Экстракорпоральная система развития плода (ЭСРП), или искусственная матка (ИМ), – это имитация внутриутробной среды с экстракорпоральным воспроизведением всех необходимых условий для развития плода. Функционально-структурные особенности естественных органов тела человека воспроизведены в заменяющих их искусственных органах, поддерживающих все витальные функции эмбриона, таких как система искусственного кровообращения, оксигенации, подачи гормонов и т.д.
Первый прототип ЭСРП был создан в городской Нью-Йоркской больнице М. Гринбергом в 1958 г. [1]. Модель состояла из набора устройств, которые должны были заменить функции органов человека:
- камера (placental lake) – резервуар для размещения плода, наполненный околоплодными водами. Данная емкость необходима для создания условий, подобных тем, что возникают по мере развития плода в материнском организме, направленных на поддержание его жизнедеятельности;
- устройство для подключения к пуповине (через нее осуществлялся бы прямой контакт с плодом);
- «искусственное сердце» (для создания градиента давления, обеспечивающее циркуляцию крови по системе);
- «искусственные легкие» (для поддержания уровня оксигенации крови);
- «искусственные почки» (для выведения из системы продуктов обмена).
Аппарат должен был создавать все нужные условия, в том числе бактериальную стерильность, постоянную температуру, и обеспечивать плод всеми питательными веществами, необходимыми для его формирования [1].
Разработка Гринберга демонстрировала общий план строения устройства. Никакими должными функциями она не обладала. Несмотря на это, данный макет стал основой для дальнейшего развития идеи создания ЭСРП и задал новую траекторию разработок [1].
Предпосылки к созданию экстракорпоральной системы развития плода и искусственной плаценты
Одной из основных причин неонатальной смертности и тяжелой хронической заболеваемости остается выраженная недоношенность плода. Сложность оказания неонатальной помощи связана со значительными ятрогенными воздействиями и значительной незрелостью развития плода, ведущими к возникновению заболеваний у детей. Разработки в области создания искусственной плаценты (ИП) позволят дать клинической практике более физиологический подход, заменяющий плацентарную функцию и обеспечивающий среду, подобную матке, для полноценного развития плода.
Данная концепция изучалась в течение последних 60 лет с ограниченным успехом. Основная задача исследовательских групп – имитация маточно-плацентарной физиологии. Последние технологические достижения улучшили экспериментальные модели и приблизили данный экспериментальный метод к клиническому применению.
Концепция использования ИП для поддержки незрелых плодов не нова. В начале 1950-х гг. была разработана примитивная технология оксигенаторов, что послужило основой для создания концепции экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО). Экстракорпоральный мембранный оксигенатор позволяет временно (от нескольких дней до нескольких месяцев) поддерживать функции сердца и/или легких (полностью или частично). При сердечно-легочной недостаточности ЭКМО позволяет восстановить функции органа или временно его заместить, что может быть применено и для отдельного лечения дыхательной недостаточности [2]. Технология позволила поддерживать организм человека при необходимости заменить и восполнить нефункционирующую систему органов.
Разработка ИП началась в 1958 г., когда Westin B. et al. канюлировали пупочные сосуды 7 жизнеспособных человеческих плодов в подогреваемой перфузионной камере и подключили их к спиральному пленочному оксигенатору из плексигласа, продлив их жизнь на 12 ч [3]. Постепенно количество подобных экспериментов начало расти. Исследования проводили на эмбрионах ягнят [3–5].
С тех пор многие группы экспериментировали с моделями ИП, используя различные конфигурации контуров, насосы, оксигенаторы, типы сосудистого доступа и контейнеры для жидкости, постепенно улучшая доставку кислорода и повышая время выживания эмбрионов [6, 7].
В течение первого десятилетия исследования ИП были направлены на сохранение фетального кровообращения и увеличение потоков в контуре для оптимизации оксигенации и увеличения времени выживания в контуре [6]. К 1970-м гг. интерес к исследованиям в области ИП и ЭСРП временно снизился в связи с важными достижениями в области неонатальной помощи, такими как механическая вентиляция с положительным давлением [8–10], пренатальная материнская стероидная терапия [11, 12] и экзогенное введение сурфактанта [13, 14].
Осознание ограничений этих методов лечения вызвало возобновление интереса к исследованиям ИП и ЭСРП к концу XX в. в связи с развитием технологии оксигенаторов и дальнейшим уклоном в сторону физиологии плода и маточно-плацентарной среды. Это привело к улучшению гемодинамической стабильности и увеличению продолжительности выживания плода. Длительное выживание постепенно сместило рамки исследований ИП в сторону оценки состояния плода и созревания конкретных органов в преддверии клинического применения [15].
В скором времени модели ИП начали модифицироваться и улучшаться для достижения оптимальных результатов и воспроизведения физиологических условий для развивающегося плода [15–25]. Таким образом, уже к 2017 г. Partridge E.A. et al. смогли создать полноценную модель ИП, которая позволила пройти онтогенез плоду ягненка в полностью искусственно воспроизведенной среде [25].
Испытания при создании экстракорпоральной системы развития плода и искусственной плаценты
Экстракорпоральная перфузия матки
В 1986 г. Bulletti C. et al. представили отчет о первой в мире экстракорпоральной системе кровоснабжения матки [26]. Модели для его исследования были получены от пациентов, перенесших гистерэктомию из-за рака шейки матки, лейомиомы или выраженного пролапса тазовых мышц. В качестве аналога крови через катетеризированные сосуды матки подавался оксигенированный бикарбонатный буфер Кребса–Рингера с глюкозой в качестве источника энергии. Целью эксперимента было в течение 12 ч обеспечить жизнеспособность матки ex vivo за счет стабильного поддержания биохимических параметров, а именно необходимого уровня кислорода, pH, постоянного потока питательных веществ, давления, адекватного распределения перфузионной жидкости и др. В ходе эксперимента по артериям подавался раствор от 10 до 30 мл/мин под давлением от 80 до 100 мм. рт. ст. По данным статьи, градиенты напряжения кислорода и углекислого газа были стабильны, индикаторы гипоксии снизились спустя 30 минут от начала эксперимента [26]. Для подтверждения оптимальности перфузии органа через катетеризированные сосуды был введен ряд красителей и рентгеноконтрастных веществ [26].
Эксперимент Bulletti C. et al. продемонстрировал стабильную гемодинамику искусственного кровоснабжения; поэтому спустя год был проведен следующий опыт в течение 48 ч со схожим набором параметров, но уже с введением эстрогена и прогестерона. В ходе работы наблюдалась секреторная модификация эндометрия, что продемонстрировало жизнеспособность органа и его ответную реакцию на стероидные гормоны [27].
Уже в 1988 г. Bulletti C. на территории Болонского университета (Италия) провел эксперимент по ранней имплантации человеческой бластоцисты ex vivo. Бластоцисты были получены от пациентов с трубным фактором бесплодия, не поддающимся лечению, путем экстракорпорального оплодотворения. Бластоциста была введена путем инъекции под люминальный эпителий матки, кровоснабжаемой экстракорпорально. В результате опыта было доказано, что бластоциста может пройти имплантацию и трофобластическую инвазию в течение 52 ч ex vivo [28].
В дальнейшем все эксперименты под руководством Bulletti C. в этой области были прекращены в связи с этическими ограничениями. Все наработки были использованы для изучения фармакологического влияния разных препаратов на физиологические механизмы матки и имплантацию [29, 30].
Постоянное экстракорпоральное кровоснабжение системы позволит полностью воссоздать условия кровообращения плода ex vivo, обеспечив как доставку необходимых питательных веществ, кислорода, поддержку необходимого pH, так и выведение из развивающегося организма продуктов метаболизма.
Научное сообщество продолжило эксперименты на животных моделях. Исследования в основном были сосредоточены на способности неразвитого плода козы выживать ex vivo с помощью системы оксигенации. Параллельно с этим многие ученые нацелились на создание полноценного отдельного «резервуара», имитирующего матку со всеми необходимыми частями и поддерживающего все функциональные особенности органа [31–34].
Искусственный эндометрий
Проводилось множество исследований с участием искусственного эндометрия, где он использовался в качестве модели для изучения влияния стероидных гормонов в различных условиях. В этих системах совместного культивирования эпителиальные и стромальные клетки располагались на метрогеле. Это позволило эпителиальным клеткам демонстрировать спонтанную ориентацию и многообещающую жизнеспособность, что дало возможность совершенствовать разработку для более глубокого изучения взаимодействия матери и эмбриона [35].
К 2021 г. изготовили искусственный эндометрий, насыщенный 3D-стволовыми клетками, включив несколько биоразлагаемых биоматериалов (коллаген, гиалуроновую кислоту) и несколько клеточных компонентов эндометрия (стволовые клетки эндометрия, стромальные клетки, сосудистые клетки) для воспроизведения многоклеточного профиля микроокружения и многослойной структуры. Агарозу использовали в качестве инертного наполнителя для усиления механической целостности трехслойного искусственного эндометрия [36]. В результате эксперимента были оценены различные механические характеристики, такие как морфология, компрессионные свойства, набухание и вязкость. Различные биологические особенности, такие как реакция на стероидные гормоны, специфическая экспрессия маркеров клеточной поверхности эндометрия и секреция множественных факторов роста и стероидных гормонов, относительно хорошо поддерживаются в искусственном эндометрии. В 2023 г. команда, столкнувшись с нарушением процессов имплантации эмбриона, предложила усовершенствованную модель, где использовались дополнительные каркасы на основе биоматериала, обеспечивающие простую структурную поддержку прикрепления клеток [37].
Инкубатор
Создание неонатального инкубатора – важнейший шаг к возникновению ЭСРП. Плод полностью зависит от внешней системы жизнеобеспечения при перемещении из естественной среды развития в «технологическую матку» в отделении интенсивной терапии новорожденных. Неонатальный инкубатор решает ряд проблем, связанных с равномерной подачей воздуха для полноценной оксигенации плода. Термостат позволяет на регулярной основе отслеживать температуру в пространстве инкубатора и самого плода. Помимо этого, осуществляются поддержание определенного уровня влажности, вирусных агентов и защита от шума [38].
В 2017 г. научная группа под руководством Partridge E.A. опубликовала в журнале Nature доклад на тему эктогенетического развития плода. По мнению ученых, их новая технология – это лишь улучшение системы по уходу за новорожденными [39]. В связи с этим возникает вопрос: чем отличается неонатальный инкубатор от технологии ЭСРП?
Рассмотрение природы гестации позволяет выявить глубокие различия между плодом и новорожденными:
- плод и новорожденный имеют различные физиологические и физические характеристики;
- искусственно созданные среды, в которые погружены плод и новорожденный, отличны;
- неонатальный инкубатор поддерживает физиологию новорожденных, в то время как ЭСРП определяет физиологическое развитие плода.
Это позволяет провести концептуальную классификацию эктогенетических технологий, согласно которой система 2017 г. – это не просто улучшенный неонатальный инкубатор, а подлинная эктогестация и новая ветвь развития ЭСРП [40].
В XXI в. научное сообщество активно занялось клеточной терапией, в том числе и у новорожденных. Клеточная терапия в условиях экстракорпоральной поддержки инкубатора обещает существенно уменьшить осложнения экстремальных преждевременных родов, которые могут привести к гибели плода. Подобная терапия станет важным компонентом проводимого лечения плода в условиях инкубатора для уменьшения последствий недоразвития плода. Концепция INCuBAToR (Инновационная неонатальная клеточная терапия бронхолегочной дисплазии) – это научно обоснованный подход к снижению риска перевода передовых методов лечения на пациентов, входящих в уязвимую группу. Концепция INCuBAToR в теории может быть применена к терапии любого заболевания, связанного с необходимостью восполнения клеточного компонента, функции тканей и системы органов, что может повысить вероятность успеха лечения [41].
Инкубатор не способен воспроизвести оптимальные условия для того, чтобы стать полноценной ЭСРП, но эта технология стала основой для дальнейшего развития аппаратов для формирования плода ex vivo.
Последние разработки (2017–2021 гг.)
Совершенствование технологии искусственной плаценты
Важным этапом в создании ИМ является 2017 г., когда исследователи из Детской больницы Филадельфии продолжили разработку ЭСРП. Использовались эмбриональные ягнята, которых затем поместили в изолированный биопакет, заполненный искусственной амниотической жидкостью [42, 43]. Три основных компонента системы: артериовенозный контур без помпы, закрытая стерильная жидкостная среда и пупочный сосуд, через который осуществлялся доступ и обмен жидкостями с телом плода. Что касается безнапорного артериовенозного контура, кровоток обеспечивается исключительно сердцем плода в сочетании с оксигенатором с очень низким сопротивлением для лучшей имитации физиологического процесса и снижения ятрогенного воздействия на организм плода ягненка.
Одна из важнейших разработок ученых – метод канюлирования сосудов пуповины, который поддерживает длину нативной пуповины (5–10 см) между кончиками канюли и брюшной стенкой для уменьшения риска случаев деканюляции и механической непроходимости. Пуповина плода ягненка была прикреплена к устройству снаружи биомешка, предназначенному для того, чтобы имитировать плаценту, обеспечивать поступление кислорода и питательных веществ, а также удалять отходы жизнедеятельности. Системе удалось помочь недоношенным плодам ягненка нормально развиваться в течение месяца.
Ученые смогли продлить существование и развитие 5 плодов от 105 до 108 дней беременности в течение 25–28 дней и 3 плодов от 115 до 120 дней беременности в течение 20–28 дней. Самые длительные эксперименты были прерваны на 28-й день из-за ограничений протокола исследований для животных, а не из-за какой-либо нестабильности, что позволяет предположить, что поддержка этих животных на ранних сроках беременности могла продолжаться более 4 недель [42, 43]. В 2019 г. опубликована вторая пробная версия аппарата без значительных изменений в конструкции [44–46].
Эти научные достижения продемонстрировали потенциал систем экстракорпорального развития и задали новую тенденцию к созданию систем ИП и ЭСРП.
Создание новой системы перинатального жизнеобеспечения
С 2016 г. исследователи из Эйндховенского технологического университета и их партнеры стремятся разработать систему перинатального жизнеобеспечения (Perinatal Life System, PLS). PLS будет разработана с использованием передовых технологий: манекен для имитации младенца во время тестирования и обучения, расширенный мониторинг и компьютерное моделирование обеспечат клиническое руководство.
Проект PLS направлен на создание к 2024 г. системы для поддержания плода уже с 22-й недели при условии неудачного течения беременности. Устройство будет включать в себя искусственную амниотическую жидкость, поступающую к плоду, пуповину, прикрепленную к легочному аппарату, искусственную амниотическую жидкость, оттекающую от плода, и емкость, где будет располагаться плод или биопакет [47, 48].
Исследователи пытаются полноценно воспроизвести модели развития плода в данной системе для расширения и углубления понимания устройства жизни и дальнейшего совершенствования разработки [47].
Создание модели механической матки
Отдельно стоит выделить вклад в развитие системы ИМ Научного института Вейцмана (Израиль). Его основной целью является создание системы для культивирования ex vivo с электронным управлением [49]. В 2021 г. в данном научном центре построили механическую матку и выращивали эмбрионы мышей вне матки в течение нескольких дней. Устройство также использовалось в 2022 г. для выращивания стволовых клеток мышей в течение недели и синтетических эмбрионов из стволовых клеток [50].
Все эти исследования можно отнести к продолжающейся «неонатальной революции», которая позволит выхаживать плоды и спасать жизни на самых ранних сроках развития [51].
Заключение
Создание искусственных условий для развития плода, имитирующих все физиологические параметры естественной среды для полноценного формирования организма, является основной целью научно-исследовательских групп. Ежегодно научное сообщество совершенствует методы и технологии для достижения оптимальных результатов в этом медицинском направлении. Использование искусственных аналогов естественных органов и тканей в экстракорпоральной системе имеет то преимущество, что позволяет плоду развиваться в отдельной среде, где он исключен из возможного вредного воздействия материнских болезней или воздействия токсических веществ, алкоголя или наркотиков. Кроме того, независимые системы не могут нести риск иммунной реакции материнской системы против плода из-за недостаточной гестационной иммунной толерантности.
Системы жизнеобеспечения, имеющиеся в распоряжении врачей на данный момент, не могут обеспечить полноценное питание и существование плодов, поскольку не способны в полной мере воспроизвести физиологические условия маточно-плацентарной системы. Тотальное парентеральное питание, изученное на младенцах, приводит к тяжелому синдрому «короткой кишки» и не только, что многократно ограничивает использование систем неонатального развития для частичного и полного замещения материнского организма. Системы ЭСРП позволят воспроизвести жизненно важные условия для роста и развития плода и смогут помочь женщинам, неспособным самостоятельно выносить ребенка. Системы позволят пересмотреть взгляды общества на суррогатное материнство и восстановление детородной функции посредством трансплантации матки. До сих пор нет ясного понимания, как подобный способ вынашивания может отразиться на отношениях матери и ребенка, что с этической точки зрения может ставить под угрозу создание и использование подобного аппарата.
Данную проблему предположительно можно решить, создав ЭСРП, соединяющуюся с кровеносной системой матери, для предотвращения разобщения матери и плода как на физиологическом уровне, так и на психоэмоциональном. Эта идея способна привести к дальнейшей полной переработке концепции ЭСРП и преодолению ряда этических проблем.
