人工胎盤的研究現(xiàn)況與應(yīng)用前景

龐程程，周成斌，潘 微

作者單位：510080廣州，廣東省心血管病研究所，廣東省華南結(jié)構(gòu)性心臟病重點實驗室，廣東省人民醫(yī)院，廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院，心臟母胎醫(yī)學(xué)科

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，每年有1500萬早產(chǎn)兒出生，近100萬死亡的直接歸因于早產(chǎn)，其中孕周小于28周的超早產(chǎn)兒（extremely low gestational age newborns，ELGANs）的死亡率最高［1］，呼吸窘迫綜合征和支氣管肺發(fā)育不良是ELGANs死亡的主要原因［2］。大量的證據(jù)表明目前使用的正壓機械通氣會對早產(chǎn)兒的肺及心血管系統(tǒng)造成醫(yī)源性的損傷［3］。因此，近60年來基于體外生命支持（extracorporeal life support，ECLS）的人工胎盤（artificial placenta，AP）技術(shù)一直被認為是機械通氣治療ELGANs合并嚴重呼吸衰竭的一種理想的替代治療方法。本文對人工胎盤的研究簡史、現(xiàn)狀和應(yīng)用前景做一綜述。

1 人工胎盤的概念

ECLS應(yīng)用根據(jù)早產(chǎn)兒胎齡的不同，分為三大類［4］：①新生兒體外膜氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）：適用于34周以上的早產(chǎn)兒，該技術(shù)臨床應(yīng)用已超過了30年；②早產(chǎn)兒ECMO：適用于29～33周的早產(chǎn)兒，雖然該技術(shù)可行，但有報道認為其可能會降低早產(chǎn)兒生存率和增加腦室內(nèi)出血的風(fēng)險［5］；③AP：適用于小于 28 周的 ELGANs，目前仍然處于實驗研究階段。

AP是ECMO在ELGANs應(yīng)用的一種方式，與新生兒和早產(chǎn)兒ECMO的主要區(qū)別在于AP支持下的循環(huán)模式是胎兒循環(huán)，支持的目的是替代胎盤功能，提供胎兒氣體交換和營養(yǎng)支持等，通常具有以下特征［4，6-8］：①轉(zhuǎn)流方式：臍動脈（無泵輔助的動-靜脈ECLS模式，A-V ECLS）或中心靜脈（泵輔助的靜脈-靜脈ECLS模式，V-V ECLS）引出血液至ECMO回路中，臍靜脈用于回輸血液至早產(chǎn)兒體內(nèi)；②低氧分壓，基于胎兒的高血紅蛋白結(jié)合力以及紅細胞比容；③無需進行正壓機械通氣；④模擬充滿液體的胎肺呼吸；⑤ELGANs顱內(nèi)出血的風(fēng)險與ECMO裝置的表面生物相容性、高強度的全身抗凝有關(guān)。但是，AP暫不包括胎盤的其他功能，如營養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物的交換或內(nèi)分泌功能等。

2 人工胎盤的發(fā)展簡史及現(xiàn)狀

1961年，Callanghan 等［9］在動物實驗中首次提出了AP的概念。此后，多個中心開展了AP研究，并取得一定的進展。其中Zapol等［10］利用硅膠膜式氧合器、腸外營養(yǎng)支持使一只胎羊存活長達55 h。進入70年代，由于類固醇、正壓機械通氣和表面活性劑在早產(chǎn)兒治療中取得了進展，改善了早產(chǎn)兒的生存率。相比之下，當(dāng)時的AP過于復(fù)雜和不安全，不適合臨床應(yīng)用，因此導(dǎo)致了此后數(shù)十年AP研究發(fā)展緩慢。

然而，近年來大量的證據(jù)表明機械通氣會對早產(chǎn)兒，尤其是ELGANS的肺、心血管系統(tǒng)及大腦產(chǎn)生醫(yī)源性損傷。包括：肺過早的由液體過渡到氣體通氣，可能造成氣壓傷和肺發(fā)育停滯［11］；胸腔壓力增加對心臟的壓迫，可能導(dǎo)致未成熟的心肌收縮力減弱和心輸出量的下降［12］；以及ELGANS大腦生發(fā)基質(zhì)不成熟，機械通氣導(dǎo)致顱內(nèi)壓力增高，易發(fā)生腦室內(nèi)出血［13］。因此，隨著人們對早產(chǎn)兒生理知識和臨床經(jīng)驗的不斷增加，AP的研究又重新活躍起來。

2012年，Gray等［14］報道了離心泵的成功使用，研究中假設(shè)泵輔助下的V-V ECLS回路可以保證足夠的體外氣體交換，并維持胎兒全身循環(huán)。使用小型的中空纖維膜式氧合器，利用頸靜脈和臍靜脈插管，血液從右心房被動排出，減少了空化現(xiàn)象。該研究首次報道了在泵輔助的V-V ECLS系統(tǒng)支持下讓5只羊存活達到24 h，之后又將生存期延長至70 h，證實AP系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的血流動力學(xué)，進行有效的體外氣體交換，保護大腦的灌注［15］。雖然研究中使用肝素進行全身抗凝，但未發(fā)現(xiàn)腦室內(nèi)出血的證據(jù)［15］。2014年，國內(nèi)廣東省心血管病研究所也開展了類似該模式的人工胎盤研究，最長生存時間為 14.5 h［16-17］。

2015 年，Bryner等［8］將泵輔助的 V-V ECLS 系統(tǒng)與正壓機械通氣在ELGANs的羊中進行了比較。AP組采用泵輔助及中空纖維膜氧合器，使4只羊存活了1周，而正壓機械通氣組，即便給予了外源性表面活性劑和類固醇，平均存活時間均不足4 h。AP組無顱內(nèi)出血的證據(jù)，面臨的主要問題均與插管有關(guān)。

氧合器技術(shù)也取得了重要的進展。2011年，Arens等［18］開發(fā)了一種小型氧合器（NeonatOx），該氧合器體積縮小了4倍以上，預(yù)充血量減小至20 ml，氧合器表面積的減少可以降低血栓形成的風(fēng)險；將氧合器盡可能的靠近實驗動物，減少管道的長度，從而降低回路阻力。NeonatOx具有良好的氣體交換功能，該研究采用臍帶血管插管，使7只動物中的6只成功地進行了6 h的體外氣體交換［19］。

基于目前AP存在的主要困難，如氧合器和帶泵回路的阻力導(dǎo)致的胎兒循環(huán)衰竭、開放式液體環(huán)境導(dǎo)致的胎兒敗血癥、臍血管痙攣等，2017年，費城兒童醫(yī)院的Partridge等［20］為了解決這些問題，設(shè)計了一款新型的AP系統(tǒng)，包括：無泵的A-V ECLS模式回路、“生物袋”封閉的無菌液體環(huán)境和改進的臍血管通路技術(shù)（圖1）。研究取得了巨大的成功，使100～115 d的胎羊（相當(dāng)于22～24周的人類胎兒）在AP支持下存活的時間延長至4周，研究過程中胎羊維持胎兒循環(huán)狀態(tài)，血流動力學(xué)穩(wěn)定，血氣分析和氧合參數(shù)正常，并表現(xiàn)出正常的體格生長、肺發(fā)育和大腦成熟等。該實驗室的另一項研究比較了不同的動靜脈插管策略，包括：頸動脈／頸靜脈（CA／JV）、頸動脈／臍靜脈（CA／UV）和臍動脈／臍靜脈（UA／UV），結(jié)果顯示與CA／JV和CA／UV插管相比，UA／UV插管為氧合器提供的血流量與生理量相當(dāng)，減少了血流中斷，使生理水平的供氧成為可能，這是人工子宮技術(shù)走向臨床應(yīng)用的關(guān)鍵一步［21］。

3 人工胎盤的應(yīng)用前景

盡管在過去的60年，AP研究領(lǐng)域取得了很大的進展，但是仍存在一些問題妨礙了其臨床應(yīng)用。

泵輔助下的V-V ECLS模式與無泵的A-V ECLS模式各有優(yōu)缺點，如何選擇仍存在爭議。無泵的A-V ECLS模式以胎兒心臟為動力，優(yōu)點包括：簡單、避免溶血、一定程度的流量自動調(diào)節(jié)功能［19］；缺點主要為低于生理的循環(huán)血流量和血流動力學(xué)快速失代償［19，21-22］，尤其是早期的研究，當(dāng)回路／氧合器的阻力高于生理狀態(tài)，后負荷增大，可能引起心力衰竭，而低于生理狀態(tài)時，亦可能造成高輸出性心力衰竭。因此，很多研究者采用了泵輔助下的 V-V ECLS模式，除了解決低循環(huán)血流量的問題外，優(yōu)點包括：不需要動脈插管，避免血管痙攣；不要體外儲血器；與體循環(huán)平行運行，不增加胎兒心臟的后負荷［23］。但是，帶泵回路可能會導(dǎo)致阻力的增加，且目前研究中V-V ECLS模式下胎羊的生存時間遠不及A-V ECLS模式。 2018年Church等［24］采用V-V ECLS模式使羊存活了10 d，是生存時間最長的一組報道。考慮到A-V ECLS模式能夠更好的模擬正常的胎兒-胎盤循環(huán)，隨著中空纖維膜式氧合器技術(shù)的發(fā)展，氧合器的阻力已經(jīng)接近于零，且目前的研究證實胎羊在A-V ECLS模式下可以長期存活達到4周［20］，因此一些學(xué)者認為A-V ECLS可能具有更好的臨床應(yīng)用前景。

氧合器逐漸微型化，減少了表面積和回路的阻力。如何選擇氧合器的膜是影響AP性能的關(guān)鍵因素。最初的研究使用硅橡膠膜，由于預(yù)充量大，不適合低體重的ELGANs。另一種是中空纖維膜，由微孔聚丙烯編織而成，聚丙烯膜具有較高的透氣性［25］，隨著抗?jié)B漏技術(shù)的改進和跨膜壓明顯減少，目前主要用于無泵A-V ECLS模式的AP。此外，聚甲基戊烯膜（Polymethylpentene，PMP）成功的應(yīng)用于成人ECMO已有十余年的歷史，具有不對稱的孔隙結(jié)構(gòu)，非常薄而致密，允許氣體透過的同時抑制血液和氣體在微孔間直接接觸，PMP提高了耐用度，大大減少了血漿滲漏，因此也有很好的使用前景。

AP支持期間的氣道策略與早產(chǎn)兒肺發(fā)育直接相關(guān)，因此也是研究的重點。早期胎羊被浸泡在開放的溫暖的“人工羊水”中，但是研究過程中發(fā)現(xiàn)胎羊很容易感染而導(dǎo)致敗血癥［14，26］。后來的研究將胎羊置于保溫箱中，通過給胎羊氣管插管，用羊水填充插管并蓋上蓋子，或者維持插管內(nèi)5～8 cmH2O的壓力，認為機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的力量可以加速肺的生長［27-28］。隨后出現(xiàn)了“生物袋”，“生物袋”由聚乙烯薄膜制成，透明、透聲、靈活，胎兒置入密封的“生物袋”中，能很好的模擬了子宮的環(huán)境，可以進行物理監(jiān)測、超聲檢查和各種操作，更好的解決了無菌、羊水體積最小化等問題［20］。雖然父母對于胎兒置于“袋子”里的接受度未知，但相信“生物袋”仍然有希望在不久的將來應(yīng)用于臨床。

抗凝方面，由于目前AP回路與血液接觸的表面都有肝素涂層，且盡可能的減少了回路的表面積，因此大大減少了全身肝素的使用劑量，進而降低了顱內(nèi)出血的風(fēng)險。目前正在進行非肝素為基礎(chǔ)的表面涂層的研究［29］。

AP的臨床目標(biāo)人群為23～25周的超早產(chǎn)兒，該人群具有極高的并發(fā)癥發(fā)生率和死亡率，如果證實AP可以顯著的改善預(yù)后，就有可能在將來普遍的應(yīng)用于臨床。目前的實驗研究已經(jīng)實現(xiàn)了AP對相應(yīng)孕周羊的長時間生理支持（4周）［20-21］，因此深入的研究器官的發(fā)育、有無損傷，至關(guān)重要。肺在出生、AP支持并過渡至呼吸空氣過程中的發(fā)育情況需要被證明，實驗動物如何在沒有嚴重肺部并發(fā)癥的情況下成功脫離AP支持也需要進一步的論證。另外，還需要關(guān)注腦灌注、功能和發(fā)育狀況，注意是否存在腦室內(nèi)出血和腦白質(zhì)損傷。AP對心血管、胃腸道和腎臟系統(tǒng)的影響也值得進一步的研究。

此外，AP還具有一些潛在的應(yīng)用價值，包括針對胎盤功能不全導(dǎo)致的胎兒生長發(fā)育遲緩，胎兒介入或外科手術(shù)后可能導(dǎo)致的早產(chǎn)的治療。另外還可以應(yīng)用于胎兒藥理學(xué)、干細胞或基因治療等研究，可以直接將藥物作用于胎兒，避免母體的暴露。

圖4 Partridge報道的無泵A-V ECLS模式AP系統(tǒng)示意圖［20］

4 總 結(jié)

肺發(fā)育不良與早產(chǎn)兒的高并發(fā)癥發(fā)生率和死亡率有關(guān)。ECLS技術(shù)作為一種潛在治療早產(chǎn)兒嚴重呼吸衰竭的方法已有60年的歷史。隨著ECLS裝置的不斷發(fā)展和對早產(chǎn)兒生理更好的理解，AP的實驗室研究取得了巨大的進展。盡管仍存在著一些挑戰(zhàn)，但對于早產(chǎn)兒，尤其是ELGANs而言，AP仍然是正壓機械通氣的潛在替代治療方法。將來，AP在臨床中的成功應(yīng)用無疑是新生兒醫(yī)學(xué)界的一個重要里程碑。