Historien om surfaktant

Surfaktantbehandling av för tidigt födda barn med andningssvårigheter har dramatiskt förbättrat möjligheterna till överlevnad och representerar ett av den moderna neonatologins viktigaste genombrott. Den i december 2008 avlidne professor Bengt Robertson, under många år verksam vid Karolinska institutet i Stockholm, var en av surfaktantforskningens största förgrundsfigurer. Här berättas den fantastiska historien om surfaktant och om den avgörande betydelse Bengt Robertsons forskning haft för utvecklingen av en behandling som hittills räddat livet på 100 000-tals nyfödda barn.
Historien om surfaktant börjar år 1929 då den svenskättade schweiziske fysiologen Kurt von Neergaard genom experiment med tryck–volymkurvor i grislunga visade att låg ytspänning i gränsskiktet mellan luft och lunga var viktigt för att stabilisera alveolerna [1]. Han nämnde också i sitt arbete att »ytspänning kan vara en kraft som motverkar första andetaget hos nyfödda och bör undersökas vidare«. Ingen följde dock von Neergaards råd, och hans observation förblev outforskad i nästan 20 år.
Redan 1903 hade Hochheim beskrivit det histopatologiska fyndet av hyalina membran i lungor från nyfödda som dött i andningssvikt. Han förklarade dessa som resultatet av aspirerat fostervatten, och den uppfattningen förblev allmänt accepterad fram till mitten av seklet [2]. Under 1940- och 50-talen framstod hyaline membrane disease (HMD) som den vanligaste orsaken till mortalitet hos just för tidigt födda barn. Peter Gruenwald, patolog i New York, blev den som följde upp von Neergaards observation genom att 1947 visa att det fanns ytaktiva substanser i lungextrakt från dödfödda barn och föreslå en koppling mellan alveolär ytspänning och de sammanfallna lungorna, som är typiska för HMD [3].
Ungefär samtidigt arbetade två forskare, oberoende av varandra, med att studera påverkan på lungorna av nervgaser vid kemisk krigsföring. Den ene var fysikern Richard Pattle, som 1955 beskrev att luftbubblorna i skummet från lungödem var stabila och drog slutsatsen att de måste vara täckta av en unik substans från alveolerna [4]. Han spekulerade också i att frånvaron av en sådan substans kunde bidra till andningssvårigheterna hos för tidigt födda barn. Den andre var fysiologen John Clements, som var den första att mäta ytspänning i lungextrakt från djur, och som senare även definierade det ytaktiva materialet som surfaktant (surface active) [5].

Averys milstolpe och Patrick Kennedys död
Barnläkaren Mary Ellen Avery drabbades av tuberkulos strax efter att hon tagit sin läkarexamen och beskriver själv att det var under konvalescensen efter sjukdomen som hennes fascination för lungfysiologi började. Under forskarutbildning hos dr Jere Mead vid fysiologiska institutionen på Harvarduniversitetet i Boston i slutet av 1950-talet fångade John Clements artikel dr Averys intresse, och hon bestämde sig för att besöka honom i hans laboratorium [6]. »Jag har nyfödda barn som inte kan hålla kvar luft i sina lungor för att … ja, de små bubblorna kollapsar helt enkelt. Vad är det som håller lungorna öppna?« frågade Mel Avery. Clements svarade att ytans storlek varierar med ytspänningen.
Mary Ellen Avery återvände till Boston och övertygade Jere Mead att bygga en liknande apparat som John Clements hade för att mäta ytspänning, en enkel så kallad Wilhelmy-våg. Hon började raskt göra mätningar på obduktionsmaterial från barn som dött strax efter födelsen, och det visade sig snart att det bara var material från lungor med HMD som inte förmådde sänka ytspänningen. Avery beskriver också att bara genom att klämma på en liten bit lungvävnad kunde man se skillnaden, det kom inget skum från HMD-lungor. Avery och Mead publicerade därefter 1959 den avgörande artikeln som visar att HMD, numera kallat respiratory distress syndrome (RDS), orsakades av brist på surfaktant [7].
Trots att orsaken till RDS nu var känd gjordes inga stora framsteg under nästkommande år när det gällde behandling. Så hände något som kom att få stor betydelse för den fortsatta surfaktantforskningen, nämligen omständigheterna kring ­Patrick Bouvier Kennedys död. Patrick var son till president John F Kennedy och Jacqueline Kennedy och föddes, efter ett akut kejsarsnitt i motsvarande graviditetsvecka 34, den 7 augusti 1963 på Otis Air Force Base Hospital, Massachusetts. Han vägde 1 860 gram och flyttades strax efter födelsen till Boston Children’s Hospital, där han avled vid 2 dygns ålder till följd av HMD. I hans runa i New York Times noterades att allt som kunde göras för ett barn som drabbats av HMD var att monitorera blodvärden och försöka hålla dessa på en normal nivå samt att kampen för Kennedys barn förlorades endast därför att den medicinska vetenskapen ännu inte hade nått tillräckligt långt för att åstadkomma vad kroppen själv kunde göra under slutet av graviditeten. Detta gjorde att den allmänna medvetenheten om sjukdomen HMD ökade och forskningen stimulerades till att än mer aktivt börja söka efter ett botemedel.

Surfaktant – komplext aggregat av lipider och proteiner
Surfaktant är ett komplext aggregat av lipider och proteiner som bildas i lungans alveolära typ II-celler. Det består huvudsakligen av fosfolipider (80–90 procent), och det är mättat fosfatidylkolin (dipalmitoylphosphatidylcholine, DPPC) som svarar för surfaktants unika förmåga att sänka ytspänningen i det tunna gränsskiktet mellan luft och vätska på alveolernas insida. Surfaktant innehåller också fyra specifika proteiner, där framför allt surfaktantprotein B och C är nödvändiga för surfaktants förmåga att sprida sig och bilda en tunn ytskiktsfilm. Detta har visat sig ha avgörande betydelse för hur effektiva olika typer av surfaktant är vid behandling [8].
RDS drabbar för tidigt födda barn
RDS är den karaktäristiska andningsstörning som drabbar för tidigt födda barn med omogna lungor och orsakas huvudsakligen av brist på surfaktant. Systemen för att syntetisera endogen surfaktant börjar etableras redan från omkring ­graviditetsvecka 20, men antalet alveolära typ II-celler och förråden av surfaktant är otillräckliga (Figur 1). Lungans ­surfaktantpool är cirka 2–10 mg/kg hos ett underburet barn med RDS, jämfört med cirka 100 mg/kg hos friska fullgångna barn [9, 10].
Den höga alveolära ytspänningen orsakad av brist på surfaktant leder till att de små luftvägarna tenderar att kollapsa vid utandning. Atelektaser, omväxlande med regional överdistension, leder i sin tur till ojämn ventilation, epitelial lungskada och läckage av plasmaproteiner in i alveolerna, vilket resulterar i bildningen av de histopatologiskt karaktäristiska hyalina membranen.
Den kliniska bilden är:
• snabbt progredierande andningsstörning med takypné, ­exspiratorisk »grunting« samt sub- och interkostala indragningar
• hypoxi med stigande syrgasbehov och ofta respiratorisk acidos sekundärt till koldioxidretention
• lungröntgen med generellt nedsatt lufthalt, diffus fingranulär teckning och luftbronkogram.

Obehandlad RDS har hög mortalitet. Alveolära typ II-celler mognar dock snabbt efter påbörjad gasandning vid födelsen, vilket betyder att hos överlevande barn vänder sjukdomsförloppet oftast inom 72 timmar då den endogena surfaktantproduktionen kommit igång [11].

Vägen mot surfaktantbehandling går via Stockholm
Strax efter Patrick Kennedys död publicerades två studier med syntetisk surfaktant för behandling av RDS [12, 13]. I bägge användes nebuliserat DPPC, och resultaten var nedslående. Orsaken till den uteblivna effekten uppenbarades i början av 1970-talet i Stockholm av Bengt Robertson, tillsammans med obstetrikern Göran Enhörning. Robertson och Enhörning visade att genom instillation av naturlig surfaktant direkt i trakea på prematura kaniner åstadkoms normal lungexpansion, och djuren överlevde [14]. Upptäckten att behandlingens effekt var beroende av att surfaktantpreparationen innehöll naturliga surfaktantproteiner och att surfaktant administrerades som en bolusdos direkt i trakea var det avgörande genombrottet för surfaktantforskningen och ledde fram till kliniska studier.
I USA använde Forrest Adams en naturlig surfaktantlösning framställd från kolunga i försök med prematura lamm. Innan han hann påbörja studier på nyfödda barn publicerade en av hans forna medarbetare, Tetsuro Fujiwara (som återvänt till Japan), år 1980 de första resultaten av surfaktantbehandling till för tidigt födda barn. Fujiwara gav modifierad bovin surfaktant (surfaktant-TA) till 10 relativt mogna barn med en gestationsålder kring 30 veckor och visade att inom kort tid förbättrades syresättningen dramatiskt [15].
Samtidigt i Stockholm arbetade Bengt Robertson vidare och utvecklade tillsammans med kliniske kemisten Tore Curstedt en porcin surfaktant (från grislunga) som de kallade Curosurf (Curstedt–Robertsons surfaktant). Hela framställningsprocessen, från grislunga genom gelkromatografi till den slutliga surfaktantlösningen bestående av polära lipider och surfaktantproteiner, ägde under många år rum vid laboratoriet på Karolinska sjukhuset. En dag år 1983 när arbetet med att utveckla Curosurf pågick för fullt ringde verksamhetschefen på S:t Görans barnklinik, professor Rolf Zetterström, till laboratoriet och frågade om det var möjligt att ge surfaktant till en liten flicka med svår RDS och som sannolikt inte skulle överleva. Bengt Robertson och Tore Curstedt tvekade inte, och kunde snart bevittna hur det första svenska barn som behandlats med surfaktant gick från svårt cyanotiskt till rosigt inom loppet av några minuter.
Bengt Robertson blev den drivande kraften bakom det som senare kom att kallas »the Curosurf family«, den grupp av europeiska neonatologer och surfaktantforskare som bildades för att testa Curosurf i större, randomiserade studier. Hösten 1984, under en middagsbjudning hemma hos Bengt Robertson då en av dessa forskare, Henry Halliday från Belfast, var på besök i Stockholm, blev Bengt återigen kontaktad angående ett svårt sjukt barn. Bengt och de övriga satte sig genast i en taxi och åkte till laboratoriet för att hämta Curosurf. När Henry Halliday såg den dramatiskt positiva effekten av surfaktantbehandlingen bad han att få med sig några doser hem till Irland. Därmed hade Curosurf för första gången gått på export.
Forskargruppen The Collaborative European Multicenter Study Group med Bengt Robertson i spetsen demonstrerade sedan under slutet av 1980-talet och början av 1990-talet i ett flertal stora studier att behandling med Curosurf minskade neonatal mortalitet och risken för pneumotorax med cirka 50 procent samt definierade dosering och optimal tidpunkt för behandling [16, 17].

Surfaktantbehandling i dag och i framtiden
I dag är surfaktant ett väletablerat läkemedel vid behandling av neonatal RDS som, tillsammans med antenatala steroider för att påskynda lungmognad, har gjort det möjligt för även extremt underburna barn att överleva. Förutom RDS finns flera andra potentiella indikationer för surfaktantbehandling, framför allt tillstånd och sjukdomar där inaktivering av endogen surfaktant bidrar, som mekoniumaspiration och neonatal pneumoni särskilt om den är orsakad av grupp B-streptokocker. Det har dock visat sig att effekten är mindre uttalad än vid RDS och att högre och tätare doser oftast krävs [18, 19].
Alla effektiva surfaktantpreparationer är i dag naturliga derivat från djurlunga, men även om det finns en teoretisk risk för smittöverföring och immunologiska reaktioner har den typen av negativa bieffekter aldrig rapporterats. Genom karaktäriseringen av surfaktantproteinerna, och med hjälp av rekombinant DNA-teknik, är det numera möjligt att framställa modifierade humana surfaktantproteiner. Arbete pågår bland annat vid Bengt Robertsons och Tore Curstedts laboratorium med att producera en helsyntetisk surfaktant som innehåller proteiner, vilket i framtiden både kan underlätta produktionen och sänka kostnaden för läkemedlet.
Surfaktant måste fortfarande ges som en trakeal instillation, eftersom försök med att nebulisera surfaktant hittills inte varit lyckosamma. Det innebär att intubation är nödvändig för administration av surfaktant, och behandlingen ges oftast i anslutning till respiratorvård. Övertrycksventilation av omogna lungor i respirator är dock i sig en av de största riskfaktorerna för lungskada, och i Skandinavien finns en lång och framgångsrik tradition av tidig behandling med CPAP (continous positive airway pressure, på svenska kontinuerligt positivt luftvägstryck) även till mycket underburna barn, vilket reflekteras i internationellt sett mycket låg frekvens av respiratorvård [20]. Dessa barn behöver trots allt surfaktant, vilket har lett till utveckling av en teknik för surfaktantadministration under en mycket kortvarig intubation, så kallad INSURE (intubation–surfaktant–extubation) [21, 22]. Metoden har utvärderats i Bengt Robertsons djurmodell och visat sig förbättra effektdurationen efter en enstaka dos surfaktant [23].
Fokus inom neonatologin ligger för närvarande starkt på icke-invasiv ventilation. INSURE-metoden har därför under senare år rönt stor uppmärksamhet. Det finns ännu ingen internationell konsensus om optimal inledande ventilationsstrategi vad gäller för tidigt födda barn, inte heller vad gäller tidpunkt och metod för att ge surfaktantbehandling. Två stora internationella projekt är nyligen publicerade [24, 25], och flera pågår som förhoppningsvis kan ge svar som leder till ytterliggare förbättrade förutsättningar för våra allra minsta barn.
*
Potentiella bindningar eller jävsförhållanden: Tore Curstedt deltar i utvecklingssamarbete med Chiesi, Italien, som producerar Curosurf, och har erhållit finansiellt stöd från samma företag.

Figur 1. Schematisk bild av alveol med ett tunt lager av surfaktant på insidan.

Bengt Robertson