체외 생명 유지 시스템 및 이의 사용 방법

체외 생명 유지 시스템 및 이의 사용 방법{EXTRACORPOREAL LIFE SUPPORT SYSTEM AND METHODS OF USE THEREOF}

본원은 2013년 3월 15일자 출원된 미국 가특허 출원 제61/788,052호에 대해 35 USC§119(e) 하에 우선권을 주장한다. 선출원을 본원에서 참조로서 원용한다.

본 발명은 신생아 의료 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 자궁외에서 생존 가능하게 되기 전의 태아의 항상성 유지를 위한 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명이 속하는 최신 기술을 설명하기 위해 명세서 전반에 걸쳐 일부 공보와 특허 문헌이 인용된다. 명세서 전반에 걸쳐 이들 참고 문헌의 완전 인용문을 찾을 수 있다. 이들 인용문을 각각 완전히 제시되어 있는 것처럼 본원에서 참조로서 원용한다.

과도 미숙의 경우에, 자궁 밖에서의 생존은 가스 교환을 가능하게 하는 폐 성장 및 성숙의 불충분함을 비롯한, 기관 형성의 부족함으로 인해 어렵다. 또한, 폐의 성장과 발달에 영향을 미치는 선천성 기형, 예컨대 선천성 횡경막 탈장 및 다른 원인의 폐 형성 부전의 경우에, 불충분한 폐기능은 장기 생존을 제한할 수 있다. 산후 집중 치료에 의해 유발되는 혼란 없이, 진행 중인 태아 성장과 발달을 지원하는 체외 장치의 개발은 이러한 유아의 생존 기회를 제공하고, 사망률과 장기 유병률을 감소시킬 것이다. 몇 주 또는 몇 달 동안, 자궁외에서 생존 가능하게 되기 전의 태아에서 항상성을 유지시키는 능력은 또한 자궁 밖에서의 생존력의 평가에 대한 현행 기준을 변경할 수 있다.

본 발명에 따라, 체외 막 산소화 시스템(인공 태반)이 제공된다. 특정 실시형태에서, 시스템은 펌프가 없으며, 초저 저항성 산소공급기(very low resistance oxygenator)를 포함한다. 시스템/기구는 추가로 대상을 수용하는 인큐베이션 챔버(incubation chamber)와 대상을 잠기게 하는 멸균액을 포함할 수 있다. 시스템/기구는 추가로 펌프와 멸균액을 위한 여과 시스템을 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템/기구의 예는 도 1 및 7a에 도시되어 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라, 대상의 체외 산소화(extracorporeal oxygenation) 방법[예를 들어, 성장과 성숙을 가능하게 하는 자궁 외 세팅(extrauterine setting)에서 태아를 유지시키는 방법]이 제공된다. 특정 실시형태에서, 방법은 대상을 본 발명의 체외 막 산소화 시스템에 연결하는 것을 포함한다. 대상은 목의 혈관을 통해 산소공급기에 연결될 수 있다. 특정 실시형태에서, 대상은 조숙한 태아, 극도로 조숙한 태아, 또는 자궁외에서 생존 가능하게 되기 전의 태아이다. 특정 실시형태에서, 산소공급기는 태아 혈로 충전된다(primed). 대상은 또한 특히 멸균액이 가열되고, 여과 시스템을 통해 계속하여 펌핑되는, 멸균액을 포함하는 인큐베이션 챔버 중에 잠수 상태로 유지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 장치의 예시 사진을 제공한다.
도 2는 인큐베이션 챔버의 예시 사진을 제공한다. 챔버에서 4개의 포트가 명백히 확인된다. 2개의 포트는 챔버에서 멸균액의 순환을 위한 것이다("양수 유입"(amniotic in) 및 "양수 유출"(amniotic out)로 표시됨). 다른 2개의 포트는 대상의 체온을 유지하도록 챔버 내 밀봉 유닛으로 따뜻한 액체를 순환시키기 위한 것이다.
도 3은 산소공급기를 포함하는 건조실의 예시 사진을 제공한다.
도 4는 여과 시스템의 사진을 제공한다.
도 5는 산소공급기가 있는 회로 디자인의 사진을 제공한다.
도 6a는 본 발명의 장치에 연결되는 조산한 어린 양의 사진을 제공한다. 도 6b는 성장 5일 후 어린 양의 사진을 제공한다.
도 7a는 본 발명 장치의 예에 대한 개략 다이어그램을 제공한다. 도 7b는 본 발명 장치의 예에 대한 사진을 제공한다. 도 7c는 본 발명 장치의 회로 예에 대한 사진을 제공한다.
도 8a-8f는 태아의 생화학 및 혈류역학 파라미터의 안정성을 보여준다. pH(도 8a) 및 CO ₂ 와 O ₂ 의 분압(도 8b)에 대한 경동맥 샘플링을 보여준다. 또한, 300 시간 동안 기록된, 태아 심박수(도 8c), 수축기 혈압(도 8d), 산소공급기로 FiO ₂ 전달(도 8e), 및 회로 유량(도 8f)을 보여준다. 에러 바(error bar)는 5회 독립 실험을 나타낸다.
도 9는 수축기 혈압(mmHg)과 회로 유량(ml/min) 사이의 직선 관계를 보여주는 그래프를 제공한다. 에러 바는 4회 독립 실험을 나타낸다.
도 10a-10d는 본 발명에 의한 태아 성장과 대사를 보여준다. 도 10a는 태아 인큐베이션 동안 체중 증가를 보여준다. 도 10b는 증가한 동맥 PaCO ₂ 수준에 대한 태아 호흡 반응을 보여준다. 도 10c는 태아의 초음파 심장 검사에 의해 확인된 동맥관의 열림(백색 화살표)을 보여준다. 도 10d는 인큐베이션 동안 태아의 산소 소비량을 보여준다.
도 11a-11d는 어린 양의 성장과 발달을 보여준다. 도 11a는 1일 차(GA 120일) 태아 양의 사진을 제공한다. 도 11b는 14일차(GA 134 일) 태아 양의 사진을 제공한다. 도 11c는 14일 후 파라핀 포매된(paraffin-embedded) 태아 폐의 헤마톡실린과 에오신(H&E) 염색에 대한 영상을 제공한다. 도 11d는 인큐베이션 6개월 후 어린 양의 정상 성장과 발달에 대한 사진을 제공한다.

호흡 부전은 여전히 중증 미숙아의 생존에 대한 주요 과제이다. 진행 중인 성장과 발달을 지원하는 자궁 외 장치의 개발은 이러한 환자의 관리에서 변화하는 패러다임을 나타낼 것이다. 인공 태반의 개념은 50년 이상 전에 처음 도입되었으나, 종래의 펌프 지원 체외 산소화 시스템을 사용하는 다양한 연구에서는 순환 과부하와 심부전으로 인해 제한적인 성공을 거두었다. 펌프 없는 산소화 회로는 충전(priming) 용량과 분포 용량 감소, 혈전형성 표면에 혈액의 더 짧은 노출, 및 태아 심장 자체에 의해 혈류와 혈압의 선천적인 조절 달성을 포함하여, 현 ECMO 기술에 비해 장점을 기대하도록 오랫동안 심사숙고되었다. 그러나 이러한 회로의 개발은 여전히 달성하기 힘들며, 일부 잘 디자인된 연구는 급속 순환 부전을 초래한다. 본원에서, 펌프 없는 인공 태반에 의해 안정한 혈류역학, 태아 순환 유지, 및 정상 성장과 대사로서 자궁 외 태아 양의 완전한 생리적 지원이 보고되어 있다. 이는 태아 태반 회로와 비슷한 방식으로 전신 순환의 자기 조절로서 자궁 외 환경에서 태아의 장기 유지에 대한 첫 번째 성공적인 실례이다.

조산은 다수의 이유 중 어느 한 이유로 인해 일어날 수 있다. 예를 들어, 조산은 막의 조기 파열(PROM, preterm rupture of the membranes), 짧은 자궁경부와 같은 구조적인 자궁 특징으로 인해, 외상성 또는 감염성 자극 다음에, 또는 다태 임신으로 인해 자연적으로 일어날 수 있다. 조기 진통과 분만은 또한 태아 경검사 또는 태아 수술이라는 상황에서 빈번히 직면하며, 여기서 자궁의 기구는 흔히 최대 자궁수축 억제 요법에도 비제어 진통을 자극한다.

2010 CDC National Vital Statistics Report에서는 미국에서 지난 10년에 걸쳐 28주 미만의 임신 기간에서 출생률이 연간 대략 0.7%, 또는 30,000 출생에서 안정하게 유지되었다고 언급하고 있다. 유사하게는, 미국에서 지난 10년에 걸쳐 28-32주 임신 기간에서 출생률이 연간 1.2%, 또는 50,000 출생에서 안정하였다. 선천성 횡경막 탈장, 양수 과다, 또는 배벽 결손 다음에 폐 형성 부전이 있는 환자가 또한 상당하다. NBDPN(National Birth Defects Prevention Network)에서는 미국에서 10,000 생아 출생당 0.9 내지 5.8, 또는 연간 대략 375-2,500 출생의 선천성 횡경막 탈장의 연간 발생률을 보고하고 있다. 폐 형성 부전의 다른 원인에 대한 발생률은 잘 기록되어 있지 않다.

생존에 영향을 미치는 조숙한 태아의 주요 생리적 제한은 가스 교환을 가능하게 하는 폐 성장과 성숙 부족으로 인한 폐 기능부전이다. 태아의 체외 산소화를 위한 장치의 개발은 완전 인공 태반을 향해 주요 이정표를 나타낼 것이다. 동물 모델에서 태아의 적절한 산소화를 달성하는 이전 시도에서 펌프 지원이 있는 종래의 체외 막 산소화(EMOC)를 사용하였고, 처리 동물에서 순환 과부하와 심부전에 의해 제한되었다. 레오마(Reoma) 및 그의 공동 연구가(J. Ped. Surg. (2009) 44:53-59)]는 저 저항성 산소공급기(MC3; 미국 미시건주 앤 아보)를 사용한 동맥 정맥 체외 생명 유지 시스템을 설명하고 있다. 그러나 레오마 및 그의 공동 연구가의 펌프 없는 장치는 7 마리 태아 중 2 마리가 3 시간 이내에 죽고, 나머지 태아는 4 시간 이내에 태아 고혈압, 서맥 및 산증을 나타냈기 때문에 성공적이지 못했다. 4 시간 기간 중에, 레오마 및 그의 공동 연구가는 경시적으로 장치 플로 감소, 산소 전달 감소, 및 대동맥류 감소를 관찰하였고, 결국 적절한 장기 지원을 위해 펌프 포함이 필요하였다고 결론을 내렸다.

본 발명의 장치는 자궁 외 세팅에서 태아 생리를 유지하면서 태아의 지원과 진행 중인 성장 및 기관 성숙을 가능하게 한다. 장치는 실질적으로 조숙과 복합 폐 병변과 관련한 사망률, 유병률 및 비용을 줄인다. 사실상, 의학연구소(IOM, Institute of Medicine)에 의한 2007 보고서(Behrman et al., ed., Institute of Medicine (US) Committee on Understanding Premature Birth and Assuring Healthy Outcomes; Washington DC: National Academies Press; 2007)에서는 조산과 관련한 비용을 2005년에만 $262억을 넘고, 비용 대부분은 집중 치료 세팅에서 처음 의학적 관리 중에 일어난다고 평가하고 있다.

본 발명에 따라, 태아 심장은 회로와 산소공급기를 통한 플로를 움직이는데 사용된다(즉, 이것은 펌프 없는 장치이다). 펌프 없는 장치의 사용으로 무맥동 펌프 보조 회로에서 직면하는 과도한 전부하에 태아 심장의 노출을 방지한다. 펌프 없는 장치는 또한 유동력의 고유 태아 순환 조절을 가능하게 한다. 본 발명의 산소공급기는 바람직하게는 초저 저항성이며, 충전 용적과 막간 압력 강하가 낮고, 효율적인 가스 교환을 제공한다. 특정 실시형태에서, 산소공급기는 혈류 1.5 l/min에서 압력 강하가 약 50 mmHg 또는 약 40 mmHg 미만이다. 특정 실시형태에서, 산소공급기의 충전 용적은 약 100 ml 미만, 특히 약 85 ml 미만이다. 특정 실시형태에서, 산소공급기는 혈류 범위가 2.0 l/min까지, 약 2.5 l/min, 약 2.8 l/min, 또는 그 이상이다. 특정 실시형태에서, 산소공급기는 O ₂ 에 대해 가스 이동 속도가 약 150 ml/min, 약 160 ml/min, 약 180 ml/min, 또는 그 이상이다. 특정 실시형태에서, 산소공급기는 중공 섬유 막 산소공급기(예를 들어, 폴리메틸 펜텐 중공 섬유 막 산소공급기)이다. 특정 실시형태에서, 산소공급기는 항응고 수단/화합물(예를 들어, 고정화 폴리펩티드 및/또는 헤파린)과 연결된다. 특정 실시형태에서, 산소공급기는 쿼드록스-iD ^TM (Quadrox-iD ^TM ) 소아 산소공급기(Maquet; 미국 뉴저지주 웨인)이다.

본 발명의 대상은 만기산아와 조산아를 포함하여, 유아일 수 있다. 조산아는 미숙아(즉, 37주 미만의 추정 임신 기간, 특히 28-32주), 극도 미숙아(즉,24-28주), 또는 자궁외에서 생존 가능하게 되기 전의 태아(예를 들어, 20-24주)일 수 있다. 다른 동물의 상응하는 조산아가 사용될 수 있지만, 임신 기간은 인간에 대해 제공된다. 특정 실시형태에서, 조산아는 잠재하는 선천성 질환이 없다. 특정 실시형태에서, 만기산아 또는 조산아는 예를 들어, 폐 형성 부전 또는 폐 발달에 영향을 미치는 선천성 기형, 예컨대 선천성 횡경막 탈장으로 인해, 폐 가스 교환에 대한 능력이 제한된다. 특정 실시형태에서, 대상은 예를 들어, 선천성 폐 질환(예를 들어, 기관지 폐포 형성 이상, 계면활성 단백질 B 결핍, 등)로 인해 폐 이식을 대기하는 조기 또는 만기 신생아이다. 이러한 이식 수술은 현재 미국에서 좀처럼 실행되고 있지 않다(Huddleston et al. (2002) Ann Surg., 236:270-6). 그러나 이식 수술의 수는 본 발명에 의해 제공되는 폐 지원을 위한 더 안정한 방법에 의해 증가할 것이다. 대상은 또한 중증 기도 병변과 확정 절제 전 장기 예상 코스에 있는 환자를 포함하여, 분만 중 자궁 외 치료(EXIT, ex utero intrapartum treatment) 출산을 위한 후보자일 수 있다. 대상은 또한 특히 조기 분만을 촉진하는 조기 진통이 있는, 태아 수술 또는 태아 경검사 과정 환자일 수 있다. 대상은 본 발명의 장치에서 필요한 만큼 오랫동안(예를 들어, 며칠, 몇 주 또는 몇 달 동안) 유지될 수 있다.

본 발명의 특정 실시형태에서, 캐뉼라(cannula)를 대상의 대경부 혈관(예, 경동맥)에 배치하여 대상이 순환계를 산소공급기에 연결한다. 대경부 혈관에의 배치는 배꼽 혈관에서 혈관 경련과 캐뉼라 불안정성 문제를 방지한다. 산소공급기와 캐뉼라 사이의 연결관(connective tubing)은 바람직하게는 대상 외부에 혈액 용적을 줄이기 위해 실행할 수 있는 한 짧고, 좁다. 그러나 대상의 잠재 운동은 관 길이에서 고려되어야 한다. 특정 실시형태에서, 관은 캐뉼라로부터 산소공급기까지 약 12 인치 이하이다. 특정 실시형태에서, 관은 항응고 수단/화합물(예를 들어, 고정화 폴리펩티드 및/또는 헤파린)과 연결된다(즉, 관은 항응고성이 있다). 이후 설명되는 바와 같이, 캐뉼라의 외부 부분에 슬리브(sleeve)가 장착될 수 있다(예를 들어, 안정화 봉합사(stabilizing suture)의 장력 증가를 가능하게 하기 위해). 슬리브는 실리콘으로 제조될 수 있으며, 예를 들어, 길이가 약 1-10 cm, 특히 길이가 약 3-5 cm일 수 있다. 캐뉼라는 동물에 봉합되어(예를 들어, 장착된 슬리브를 통해) 이들을 동물의 경부에 고정시킬 수 있다.

본 발명의 특정 실시형태에서, 산소공급기 장치는 혈액으로 충전된다. 산소공급기 장치는 예를 들어, 모체 혈 및/또는 태아 혈로 충전될 수 있다. 태아 헤모글로빈에 의한 산소공급기의 충전은 막 전체에 걸쳐 최적 산소 교환을 가능하게 한다. 사실상, 태아 산소 해리 곡선은 좌측으로 이동되며, 태아 동맥 산소압이 성인 동맥 산소압보다 낮다는 것을 의미한다. 특정 실시형태에서, 혈액은 헤파린을 포함한다.

특정 실시형태에서, 산소공급기로 가스 유입물(gas inflow)은 의료용 공기 및 산소와 혼합된다.

특정 실시형태에서, 대상을 인큐베이터에 맡긴다. 특정 실시형태에서, 인큐베이터는 대상이 잠기도록(예를 들어, 자궁 내 환경에 근사하는) 멸균액으로 채운 챔버이다. 인큐베이션 챔버를 밀봉하여 내부의 멸균액 오염을 방지할 수 있다. 특정 실시형태에서, 챔버의 상부는 착탈가능하거나 대상에게 접근을 가능하게 하는 뚜껑이다. 그러나 상부는 챔버의 잔여 부분에 밀봉가능해야 한다(예를 들어, 개스킷을 통해). 특정 실시형태에서, 챔버는 강성 구조물 예컨대 유리, 금속, 또는 불활성 의료 등급 플라스틱 또는 실리콘으로부터 제조된 박스 또는 통이다. 특정 실시형태에서, 챔버는 백 또는 주머니이며(예를 들어, 불활성 의료 등급 플라스틱 또는 실리콘으로 제조된; 수밀성), 이로써 양막낭을 모사한다. 챔버는 대상을 챔버 내에 올려놓는 걸거나 매달린 메시 또는 해먹을 포함할 수 있다(예를 들어, 도 11a 및 11b 참조). 거는/매달린 메시(예를 들어, 슬링(sling) 또는 해먹)는 태아 불안을 줄이며, 이로써 태아 움직임과 부착된 프로브 또는 캐뉼라의 가능한 파괴 또는 분리를 줄인다. 거는/매달린 메시(예를 들어, 슬링 또는 해먹)는 멸균 및 불활성 의료 등급 재료 예컨대 금속 또는 나일론으로 제조될 수 있다. 인큐베이션 챔버는 또한 대상에게 무균 접근을 가능하게 하는 글러브 포트(glove port)를 포함할 수 있다(예를 들어, 챔버 내부 내에서 평온해지거나 물체에 접근하는 대상의 포대기 감싸기를 위해).

인큐베이션 챔버 내에서 멸균액은 양수, 멸균 인공/합성 양수, 락테이트화 링거액, 등일 수 있다. 멸균액은 항생제(예를 들어, 페니실린) 및/또는 라이소자임을 함유할 수 있다. 멸균액 및/또는 인큐베이터는 대상의 체온을 유지도록 가열할 수 있다. 멸균액을 인큐베이터의 외부에서 가열하고, 따뜻하게 펌핑할 수 있고/있거나 챔버 내에서 가열할 수 있다. 특정 실시형태에서, 따뜻한 액체(예를 들어, 물)를 챔버 내에서 밀폐 유닛(예를 들어, 관(예, 실리콘), 특히 루프 또는 코일 형태로)으로 펌핑하고, 다시 펌핑하기 전에 히터로 되돌린다. 특정 실시형태에서, 따뜻한 액체를 약 50℃에서 히팅 코일로 펌핑한다.

특정 실시형태에서, 인큐베이터 챔버 내 유체는 펌프와 1개 이상의 여과기에 연결되어 있다(예를 들어, 챔버에서 대상으로부터 배설되는 미립자 물질을 제거하기 위해). 특정 실시형태에서, 장치는 여과기 사이에 임의의 여과기 장애물의 신속한 확인을 가능하게 하는 압력 게이지가 임의로 있을 수 있는 일련의 여과기를 포함한다. 여과 시스템은 또한 UV 유체 여과기를 포함할 수 있다. 여과기 장치의 예는 도 4에 도시되어 있다. 30 마이크론 여과기, 5 마이크론 여과기, 및 0.15 마이크론 여과기와 연속으로 연결되는 전체 잔해 여과기(gross debris filter)가 도 4에 도시되어 있다. 여과 시스템은 세공 크기가 다양한 임의 수의 여과기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 여과 시스템은 1 마이크론 여과기, 30 마이크론 여과기, 1 마이크론 여과기, 5 마이크론 여과기, 0.2 마이크론 여과기, 및 0.15 마이크론 여과기와 연속으로 연결되는 전체 잔해 여과기를 포함할 수 있다. 또 다른 여과기 장치의 예는 도 7a에 도시되어 있으며, 여기서 펌프는 100 ㎛ 여과기와 UV 광에 연결된다.

특정 실시형태에서, 인큐베이터 챔버 내 유체는 1일 약 1 내지 약 10 회, 특히 1일 약 1 내지 약 5 회 또는 1일 약 2 내지 약 4 회 교환된다. 멸균 유체는 적어도 한 포트에 의해 챔버로 펌핑될 수 있다. 유체는 적어도 한 포트를 통해 챔버로부터 제거될 수 있으며, 여기서 유체는 펌프를 사용하여 챔버로부터 제거될 수 있다. 교환 장치의 예가 도 7a에 도시되어 있으며, 여기서 펌프는 멸균 유체를 제1 포트에서 챔버로 이동시키고, 제2 펌프는 오래된 유체를 제2 포트를 통해 챔버로부터 제거한다. 특정 실시형태에서, 본 발명의 장치와 방법은 유체의 무균 상태를 유지하기 위해 유체 교환 및/또는 여과를 사용한다(예를 들어, 유체 교환은 결합 사용이 무균 상태를 확대할 것이지만, 보충 여과 없이 사용될 수 있다).

특정 실시형태에서, 대상은 인큐베이션 챔버에 있는 동안 공급 관을 통해 또는 IV로 영양 지원을 받는다. 대상에게 또한 이동을 제한하기 위해 진정제가 투여될 수 있지만, 본 발명은 챔버 내에서 약간의 이동을 허용하며, 따라서 진정제가 필요하지 않을 수 있다. 대상에게 또한 항생제(예를 들어, 암피실린, 겐타마이신, 등)가 투여될 수 있다. 대상에게 또한 항응고제(예를 들어, 헤파린)가 투여될 수 있다. 대상에게 또한 프로스타글란딘(예를 들어, 프로스타글란딘-E1 또는 E2)가 투여될 수 있다. 대상의 활력 징후, 체중, 간 기능, 및 혈류가 또한 전형적으로 검측된다. 빌리루빈 농도가 또한 검측될 수 있다.

도 1과 7에서는 본 발명 장치의 예를 보여준다. 도 7a는 본 발명 장치의 예에 대한 구성도를 제공한다. 장치는 단일 유닛일 수 있거나 상호접속 관이 있는 별도 하우징 유닛을 포함할 수 있다. 또한, 도시한 장치는 어린 양을 위해 적합한 크기이다. 장치는 대상의 크기에 적합한 크기일 수 있다. 예를 들어, 장치는 인간 대상에 대해 약 1/3 크기일 수 있다.

도 2는 인큐베이션 챔버의 클로즈업을 제공한다. 인큐베이션 챔버는 임의 수의 입구와 출구를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 챔버는 내부에서 멸균액을 순환시키기 위해 1개 이상의 입구와 1개 이상의 출구를 포함한다. 인큐베이션 챔버는 또한 대상에게 멸균 접근을 가능하게 하는 글러브 포트를 포함할 수 있다(예를 들어, 챔버 내부 내에서 평온해지거나 물체에 접근하는 대상의 포대기 감싸기를 위해). 챔버는 또한 대상에게 IV 라인을 위한 1개 이상의 포트를 포함할 수 있다. 챔버는 또한 여러 가지 관찰 장치 중 임의 장치에 접근을 가능하게 하는 여러 가지 포트(예를 들어, 재밀봉형 포트)를 가질 수 있다. 예를 들어, 챔버는 초음파 장치 및/또는 투석 유닛에 접근을 가능하게 하는 포트를 가질 수 있다. 챔버는 또한 UV 광 유닛(예를 들어, 황달을 치료하기/억제하기 위해)을 포함할 수 있다.

도 3은 임의 건조실 내에 포함되는 산소공급기의 영상을 제공한다. 도 5와 7c는 건조실 없이 산소공급기가 있는 회로 디자인의 예를 보여준다. 이 챔버는 단일 유닛에서 분할기에 의해 인큐베이터 챔버로부터 분리되어 있는 것으로서 보이지만, 이 둘은 개별 유닛으로 분리될 수 있다(비록 필수 관 등에 의해 연결되어 있더라도). 대상으로부터 캐뉼라는 건조실 내에서 또는 건조실의 포트를 통해 산소공급기에 직접 연결될 수 있다. 건조실은 또한 기류를 산소공급기에 연결하는 1개 이상의 포트를 포함할 수 있다. 포트는 건조실 내 관을 통해 산소공급기에 연결될 수 있다. 도 3은 또한 관과 산소공급기를 통해 순환되는 혈액의 온도를 유지하는 것을 돕도록 건조실에 히터(예를 들어, 따뜻한 액체와 관을 통해)의 부가를 위한 추가 포트를 보여준다. 추가로, 산소공급기로 및/또는 산소공급기로부터 관은 모니터(예를 들어, 온도 모니터, 가스 함유량 모니터, 등)에 결합할 수 있다.

도 7a는 본 발명 장치의 예에 대한 구성도를 제공한다. 챔버는 장치의 온도를 유지하는 수조 내에 위치한 통으로서 도시되어 있다. 인큐베이션 챔버는 챔버 내부에 무균 접근을 위해 챔버 상부에 2개의 글러브/핸드 포트와 함께 도시되어 있다(포트는 챔버 측면을 포함하여, 어느 곳에나 위치할 수 있지만). 챔버는 멸균 양수액의 펌프 유입을 위한 입구 포트 및 사용된/오래된 양수액의 제거를 위한 출구 포트를 포함한다. 챔버는 또한 세균과 오염 물질의 제거를 위한, 펌프, 1개 이상의 여과기, 및 UV 여과기를 포함하는 여과 시스템이 있는 것으로서 도시되어 있다. 챔버는 또한 대상이 놓일 수 있는 메시를 도시한다. 도 7a는 또한 특히 대상의 경부 혈관으로 캐뉼라를 통해 대상의 혈액 장치와 유체 연결되는 산소공급기(Ox)를 도시한다. 산소공급기는 공기와 산소를 빨아들이는 가스 혼합기에 연결되어 있다. 산소공급기 장치의 관은 대상의 혈류로 화합물(예를 들어, 영양소, 항생제, 약물 등)의 도입을 위한 1개 이상의 포트를 포함할 수 있다. 압력, 플로, 및 온도를 측정하기 위한 것과 같은 모니터는 산소공급기 장치 및/또는 대상에 직접 연결될 수 있다.

정의

단수 형태("a", "an", 및 "the")는 문맥이 명백히 다른 것을 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "숙주", "대상", 및 "환자"는 임의 동물, 특히 인간을 포함하는 포유동물을 의미한다.

하기 실시예는 본 발명의 다양한 실시형태를 예시하기 위해 제공된다. 실시예는 예시적이며, 본 발명을 어느 식으로든 한정하는 것으로 의도하지 않는다.

실시예 1

본 발명의 방법을 사용하여 조산 어린 양(28주)을 장치에서 유지시켰다. 8F 내지 10F 동맥 ECMO 캐뉼라를 경동맥과 내경정맥에 넣었다(수술 시 선택된 크기). 캐뉼라에 연결되는데 유출 및 유입 시 대략 12 인치의 ECMO 관을 사용하였다. 제공된 영양 보급은 총 비경구 영양이었다. 도 6a는 장치에 연결된 어린 양의 영상을 제공하며, 도 6b는 성장 5일 후 어린 양을 보여준다. 5일간 조산 어린 양의 성장은 자궁 밖에서 태아를 유지하는 본 발명의 능력을 입증한다.

실시예 2

조산의 합병증은 상당한 유병률과 사망률을 초래하며, 모든 유아 사망의 3분의 1은 생존자에서 대부분의 주요 기관 계에 영향을 미치는, 미숙과 만성 후유증에 기인한다. 2010년에, 모든 미국인 출생 중 12.0%는 조산(37주 완전 임신 미만)이었고, 3.5%는 조기 조산(34주 임신 미만)이었다(Martin et al. (2013) MMWR Surveill. Summ., 62(Suppl 3): 136-138). 중증 조산 신생아에서 가스 교환이 폐의 구조적 및 기능적 미숙에 의해 손상되므로, 호흡 부전은 이들 환자가 직면한 가장 흔하고, 도전적인 문제점을 나타낸다. 출산 전 스테로이드 투여, 계면활성제 대체, 폐 혈관확장 요법, 및 고빈도 진동 환기를 포함하는 신생아 집중 치료에서 발달은 향상된 경과를 달성하였고, 생존력의 한계를 22 내지 24주 임신에서 폐 발달에 대해 세관 상에서 소낭 상으로 이행까지 밀어 올렸다. 그러나 대부분 주요 기관 계의 불완전 발달은 많은 환자에서 생존적이고, 최적 기능적 경과에 대한 제한으로 남아 있다. 출산 후 집중 치료에 의해 유발되는 혼란 없이 진행 중인 태아 성장과 발달을 지원하는 자궁 외 장치의 개발은 중증 미숙아의 생존 기회를 제공할 것이며, 잠재적으로 사망률과 장기 유병률을 줄일 것이다.

태아의 체외 막 산소화(ECMO)의 개념은 선천적 태아 생리와 유사성으로 인해 매력적이며, 체외 가스 교환은 태반에 의해 수행된다. 인공 태반은 태아 양에게 배꼽 혈관을 통해 캐뉼라 삽입하였고, 관류가 40분 내지 2일간 지원되면서, 제1 세대 버블 막 산소공급기에 의해 관류된 일련의 짧은 실험에 의해 60년대 이래 실험 과제이었다(Callaghan et al. (1963) Circulation 27:686-690; Zapol et al. (1969) Science 166:617-618). 다음 20년 이상 산소공급기와 펌프 기술에서 실질적인 향상으로 인해, 종래의 펌프 구동 ECMO 회로를 사용하여 자궁 외 태아 생명 유지 기간은 증가하였으며, 순환 부전의 발병 전 3주까지 운행이 지속되었다(Kuwabara et al. (1986) Artificial Organs 11 :224-277; Kuwabara et al. (1989) Artificial Organs 13:527-531 ; Unno et al. (1993) Artificial Organs 17:996-1003; Unno et al. (1997) Artificial Organs 21 : 1239-1246). 생존 시간에서 이러한 연장에도, 이들 연구는 순환 과부하와 심부전에 의해 제한되었고, 유체 과부하 상태의 발생과 실험 동물의 사망을 초래하였다.

종래의 펌프 구동 정맥 동맥 ECMO 회로의 일부 특징은 태아의 지원에 이러한 기술의 적용에 대한 도전을 나타낸다고 생각된다. 회로의 큰 충전 용적은 선천적 태반 비축(reserve)의 과잉보다 실질적으로 더 크며, 분포 용적의 증가를 초래한다. 펌프 지원 무맥동 플로는 또한 플로의 선천적인 자기 조절 상실 외에, 상당히 증가한 심 후부하 및 그 결과 얻어지는 심근 긴장에 대한 가능성과 함께, 선천적인 태아 생리로부터 이탈을 나타낸다. 끝으로, 이러한 회로의 큰 표면적은 높은 수준의 전신 항응고에 대한 조건을 야기한다. 펌프 없는 회로는 현 ECMO 기술에 비해 충전 용적과 분포 용적 감소, 혈전형성 표면에 혈액의 더 짧은 노출, 및 태아 심장 자체에 의해 혈류와 혈압의 선천적인 조절 달성을 포함하여 장점을 제공할 수 있다.

펌프 없는 체외 산소화 시스템의 개발은 여전히 달성하기 힘들다. 펌프 없는 장치에서 태아 산소화를 달성하는 5회의 시도만이 문헌에 기록되었고, 모두 혈류 속도 감소 다음의 수분 이내 내지 29 시간까지의 태아 사망 및 인공적으로 관류를 지속하는 혈압 상승 지원에 대한 조건으로서, 궁극적으로 성공적이지 못한 시험이었다(Awad et al. (1995) J. Invest. Surg., 8:21-30, Reoma et al. (2009) J. Pediatr. Surg., 44:53-59; Mima et al. (2012) Pediatr. Res., 72:490-494; Schoberer et al. (2014) Artificial Organs 38:208-14).

체외 막 기술에서 최근 기술적 발달로 태반 자체의 특성을 더 양호하게 반복하는, 충전 용적이 낮고, 가스 교환이 고 효율적인 예외적으로 낮은 저항성 장치를 만들었다. 특히, 마켓쿼드록스(MaquetQuadrox)-ID 소아 산소공급기는 회로를 통해 플로를 움직이는 타고난 심장을 사용하여 태아 혈액의 펌프 없는 산소화를 달성하는 가능성을 지원한다. 이러한 산소공급기는 소아 환자에서 펌프 없는 인공 폐로서 성공률이 양호하게 적용되었다(Boston et al. (2013) J. Thorac. Cardiovasc. Surg., 146:e42-e43). 본원에서, 한 연구 방법은 선천적인 태아 혈류역학을 모사하는, 태아 심장이 펌프로서 역할하게 하는 변형된 펌프 없는 회로를 사용하여 태아 혈액 산소화 및 안정한 혈류역학을 유지하는 것이 요구되었다. 주요 과제는 선천적인 태아 순환에 의해 자기 조절되는 안정한 관류를 달성하는 것, 멸균 유체가 침지된 자궁 내 환경을 모사하는 것, 및 적절한 태아 성장과 발달을 용이하게 하는 것을 포함하였다.

본원에서, 정상 성장, 대사, 및 자기 조절된 태아 순환의 유지와 함께, 3주까지 포유동물 태아의 안정한 장기 인큐베이션을 얻는 펌프 없는 자궁 외 태아 생명 유지(PEFLS, pumpless extrauterine fetal life support)의 제1 실례가 제공된다.

방법

수술 과정

시간 일부 임신 암양을 임신 기간 120 내지 135일(만기=145일)에서 사용하였다. 필라델피아 아동 병원의 동물 실험 관련 위원회(IACUC, Institutional Animal Care and Use Committee)에 의한 승인된 프로토콜에 따라 동물을 처리하였다.

O ₂ 중 2-4% 흡입된 이소플루란에 의한 전신 마취를 유지하면서, 15 mg/kg의 근육 내 케타민으로 암양을 마취하였다. 수술 중 혈류역학 관찰은 모체 유체 평형을 유지하기 위해 우측 경정맥에 배치된 중심 정맥 라인을 통해 투여된 등장 식염수의 일정 주입과 함께 맥박 산소 측정법을 포함하였다.

하부 중심선 개복술로 자궁을 노출시켰고, 소규모 제왕절개를 실시하여 태아 양의 머리와 목을 노출시켰다. 쌍생 어린 양의 세팅에서, 태아 혈액을 도너(donor) 동물로부터 수집하여 회로를 충전하였다. 도너 동물에 작은 우측 목 절개부를 만들어 경정맥을 노출시켰고, 근육 내 1회 투여량의 부프레노르핀(0.005 mg/kg)과 정맥 내 1회 투여량의 나트륨 헤파린(150 USP 단위, 에이피피 파마슈티칼즈(APP Pharmaceuticals), 미국 일리노이주 샴버그)이 투여되었고, 이어서 작은 우측 목 절개부를 만들어 경정맥을 노출시켰고, 카테터를 배치하여 동물의 전체 혈액 용량의 수집을 가능하게 하였다. 단생 어린 양의 세팅에서, 모체 혈액을 수집하여 회로를 충전하였다. 모든 동물에서, 모체 혈액을 수집하여 운행 중 후속 수혈 요건을 위해 보관하였다.

실험 어린 양에게 작은 우측 목 절개부를 만들어 경동맥과 경정맥을 노출시켰다. 동물은 근육 내 1회 투여량의 부프레노르핀(0.005 mg/kg)과 정맥 내 1회 투여량의 나트륨 헤파린(150 USP 단위)을 받았다. 각 혈관이 수용하는 최대 캐뉼라 크기를 결정한 후, ECMO 캐뉼라를 배치하였고(크기 범위 8-12 Fr, 아발론 라보라토리즈사(Avalon Laboratories, LLC), 캐나다 란초 도밍게즈), 안정화 봉합사를 목에서 캐뉼라 외부 길이를 따라 배치하였다. 동물 일부에서, 캐뉼라의 외부 부분에 3-5 cm의 실리콘 '슬리브'를 갖춰 안정화 봉합사의 장력 증가를 가능하게 하였다. 동물 일부에 또한 절연된 다연선 스테인리스강 와이어 전극을 배치하여 눈의 근전도 검사(EOG) 및 뇌전도 검사 활동을 측정하였다. EMG 와이어 전극을 한쪽 눈의 안와 위에 놓인 근육의 상부 가장자리와 하부 가장자리에서 피하로 이식하였고, 한 쌍의 EEG 전극을 방시상 두정 피질 위 경막에 배치하고, 시아노아크릴레이트 접착제로 고정하였고, 기준 전극을 후두부 위에 꿰맸다.

하기에 기재한 바와 같이 산소공급기회로의 구성과 혈액 충전 후, 태아 심장의 연속 초음파검사 가시화 하에 회로에 캐뉼라를 연결시켰다. 회로를 통한 혈류의 확립 후 즉시 탯줄 폐색을 실시하였고, 회로 플로의 확립 후 즉시 열악한 심장 수축성을 나타내는 동물 일부에 추가 혈액 용량 및/또는 아트로핀(0.1 mg) 및/또는 에피네프린(0.1 mg)을 투여하였다. 안정한 심장 기능과 회로 혈류를 확인한 후, 캐뉼라의 외부 길이를 따라 정지 봉합사(stay-suture)를 배치하여 이들을 동물의 목에 고정시켰다. 이어서 태아 양의 체중을 측정하고, 따뜻한 멸균 식염수 조에서 세척하며, 기재한 바와 같이 추가 관리를 위해 멸균 유체 인큐베이터에 옮겼다.

자궁에서 양 태아의 기본 데이터를 생성하기 위해, 118일 임신 기간에서 2 마리의 시간 일부(time-dated) 임신 암양에 상기에 기재한 바와 같이 태아 혈관 카테터와 전극의 이식을 위한 개복술을 시행하였다(Crossley et al. (1997) Reprod. Fertil. Dev., 9:767-73). 간략하게는, 전신 마취의 도입과 태아의 노출 후, 양막 낭에 배치된 기준 카테터 외에, 카테터를 태아 경동맥과 경정맥에 이식하였고, 이어서 상기에 기재한 바와 같이 EOG와 이중 EEG 와이어 전극을 배치하였다. 이들 연구를 위해 추가로, EMG 와이어 전극을 목덜미와 횡경막 근육에 배치하였다. 2개의 전극이 1.0 cm 떨어져 꿰맨 중간 겨드랑이 절개부로부터 후방 좌측 횡경막을 접근시켰고, 반면에 단일 전극을 목의 긴 근육에 꿰매 목덜미 활동도를 기록하였다. 모체 옆구리를 통해 태아 카테터와 전극을 노출시켰고, 자궁과 복부를 닫았다. 48-72 시간 회복기 후, 태아 관찰을 위해 어린 양을 수용 케이지에 옮겼다.

회로

펌프 없는 자궁 외 태아 생명 유지(P-EFLS) 회로는 3/16" BIOLINE 헤파린 피복 메드트로닉 관(메드트로닉(Medtronic), 미국 미네소타주 미네아폴리스)에 의해 ECMO 캐뉼라에 연결된 저 저항성 중공 섬유 산소공급기(쿼드록스-ID ^TM , 마켓(Maquet), 독일 라스타트)로 이루어졌다. 동맥 정맥 체외 산소화 회로로서 연결이 확립되었고, 박동성 전신 혈압 하에 경동맥 유출물은 산소공급기 유입 포트에 연결되었으며, 환류는 유출 포트에 연결되었다. 충전 용적은 81 mL이었고, 이용할 수 있는 경우 헤파린화 태아 혈액을 사용하였으며, 단생 임신에 모체 혈액을 사용하였다. 회로 플로를 플로 프로브(트란소닉 시스템즈사(Transonic Systems Inc), 미국 뉴욕주 이타카)로서 측정하였고, 산소공급기에 공급된 세정 가스(sweep gas)는 태아 혈액 가스 값으로 적정된 의료용 공기와 산소의 블� ��딩된 혼합물이었다.

유체 인큐베이션

시험 인큐베이터 디자인은 멸균 합성 양수로서 채운 30 리터 가열된 스테인리스강 저장소("정지 저장소"), 일련의 멸균 여과기를 통해 유체가 연속 재순환하는 40 리터 폴리카르보네이트 탱크("재순환 여과"), 및 끝으로 멸균 유체의 연속 교환을 용이하게 하는 양두(double-head) 연동식 펌프 위에 고정된 유입관 및 유출관 내 60 리터 탱크("연속 교환")를 포함하였다. 후자 장치에서, 탱크의 완전 용적은 24 시간에 걸쳐 180 리터 저장소로부터 멸균 유입물에 의해 3중으로 대체된다. 합성 양수는 Na ⁺ (109 mM), Cl ^- (104 mM), HC0 ₃ ^- (19 mM), K ⁺ (6.5 mM), Ca ₂ ⁺ (1.6 mM), pH 7.0-7.1, 오스몰 농도 235.8 mOsm/kg의 물을 함유한 평형 염류 용액으로 이루어졌다. 항생제를 최종 농도 18 mg/L 겐타마이신과 30 mg/L 시프로플록사신으로 첨가하였고, 잠수가능한 UV 멸균기 펌프를 운행 내내 연속 재순환되고, 살균되는 유체 저장소에 넣었다.

회로에서 태아 양 관리

유체 인큐베이터로 동물의 안정화와 이동 후, 헤파린(시간당 80-200 USP 단위) 및 프로스타글란딘 E1(0.1 mcg/kg/min, 화이자사(Pfizer Inc), 미국 뉴욕주 뉴욕)의 지속 주사를 정맥 내로 투여하였다. i-Stat® 장치(아보트 포인트 오브 케어사(Abbott Point of Care Inc), 미국 뉴저지주 프린스톤)를 사용하여 혈액 가스 값, 전해질 값 및 응고 값을 위해 매 1-4 시간마다 혈액을 빼냈고, 180-200 초의 목표 활성화 응고 시간으로 헤파린 주사를 적정하였으며(시간당 100-400 USP 단위), O ₂ (PaO ₂ 20-30 mmHg) 및 CO ₂ (PaCO ₂ 35-45 mmHg)의 목표 태아 분압으로 산소공급기 세정 가스를 적정하였다(FiO ₂ 21-55%, 세정 가스 0.125-1.5 L/min). 태아 헤모글로빈 수준을 9 mg/dL 이상으로 유지하는데 저장된 모체 전혈을 사용하였다. 진통제(부프레노르핀, 필요에 따라 3-5 시간마다 0.005 mg/kg IV) 및 항불안제(미다졸람, 필요에 따라 3-5 시간마다 0.4 mg/kg IV)를 감지된 태아 가사(불안한 반복적 태아 움직임, 빈맥, 고혈압)의 기간 동안 투여하였다. 3.5 g/kg 아미노산(TrophAmine® 10%), 5-10% 덱스트로오스, 및 3 g/kg 지질(Intralipd® 20%)의 투여량으로서 완전 비경구 영양을 태아 인큐베이션 기간 내내 투여하였다.

데이터 수집

0.1 초마다 입력 샘플링하면서(input sampling) 태아 혈압, 심박수, 회로 유량, 막간 차압, 세정 가스 유량, 및 조 유체 온도를 계속 기록하였다(LabChart 5, AD Instruments Inc, 미국 콜로라도주 콜로라도 스프링즈). 산소 소비량과 호흡 지수를 매일 계산하였고, 산소 및 이산화탄소에 대한 산소공급기 배기 가스 함량을 측정하였다. 하기식을 사용하였다:

혈액 산소 함량(O ₂ C) = 1.34 x Hgb x SaO ₂ /100 + 0.003 x PaO ₂ (mmHg)

산소 운반(OD) = 막 후 O ₂ C x 회로 플로/100/체중

산소 소비량(OC) = (막 후 O ₂ C - 막 전 O ₂ C) x 회로 플로/100

산소 추출 속도(OER) = (OC/OD) x 100.

수술 48-72 시간 후 자궁에서 카테터 삽입된 태아 양의 관찰을 시작하였고, 140일 임신 기간에 실험 프로토콜의 완료까지 24 시간 간격으로 격일에 계속하였다. EEG, EMG 및 동맥압의 연속 다원 기록을 0.1 초마다 캡처한 데이터로서 기록하였다(LabChart 5, AD Instruments Inc, 미국 콜로라도주 콜로라도 스프링즈).

캐뉼라 제거

계획된 인큐베이션 기간의 완료 후, 동물을 유체 조로부터 전이시켜, 기관 내 삽관과 흡인하여 폐로부터 과량의 유체를 제거하였다. 100% O ₂ 에서 2-4% 흡입 이소플루란에 의해 전신 마취를 유지하였고, 수술 중 혈류역학 관찰은 말초 정맥 캐뉼라를 통해 투여된 등장 식염수의 지속 주입과 함께 맥박 산소 측정법을 포함하였다. 동맥 및 정맥 ECMO 캐뉼라를 혈관의 결찰에 의해 제거하였고, 목 절개부를 연속 흡수성 봉합사로 폐쇄하였다. 그 후 마취를 반전시켰고, 동맥 혈액 가스가 적절한 가스 교환을 나타내면서(흡입된 의료용 공기에서 PaO ₂ > 75 mmHg, PaCO ₂ < 50 mmHg, FiO ₂ 21%) 자발 호흡의 시작 시 동물에서 발관하였다.

결과

파일럿 연구

총 5회 파일럿 실험을 수행하여 PEFLS 회로에 대한 태아 안정성을 측정하였다(표 1). 태아 임신 기간은 120 내지 140일 범위이었고, 체중은 3.20 내지 4.89 kg 범위이었다. 모든 동물은 회로에서 지원 동안 상당한 혈류역학 안정성을 나타냈고, 산증 또는 락테이트 증가, 회로 플로 감소, 또는 순환 부전에 대한 징후는 없었다. 의외로, 2 마리의 동물이 PEFLS 회로로 태아 순환의 처음 개방 시 바로 서맥을 나타냈고, 정상 심기능을 회복하는데 에피네프린과 아트로핀의 투여를 필요로 하였다. 이러한 처음 이벤트 후, 동물들은 운행 중 어떤 시기에도 혈압 상승 지원을 필요로 하지 않았다. 모든 동물에 전신 항응고와 완전 비경구 영양에 대해 유지시켰다.

장기 태아 생존에 대한 일부 방해가 확인되었으며, 유체 인큐베이터의 세균 감염이 5 마리 동물 중 4 마리에서 알려졌다(표 1). 초기 파일럿 연구에서는 증발 손실에 대해 보상하는 데에만 재충전되는 멸균 양수로 채워지고, 내부 혼합이 없고, 항생제가 없는 따뜻한 개방 인큐베이터를 사용하였다. 12 시간 이내에, 이 인큐베이터 유체는 상당한 세균 과도 증식을 발생하였고, 회로에서 23 시간 후, 중도 폐 출혈을 발생하였다. 조직학에서는 폐 전체에 걸쳐 상당한 미만성 염증 변화를 확인하였고, 중증 세균성 폐렴과 일치하였다. 이어서 전체 잔해를 제거하고, 멸균성을 유지하도록, 세공 크기가 점점 가늘어지는(1 mm, 10 ㎛, 5 ㎛, 2 ㎛, 0.2 ㎛) 일련의 여과기를 통해 항생제(시프로플록사신 30 mg/L, 겐타마이신 18 mg/L)를 함유하는 양수를 재순환하는 폐쇄 장치로 유체 인큐베이터를 설계하였다. 이 인큐베이터로서 2회 연구를 실시하였다. 양쪽 경우에, 인큐베이션 48 시간 이내에 샘플링된 조 유체의 배양체에서 세균 증식이 확인되었다. 한 동물은 인큐베이션 기간 동안 증가하는 FiO ₂ 조건을 발생하였고, 초음파 심장 검사에서 동맥관의 상당한 수축이 있다고 밝혀졌으며, 상대정맥을 통해 산소화 혈액의 혼합 장해를 초래하였다. 제2 동물은 96 시간 인큐베이션 기간 동안 합병증이 없었으며, 140일 임신 기간(만기)에 분만하고, 캐뉼라 제거하였지만, 활기찬 자발 호흡 노력에도 부적합한 가스 교환이 있었음이 밝혀졌다. 양 동물은 세균혈증 뿐만 아니라 폐렴과 일치하는 상당한 폐 염증이 있었음이 밝혀졌다. 유체 교환이 연속인 폐쇄 멸균 장치를 설계하였고, 합성 양수가 일련의 0.22 ㎛ 여과기를 통과하여 인큐베이터로 들어가고, 유입 속도는 유출에 맞춰졌고, 60 리터 인큐베이터 용적의 완전 교환은 1일 2-4회이었다(도 7).

확인된 추가 기술적 제한은 에피네프린에 노출된 2 마리 동물에서 동맥관의 폐쇄, 항혈전성 코팅이 없는 관의 부분을 포함하는 회로에서 혈전 형성, 및 한 동물에서 출혈 사망이 일어난 외상 캐뉼라 제거를 포함하였다(표 1). 이들 발견으로 태아 션트(shunt)의 관리를 위해 프로스타글란딘-E2의 지속 주입 추가, 전적으로 항혈전 코팅된 관을 사용하는 회로의 완성, 및 고정 정지 봉합사의 안정화 증가를 가능하게 하는, 각 캐뉼라 위에 놓인 멸균 실리콘 슬리브의 추가를 유도하였다.

태아 생화학 및 혈류역학 파라미터

상기한 장치 개량의 완성 후, 5회 실험 동물을 PEFLS 회로에서 343.8+/-93.5 시간 동안 유지시켰다(표 2). 5회 독립 실험 동안 태아 혈액 가스, 혈류역학 및 회로 유량의 경향을 도 8에 요약한다. pH는 인큐베이션 기간 내내 안정하게 유지되었고(도 8a), 산소와 이산화탄소의 분압은 실험 과정 내내 목표 태아 수준에서 유지되었다(도 8b). 인큐베이션 기간 내내 기초 심박수는 안정하였지만(도 8c), 동물의 수축기 혈압은 꾸준히 증가하였고(도 8d), 예상 성장 속도와 일치하였다. 유사하게는, 회로 유량은 혈압 증가에 비례하여 증가하였고(도 8e), 목표 동맥 혈액 산소화 수준을 유지하는데 필요한 공급된 산소의 농도도 또한 꾸준히 증가하였으며, 태아 대사 요구 증가를 반영하였다(도 8f).

PEFLS에 대한 플로 특성

PEFLS 중 태아 플로는 동물의 수축기 혈압에 직선으로 관련되며(도 9), 박동성이고, 측정된 심박출량과 직접 연관된다. 회로 플로의 자기 조절은 세정 가스 플로의 회복 후 산소공급기로 감소한 세정 가스 플로와 기본 플로 및 혈압으로 정상화에 대응하여 수축기 혈압과 회로 플로에서 보상 증가로서, 일관되게 저산소증에 대응하여 입증되었다.

PEFLS에서 태아 성장과 대사

209 내지 490 시간 범위의 5회 독립 실험 동안, 동물은 평균 930+/-278 g 체중 증가하였다(도 10a). 태아 호흡 운동은 인큐베이션 기간 내내 규칙적인 것으로 알려졌으며, 전신 순환에서 측정된 이산화탄소의 분압과 연관되었다(도 10b). 초음파 심장 검사를 수행하였고, 동맥관을 포함하여, 태아 순환 션트의 개방을 확인하였다(도 10c). 전체 산소 소비량은 5회 독립 실험 동안 꾸준히 증가하였고(도 10d), 성장과 일치하였으며, 태아 대사 요구에서 증가와 비례하였다. 전 및 후 PEFLS 체중으로부터 생성된 성장 곡선으로부터 외삽된 예상 태아 체중으로 정상화 후, 산소 소비 속도가 인큐베이션 과정 내내 안정하게 유지되었음이 밝혀졌다.

수면 각성 사이클, 호흡 운동 및 전신 운동을 EEG, EOG 및 EMG에 의해 2 마리의 만성적으로 카테터 삽입된 태아 양에서 기록하였고, 동일 범위의 임신에 걸쳐 인공 태반에서 유지된 2 마리 어린 양과 비교하였다. 자궁에서 카테터 삽입된 태아 양으로부터 기록을 125일 및 140일 임신 기간에 수행하였고, 인공 태반에서 태아 양으로부터 기록을 동일 임신 기간에 수행하였다. 2개의 임신 기간 사이에서 단편화 수면으로부터 강화 수면으로 발달 진행은 자궁과 PFELS 동물 양쪽에서 명백하다.

태아 성장과 발달은 인큐베이션 기간 동안 융합된 상태에서 개방 상태로 진행된다고 알려진 눈꺼풀, 양모 성장 증가, 및 활동과 민첩성 수준 증가로서 일관되게 관찰되었다(도 11a 및 11b). 폐 성숙의 조직 증거가 또한 120일 임신 어린 양의 대조 폐와 비교하여 200 시간 이상 PEFLS 운행 완료 시 얻어진 폐포 벽의 박층화와 2차 중격 형성으로서 일관되게 입증되었다(도 11c, 표 2).

한 동물은 감염 부재 하에 288 시간 동안 유지되었고, 인공 태반으로부터 성공적으로 분만되고, 출산 후 생활로 이행되었다(도 5d). 자기공명 영상화에서는 뇌, 흉부 및 복부 내장의 정상 구조를 확인하였고, 동물은 장기 양자 시설로 이송 전에 8 개월 이상 적절한 성장과 발달을 나타냈다.

자궁 외 태아의 장기 지원을 가능하게 하는 펌프 없는 회로가 인공 태반을 위한 최적 디자인일 수 있다. 그러나 이전의 노력은 낮은 유량과 열악한 관류에 의해 제한되었다. 본원에서, 3주 이상까지 포유동물 태아의 안정한 장기 인큐베이션으로 귀착하는, 펌프 없는 자궁 외 태아 생명 유지(PEFLS)를 위한 장치가 기재되어 있다. 극히 낮은 저항성과 적은 충전 용적의 우수한 산소공급기를 사용함으로써, 태반 자체에 더 밀접하게 가까운 회로를 만들었다. 양의 보고된 태반 혈액 용적은 23.1 내지 48.1 ml/kg이며(Creasy et al. (1970) Circ. Res., 27:487-494), 태반 혈류는 199+/-20 ml/min/kg로서 보고되어 있다(Faber et al. (1972) J. Pysiol., 223:375-393). 본원에서 기재한 회로는 80 내지 90 ml, 또는 27 ml/kg(평균 120일 3 kg 태아 양)의 충전 용적을 필요로 하며, 장치에서 유량은 평균 120-140 ml/min/kg이다.

태아에 체외 산소화의 응용 분야에서, 태아 혈액에 의한 산소공급기 회로의 충전은 산소 배출(unloading)과 말초 관류 유지에 관해 장점을 제공할 수 있다. 그러나 회로의 충전은 쌍생 임신의 경우에 태아 혈액으로서 그리고 단생 어린 양의 경우에 모체 혈액으로서 완성되었고(표 1과 2), 장기 태아 인큐베이션 동안 동맥 산소 함량, 락트산 생성, 또는 심기능에서 차이가 관찰되지 않았다.

선천적 혈류역학이 자기 조절에 의해 유지될 수 있는 펌프 없는 회로는 정상 태어 발달을 위해 유리할 수 있다. 본 발명 이전에, 최장 자궁 외 태아 인큐베이션 실험은 실리콘 중공 섬유 막 산소공급기와 롤러 펌프를 사용한 회로에서 유지된 동물 및 배꼽 혈관을 통해 캐뉼라 삽입된 동물에 의한 것이었다(Kuwabara et al. (1986) Artificial Organs 1 1 :224-277; Kuwabara et al. (1989) Artificial Organs 13:527-531). 롤러 펌프의 직접 조절 하에 태아 순환으로 유지된 6 마리 동물에서, 최대 인큐베이션 기간은 8 시간이었고, 심부전의 급격한 발생이 대부분 실험에서 태아 사망의 원인이었다. 혈액 저장소의 추가에 의해 운행 시간은 본 연구에서 상당히 지속하였고, 배꼽 동맥 유출물에 의해 수동적으로 채워졌으며, 저장소 충전 속도에 따라 펌프를 통해 유량을 자동으로 조절하였다. 유량은 모든 동물에서 100 내지 200 ml/min으로 유지되었고, 태아 가스는 인큐베이션 기간 내내 목표 범위 내에서 유지되었다. 펌프 없는 장치는 아니지만, 이러한 변형은 유량이 선천적인 순환을 더 양호하게 닮도록 하였으며, 생존 시간을 165 시간까지 연장시켰다. 그러나 궁극적으로 심부전과 피하 부종이 출혈 또는 색전증과 같은 의원성 합병증으로 쓰러지지 않았던 모든 동물에서 발생하였다. 후속 연구에서, 이러한 저장소 지원 회로는 유체와 전해질 평형을 개선하는 혈액투석의 추가에 의해 변형되었으며, 유량 50 내지 100 ml/min/kg으로서 236 시간까지 인큐베이션 기간을 달성하였다. 다시, 3 마리의 동물이 카테터 고장으로 사망하였지만, 심부전은 회로에서 진행성 순환 우울증 및 우발적 사망으로서, 모든 비기술계 사망의 원인이었다. 태아 운동이 유체 불균형, 플로 장해와 출혈 합병증에 기여할 수 있다는 의혹에 기초하여, 지속성 마비제의 투여와 함께 이 회로를 사용하는 추적 연구에서 각각 494 시간 및 543 시간 동안 2 마리의 조산 염소 태아의 안정한 지원을 얻었으며, 유량은 80 내지 180 ml/min/kg이었고, 인큐베이터로부터 기계적 인공 환기로 성공적인 분만을 얻었다(Unno et al. (1993) Artificial Organs 17:996-1003). 그러나 동물들은 적절한 자발 호흡 노력을 보여주지 못했고, 호흡 부전으로 숨을 거두었다. 동맥 유출물에 저항의 고정 지점을 생성하는 폐색 관의 배치를 포함하는 변형으로, 이러한 회로의 성능에 대한 추가 분석에서 236 시간까지 인큐베이션 시간을 달성하였지만, 모든 동물은 재발성 부정맥뿐만 아니라 플로와 혈압 감소를 특징으로 한 순환 부전으로 인해 사망하였다(Unno et al. (1997) Artificial Organs 21 : 1239-1246).

지속적인 자궁 외 태아 인큐베이션 후 향상된 순환 결과를 달성하려는 추가 연구에서 순환 부전으로 인한 사망에 대해 유사한 결론을 얻었다. 1998년에, 배꼽 혈관을 통해 캐뉼라 삽입되고, 중공 섬유 산소공급기와 원심분리 펌프로 이루어진 회로에서 유지된 4 마리 염소 태아를 연구하였다(Yasufuku et al. (1998) J. Pediatr. Surg., 33:442- 448). 이 회로는 이전에 공개된 보고서와 비교하여 더 많은 유량에서 박동류의 전달을 가능하게 하였고, 유량은 113 내지 193 ml/min/kg 범위이었다. 지원 전체 기간은 87 내지 237 시간 범위이었고, 모든 동물은 순환 부전 다음에 수종으로 쓰러졌다. 2002년에, 배꼽 동맥 배출 속도를 증가시키는 시도에서, 배꼽 혈관을 통해 캐뉼라 삽입되고, 유량의 수동 조절로 롤러 펌프를 사용하는 회로에 의해 지원된 12 마리의 염소 태아를 연구하였다. 이 연구에서, 3 마리의 동물은 캐뉼라 문제로 사망하였고, 한 마리는 회로에서 혈전 형성 다음에 저산소증으로 사망하였으며, 반면에 나머지 8 마리의 동물은 순환 부전을 발생하였다. 플로는 103.0+/-17.0 내지 176.0+/-15.0(ml/min/kg) 범위이었고, 적절한 가스 교환이 달성되었지만, 롤러 펌프에 의한 배꼽 동맥의 배출은 심근에 증가한 후부하를 부여한다고 생각되었다.

펌프 지원 태아 ECMO에서 순환 과부하의 계속된 실례에서는 이들 회로에 의해 부여된 용인할 수 없는 후부하를 제시하며, 우발적인 심부전을 야기한다. 더구나, 이상적인 인공 태반은 태아가 온전한 태아 태반 유닛에서 달성된 순환과 유사한 순환을 유지하도록 허용할 것이며, 여기서 관류는 태아 심 박출량에 의해 결정된다. 그러나 태아 관류를 위해 펌프 없는 장치를 설계하는 이전 시도는 낙담시키는 결과를 얻었다. 예를 들어, 수술로 만든 선천성 횡경막 탈장이 있는 일련의 어린 양에서 펌프 없는 회로의 사용이 보고되었다(Awad et al. (1995) J. Invest. Surg., 8:21-30). 동물이 6 시간까지 관류되었지만, 회로 유량은 75 ml/min을 넘지 못했고, 산소화 수준은 안정한 장기 인큐베이션을 지속하는데 부적절하였다. 2009년에, 4 마리의 출산이 가까운 어린 양에서 중공 섬유 산소공급기와 배꼽 캐뉼라 삽입을 사용하는 펌프 없는 체외 회로가 보고되었다(Reoma et al. (2009) J. Pediatr. Surg., 44:53-59). 동물은 이 장치에서 4 시간까지 지원받았으며, 이러한 짧은 인큐베이션 기간 동안 회로 플로와 수축기 혈압에서 점차 감소하였다. 펌프 구동 장치가 태아의 적절한 플로와 관류를 유지하는데 필요할 것으로 결론을 냈다. 2012년에, 단일 배꼽 동맥과 배꼽 정맥에 캐뉼라 삽입한, 임신 기간 130+/-1.6일의 어린 양에서 펌프 없는 체외 회로가 보고되었다(Mirua et al. (2012) Pediatr. Res., 72:490-494). 연구한 5 마리의 동물은 평균 18.2+/-3.2 시간 생존하였지만, 심부전과 사망을 초래하는 진행성 락트산 산증을 발생하였다. 심 수축성을 증가시키는 혈압 상승제와 말초 혈관확장을 유도하는 근수축제(inotrope)의 투여는 이 장치에서 장기간 생존을 달성하지 못했다. 끝으로, 충전 용적이 12 mL이고, 가스 교환 표면적이 0.12 ㎡인, 소형화 저 용적 산소공급기의 개발이 보고되었다(Schoberer et al. (2014) Artificial Organs 38:208-14). 동물에 배꼽 혈관을 통해 캐뉼라 삽입하였지만, 체외 산소화 외에 기계적 환기로 유지되었다. 이 장치에서, 연구한 7 마리 동물 중 6 마리가 한정된 종기인, 6 시간 동안 펌프 없는 체외 지원 상태에 유지되었지만, 모든 동물이 대사 산증, 높은 혈액 락테이트, 및 혈압의 연속 감소를 발생하였으며, 3 마리의 동물은 결국 실험 종기에 도달하는데 카테콜아민을 필요로 하였다. 본 발명의 장치에서, 동물은 지원 3주까지에 걸쳐 안정한 혈류역학과 관류를 유지하는데 어느 시기에도 혈압 상승제 지원을 전혀 필요로 하지 않았다.

태아 유체 인큐베이션 장치의 장기 무균 상태는 본 연구에서 달성되었다. 유체 침지 장치를 사용하는 이전 보고서는 세균 오염 속도와 무균 상태를 개선하는 전략을 광범위하게 기재하지 않았다. 특히, 합성 양수와 항생제로 채워진, 1일 라인 내 여과 및 격일 완전 교환에 의한 인큐베이터를 기재하였다(Kuwabara et al. (1989) Artificial Organs 13:527-531). 이 연구에서, 태아 인큐베이션의 최장 기간은 236 시간이었다. 본 연구에서, 최종 인큐베이터 디자인에 의해, 감염은 보통 12일, 또는 288 시간 전에 일어나지 않았다. 인큐베이션 기간의 지속 길이는 비슷하게 무균 상태를 유지하는데 어려움을 증가시킨다. 폐기물과 잔해의 제거를 가능하게 하는 내부에 고정되고, 밀봉된 흡인 장치의 배치뿐만 아니라, 무균 상태를 파괴하지 않고 동물의 취급과 위치 변화를 용이하게 하는 고정된 글러브의 추가를 포함하여, 일련의 실험 동물 내내 인큐베이터 디자인의 일부 개량이 이루어졌다. 추가로, 수조 모델 UV 여과 시스템이 유체 저장소 내에 배치되어 추가 수준의 항균 보호를 제공하였다. 이들 변형에 의해, 무균 상태가 중증 미숙아의 성장과 발달을 위해 상당한 기간을 나타내는, 태아 인큐베이션 3주까지 유지되었다.

태아 관류를 위한 펌프 없는 장치의 장점 하나는 선천적 자기 조절 경로에 의해 뇌 혈류의 조절 유지이다. 발생 뇌의 적절한 산소화를 확보하는 일은 인공 태반의 디자인에서 주요 고려 사항이며, 뇌 자기 조절이 뇌 관류의 중요한 한 요소를 나타낸다고 생각된다. 뇌 자기 조절은 집중 치료를 요구하는 신생아의 집단에서 잘 기재되었지만, 이해하기 어렵다. 뇌 동맥 혈류 속도, 혈관 반응성, 및 자기 조절 역치에 대한 측정 범위에 관해, 이들 환자에 대한 기준 값이 분명하지 않게 남아 있는 정도로 중요한 개체 다양성이 존재한다(Vutskis, L. (2014) Pediatr. Anesth., 24:22-29). 뇌 자기 조절은 또한 자궁 내 성장 제한이 있는 태아에서 기재된 중간 대뇌 동맥 피크 수축기 속도 증가로서 인간 태아에서 관찰되었다(Hanif et al. (2007) Am. J. Perinatol, 24:501-505). 신생아에서 뇌 관류에 대한 종래의 펌프 지원 ECMO의 효과는 정맥 동맥 ECMO의 어린 양 모델(Short et al. (1993) Pediatr. Res., 33:289-294; Stolar et al. (1988) J. Pediatr. Surg., 23: 1 163-1168), 정맥 정맥 ECMO에서 지원된 갓난 어린 양의 연구(Walker et al. (1996) Crit. Care Med., 24:2001-2006), 그 외에 정맥 동맥 ECMO에서 지원된 유아(Papademetriou et al. (2013) Adv. Exp. Med. Biol., 765:203-209)를 포함하여, 다수 장치에서 태아 저산소증에 대응하여 문서에 의해 충분히 입증된 자기 조절의 상실을 보여 주었으며, 펌프 지원 ECMO 플로의 세팅에서 뇌 관류의 상당한 변화를 제시하였다. 특히, 여러 연구에서는 ECMO의 장기 신경발달 영향이 이들 환자에서 기능적 결과 부족이라는 것을 나타낸다(Kumar et al. (1994) Pediatrics 93:951-955; Iisselstiin et al. (2014) Semin. Perinatol., 38: 1 14-121). 본 연구에서, EEG 연구로부터 자궁에서 만성 카테터 삽입된 어린 양에서 관찰된 파형과 일치한다고 밝혔다. 뇌 자기 조절의 유지는 비슷하게 인공 태반에서 최적 뇌 관류 및 발달을 달성하며, 종래의 관리 후 신경발달 후유증을 잠재적으로 압도하는 이러한 개체군에서 결과를 개선한다.

전체 자궁 외 태아 생명 유지(TEFLS) 장치의 결과는 임상적 쇄신을 넘어 확대되며, 태아 발달에서 태반의 역할에 관한 기초 문제를 다루기 위한 근거를 제공한다. 처음으로, 모체 태반 축으로부터 잘라낸 태아의 장기 안정한 유지가 달성되었고, 태아 성숙에 이러한 기관의 상대적 기여를 연구하는 것을 가능하게 하였다. 장치는 또한 태아로부터 출산 후 생활로 이행을 가교하는데 사용될 수 있으며, 선천적 폐질환의 모델에 적용되어 치료 개입을 위한 기회의 창을 확장할 수 있다. 따라서 TEFLS 장치는 태아 생리에서의 연구에 이전에 이용할 수 없었던 가능성을 나타내며, 다수의 병진적(translational) 임상 응용 분야에 대해 강력한 새로운 원천을 나타낸다.

본 발명의 바람직한 특정 실시형태가 상기에 기재되고, 구체적으로 예증되었지만, 본 발명이 이러한 실시형태로 한정되는 것으로 의도되지 않는다. 다양한 변형이 하기 청구범위에 제시된 바와 같이, 본 발명의 범위와 정신으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.