123RF/PICSEL
Marcin Powęska 05:00 03.07.21

Sztuczne macice. Nadzieja dla niepłodnych czy inkubatory organów?

O

O d mysich embrionów w pojemnikach przez płody jagniąt w plastikowych torbach - naukowcy posuwają się naprzód w badaniach nad niepłodnością na zwierzętach, które kiedyś mogą pomóc ludziom. Brzmi to jak science fiction, ale tak może wyglądać przyszłość medycyny.

Reklama

Co roku prawie 1,5 mln par w Polsce zmaga się z problemem niepłodności. Prognozy GUS wskazują, że pod koniec 2050 roku populacja naszego kraju osiągnie zaledwie 34 mln osób - to o 12 proc. mniej w porównaniu z rokiem 2013. Na świecie wcale nie jest lepiej. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) twierdzi, że niepłodność dotyka co dziesiątą parę w wieku rozrodczym na świecie, a co piątą w Europie (18 procent). Z czego to wynika? Jest to jedna z chorób cywilizacyjnych XXI wieku, problem dotyczący głównie krajów wysoko rozwiniętych. To wynik wygodnego życia - stres, cukrzyca, nadwaga, otyłość, alergie, nowotwory, astma, nadciśnienie tętnicze, wrzody, choroba wieńcowa czy właśnie niepłodność - to jego konsekwencja. To ironia, że mimo pozornie lepszych warunków do poczęcia dziecka, wiele organizmów nie jest na to przygotowanych.

Postępy w medycynie w ostatnich latach wykazały ogromny wzrost wskaźnika przeżywalności wcześniaków - z 30 do 50 proc. w przypadku niemowląt urodzonych w 23. tygodniu ciąży. Ale takie dzieci często są słabsze od rówieśników, gdyż nawet najlepsze inkubatory nie są tak dobre jak matczyne łono. Połowa wszystkich przypadków porażenia mózgowego wynika właśnie z wcześniactwa.

Reklama

Najnowsze wydanie Tygodnika co sobotę w Twojej skrzynce. Zapisz się do newslettera >>

Jeszcze w tej dekadzie w szpitalach na całym świecie mogą pojawiać się sztuczne macice, pozwalające na bezpieczny rozwój wcześniaków. Mimo że pomysł ten brzmi jak wyrwany z filmu science fiction, to naukowcy są coraz bliżej jego realizacji.

Sztuczne macice już istnieją

Pierwsze sztuczne macice już powstały. Stworzyli je naukowcy ze Szpitala Dziecięcego w Filadelfii. Po kilku wersjach urządzenia (włącznie ze szklanymi inkubatorami), postawiono na plastikową folię połączoną z sensorami i aparaturą medyczną. Prototyp pozwolił na prawidłowy rozwój małej owcy.

Co robi sztuczna macica? System imituje warunki panujące w łonie matki. Pojemnik wypełniony jest unikatową, opracowaną przez amerykańskich uczonych cieczą, która spełnia podobne zadania, co płyn owodniowy. Ponieważ rozwijające się płuca nie mogą oddychać tlenem atmosferycznym, zwierzę umieszczone w sztucznej macicy oddychało doprowadzanym z zewnątrz gazem. Płyn owodniowy zawierał także wszystkie niezbędne składniki odżywcze i czynniki wzrostu.

Naukowcy przetestowali innowacyjny system na owcach, które znajdowały się na etapie rozwoju odpowiadającemu 23-24 tygodniu ludzkiej ciąży. Zwierzęta umieszczono w worku z płynem owodniowym, a pępowinę podłączono do zewnętrznego źródła tlenu. Serce płodu samo pompowało krew, nie było konieczności stosowania krążenia pozaustrojowego. Owca przebywała w sztucznej macicy przez 28 dni, w sterylnym otoczeniu, chroniona przed zmianami ciśnienia i światła. Zwierzę rozwijało się normalnie, oddychało prawidłowo, otwierało oczy, poruszało się, a nawet zaczęło porastać wełną.

Uczeni przyznają, że części do konstrukcji sztucznej macicy kupowali w sklepach akwarystycznych, z narzędziami, a nawet z artykułami dla browarników. Nie dysponowali zewnętrznymi grantami, więc musieli bazować na tanich i łatwo dostępnych produktach. Ale stworzenie sztucznej macicy dla człowieka to zadanie o zupełnie innej skali złożoności.

Kierunek: Człowiek

Nowoczesne inkubatory stwarzają wcześniakom kontrolowane warunki zewnętrzne do podtrzymania procesów życiowych. Gwarantują odpowiednią temperaturę, wilgotność, płyny i pokarm (za pośrednictwem dożylnego cewnika lub sondy nanogastrycznej). Ale działanie w pełni funkcjonalnej, sztucznej macicy będzie znacznie bardziej skomplikowane. Nawet w najbardziej zaawansowanym technologicznie inkubatorze niemożliwy jest wzrost zarodka w dowolnym stadium rozwoju. Według obecnego stanu wiedzy, łono matki jest niezbędne dziecku co najmniej do 22. tygodnia ciąży. Wcześniaki urodzone przed tym terminem mają praktycznie zerowe szanse na przeżycie, głównie ze względu na niepełne wykształcenie płuc, serca i mózgu.

Richard Scott William Hutchinson to chłopiec wpisany do Księgi Rekordów Guinnessa, jako najwcześniej urodzone dziecko świata. Chłopiec przyszedł na świat 131 dni przed planowym terminem, ważył tylko 337 gramów, a lekarze nie dawali mu szans na przeżycie. Dzięki postępowi w medycynie to się udało, a podobnych przypadków (choć rzadkich) odnotowuje się coraz więcej. Aby pewnego dnia było możliwe stworzenie inkubatorów, które będą w stanie w pełni zastąpić kobiece macice, niezbędny jest rozwój dwóch głównych obszarów wiedzy: biotechnologii i nanotechnologii.

Dzięki ewolucji nauk biologicznych, takich jak spersonalizowana genomika czy inżynieria tkankowa, naukowcy będą w stanie sterować rozwojem jeszcze "nienarodzonych" dzieci. Nanotechnologia, poprzez zestaw miniaturowych robotów i mikroskopowej aparatury, będzie w stanie stymulować ten proces. Nie należy również zapominać o inteligentnych systemach komputerowych i urządzeniach monitorujących, dzięki którym będzie możliwe śledzenie postępu wzrostu płodu w czasie rzeczywistym i ewentualna interwencja. Wiele szczegółów trzeba jeszcze dopracować, ale współczesna nauka jest na dobrej drodze.

Do stworzenia sztucznej macicy niezbędne jest odtworzenie trzech najważniejszych elementów kluczowych do prawidłowego przebiegu rozwoju zarodkowego: endometrium macicy, łożyska i płynu owodniowego.

Po pierwsze: Endometrium

Podstawą do zbudowania sztucznej macicy jest wytworzenie endometrium, które funkcjonalnie będzie zbliżone do naturalnej tkanki. Naukowcy chcą, by w pierwszej kolejności nacisk był położony na odwzorowaniu procesów zachodzących w początkowych etapach ciąży. Dopiero po względnym opanowaniu tej materii, możliwe będzie poprawianie natury. Endometrium to błona śluzowa macicy ssaków, która jest podatna na działanie hormonów steroidowych, takich jak estrogeny i gestageny (np. progesteron). Endometrium zmienia się w trakcie cyklu miesięcznego, ale gdy dojdzie do zapłodnienia, błona ta odżywia zarodek jeszcze przed jego implantacją, będąc pierwszym organem, który dostarcza pokarm nowo powstałemu organizmowi.

Odtworzenie endometrium w warunkach laboratoryjnych jest wyjątkowo trudne. Trzon sztucznej macicy nie powinien być wykonany ze szkła czy metalu, lecz składać się z kilku warstw prawdziwej tkanki. Powstałe w wyniku zapłodnienia in vitro blastocysty są wszczepiane do matczynego endometrium na głębokość 3-4 mm, gdzie dochodzi do dalszych podziałów komórkowych. Syntetyczne endometrium nie może mieć mniej niż 10 mm grubości.

Prace w tym zakresie zostały już przeprowadzone przez Hung-Ching Liu z Cornell University. Kilka lat temu spreparowała ona macicę z pobranych od kobiety pojedynczych komórek endometrium, które umieściła na wykonanym z biopolimerów rusztowaniu w kształcie tego narządu. Po kilku tygodniach, w wyniku odpowiedniej stymulacji, szkielet uległ degradacji, a pozostałe komórki uformowały nowy organ przypominający umięśniony worek. Następnie umieszczono w nim zarodek człowieka, który zaczął się prawidłowo rozwijać. Z powodów etycznych, eksperyment przerwano po sześciu dniach.

Po drugie: Łożysko

Do właściwego przebiegu ciąży niezwykle ważne jest łożysko, czyli organ łączący ścianę macicy matki z pępkiem zarodka. Dzięki niemu, płód otrzymuje pokarm i tlen, a oddaje dwutlenek węgla i niepotrzebne produkty metabolizmu. Stworzenie sztucznego łożyska nie jest zadaniem tak karkołomnym jak endometrium, zwłaszcza że w medycynie są powszechnie wykorzystywane urządzenia, które po części mogą spełniać funkcje tego narządu. Dobrym przykładem jest tu aparat do hemodializy ratujący życie pacjentom ze schyłkową niewydolnością nerek. Dodając do tego sondę gastryczną i uruchamiając dwukierunkowy transport substancji, sztuczne łożysko jest niemal na wyciągnięcie ręki. Problemem może być jednak stopień skomplikowania takiej konstrukcji.

Najnowsze wydanie Tygodnika co sobotę w Twojej skrzynce. Zapisz się do newslettera >>

Poza zwykłą wymianą pokarmów i podstawowych produktów metabolizmu, łożysko spełnia również inne istotne funkcje. To za pośrednictwem tego organu dostarczane są immunoglobuliny G (rodzaj przeciwciał), które zapewniają dziecku ochronę przed patogenami, kiedy jeszcze układ odpornościowy nie jest w pełni wykształcony. Łożysko reguluje tempo dostarczania składników odżywczych - aminokwasów, kwasów tłuszczowych i glukozy - a także zaopatrza płód w hormon zwany serotoniną, niezbędny do rozwoju mózgu.

Pierwsze eksperymenty nad sztucznym łożyskiem już się odbyły. Japończycy z Juntendou University w Tokio połączyli przewód pępowinowy płodu koźlęcego z dwoma urządzeniami, których zadaniem było przejęcie funkcji naturalnego łożyska. Dzięki procesowi pozaustrojowego utlenowania krwi (ECMO), kozy utrzymano przy życiu przez 237 godzin.

Po trzecie: Płyn owodniowy

Do prawidłowego rozwoju płodu niezwykle istotne jest również środowisko, w którym przebywa. Płyn owodniowy to coś, bez czego niemożliwe będzie kompletne odtworzenie macicy w warunkach laboratoryjnych. Dla płodu płyn owodniowy jest bezcenny, bowiem amortyzuje, zapewnia swobodę ruchów, chroni przed silnymi bodźcami ze świata zewnętrznego oraz bierze pośredni udział w transporcie i wymianie substancji odżywczych. Mechanizm powstawania płynu owodniowego nie jest do końca poznany, więc naukowcy nie wiedzą, jak zabrać się do jego wymuszonej syntezy.

Postępy w tej dziedzinie poczynił Thomas Schaffer z amerykańskiego Temple University, który był bliski stworzenia sztucznej jamy owodni. Było to coś na kształt syntetycznego pęcherza płodowego, wypełnionego płynem z dodatkiem nadfluorku węgla. Ta substancja pomaga dostarczać płodowi tlen, gdy jego płuca nie są jeszcze rozwinięte. Prace Schaffera były zaawansowane, jednak nigdy nie zdecydował się on upublicznić swoich wyników. Potwierdził jedynie, że wykorzystując stworzoną przez siebie jamę owodni, udało mu się doprowadzić do pełnego rozwoju płodów jagnięcych. Podobno jeszcze dalej posunęli się chińscy naukowcy, którzy jako eksperymentalny płód wykorzystywali ludzkie zarodki. Rezultaty ich badań do tej pory nie wyszły na światło dzienne.

Po czwarte: Stymulacja

Stworzenie pełnej "infrastruktury" dla płodu to nie wszystko, by zapewnić mu właściwy rozwój poza organizmem matki. Rosnące w sztucznej macicy dziecko będzie musiało być stymulowane przez wiele bodźców, tak by w jak najpełniejszym stopniu odtworzyć komunikację sensoryczną, do której dochodzi w macierzyńskim łonie.

Otoczone syntetycznym endometrium, połączone sztucznym łożyskiem i zanurzone w płynie owodniowym, nienarodzone dziecko musi być kołysane w sposób odpowiadający naturalnym ruchom matki. W żywym ciele nic nie jest statyczne, a nowo powstały, prawidłowo rozwijający się organizm to odczuwa. Inkubator musi odtwarzać również cykliczność naturalnego zegara biologicznego, tak by indukować okresy aktywności i snu. Kontrola nad organizmem umieszczonym w sztucznej macicy musi być nieprzerwana, bo wprowadzenie do układu czynnika "samodzielności" może zaburzyć cały proces.

Naukowcy muszą również zastanowić się, jak dostarczyć płodowi, praktycznie niemożliwej do zastąpienia, matczynej czułości. Dotykanie brzemiennego brzucha jest niezwykle istotnym elementem prawidłowo przebiegającej ciąży. Nienarodzone dzieci są ponadto wyjątkowo aktywnymi słuchaczami, a płyn owodniowy doskonale przenosi dźwięki. Lekarze chcący manipulować rozwojem zarodkowym w warunkach laboratoryjnych, będą musieli o tym pamiętać. W przeciwnym wypadku nawet najbardziej zaawansowane technologicznie urządzenia okażą się nieprzydatne.

Uczeni już od dawna poważnie myślą o stworzeniu sztucznej macicy, która zastąpi macierzyńskie łono. Można wyobrazić sobie szereg sytuacji, w których rozwój dziecka w sztucznej macicy byłby pożądany. Pierwszą, która przychodzi na myśl jest ciąża pozamaciczna - przenosząc zarodek do zewnętrznego inkubatora symulującego matczyny organizm dziecko miałoby szansę na prawidłowy rozwój. Sztuczna macica mogłaby również stać się alternatywą dla kobiet, które mają problem z donoszeniem ciąży. Niemożliwy do rozstrzygnięcia dylemat, przed którym często stawiani są rodzice: czy chronić matkę, czy dziecko, przestałby być aktualny. W przypadku zagrożenia życia matki lub dziecka, płód byłby przenoszony do syntetycznego łona. Dzięki temu nie doświadczalibyśmy sytuacji takich jak ta z połowy 2008 r., kiedy to zmarła polska siatkarka Agata Mróz. Mając raka zaszła w ciążę i podjęła odważną decyzję o niepodejmowaniu leczenia, które mogłoby jej pomóc, ale jednocześnie zabić córkę Lilianę. Dziecko urodziło się zdrowe, ale Agata Mróz zapłaciła za to życiem.

Sztuczne macice jak "okno życia"

Część naukowców opowiadających się za stworzeniem sztucznej macicy przyznaje, że rozwiązałaby ona problem aborcji. Niechciana ciąża nie byłaby przerywana, a dziecko zostałoby przeniesione do sztucznego łona. Tam następowałby jego dalszy rozwój, a po "porodzie" maluch trafiałby do adopcji. To jednak rodzi obawę przed masowym transferem ludzkich zarodków z matczynych łon do sztucznych inkubatorów z powodów, które niekiedy mogłyby być postrzegane jako błahe

Zastanawiając się nad sensownością tworzenia sztucznej macicy, warto mieć w pamięci rzeczywistość opisaną przez Aldousa Huxley'a w książce "Nowy wspaniały świat". Anglik wykorzystał w niej stworzoną w 1923 r. przez Johna Haldane’a koncepcję ektogenezy - hodowania ludzkich embrionów poza organizmem kobiety. Huxleyowe uniwersum, w którym "jaja są przenoszone jedno po drugim z probówek do większych pojemników" może się okazać czymś więcej niż tylko literacką fikcją.