人工胎盘的研究现况与应用前景

庞程程，周成斌，潘 微

作者单位：510080广州，广东省心血管病研究所，广东省华南结构性心脏病重点实验室，广东省人民医院，广东省医学科学院，心脏母胎医学科

根据世界卫生组织的数据，每年有1500万早产儿出生，近100万死亡的直接归因于早产，其中孕周小于28周的超早产儿（extremely low gestational age newborns，ELGANs）的死亡率最高［1］，呼吸窘迫综合征和支气管肺发育不良是ELGANs死亡的主要原因［2］。大量的证据表明目前使用的正压机械通气会对早产儿的肺及心血管系统造成医源性的损伤［3］。因此，近60年来基于体外生命支持（extracorporeal life support，ECLS）的人工胎盘（artificial placenta，AP）技术一直被认为是机械通气治疗ELGANs合并严重呼吸衰竭的一种理想的替代治疗方法。本文对人工胎盘的研究简史、现状和应用前景做一综述。

1 人工胎盘的概念

ECLS应用根据早产儿胎龄的不同，分为三大类［4］：①新生儿体外膜氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）：适用于34周以上的早产儿，该技术临床应用已超过了30年；②早产儿ECMO：适用于29～33周的早产儿，虽然该技术可行，但有报道认为其可能会降低早产儿生存率和增加脑室内出血的风险［5］；③AP：适用于小于 28 周的 ELGANs，目前仍然处于实验研究阶段。

AP是ECMO在ELGANs应用的一种方式，与新生儿和早产儿ECMO的主要区别在于AP支持下的循环模式是胎儿循环，支持的目的是替代胎盘功能，提供胎儿气体交换和营养支持等，通常具有以下特征［4，6-8］：①转流方式：脐动脉（无泵辅助的动-静脉ECLS模式，A-V ECLS）或中心静脉（泵辅助的静脉-静脉ECLS模式，V-V ECLS）引出血液至ECMO回路中，脐静脉用于回输血液至早产儿体内；②低氧分压，基于胎儿的高血红蛋白结合力以及红细胞比容；③无需进行正压机械通气；④模拟充满液体的胎肺呼吸；⑤ELGANs颅内出血的风险与ECMO装置的表面生物相容性、高强度的全身抗凝有关。但是，AP暂不包括胎盘的其他功能，如营养物质、代谢产物的交换或内分泌功能等。

2 人工胎盘的发展简史及现状

1961年，Callanghan 等［9］在动物实验中首次提出了AP的概念。此后，多个中心开展了AP研究，并取得一定的进展。其中Zapol等［10］利用硅胶膜式氧合器、肠外营养支持使一只胎羊存活长达55 h。进入70年代，由于类固醇、正压机械通气和表面活性剂在早产儿治疗中取得了进展，改善了早产儿的生存率。相比之下，当时的AP过于复杂和不安全，不适合临床应用，因此导致了此后数十年AP研究发展缓慢。

然而，近年来大量的证据表明机械通气会对早产儿，尤其是ELGANS的肺、心血管系统及大脑产生医源性损伤。包括：肺过早的由液体过渡到气体通气，可能造成气压伤和肺发育停滞［11］；胸腔压力增加对心脏的压迫，可能导致未成熟的心肌收缩力减弱和心输出量的下降［12］；以及ELGANS大脑生发基质不成熟，机械通气导致颅内压力增高，易发生脑室内出血［13］。因此，随着人们对早产儿生理知识和临床经验的不断增加，AP的研究又重新活跃起来。

2012年，Gray等［14］报道了离心泵的成功使用，研究中假设泵辅助下的V-V ECLS回路可以保证足够的体外气体交换，并维持胎儿全身循环。使用小型的中空纤维膜式氧合器，利用颈静脉和脐静脉插管，血液从右心房被动排出，减少了空化现象。该研究首次报道了在泵辅助的V-V ECLS系统支持下让5只羊存活达到24 h，之后又将生存期延长至70 h，证实AP系统可以提供稳定的血流动力学，进行有效的体外气体交换，保护大脑的灌注［15］。虽然研究中使用肝素进行全身抗凝，但未发现脑室内出血的证据［15］。2014年，国内广东省心血管病研究所也开展了类似该模式的人工胎盘研究，最长生存时间为 14.5 h［16-17］。

2015 年，Bryner等［8］将泵辅助的 V-V ECLS 系统与正压机械通气在ELGANs的羊中进行了比较。AP组采用泵辅助及中空纤维膜氧合器，使4只羊存活了1周，而正压机械通气组，即便给予了外源性表面活性剂和类固醇，平均存活时间均不足4 h。AP组无颅内出血的证据，面临的主要问题均与插管有关。

氧合器技术也取得了重要的进展。2011年，Arens等［18］开发了一种小型氧合器（NeonatOx），该氧合器体积缩小了4倍以上，预充血量减小至20 ml，氧合器表面积的减少可以降低血栓形成的风险；将氧合器尽可能的靠近实验动物，减少管道的长度，从而降低回路阻力。NeonatOx具有良好的气体交换功能，该研究采用脐带血管插管，使7只动物中的6只成功地进行了6 h的体外气体交换［19］。

基于目前AP存在的主要困难，如氧合器和带泵回路的阻力导致的胎儿循环衰竭、开放式液体环境导致的胎儿败血症、脐血管痉挛等，2017年，费城儿童医院的Partridge等［20］为了解决这些问题，设计了一款新型的AP系统，包括：无泵的A-V ECLS模式回路、“生物袋”封闭的无菌液体环境和改进的脐血管通路技术（图1）。研究取得了巨大的成功，使100～115 d的胎羊（相当于22～24周的人类胎儿）在AP支持下存活的时间延长至4周，研究过程中胎羊维持胎儿循环状态，血流动力学稳定，血气分析和氧合参数正常，并表现出正常的体格生长、肺发育和大脑成熟等。该实验室的另一项研究比较了不同的动静脉插管策略，包括：颈动脉／颈静脉（CA／JV）、颈动脉／脐静脉（CA／UV）和脐动脉／脐静脉（UA／UV），结果显示与CA／JV和CA／UV插管相比，UA／UV插管为氧合器提供的血流量与生理量相当，减少了血流中断，使生理水平的供氧成为可能，这是人工子宫技术走向临床应用的关键一步［21］。

3 人工胎盘的应用前景

尽管在过去的60年，AP研究领域取得了很大的进展，但是仍存在一些问题妨碍了其临床应用。

泵辅助下的V-V ECLS模式与无泵的A-V ECLS模式各有优缺点，如何选择仍存在争议。无泵的A-V ECLS模式以胎儿心脏为动力，优点包括：简单、避免溶血、一定程度的流量自动调节功能［19］；缺点主要为低于生理的循环血流量和血流动力学快速失代偿［19，21-22］，尤其是早期的研究，当回路／氧合器的阻力高于生理状态，后负荷增大，可能引起心力衰竭，而低于生理状态时，亦可能造成高输出性心力衰竭。因此，很多研究者采用了泵辅助下的 V-V ECLS模式，除了解决低循环血流量的问题外，优点包括：不需要动脉插管，避免血管痉挛；不要体外储血器；与体循环平行运行，不增加胎儿心脏的后负荷［23］。但是，带泵回路可能会导致阻力的增加，且目前研究中V-V ECLS模式下胎羊的生存时间远不及A-V ECLS模式。 2018年Church等［24］采用V-V ECLS模式使羊存活了10 d，是生存时间最长的一组报道。考虑到A-V ECLS模式能够更好的模拟正常的胎儿-胎盘循环，随着中空纤维膜式氧合器技术的发展，氧合器的阻力已经接近于零，且目前的研究证实胎羊在A-V ECLS模式下可以长期存活达到4周［20］，因此一些学者认为A-V ECLS可能具有更好的临床应用前景。

氧合器逐渐微型化，减少了表面积和回路的阻力。如何选择氧合器的膜是影响AP性能的关键因素。最初的研究使用硅橡胶膜，由于预充量大，不适合低体重的ELGANs。另一种是中空纤维膜，由微孔聚丙烯编织而成，聚丙烯膜具有较高的透气性［25］，随着抗渗漏技术的改进和跨膜压明显减少，目前主要用于无泵A-V ECLS模式的AP。此外，聚甲基戊烯膜（Polymethylpentene，PMP）成功的应用于成人ECMO已有十余年的历史，具有不对称的孔隙结构，非常薄而致密，允许气体透过的同时抑制血液和气体在微孔间直接接触，PMP提高了耐用度，大大减少了血浆渗漏，因此也有很好的使用前景。

AP支持期间的气道策略与早产儿肺发育直接相关，因此也是研究的重点。早期胎羊被浸泡在开放的温暖的“人工羊水”中，但是研究过程中发现胎羊很容易感染而导致败血症［14，26］。后来的研究将胎羊置于保温箱中，通过给胎羊气管插管，用羊水填充插管并盖上盖子，或者维持插管内5～8 cmH2O的压力，认为机械转导的力量可以加速肺的生长［27-28］。随后出现了“生物袋”，“生物袋”由聚乙烯薄膜制成，透明、透声、灵活，胎儿置入密封的“生物袋”中，能很好的模拟了子宫的环境，可以进行物理监测、超声检查和各种操作，更好的解决了无菌、羊水体积最小化等问题［20］。虽然父母对于胎儿置于“袋子”里的接受度未知，但相信“生物袋”仍然有希望在不久的将来应用于临床。

抗凝方面，由于目前AP回路与血液接触的表面都有肝素涂层，且尽可能的减少了回路的表面积，因此大大减少了全身肝素的使用剂量，进而降低了颅内出血的风险。目前正在进行非肝素为基础的表面涂层的研究［29］。

AP的临床目标人群为23～25周的超早产儿，该人群具有极高的并发症发生率和死亡率，如果证实AP可以显著的改善预后，就有可能在将来普遍的应用于临床。目前的实验研究已经实现了AP对相应孕周羊的长时间生理支持（4周）［20-21］，因此深入的研究器官的发育、有无损伤，至关重要。肺在出生、AP支持并过渡至呼吸空气过程中的发育情况需要被证明，实验动物如何在没有严重肺部并发症的情况下成功脱离AP支持也需要进一步的论证。另外，还需要关注脑灌注、功能和发育状况，注意是否存在脑室内出血和脑白质损伤。AP对心血管、胃肠道和肾脏系统的影响也值得进一步的研究。

此外，AP还具有一些潜在的应用价值，包括针对胎盘功能不全导致的胎儿生长发育迟缓，胎儿介入或外科手术后可能导致的早产的治疗。另外还可以应用于胎儿药理学、干细胞或基因治疗等研究，可以直接将药物作用于胎儿，避免母体的暴露。

图4 Partridge报道的无泵A-V ECLS模式AP系统示意图［20］

4 总 结

肺发育不良与早产儿的高并发症发生率和死亡率有关。ECLS技术作为一种潜在治疗早产儿严重呼吸衰竭的方法已有60年的历史。随着ECLS装置的不断发展和对早产儿生理更好的理解，AP的实验室研究取得了巨大的进展。尽管仍存在着一些挑战，但对于早产儿，尤其是ELGANs而言，AP仍然是正压机械通气的潜在替代治疗方法。将来，AP在临床中的成功应用无疑是新生儿医学界的一个重要里程碑。