组织工程乳房的研究进展及临床展望

张郭 周牧冉 陈佳龙 汪振星 孙家明

【提要】 乳房再造拥有巨大的临床需求，组织工程乳房再造具有广阔的应用前景。传统乳房组织工程的概念是将患者自体干细胞植入支架，构建细胞-支架复合物移植体内进行乳房再造。然而，组织工程乳房再造的临床可行性因其成本、技术条件而受到限制。本文对组织工程乳房再造的研究现状进行综述，并展望其临床转化前景。

乳腺癌是威胁女性生命健康的最常见恶性肿瘤[1]。诊断及治疗手段的发展，使其生存率愈来愈高，仅2018年全球预计就有超过140万乳腺癌患者得到治愈[1]。然而，肿瘤的治愈并不是终点，因乳腺癌根治或预防性乳房切除导致的乳房缺失，不仅给患者带来形体问题，更会引起患者焦虑、抑郁等一系列心理问题[2]。乳房再造有助于恢复患者的形态美和身心健康[3]，乳房再造具有很重要的临床意义和社会意义。

1 传统乳房再造手段

1.1 假体植入

假体植入仍是乳房再造手术和隆胸最常用的方法[4]。这些假体在美学效果方面为许多女性提供了令人满意的结果，但也带来了固有的中长期风险。

时至今日，硅胶假体的局部并发症和二次手术的发生率仍然很高。最常见的并发症为包膜挛缩，是由于人体对假体的慢性异物排斥反应而导致的瘢痕形成、疼痛及畸形。在美国，隆胸及乳房再造手术中假体植入物包膜挛缩的5年发生率高达14%，其他并发症包括假体破裂、感染乃至间变性大细胞淋巴瘤等[4]。对于需要术后放疗的患者，通常不推荐植入假体进行乳房再造[5]。

1.2 自体皮瓣移植

相比较而言，自体皮瓣转移能充分利用患者自身的组织，从而再造一个具有良好外观和正常感觉的乳房[6]。乳房再造可选择背阔肌皮瓣、横行腹直肌肌皮瓣等，亦可通过显微外科技术，利用腹壁下动脉穿支游离皮瓣进行乳房重建，从而减少供区损伤。皮瓣转移具有并发症较少、手感接近正常乳房等优点，但相应地需要更精细的手术技巧、更长的手术时间和更高昂的医疗费用。

1.3 自体脂肪填充

自Coleman等[7]和Spear等[8]改进抽脂和脂肪移植技术以来，脂肪移植的设备和流程越来越规范。2008年，Yoshimura等[9]介绍了细胞辅助脂肪移植(Cell-assisted lipotransfer，CAL)，ASPS也在2009年开始推荐使用脂肪移植技术[10]。与其他手术方法相比，自体脂肪填充不仅价廉、简单，而且相对无创。自体脂肪填充目前主要用于乳房轮廓异常及小乳症的整形。但Coleman等[11]的研究表明，通过多次填充，可以保留形成大量的脂肪组织。

自体脂肪填充的一个技术限制是移植后会造成约30%的体积损失[12]，而多次反复移植会降低患者的依从性。如何增加受区间隙体积，填充后的脂肪如何获得较好的力学支持和血供，是目前亟待解决的难点。

2 乳房再造的替代方法——再生医学与组织工程

组织工程技术使得传统的缺损修复理念发生重大变革。通过将干细胞与生长因子结合，种植于生物材料制作的支架上，体外培养后再植入体内，有望实现组织器官的修复/替代。利用组织工程技术进行乳房再造，可以同时避免硅胶假体造成的异物反应以及自体皮瓣带来的供区损伤，再造的乳房在形态学和组织学上与天然乳房高度相仿，理论上是一种更优的选择。

2.1 支架材料

乳房组织工程支架可按材料的来源分为天然材料支架或合成材料支架，也可按结构形态分为固体支架或水凝胶支架。任何用于乳房再生的组织工程支架必须具备以下要素：生物相容可降解、低免疫原性、多孔隙和良好的力学强度，以支撑乳房原生形状的同时维持种子细胞的生长。此外，还需避免对早期肿瘤的影像诊断造成干扰。为了使患者更容易接受，生物材料应具有与正常乳房相似的机械强度。下表显示了与乳房组织成分相比，常用支架材料的机械特性(表1)[4]。

表1 乳房主要成分和组织工程支架常用生物材料的力学性能

2.1.1天然支架材料

天然支架材料主要包括胶原蛋白、纤维蛋白、透明质酸和壳聚糖等。胶原蛋白是一种天然的生物高分子聚合物，存在于动物结缔组织中。已有研究将ADSC种植于海绵状胶原蛋白支架，植入体内后成功分化为成熟脂肪细胞[14]。纤维蛋白胶是一种由天然血液成分构成的水凝胶，已被美国FDA批准使用，但成本较高昂[15]。另一类商用的支架材料是模拟细胞外基质(ECM)的水凝胶，如基质胶(商品名Matrigel)和肌凝胶(商品名Myogel)，两种材料均展现出了良好的生物相容性[[16-17]。透明质酸作为细胞外基质的一种成分，可通过交联合成和改性后作为细胞载体运用于组织工程中。研究发现，透明质酸能够作为载体传递运输脂肪前体细胞以诱导脂肪形成[18]，但应用于乳房重建的安全性仍存在争议[19]。然而，在现有的技术条件下，水凝胶仍难以塑造理想的体积、形状和结构，而用于重建整个乳房。

2.1.2脂肪脱细胞基质

最近的突破性进展则是直接使用人或猪的脂肪组织脱细胞基质作为乳房组织工程的支架材料。细胞外基质是由大分子构成的错综复杂的网络，为细胞的生存及活动提供适宜的场所，并通过信号传递影响细胞的形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化，为细胞的附着和生长提供机械和营养支持。异源脂肪脱细胞基质作为生物支架材料，通过脱细胞等一系列流程，在去除引发免疫应答的细胞抗原成分的同时，保留了关键细胞外基质成分，具有良好的力学性质和生物组织相容性[20]。脱细胞基质为脂肪组织的生长提供了有利的微环境，使得ADSCs能够招募宿主细胞，生成血管和脂肪[21]。脱细胞基质产物也可以制作生产成用于细胞载装、生长的水凝胶。Pati等[22]利用猪及人的脂肪脱细胞基质制成载有ADSCs的生物3D打印墨水，并成功诱导了成脂分化。Cheung等[23]则利用光交联技术，将壳聚糖、硫酸软骨素和脂肪脱细胞基质制备为水凝胶形式的ADSCs载体。研究发现，局部生物力学和化学环境对脂肪生成至关重要，脂肪脱细胞基质水凝胶与天然脂肪组织的硬度相似，导致脂肪生长因子的上调[24]。Wang等[25]通过将ADSCs种植于人体脱细胞外基质后，移植到大鼠皮下并成功培养出体积可观的脂肪组织。

2.1.3人工合成材料

3D打印的兴起和发展，对于将可降解的、生物相容性良好的高分子材料制备具有个性化设计的宏观或微观结构的组织工程支架起到了推动作用。聚乙交酯(Polyglycolic acid，PGA)、聚乳酸(Polylactic acid，PLA)、聚乙丙交酯[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]和聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)等，近年来在组织工程研究中得到了广泛应用[26]，均属于脂肪族聚酯家族，将其通过3D打印可以产生特定形状结构的组织工程支架，具有良好的生物可降解性。PGA、PLA及其共聚物的降解时间为6～18个月[27]，降解时会产生大量的乳酸，造成局部酸性环境，可能对周围正常组织产生不利的影响。PCL降解时间超过2年，不会造成酸性物质堆积，为再生组织的形状重塑提供理想结构支撑的同时，不对周围组织产生不良影响[27]。

2.2 乳房组织工程策略

2.2.1传统组织工程策略

自从Langer、Vacanti和Atala等[28]在1994年首次提出乳房组织工程的概念以来，全球只有少数几个研究小组探索乳房组织工程技术。过去的10年内，乳房组织工程通常都是基于脂肪组织的再生。目前已发表的研究主要为两种方法：①分离和培养脂肪前体细胞后植入支架；②使用组织生长因子招募组织常驻脂肪前体细胞。Patrick[29]认为上述传统组织工程策略难以上升到临床转化的高度。

从材料学角度出发，普遍认同对组织工程支架材料进行混合与加工改性的研究策略(表2)。此外，也有尝试利用生物反应器来促进脂肪生成[30]。Wittman等[15]创造性地将提取的SVF与纤维蛋白凝胶混合后，注射于小鼠模型中，成功培养出脂肪组织。

表2 材料改性策略

从临床转化角度来讲，迄今为止构建大体积脂肪组织的研究屈指可数，仅有一项关于乳房组织工程的人体试验取得了很小的进展[36，38-40]。

促进组织工程乳房的血管化是另一个重要研究方向。尽管许多研究致力于构建血管化脂肪结构，但仅限于小体积的脂肪组织[31-35，37]，与已用于临床的乳房商用假体的体积相比，仍存在很大的不足。为了促进TEC血管化，有研究提出了显微外科动静脉袢吻合(Arteriovenous loop，AV-loop)的概念[41]。Morrison等[40]将该技术与组织工程室的概念结合，成功构建出大体积脂肪组织，并在2017年开展了概念性人体实验[39]，但在5例单侧乳房切除患者中，最终仅有1位患者乳房实现脂肪组织的再生。较厚的纤维包膜阻碍了脂肪组织的再生。此外，该实验需要二次手术来摘除塑料腔室，研制可降解的组织工程室将有望解决这些问题。

2.2.2组织工程乳房临床转化——与脂肪填充相结合

自体脂肪填充的核心问题是由于乳房内部的空间限制和缺乏血管供应而导致的体积损失。Khouri等[12]提倡使用Brava技术(Brava-assisted megavolume fat grafting)，一个以真空为基础的外部软组织扩张系统，以辅助脂肪填充。该技术创造了促进脂肪存活生长的空间和微环境，与组织工程的理念不谋而合。Brava技术虽然具有无创、无需住院、疗效确切的优点，但漫长反复的疗程会降低患者的依从性[42]。另外，脂肪的吸收率在乳房的特定解剖区域是不同的，脂肪填充的最终效果也变得难以预测。

传统乳房(脂肪)组织工程研究因种子细胞的生物安全性问题而难以实现临床转化。自体脂肪填充在整形外科领域广泛应用，安全性和有效性确切，用自体脂肪来提供组织工程乳房的种子细胞更有望实现临床转化[43]。Chhaya等[36，38]提出通过计算机辅助设计，植入患者个性化定制的生物材料支架，在自体脂肪填充前先将支架预血管化。他们通过大动物实验证实了该方法新生大体积脂肪组织的可能性。但该实验使用的PCL支架的机械强度相较于乳房组织仍然过高[44]。有研究证明，通过改变支架内部单元结构可以调节支架的机械性能[45]。如何构建出模拟天然手感与较好机械性能兼具的的支架仍期待材料科学的研究进展。

3 展望与结论

目前，组织工程乳房再造仍侧重于脂肪再生，目的是重建乳房的美学形态，难以恢复女性乳房的生理功能。乳腺再生被发现主要与乳腺上皮成分有关[46-48]，研究发现在乳腺上皮细胞的刺激下，ADSCs可以分化为腺泡样、类乳腺结构[49-50]，为乳腺再生提供了新的思路。另外，乳腺、乳头乳晕复合体(NAC)的再造，因其复杂的结构与生理功能，变得极富挑战性。也有不少研究者尝试用组织工程技术重建NAC。早在1998年，Cao等[51]在猪模型上，将自体耳廓软骨细胞注射于温敏聚合物凝胶支架中，成功重建乳头状组织，并在注射部位使用环状缝合，以改善重建乳头的形状轮廓。Pashos等[52]利用脱细胞技术处理猕猴的NAC以获得完整的NAC支架，期望用于组织工程NAC再造，其中仍有许多难关需要攻克。除了乳腺癌术后乳房再造外，如波兰氏综合征、结节性乳房畸形等先天性疾病，因创伤、手术并发症及严重包膜挛缩等造成的乳房畸形也可利用组织工程技术进行修复。技术上的革新，如支架的表面修饰技术[53-54]、立体光刻(Stereolithography，SLA)[55]和计算轴向光刻(Computed axial lithography，CLA)[56]等新型增材制造技术，也有望在未来解决组织工程乳房构建面临的各种问题。未来有必要进行更多的临床前研究，以实现大体积组织工程乳房的稳定构建，为进一步临床转化打下坚实的基础。