腹腔鏡消化道重建術中所用胃腸吻合釘的研究現狀及思考

王思逸，朱甲明，周 敏，那 迪

(中國醫科大學附屬第一醫院腫瘤外科，遼寧 沈陽，110002)

胃癌仍是全球第三大癌癥死亡原因[1]，結直腸癌患者死亡人數約占全球每年確診癌癥的相關死亡患者的10%[2]。對于進展期結直腸癌、胃癌，外科治療在所有治療方式中占主導地位[3]。一項72 650例結直腸癌手術病例資料中，直腸癌手術占57.9%。自上個世紀腹腔鏡技術誕生以來，隨著攝像機技術的進步，腹腔鏡手術在短時間內快速發展。1987～1990年，腹腔鏡技術不僅應用于簡單的腹部手術，如闌尾切除術，還應用于更加復雜的膽囊切除術[4]。自1993年后，腹腔鏡技術幾乎可用于所有消化系統疾病的手術治療[4]。這對消化道腫瘤切除術后的消化道重建而言，無疑是一次革命性的轉變。胃切除術后的消化道重建約有130年歷史，自1893年Billroth行胃遠端切除術后Billroth Ⅰ式吻合重建開始，各種重建方式應運而生，但至今尚無統一、具有循證醫學高級別證據的明確意見。消化道重建是極為復雜的，在進行消化道重建吻合的過程中我們需注意：(1)選擇合理的吻合方法，把握吻合對象的構造、組織功能特點；(2)把握異常情況如消化道炎性水腫時的變化特點，選擇安全合理的吻合方式；(3)技術操作時應把握使用器械、材料的特性及其對組織的影響，如縫合吻合材料的物理損傷及引起的炎性反應[5]。對于經過充分訓練的臨床醫生，上述前兩條幾乎不成問題。因此，對于吻合材料的選擇成為廣泛議論的熱點。

隨著腔鏡手術的不斷推廣，機械吻合器逐漸顯現出巨大優勢。機械吻合相較手工縫合具有相當大的優勢[6]。與傳統手工縫合相比，機械吻合不僅可縮短手術時間，對手工操作難以涉及的狹小地帶可精準把握，而且還能減少組織損傷與出血從而縮短術后住院時間[7]。機械吻合器的出現也使低位直腸前切除成為可能，避免了行經腹會陰聯合直腸前切除術，改善了低位直腸癌患者的術后生活質量。在消化道重建的術后并發癥中，重建帶來的吻合口漏、吻合口狹窄、出血是臨床醫生關注的焦點，在如何減少吻合口并發癥的調查研究中，吻合方式及吻合材料成為減少這些并發癥的可選項。

1 目前使用的鈦合金機械吻合釘及其優勢

機械吻合器類似于訂書機，其內部也有與訂書釘一樣的吻合釘，術中，術者通過操作吻合器等機械吻合器內部的吻合釘受到力的作用，發生形狀變化，牢牢地固定對合組織[8]。在普通外科消化道重建手術中，被廣泛用于吻合釘制造的材料為純Ti、Ti-3Al-2.5V及Ti-6Al-4V。

鈦合金作為生物醫用材料的優勢[9]主要有：(1)密度小。在常溫下鈦合金密度僅為4.5 g/cm3。對于患者而言，術后吻合釘會長期存在于體內，若使用大量密度過高的材料作為機械吻合釘使用，不僅會使患者感受到植入物帶來的重量增加，也會增加吻合口漏的風險，由于患者術后下床活動時吻合口還未完全愈合，吻合釘的重力作用會額外增加吻合口張力。鈦合金重量輕，操作更方便。(2)無磁性。鈦合金作為胃腸吻合釘不會增加患者術后遠期面對磁場時的負擔。(3)彈性模量低。鈦合金受外力作用時容易變形，這一點至關重要，作為機械吻合釘使用時，若擠壓作用無法使吻合釘成功變形，后果非常嚴重。未發生形變的吻合釘或殘留于釘槽內或灑落于患者腹腔內，對吻合是無效的，若無效吻合釘過多，會增加術后吻合口漏的風險[10]。(4)耐腐蝕。鈦及鈦合金優異的耐腐蝕性使其不容易在人體環境如腸液中被腐蝕。(5)高強度，高韌性。鈦合金不會因使用后受外力作用輕易斷裂、彎曲，保證術后吻合口能正常有效愈合。

鈦釘吻合器大大縮短了手術時間、減少了術后吻合口相關并發癥，但由于鈦釘的不可降解性，吻合釘無法被周圍組織吸收。這些吻合釘作為類似植入物在體內長期殘留。術后不僅會影響CT斷層掃描及一系列影像學檢查，也會給患者增加心理負擔。相關病例報道了鈦合金吻合釘造成嚴重的異物肉芽腫。此外，對于低位直腸前切除術后患者，殘留吻合釘會增加直腸前切除綜合征的發生率。因此，在消化道重建手術的吻合材料使用方面，需要有更好的選擇。從長遠考慮，消化道重建手術需要一種新的吻合材料，既能在術后胃腸道切口愈合時提供有效的支撐，也能在消化道功能完全恢復后有效降解。因此，實現這種理想狀態的最優解決方法就是使用生物可降解吻合釘。

2 Mg-6Zn可降解機械吻合釘的研究現狀

生物可降解吻合材料一直是研究的重點，幾乎所有外科醫生都希望獲得一種可短暫存留于人體組織的吻合材料。在機械吻合方式未廣泛應用前，消化道吻合需要外科醫生手工縫合，在這一時期，聚合物所制的吻合材料得到了廣泛應用，直到目前，仍有許多聚合物縫線應用于消化道重建手術中，或在重建手術中起到輔助作用。但聚合物材料由于力學性能較差，在機械吻合方式出現后慢慢退出了歷史舞臺。消化道重建手術急需一種可滿足所有臨床需求的機械吻合釘。

其他醫用植入器械如心血管支架也已向生物可降解方向轉變，機械胃腸吻合釘目前也有此趨勢。對比傳統無法降解的鈦合金胃腸機械吻合釘，可降解機械吻合釘具有以下優勢：(1)可降解。降解后容易被人體吸收。(2)不影響后續CT及MRI等影像學檢查。(3)減少形成異物肉芽腫的風險，避免術后形成吻合口狹窄[11]、吻合口梗阻、壞死、瘺等。(4)減輕患者心理壓力，避免大部分患者因吻合釘長期殘留引起的不適感。

目前生物醫用可降解材料有鎂及其合金、鋅及其合金等，作為生物醫用植入材料已被廣泛應用于口腔科、骨科、心血管內科。可降解機械吻合釘的設計研究基本也是圍繞這幾種金屬合金展開。當可降解金屬合金作為機械胃腸吻合釘被植入體內時，需滿足以下基本要求：(1)具有適宜的降解速率，要在吻合釘降解前保持吻合口所需張力。(2)具有良好的生物相容性，即降解產物無毒性，不引起炎癥反應，機體組織不會產生過敏反應。(3)具有良好的機械性能，不易斷裂。(4)強度高，不易發生形變。可降解機械吻合釘目前正在不斷研究中，部分已進入動物實驗階段，研究證實大部分可降解金屬合金材料具有作為機械胃腸吻合釘的潛力，其中最具有代表性的就是鎂合金及鋅合金。鎂合金在自然界儲量豐富，容易制備，同時也是人體不可或缺的元素之一。鎂元素在人體內儲量僅次于鈉、鉀及鈣元素，正常標準身材的成年人(70 kg)體內含有1 mol鎂元素。鎂元素在人體代謝中起著非常重要的作用：(1)作為輔助因子參與體內酶的調節。(2)維持滲透梯度。(3)參與人體內環境pH值的調節。(4)維持肌肉及神經的興奮性[12]。鋅元素也是人體必須元素之一，鋅元素在人體細胞分裂、細胞生長、傷口愈合、碳水化合物分解等多種生化功能中發揮著基礎性作用。此外，許多蛋白質、酶、轉錄因子也依賴于鋅代謝。缺鋅與嬰兒、年輕人的身體生長發育障礙、更大的感染風險、認知功能喪失、記憶與行為問題及學習障礙有關[13]。通過將鎂、鋅合金化并通過不同的制造工藝改良將其作為機械吻合釘應用于消化道重建手術中，或許能在未來得以實現，同時也將改善患者預后。

純鎂具有較高的生物相容性，但純鎂耐腐蝕性能差，其降解特點是分段降解，不能在吻合口愈合期間發揮完整的力學性能。純鋅也具有良好的生物相容性，但作為可降解金屬，在人體內過量可導致細胞毒性[14]，且純鋅極限抗拉強度小于200 MPa，不適于大多情況。因此鎂、鋅常通過合金化，增強其耐腐蝕性能及力學性能，其合金作為胃腸機械吻合釘目前已進行了廣泛研究。其中最具有代表性、最具應用前景的是Mg-6Zn胃腸吻合釘。Mg-6Zn的密度為1.82 g/cm3，彈性模量為(42.3±0.1)GPa，屈服強度為(169.5±3.6)MPa，抗拉強度為(279.5±2.3)MPa，延伸率為18.8%±0.8%，抗壓強度為(433.7±1.4)MPa，降解速率為3天(0.20±0.05)mm yr-1/30天(0.07±0.02)mm yr-1。在消化道重建術后，吻合口將經歷一個復雜的愈合過程，大致可概括為三個階段：滲出期、增殖期、修復期[15]。此過程是多細胞參與的，其中膠原纖維起著至關重要的作用[16]。Ⅰ型膠原纖維參與瘢痕組織形成，Ⅲ型膠原纖維作用于切口愈合的早期階段。Ⅰ型膠原與Ⅲ型膠原的比例影響吻合口愈合初期形成的結締組織張力，與術后吻合口漏具有相關性。Wang等[17]對比了Mg-6Zn機械吻合釘(實驗組)與鈦合金機械吻合釘(對照組)在植入腸道后對腸道膠原代謝的影響，發現Mg-6Zn合金機械吻合釘在植入腸道后第三周開始降解，且降解產物多沉淀于材料表面；實驗組術后第一周血清Mg含量開始增加，但第二周呈逐漸下降趨勢。根據實驗組膠原組織免疫組化結果來看，Mg-6Zn合金對Ⅰ型膠原及Ⅲ型膠原有促進作用，且同時間接抑制了與Ⅰ、Ⅲ型膠原降解有關的基質金屬蛋白酶1及基質金屬蛋白酶3的表達。在腸道愈合環境下，Mg-6Zn合金機械吻合釘通過促進膠原纖維生成從而促進細胞外基質的合成，達到吻合口快速愈合的目的，由此可見，Mg-6Zn可作為目前鈦合金吻合釘的替代。在吻合口愈合的增殖階段，新生血管大量生成。轉化生長因子-β、血管內皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子在血管生成過程中充當信號載體，其中轉化生長因子-β1可誘導其細胞因子發揮作用，是整個血管生成過程中的“扳機點”[18]。腫瘤壞死因子-α是介導炎癥的重要因子，在慢性炎癥中起重要作用[19]。Yan等[20]探究了Mg-6Zn合金吻合釘對腸道愈合過程中細胞因子的影響作用，研究得出Mg-6Zn合金可促進血管生成過程中轉化生長因子-β的表達，進而間接促進血管內皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子等細胞因子的表達，促進吻合口愈合。隨著Mg-6Zn降解析出高濃度的Zn2+抑制腫瘤壞死因子-α的表達，從而減輕術后吻合口的炎癥。Mg-6Zn應用于胃腸外科領域具有巨大潛能，其不僅僅作為提供張力的吻合釘存在，降解產物也為消化道重建術后吻合口愈合帶來正面影響。不同胃腸吻合釘合金性能的比較見表1。

表1 不同胃腸吻合釘合金性能的比較

3 面臨的問題

3.1 鈦合金吻合釘面臨的問題 生物相容性是指生命體組織對非活性材料產生反應的一種性能，一般是指材料與宿主之間的相容性。生物材料植入人體后，對特定的生物組織環境產生影響與作用，生物組織對生物材料也會產生影響與作用，兩者的循環作用一直持續，直至平衡或植入物被去除。生物相容性可分為生物學反應與材料反應兩部分，其中生物反應包括血液反應、免疫反應、組織反應；材料反應主要表現在材料物理與化學性質的改變。將鈦合金機械吻合釘植入消化道后，不僅會對生物體產生特殊的反應，材料本身也會發生物理及化學性質的變化。

鈦合金機械吻合釘長期被認為是一種惰性材料，即作為機械吻合釘植入后幾乎不發生化學反應。這一觀點與鈦合金表面形成的薄層鈍化膜有關[21]。然而在炎癥反應階段，白細胞產生的過氧化氫等仍然可以穿過鈍化膜，從而導致鈦合金腐蝕[21]。體內微量元素分析可作為鈦合金降解的一項證據，如在鈦合金(Ti-6Al-4V)植入患者的頭發中檢測到鋁元素[22]。鈦合金并不是完全沒有生物毒性，對于鈦合金毒性的主要集中點是鈦合金(Ti-3Al-2.5V及Ti-6Al-4V)中的釩元素[23]。此外，Haynes等使用鈦鋁釩(Ti-Al-V)、鈷鉻顆粒進行大鼠腹腔巨噬細胞實驗，鈷鉻產生了高毒性反應，而Ti-Al-V增加了炎癥誘導介質的釋放，如前列腺素E2、白細胞介素-1、白細胞介素-6、腫瘤壞死因子[24]。更有研究表示，在人血清中，Ti-Al-V金屬顆粒與血清中的蛋白質結合產生的復合物將引起淋巴細胞反應，反應程度與蛋白質分子量成正比[25]。這些觀點與鈦合金作為生物醫用材料具有無毒性的優勢[9]相悖，這也是我們尋找更加合適的機械吻合釘材料的理由。

到底是什么導致了鈦合金的腐蝕？這一點可能與生物體組織對被植入的鈦合金產生的影響作用有關。消化道重建手術的切口可能污染，屬于Ⅱ級手術，原因是術中術者很難保證消化道內容物不流入腹腔。這一過程造成了術后消化道切口可能有一段時間處于炎癥期。當鈦合金被作為機械吻合釘植入消化道時，鈦合金吻合釘是被切口處的消化道組織包裹的。吻合釘所處的周圍環境包含了大部分的炎癥期細胞生理產物，如白蛋白及過氧化氫(H2O2)[26]，同時也存在許多消化液。有研究證明，H2O2會降低純鈦的耐腐蝕性，與鈦表面的TiO2鈍化膜改變有關[27]。對于Ti-6Al-4V合金而言，生物環境中H2O2的增加會促進合金體系的腐蝕，Ti、Al、V析出增多。白蛋白將小幅度引起合金腐蝕后Ti析出量增加。白蛋白與H2O2協同效應引起Ti-6Al-4V腐蝕速率增加，且腐蝕對Ti-6Al-4V合金β相破壞較大[28]。目前來看，鈦合金胃腸吻合釘并未出現因植入周圍環境腐蝕造成力學性能下降的情況，其力學性能在吻合口愈合期間仍能保持較好狀態。但在術后長期過程中，鈦合金并非不發生任何腐蝕降解，其降解后析出的其他金屬元素所造成的影響甚至并發癥是我們此后需要考慮的重點。

3.2 Mg-6Zn面臨的問題 目前大部分對于Mg-6Zn合金機械吻合釘的報道都是有益的，似乎大多數的研究都在為Mg-6Zn合金作為目前機械吻合釘的最優替換方案提供正面的證據，但事實上，Mg-6Zn合金的確存在一些負面效應，如對腸上皮細胞周期的負面影響。在Mg-6Zn合金與腸上皮細胞相互作用的過程中，存在許多細胞周期調節因子，如細胞周期蛋白D1[29]、細胞周期蛋白依賴性激酶4[30]、p21[31]。其中細胞周期蛋白D1是一種原癌基因，可將細胞外信號與細胞周期之間建立有效聯系[32]。大部分癌癥的發生是由基因易位而表達細胞周期蛋白D1。細胞周期蛋白依賴性激酶4這種關鍵蛋白在細胞周期從G1期到S期發揮重要作用。p21是細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑家族的重要成員，與腫瘤抑制作用密切相關，也通過抑制周期素依賴激酶復合物活性，協調細胞周期、DNA復制。p21可以與p53共同構成細胞周期G1檢查站，使不經修復的損傷DNA無法通過，減少受損DNA的積累，從而達到抑癌作用[33]。Wang等[34]通過實驗評估植入Mg-6Zn合金吻合釘后的腸上皮細胞細胞周期蛋白D1、細胞周期蛋白依賴性激酶4、p21表達，探究Mg-6Zn合金機械吻合釘是否具有良好的生物相容性。研究發現，Mg-6Zn合金快速腐蝕所造成的堿性環境不利于腸上皮細胞的細胞周期循環，會導致腸上皮細胞周期的停滯。因此，解決Mg-6Zn合金腐蝕后的堿性環境影響，將為Mg-6Zn合金作為機械胃腸吻合釘提供更有利的證據。鈦合金吻合釘及Mg-6Zn吻合釘優缺點的比較見表2。

表2 鈦合金吻合釘及Mg-6Zn吻合釘優缺點的比較

4 總結與展望

根據目前的研究現狀，可降解機械吻合釘的研究重心應放在以下方面：(1)吻合釘材料的生物相容性，盡可能降低合金材料降解后產物對植入生物體環境的影響及生物體環境對合金材料本身的影響。(2)吻合釘材料的力學性能及強度，保持吻合釘使用前后即通過擠壓變形植入消化道前后力學性能不受影響，不因形變而造成彎曲部位受力降低或因重建后消化道張力導致吻合釘形變部位發生二次變形。(3)吻合釘材料的降解特性，既應保持可降解吻合釘具有較好的降解速率，能在消化道愈合前提供張力維持消化道暫時功能，并在愈合后達到部分降解或完全降解，也應保持可降解吻合釘不因降解而改變其本身的力學性能。根據患者及臨床醫生的需求現狀，可降解吻合釘材料的研究不能僅局限于材料本身，還應考慮改善可降解吻合釘的治療價值，如通過涂層加以抗菌特性，預防術后感染；通過降解產物與被植入生物體組織(消化道組織)之間的影響作用，改善吻合口愈合狀態。

盡管腹腔鏡消化道重建手術所使用的機械胃腸吻合釘的研究已取得一定進展，但目前尚未應用于臨床，歸根結底還是研究不夠充分。從臨床角度而言，也是出于對患者的考慮，只有將所有情況尤其極其特殊的情況都考慮其中，設計一種幾乎可適合所有場景的機械吻合釘，才能逐步進行臨床試驗。消化道的范圍很大，自口腔延續為咽、食管、胃、小腸、大腸，終于肛管，每一段的消化道功能、消化液環境也有所區別。我們所考慮的不只局限于某種手術，而是適于全消化道吻合術的機械吻合釘。因此，對于可降解機械吻合釘仍有很大的研究空間。