近年来，随着围生医学危重症救治水平的不断提高，以及积极复苏的出生胎龄阈值逐步降低，越来越多出生胎龄22~23周且活力较好的超早产儿（extremely preterm infants，EPIs）得到了救治 ^{［ 1 , 2 ］} 。但由于EPIs各系统器官发育极不成熟，尤其是肺结构及功能发育不全，生后缺少胎盘循环的支持，难以进行充分的气体交换而出现呼吸衰竭 ^{［ 3 ］} 。此外，救治过程中的氧化应激、机械通气和炎症性损伤，极易导致慢性肺疾病的发生，严重影响EPIs的存活率及远期预后 ^{［ 4 , 5 ］} 。

基于体外生命支持（extra-corporeal life support，ECLS）技术的人造子宫（artificial womb，AW）是通过模拟母体子宫内环境来支持胎儿在体外继续发育的一种新兴辅助性医疗技术 ^{［ 6 ］} 。AW被认为是可能替代胎盘功能并保持胎儿循环，支持重要器官保护性发育，避免呼吸机相关性肺损伤的一种理想方法，在改善EPIs预后方面具有显著的生存优势 ^{［ 7 , 8 ］} 。通过数十年的探索，AW技术已经在动物模型研究方面取得了重大进展 ^{［ 4 ， 9 , 10 , 11 ］} ，研究方向也从延长实验动物的存活时间逐步转向评估胎儿健康状态和维持重要器官的发育，并有望实现临床转化 ^{［ 12 ］} 。现本文结合国内外文献针对AW在EPIs胎肺保护性发育中的研究进展进行综述。

AW系统的雏形最早可以追溯到20世纪50年代，经过数十年的研究和探索，目前已有两种不同类型的AW在动物实验研究的安全性和重要器官发育方面取得了成功，包括2017年西澳大利亚大学和日本东北大学联合研发的体外子宫环境（ex vivo uterine environment，EVE）系统和美国费城儿童医院设计的新生儿子宫外发育环境（extra-uterine environment for newborn development，EXTEND）系统 ^{［ 4 ］} 。AW包含三个重要组成部分 ^{［ 8 ］} ：（1）无泵动静脉循环系统，利用心脏搏动及动静脉压差作为泵送机制实现血液转流，模拟胎儿子宫内循环模式；（2）一种新的脐带血管通路，选择双脐动脉（UA）/单脐静脉（UV）插管，更能接近子宫内生理血流动力学；（3）一个连续液体交换的流体封闭环境，利用聚乙烯薄膜制成充满羊水的“生物袋”，模拟接近子宫结构及功能的培育环境。两种类型的AW具有5个共同的基本特征 ^{［ 7 ］} ：（1）专门为EPIs设计的体外循环；（2）维持胎儿循环；（3）部分或完全通过脐带血管的血流回路；（4）肺内充满液体；（5）器官保护和持续发育的专门环境。

不同于2012年美国密歇根大学研发的基于中心静脉［颈静脉（JV）-UV ECLS（V-V ECLS）模式］转流的人造胎盘（artificial placenta，AP）系统 ^{［ 13 ］} ，AW采用2根UA插管引流，UV插管回流（A-V ECLS模式）的方式，利用血泵辅助或完全依赖胎儿自身心脏搏动和动脉血压来驱动血液转流，并将胎儿脐带血管连接 1个微小的（EXTEND系统）或2个并联的（EVE系统）低阻力氧合器以降低回路循环阻力，实现体内外气体交换。此外，AW避免了气管插管，将胎儿置于一个充满人工羊水的“生物袋”中使其肺内充满液体，同时使用连续交换的封闭流体环境代替开放式储液池，解决了胎儿营养供给及液体污染清除等问题（ 表1 ）。2017年，Usuda等 ^{［ 11 ］} 研究团队利用EVE系统将5只胎龄112~115 d（足月145 d）的胎羊维持在稳定的生理状态7 d，期间监测胎羊实现了身体生长，并且无明显的感染或全身炎症。同年，美国费城儿童医院研究团队利用EXTEND系统成功将8只胎龄105~117 d的胎羊在生理支持4周后成功过渡为机械通气，期间监测胎羊有正常的身体生长、生理性肺成熟、脑发育和髓鞘形成 ^{［ 14 ］} 。这次试验刷新了胎羊的体外生存时间记录，也是AW技术临床转化的关键一步。目前该团队于2023年9月获得美国食品药品监督管理局申请批准，将在5年内以该设备进行首次人体临床试验 ^{［ 12 ］} 。2019年10月，欧盟“地平线2020计划”旨在研发AW，计划2025年前完成相关实验并投入临床使用。目前国内研究团队，包括广东省心血管研究所、郑州大学第一附属医院和中国人民解放军总医院第七医学中心等也在开展AW研发工作。

人和其他哺乳动物胎肺的形态发生包括管道的分支及管腔上皮的分化，大致经历5期，即胚胎期、假腺期、小管期、终末囊泡期和肺泡期 ^{［ 15 ］} 。EPIs出生时胎肺发育尚处于小管期的末期或囊泡期早期，这一阶段的肺泡基本处于未发育完全状态，且肺泡与毛细血管间隔也较厚，无法进行充分的气体交换 ^{［ 4 ］} 。生后暴露于气道炎症和高浓度氧等不利环境中，活化的炎症细胞会释放大量的氧自由基和蛋白酶，过高水平的氧自由基会造成体内氧化-抗氧化的失衡，导致氧化应激，从而干扰胎肺的正常发育 ^{［ 16 , 17 ］} 。此外，机械通气作为EPIs呼吸支持的重要治疗手段，其产生的气压伤、容积伤及生物伤等可诱导严重的呼吸机相关肺损伤，造成肺泡上皮和血管内皮细胞的广泛性破坏，导致或加重支气管肺发育不良的发生 ^{［ 18 ］} 。相比于机械通气，AW侧重于通过ECLS维持胎儿循环，不仅可以有效减少体外环境变化对EPIs肺部的损害，还能够通过支持肺部保护性发育来达到预防肺部疾病的目的 ^{［ 9 ， 11 ， 14 ］} 。

AW在EPIs胎肺保护性发育中的优势主要包括：（1）基于ECLS的AW系统模拟母体子宫内环境，维持胎儿循环，避免了过早从子宫内的羊水液体环境转变为通气的气体环境而诱导的胎肺发育停滞，从而为EPIs胎肺的持续发育过程争取了更多的时间。（2）AW可以有效预防呼吸机相关肺损伤，为胎肺的继续发育提供了保护性环境。机械通气会抑制胎肺表面活性物质的生成，增加肺血管阻力。并且，机械拉伸或不恰当的机械应力可介导多种炎性介质在肺组织的大量聚集，激活各信号传导通路，诱导多种炎性因子过量表达，引发肺泡内皮细胞和上皮细胞的炎症反应，从而导致或加重肺损伤及肺纤维化 ^{［ 19 , 20 ］} 。Usuda等 ^{［ 21 ］} 研究显示，AW系统支持下的极早产胎羊没有发现显著水平的T细胞介导的肺部炎症反应。此外，血小板衍生生长因子受体-α（platelet-derived growth factor receptor-α，PDGFR-α）作为调节细胞生长和分裂的重要促生长因子，在肺发育的囊泡状和肺泡期，表达PDGFR-α的细胞向次级肺泡间隔顶端迁移，并分化为肺泡形成所需的α-平滑肌肌动蛋白和产生弹性蛋白的肌成纤维细胞，这是肺泡发育和气体交换所必需的 ^{［ 22 ］} 。Church等 ^{［ 23 ］} 研究显示，AW支持下的胎羊肺顺应性更高、氧合指数及肺损伤程度更低，且PDGFR-α和α-平滑肌肌动蛋白表达均明显高于机械通气组，进一步表明AW可预防机械通气相关肺损伤，并允许胎肺继续发育。（3）AW保持胎儿肺部充满液体可以产生一定程度的机械传导力量，维持正常气道压力，提供胎肺发育所需的正常声门阻力，同时胎儿在AW内的呼吸运动所产生间歇性拉伸也可诱导细胞增殖，加速胎肺的发育 ^{［ 23 ］} 。（4）AW支持期间使用的药物，尤其是糖皮质激素，是正常胎儿宫内发育所必需的，可以加速诱导胎肺结构发育、肺间质变薄和肺表面活性物质的合成及释放，显著降低EPIs出生后呼吸窘迫综合征的发病率和病死率 ^{［ 24 , 25 ］} 。

AW实施过程中胎羊死亡主要的原因是循环衰竭、血管痉挛、凝血或血栓栓塞、感染与出血，有幸存活的胎羊脱离AW后依然存在呼吸衰竭等各器官功能发育不全的情况。因此，AW实施中的关键技术在于维持胎儿良好的循环、优化插管方式、促进各器官的充分发育、防治感染及恰到好处的抗凝处理。

3.1 无泵动静脉循环系统

要实现AW的体外动静脉循环，首先需要解决血流驱动力问题。无泵型AW实现血液转流完全依赖胎儿自身心脏搏动及动-静脉天然压力差驱动，虽然可减少预充容量，且具备一定的血流量自动调节功能，但动力低，容易出现进行性的心力衰竭，难以长期维持 ^{［ 4 ， 26 ］} 。因此，早期动物模型需要结合泵辅助来驱动血液转流以接近正常的胎儿-胎盘循环，但由于所需预充量过大容易导致全身液体负荷超重，且血液成分受到强力撞击及离心力的作用破坏较大，会对胎儿心血管发育及功能产生不良影响 ^{［ 4 ］} 。无论是离心泵还是滚柱泵，对体外循环的血流所产生的抽吸作用均会干扰胎儿心脏泵的自然功能，导致回路阻力的增加，造成心脏功能失代偿，出现循环衰竭和胎儿水肿 ^{［ 4 ］} 。

目前有泵辅助和无泵型AW有各自的优势和不足，如何选择仍存在争议。在现有研究中，泵支持体外循环回路下的胎羊生存时间远不及无泵型AW，胎儿生存受到了系统限制。2018年Church等 ^{［ 23 ］} 的研究在有泵辅助下维持胎羊存活了10 d，是目前实验动物存活时间最长的研究报道。相比之下，无泵型AW利用胎儿心脏作为生理泵来驱动血流，更能接近模拟胎儿循环。并且，随着氧合器材料的进步以及逐渐微型化，使得接近于零电阻的无泵中空纤维膜式氧合器成为可能 ^{［ 27 ］} 。管路预充量的减少，循环阻力的降低将大幅度减少心功能衰竭的发生率，已被证实可以显著延长胎羊的存活时间 ^{［ 28 , 29 ］} 。2017年美国费城儿童医院采用无泵型AW支持胎羊存活时间长达28 d，且监测血流动力学维持稳定 ^{［ 14 ］} 。因此，目前多数研究认为无泵型AW可能具有更好的临床应用前景。

3.2 UA/UV插管

在AW系统支持过程中，动静脉插管相关限制也是AW培养动物死亡的主要原因 ^{［ 4 ］} 。Hornick等 ^{［ 30 ］} 比较了三种动静脉插管策略下的血流动力学，结果显示，相比于颈动脉（CA）/JV和CA/UV，UA/UV插管可以提升回路流量，最大限度地减少血流中断的频率，更能接近子宫内血流动力学，并支持胎羊在AW内发育。早期研究也尝试使用UA/UV插管，但因脐带血管容易痉挛、导管不稳定以及回路血栓形成等受到限制。为了维持稳定的循环回路，提供充足的血氧输送，促进器官发育和成熟，在UA/UV插管过程中需注意4个关键问题：（1）插管技术；（2）导管固定；（3）局部或全身抗凝；（4）血管痉挛。Verrips等 ^{［ 31 ］} 报道提示，UA/UV插管应首选侧入技术，即纵向切开脐带血管后直接置入导管，更有利于维持生理性血流量，提高导管稳定性，减少血管壁收缩或损伤；导管固定采用缝合，尤其是借助外科自动显微手术仪，比胶水、一次性球囊或支架固定连接更紧密，操作更快。抗凝或血管痉挛应首选局部用药，疗效更好，且更安全。因低温、触摸或导管固定等易导致脐带血管收缩，且持续时间尚不明确。为了缓解UA血管痉挛，避免机械阻塞引起的拔管事件，插管时注意维持UV循环启动时的温度和生理性血氧饱和度 ^{［ 32 ］} ，必要时可以考虑局部或全身使用利多卡因、硝酸甘油或罂粟碱来抗血管痉挛，但具体疗效均不明确 ^{［ 4 ］} 。

根据哈根-泊肃叶定律，层流通过圆管的阻力与管道的长度直接相关，并且与管径的4次方成反比 ^{［ 4 ］} 。并且，研究表明，胎儿分娩后插管UA、UV血管后扩张阈值分别可达6 mm和7 mm ^{［ 33 ］} 。因此，对于105~115 d的胎儿选择口径较大的导管（12~14 Fr）更有利于降低循环阻力，维持生理性血流速度，同时插管UA仅2 cm，并使套管与腹部之间保持天然脐带长度5~10 cm，可以有效避免插管引起的血管内壁损伤以及由导管成角引起的血管侵蚀、闭塞和血流紊乱 ^{［ 14 ， 34 ］} 。此外，通过使用定制的套管来固定导管，并在“生物袋”上下两侧及周围放置磁铁来限制羊膜空间和胎儿身体运动以避免脐带松脱及血流波动 ^{［ 14 ， 35 ］} 。然而，导管口径范围的选择，与其救治胎儿的体重、胎龄是否相关等一系列问题仍有待进一步研究明确。

3.3 抗凝血及血栓形成

AW系统在转流过程中因血液与非内皮细胞表面管路接触中容易出现凝血和血栓形成，因此需要充分抗凝。肝素作为目前最常用的抗凝剂，其价格实惠且抗凝效果较好，但长期或过量使用容易导致出血。EPIs由于其生理及解剖特点，全身抗凝可增加颅内出血的风险 ^{［ 31 ］} 。研究表明，通过静电作用将肝素化壳聚糖固定在管路和氧合器的表面构建抗凝涂层，可以减少全身肝素的使用量，有效预防血栓形成，并且具有良好的生物相容性 ^{［ 36 ］} 。除此之外，目前也正在进行以非肝素为基础的表面涂层研究，包括一氧化氮和比伐鲁丁-聚氯乙烯水凝胶抗凝血表面涂层等，也显示出良好的抗凝效果 ^{［ 37 , 38 ］} 。然而，无论选择何种抗凝方式，在AW支持过程中均需严密监测凝血功能，将活化凝血时间维持在150~180 s，维持血液的适当流动性，防止血栓形成或过度抗凝 ^{［ 14 ］} 。

3.4 连续液体交换的无菌封闭环境

对胎儿进行出生后AW长时间支持，感染是不可回避的问题，也是导致实验动物出生后死亡的重要原因 ^{［ 29 ］} 。AW无法复制天然羊膜的羊水周转功能，预防性使用抗生素也不能完全解决感染问题。早期研究试图通过微孔过滤器进行流体再循环，从而在半封闭系统中保持清洁的流体环境。然而，羊水污染和胎儿暴发性败血症仍然是开放式或半封闭AW系统的主要限制因素 ^{［ 14 ， 29 ］} 。为了进一步解决无菌环境问题，美国费城儿童医院研究团队设计开发出了一次性使用、连续液体交换的封闭流体环境代替开放式储液池，即类似于母体子宫结构和功能的“生物袋” ^{［ 14 ］} 。它由透明的聚乙烯薄膜组成，内含无菌、温暖（38.5 ℃~40.5 ℃）且持续循环的人工羊水（2~4 L），可供给胎儿营养，清除代谢产物，帮助胎儿维持适当的体温，缓冲及湿润脐带，防止不显现的体液流失，并可隔绝外界的声音干扰、机械损伤、病原体感染等 ^{［ 39 ］} ，同时可以创造空间维持胎儿正常的呼吸和吞咽运动，并支持胃肠道黏膜发育及持续生长 ^{［ 4 ， 8 ］} 。此外，“生物袋”设计了多个开放性的防水端口，以方便容纳气管插管、温度探头和无菌吸引管等，可在必要时对胎儿进行医疗操作。无菌封闭的“生物袋”从根本上解决了严重的羊水污染问题，消除了全身和肺部炎症反应，使胎羊维持时间长达4周 ^{［ 14 ］} 。

“生物袋”的缺点在于将胎儿置于封闭的环境不利于医护人员接触胎儿，可能延误紧急情况的处理。同时可能给父母带来情绪负担和潜在的心理障碍，影响亲子关系。未来的父母对于“生物袋”的接受度仍然是需要调查研究的重要问题 ^{［ 4 ］} 。

3.5 临床转化

当前的研究仍处于动物实验阶段，胎羊模型一直是用来定义哺乳动物胎儿生理学的主要模型。虽然胎龄100~110 d的胎羊与胎龄22~24周的人类胎儿的肺泡发育程度相似，处于小管期的末期，但胎羊（1~2 kg）的体重要明显大于人类胎儿（<1 kg） ^{［ 40 ］} ，并且，胎羊与人类胎儿脐带存在结构差异，不仅多一条UV，且胎羊的脐带血管口径与人类胎儿并不相符。因此，在设计人类试验时，需要考虑到胎羊与人类胎儿的体重大小、胎盘血流量和营养需求等生理差异 ^{［ 8 ］} 。同时，需要调整插管技术以避免脐血管的痉挛 ^{［ 31 ］} 。目前没有合适的替代模型来弥补胎羊和人类之间的生理差异，AW要走向临床，仍存在生理和技术上的限制。

综上所述，AW将有望改善现有EPIs救治措施所致肺发育受阻或损伤的问题，通过阻断肺循环、模拟胎儿循环、构建体外培养以及适合孕中期胎儿保护策略的救治系统，最终可为EPIs救治提供类似母体子宫环境的生理支持。然而，AW技术尚且存在很多暂未解决的技术难题，尚未达到可以被安全应用于人类临床的程度。因此，在这些难题未被解决之前，AW临床应用仍有待进一步论证。

参考文献（略）