed Eng， 2015，43(3):577-592. DOI: 10.1007/s10439-014-1103-8.

[3]Mar al H, Ahmed T, Badylak SF, et al. A comprehensive protein expression profile of extracellular matrix biomaterial derived from porcine urinary bladder [J]. Regen Med， 2012，7(2):159-166. DOI: 10.2217/rme.12.6.

[4]Badylak SF. Xenogeneic extracellular matrix as a scaffold for tissue reconstruction [J]. Transpl Immunol, 2004, 12:367-377. DOI:10.1016/j.trim.2003.12.016.

[5]Turner NJ, Yates AJ Jr, Weber DJ, et al. Xenogeneic extracellular matrix as an inductive scaffold for regeneration of a functioning musculotendinous junction [J]. Tissue Eng Part A， 2010, 16(11):3309-3317. DOI: 10.1089/ten.TEA.2010.0169.

[6]Deprest J, Klosterhalfen B, Schreurs A, et al. Clinicopathological study of patients requiring reintervention after sacrocolpopexy with xenogenic acellular collagen grafts [J]. J Urol， 2010，183(6):2249-2255. DOI: 10.1016/j.juro.2010.02.008.

[7]Gaertner WB, Bonsack ME, Delaney JP. Experimental evaluation of four biologic prostheses for ventral hernia repair [J]. J Gastrointest Surg， 2007，11(10):1275-1285. DOI: 10.1007/s11605-007-0242-8.

[8]Zhang J, Wang GY, Xiao YP, et al. The biomechanical behavior and host response to porcine-derived small intestine submucosa, pericardium and dermal matrix acellular grafts in a rat abdominal defect model [J]. Biomaterials， 2011，32:7086-7095. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.06.016.

[9]张剑.生物补片和相关研究进展[J]. 外科理论与实践， 2010，15(6):324-326.

[10] Burger JW，Halm JA，Wijsmuller AR，et al. Evaluation of new prosthetic meshes for ventral hernia repair [J]. Surg Endosc， 2006， 20:1320-1325. DOI: 10.1007/s00464-005-0706-4.

[11] Patton JH Jr, Berry S, Kralovich KA. Use of human acellular dermal matrix in complex and contaminated abdominal wall reconstructions [J]. Am J Surg， 2007，193:360-363. DOI: 10.1016/j.amjsurg.2006.09.021.

[12] Hiles M, Ritchie RDR, Altizer AM. Are biologic grafts effective for hernia repair? A systematic review of the literature [J]. Surg Innov， 2009，16(1):26-37. DOI: 10.1177/1553350609331397.

[13] Franklin M, Russek K. Use of porcine small intestine submucosa as a prosthetic material for laparoscopic hernia repair in infected and potentially contaminated fields: long-term follow-up assessment [J]. Surg Endosc， 2011， 25(5):1693-1694. DOI: 10.1007/s00464-010-1282-9.

[14] 虞伟星，范晓松，何非平，等. 猪小肠黏膜下脱细胞基质补片治疗腹股沟疝362例临床随访[J]. 中华疝和腹壁外科杂志：电子版.2015,(3):7-10. DOI:10.3877/cma.j.issn.1674-392X.2015.03.003.

[15] Harrell AG, Novitsky YW, Kercher KW, et al. In vitro infectability of prosthetic mesh by methiciliin-resistant staphylococcus aureus [J]. Hernia， 2006，10(2): 120-124. DOI: 10.1007/s10029-005-0056-0.

[16] Høyrup S, Brunn J. Use of biological mesh in facilitation of early closure in potentially infected abdominal wall defects [J]. Dan Med， 2012， 59(3):A4389.

[17] Hjort H, Mathisen T, Alves A, et al. Three-year results from a preclinical implantation study of a long-term resorbable surgical mesh with time-dependent mechanical characteristics [J]. Hernia， 2012，16(2):191-197. DOI:10.1007/s10029-011-0885-y.

[18] Peeters E, van Barneveld KW, Schreinemacher MH, et al. One-year outcome of biological and synthetic bioabsorbable meshes for augmentation of large abdominal wall defects in a rabbit model [J]. J Surg Res， 2013，180(2):274-283. DOI: doi: 10.1016/j.jss.2013.01.025.

[19] Ruiz-Jasbon F, Norrby J, IvarssonML, et al. Inguinal hernia repair using a synthetic long-term resorbable mesh: results from a 3-year prospective safety and performance study [J]. Hernia， 2014，18(5):723-730. DOI: 10.1007/s10029-014-1249-1.

[20] Burgess PL, Brockmeyer JR, Johnson EK. Amyand hernia repaired with Bio-A: a case report and review [J]. J Surg Educ， 2011，68(1):62-66. DOI: 10.1016/j.jsurg.2010.09.006.

[21] Priego Jiménez P, Salvador Sanchís JL, Angel V, et al. Short-term results for laparoscopic repair of large paraesophageal hiatal hernias with Gore Bio A mesh [J]. Int J Surg， 2014，12(8):794-797. DOI: 10.1016/j.ijsu.2014.06.001.

[22] Negro P, Gossetti F, Dassatti MR, et al. Bioabsorbable Gore BIO-A plug and patch hernia repair in young adults [J]. Hernia， 2012，16(1):121-122. DOI: 10.1007/s10029-011-0886-x.

[23] Deeken CR, Matthews BD. Characterization of the mechanical strength, resorption Properties, and histologic characteristics of a fully absorbable material (poly-4-hydro- xybutyrate-PHASIX Mesh) in a porcine model of hernia repair [J]. ISRN Surg， 2013，20(3): 238067. DOI: 10.1155/2013/238067.

[24] Chen GQ, Wu Q. The application of polyhydroxyalkanoates as tissue engineering materials [J]. Biomaterials， 2005，26(33):6565-6578. DOI:10.1016/j.biomaterials.2005.04.036.

[25] Fine NA, Lehfeldt M, Gross JE, et al. SERI surgical scaffold, prospective clinical trial of a silk-derived biological scaffold in two-stage breast reconstruction——1-year data [J]. Plast Reconstr Surg， 2015，135(2):339-351. DOI: 10.1097/PRS.0000000000000987.

[26] Mondalek FG, Ashley RA, Roth CC, et al. Enhanced angiogenesis of modified porcine small intestinal submucosa with hyaluronic acid-poly(lactide-co-glycolide) nanoparticles: From fabrication to preclinical validation [J]. J Biomed Mater Res A， 2010,94(3):712-719. DOI: 10.1002/jbm.a.32748.

[27] Suckow MA, Hodde JP, Wolter WR, et al. Addition of nimesulide to small intestinal submucosa biomaterial inhibits postsurgical adhesiogenesis in rats [J]. J Biomed Mater Res B Appl Biomater， 2010， 93(1):18-23. DOI: 10.1002/jbm.b.31545.

[28] Lai JY, Chang PY, Lin JN. Body wall repair using small intestinal submucosa seeded with cells [J]. J Pediatr Surg， 2003， 38(12):1752-1755. DOI: 10.1016/j.jpedsurg.2003.08.019.

[29] Shi C, Chen W, Zhao Y, et al. Regeneration of full-thickness abdominal wall defects in rats using collagen scaffolds loaded with collagen-binding basic fibroblast growth factor [J]. Biomaterials， 2011，32(3):753-759. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2010.09.038.

[30] Holtom PD, Shinar Z, Benna J, et al. Porcine small intestine submucosa does not show antimicrobial properties [J]. Clin Orthop Relat Res， 2004，427:18-21. DOI: 10.1097/01.blo.0000143573.03645.b4.

[31] Zhou HY, Zhang J, Yan RL, et al. Improving antibacterial property of porcine small intestinal submucosa by nano-silver supplementation[J]. Ann Surg， 2011，253(5):1033-1041. DOI: 10.1097/SLA.0b013e31821260f3.

[32] Harth KC, Rosen MJ. Major complications associated with xenograft biologic mesh implantation in abdominal wall reconstruction [J]. Surg Innov， 2009，16(4):324-329. DOI: 10.1177/1553350609353609.

[33] 马颂章.疝和腹壁外科生物学类修补材料再认识[J].中国实用外科杂志， 2015，35(11):1153-1156. DOI:10.7504/CJPS.ISSN1005-2208.2015.11.03.

[34] Delgado LM, Bayon Y, Pandit A, et al. To cross-link or not to cross-link? Cross-linking associated foreign body response of collagen-based devices [J]. Tissue Eng Part B Rev， 2015，21(3):298-313. DOI: 10.1089/ten.TEB.2014.0290.

[35] Faulk DM, Londono R, Wolf MT, et al. ECM hydrogel coating mitigates the chronic inflammatory response to polypropylene mesh [J]. Biomaterials， 2014，35(30):8585-8595. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2014.06.057.

(本文编辑：张阵阵)

单位]100000北京，国家食品药品监督管理总局医疗器械技术审评中心(刘文博)；南京军区南京总医院(高茗)

R687

A

10.3969/j.issn.1009-0754.2016.04.034

2016-02-02)