Fot. Pozaustrojowy system wspomagania fizjologicznego płodu, źródło: The Children's Hospital of Philadelphia

Słabe rokowania dla wcześniaków wynikają z dwóch kluczowych czynników – niedojrzałości narządów (niedojrzałość płuc to główna przyczyna powikłań) i niezamierzonych jatrogennych konsekwencji konwencjonalnego leczenia. Przed szóstym miesiącem ciąży płuca, jelita i mózg płodu są słabo rozwinięte. Skrajne wcześniaki po porodzie żyją w środowisku, do którego nie są odpowiednio przystosowane. Ważące poniżej kilograma niemowlę musi radzić sobie ze zmianami temperatury, oddychaniem mechanicznym i karmieniem przez rurkę, co powoduje ogromny stres dla jego układu nerwowego, płuc, serca, jelit i nerek, a to zwykle przyczynia się do poważnych powikłań w dzieciństwie i dorosłym życiu.

Funkcje łożyska

Łożysko jest głównym narządem umożliwiającym rozwój i dojrzewanie zapłodnionej komórki jajowej. Pozwala płodowi rosnąć w okresie prenatalnym, przenosząc tlen i składniki odżywcze między matką a płodem oraz chroni je przed szkodliwymi oddziaływaniami. Pełni także funkcję podstawowego organu dokrewnego, stymulującego zmiany fizjologiczne związane z ciążą i porodem u matki – w łożysku powstają i są wydzielane niezbędne wówczas hormony.

Sztuczne łożysko

Istotną zmianą paradygmatu w leczeniu wcześniaków jest odtworzenie środowiska wewnątrzmacicznego za pomocą pozaustrojowego sztucznego łożyska. W czerwcu ubiegłego roku na Światowym Kongresie Medycyny Płodowej w Hersonissos na Krecie dr Alan Flake z Children’s Hospital of Philadelphia (USA) zaprezentował najnowsze dane dotyczące projektu sztucznego łożyska, które przeszło badania na modelu zwierzęcym – płodach owczych. To technologia, której celem jest podtrzymywanie życia skrajnych wcześniaków lub urodzonych w okresie okołożywotnym, między 21-24. tygodniem pełnej ciąży. Jest zaprojektowana tak, aby uniknąć konieczności wentylacji jako środka ułatwiającego wymianę gazową, a tym samym – nie doprowadzić do uszkodzenia niedojrzałych płuc wcześniaka. Zamiast tego, wysoce wydajną i łatwo regulowaną wymianę gazową zapewniają urządzenia podłączone do układu naczyniowego płodu. W zależności od rodzaju zastosowanego systemu wypróbowano projekty obwodów żylno-żylnych i tętniczo-żylnych, przy czym najnowsze prototypy układu tętniczo-żylnego wykorzystują serce płodu, a nie zewnętrzną pompę, do generowania ciśnienia w obwodzie. Wiele badań dotyczących łożyska ludzkiego bazuje na izolowanych komórkach pierwotnych lub liniach komórkowych pochodzących z łożyska, ale komórki te nie oddają odpowiednio ważnych aspektów funkcji związanych z komunikacją komórka-komórka in vivo.

Dwa systemy modelowe

Już ponad 50 lat temu wizjonerscy badacze rozpoczęli prace nad pozaustrojowym sztucznym łożyskiem do wspierania wcześniaków – miało to miejsce wkrótce po pojawieniu się krążenia pozaustrojowego w kardiochirurgii. Dzięki zaawansowanej technologii i innowacyjnemu podejściu ostatecznie udało się opracować projekt sztucznego łożyska, mającego na celu zmniejszenie śmiertelności i zachorowalności u przedwcześnie narodzonych dzieci. Znane są dwa systemy wykorzystujące odtworzenie fizjologii płodu – system ECLS (z ang. extracorporeal life support) tętniczo-żylny (AV – z ang. arteriovenous) i system ECLS żylno-żylny (VV – z ang. veno-venous). Podejście AV-ECLS wykorzystuje się do kaniulacji (uzyskania dostępu naczyniowego) wyłącznie naczyń pępowinowych. Wymaga natychmiastowego przejścia noworodka w momencie narodzin do sztucznej macicy wypełnionej płynem, aby zapobiec skurczowi naczyń pępowinowych i wentylacji gazowej. Z kolei podejście VV-ECLS wykorzystuje żyłę pępowinową oraz szyjną żyłę wewnętrzną i jest przeznaczone dla niemowląt, u których nie powiodło się maksymalne leczenie medyczne lub jako działanie zapobiegawcze, jeśli ryzyko jest stratyfikowane pod kątem wysokiej śmiertelności i zachorowalności. Badania na zwierzętach są obiecujące i wykazują długotrwałe wsparcie oraz ciągły rozwój narządów w obu układach.

Projekt sztucznego łożyska nie byłby możliwy bez postępów w zakresie przedłużonego pozaustrojowego wspomagania, zapoczątkowanego przez pozaustrojowe natlenianie krwi (ECMO – z ang. extracorporeal membrane oxygenation), będące skuteczną terapią dla noworodków urodzonych we właściwym terminie z niewydolnością oddechową i kardiologiczną. Niemniej ze względu na ryzyko wystąpienia krwotoku śródczaszkowego i inne ograniczenia, ogólnie przyjęte wytyczne empiryczne dla ECMO utrzymują się na ≥34. tygodniu EGA i ≥2,0 kg. Długie lata doświadczeń i badań ujawniły fizjologiczny wpływ przedłużonego pozaustrojowego wsparcia na wszystkie układy narządów, co ma kluczowe znaczenie dla innowacji i zastosowania sztucznego łożyska. Algorytmy monitorowania ECMO i opieki krytycznej zostały dostosowane do fizjologii płodu. Liczne postępy technologiczne ECMO (oksygenatory o niskim oporze, obwody, kaniule, powłoki powierzchniowe i pompy) są wykorzystywane w nowatorskich projektach sztucznego łożyska.

Porównanie systemów modelowych pozaustrojowego podtrzymywania życia (opracowanie na podstawie Fallon B.P. i współautorzy, 2021)

Obecnie nad rozwojem sztucznego łożyska pracuje kilka dużych laboratoriów badawczych. Każdy system jest wyjątkowy, ale wszystkie prezentują wspólne przymioty, które można uznać za definiujące cechy sztucznego łożyska:

* krążenie pozaustrojowe,

* utrzymanie krążenia płodowego,

* dostęp naczyniowy całkowicie lub częściowo przez naczynia pępowinowe,

* specjalistyczne środowisko do ochrony narządów i ich ciągłego rozwoju.

W doświadczeniu na płodach owczych sztuczne łożysko umożliwiło rozwój ośmiu płodowym jagniętom. Po czterech tygodniach podłączono je do respiratora (takiego samego, do którego podłączane są wcześniaki na OIOM-ie). Stan zdrowotny tych jagniąt był porównywalny do jagniąt w tym samym wieku, urodzonych poprzez cesarskie cięcie. Po czterech tygodniach eksperymentu u zwierząt, będących obiektem badań, zaobserwowano: wzrost płuc i mózgu, otworzenie oczu, wyrośnięcie wełny, kręcenie się i nabycie umiejętności połykania.

Opracowany „biobag” zawiera te same kluczowe elementy, porównywalne do matczynej macicy, tj. przezroczystą torebkę, wykonaną z biokompatybilnych materiałów, która otacza płód i chroni go przed światem zewnętrznym (dźwiękiem i światłem, choć odtwarzane są dźwięki podobne do tych, słyszanych w łonie matki), a także roztwór elektrolitu, analogiczny do płynu owodniowego w macicy. Płód jest połączony pępowiną ze specjalnie opracowanym i przystosowanym dla płodu oksygenatorem, który zapewnia mu niezbędną ilość tlenu oraz pozwala zachować sposób krążenia we krwi substancji odżywczych, hormonów oraz wymianę dwutlenku węgla. Jednym z głównych wyzwań dla grupy badaczy było odtworzenie skomplikowanego układu krążenia, który łączy matkę z płodem, ponieważ krew musi płynąć z odpowiednim ciśnieniem, przez co występowało ryzyko uszkodzenia serca dziecka przez zewnętrzną pompę. W tej sytuacji naukowcy stworzyli bezpompowy układ krążenia poprzez połączenie pępowinowego naczynia krwionośnego płodu z nowym rodzajem oksygenatora, a bicie serca napędza przepływ krwi. Płód jest stale monitorowany w sposób nieinwazyjny za pomocą USG, pomiaru przepływu i ciśnienia krwi oraz tętna, a także mikroczujników w płynie owodniowym czy pępowinie.

Chociaż głównym celem rozwoju sztucznego łożyska jest terapia skrajnych wcześniaków, istnieje również duży potencjał wykorzystania tej technologii jako metody ratowania noworodków cierpiących na niewydolność oddechową lub jako narzędzia wsparcia śródoperacyjnego noworodków poddawanych operacji naprawczej wad wrodzonych. Projekt sztucznego łożyska jest ogromnym wyzwaniem medycznym i technologicznym, wymagającym najnowocześniejszych badań w zakresie wielu dziedzin. Niemniej kolejne udane doświadczenia na modelach zwierzęcych przybliżają naukowców do opracowania sztucznego łożyska, które będzie przeznaczone dla człowieka.