stringtranslate.com

Легочный сурфактант

Альвеолы ​​— шаровидные выступы респираторных бронхиол .

Легочный сурфактант представляет собой поверхностно-активный комплекс фосфолипидов и белков , образуемый альвеолярными клетками II типа . [1] Белки и липиды, входящие в состав поверхностно-активного вещества , имеют как гидрофильные , так и гидрофобные области. Адсорбируясь на границе раздела воздух-вода альвеол , при этом гидрофильные головные группы находятся в воде, а гидрофобные хвосты обращены к воздуху, основной липидный компонент поверхностно-активного вещества, дипальмитоилфосфатидилхолин (ДПФХ), снижает поверхностное натяжение .

В качестве лекарственного средства легочный сурфактант включен в Примерный список основных лекарственных средств ВОЗ — наиболее важных лекарств, необходимых в базовой системе здравоохранения . [2]

Функция

Альвеолы ​​можно сравнить с газом в воде, поскольку альвеолы ​​влажные и окружают центральное воздушное пространство. Поверхностное натяжение действует на границе раздела воздух-вода и стремится уменьшить пузырь (за счет уменьшения площади поверхности раздела). Давление газа ( P ), необходимое для поддержания равновесия между сжимающей силой поверхностного натяжения ( γ ) и расширяющей силой газа в альвеоле радиуса r , выражается уравнением Юнга – Лапласа :

Согласие

Податливость – это способность легких и грудной клетки расширяться. Податливость легких определяется как изменение объема на единицу изменения давления в легких. Измерения объема легких, полученные во время контролируемой инфляции/дефляции нормального легкого, показывают, что объемы, полученные во время дефляции, превышают объемы во время инфляции при данном давлении. Эта разница в объемах инфляции и дефляции при данном давлении называется гистерезисом и обусловлена ​​поверхностным натяжением воздуха и воды, которое возникает в начале инфляции. Однако сурфактант снижает альвеолярное поверхностное натяжение , как это наблюдается у недоношенных детей с респираторным дистресс-синдромом . Нормальное поверхностное натяжение воды составляет 70 дин/см (70 мН/м), а в легких — 25 дин/см (25 мН/м); однако в конце выдоха сжатые молекулы фосфолипидов поверхностно-активного вещества снижают поверхностное натяжение до очень низкого, почти нулевого уровня. Таким образом, легочный сурфактант значительно снижает поверхностное натяжение , увеличивая податливость, позволяя легким надуваться гораздо легче, тем самым уменьшая работу дыхания. Это уменьшает разницу давлений, необходимую для раздувания легких. Податливость легких и вентиляция уменьшаются, когда легочная ткань становится пораженной и фиброзной . [3]

Регулирование альвеолярного размера

По мере увеличения размера альвеол сурфактант становится более распределенным по поверхности жидкости. Это увеличивает поверхностное натяжение, эффективно замедляя скорость расширения альвеол. Это также помогает всем альвеолам в легких расширяться с одинаковой скоростью, поскольку та, которая расширяется быстрее, будет испытывать значительное повышение поверхностного натяжения, замедляющее скорость ее расширения. Это также означает, что скорость сокращения более равномерна, поскольку, если человек уменьшается в размерах быстрее, поверхностное натяжение уменьшится сильнее, поэтому другие альвеолы ​​могут сокращаться легче, чем на самом деле. Сурфактант легче снижает поверхностное натяжение, когда альвеолы ​​меньше, поскольку сурфактант более концентрирован.

Предотвращение скопления жидкости и поддержание сухости дыхательных путей.

Поверхностное натяжение вытягивает жидкость из капилляров в альвеолярные пространства. Сурфактант уменьшает накопление жидкости и сохраняет дыхательные пути сухими за счет снижения поверхностного натяжения. [4]

Врожденный иммунитет

Иммунная функция поверхностно-активного вещества в первую очередь связана с двумя белками: SP-A и SP-D . Эти белки могут связываться с сахарами на поверхности патогенов и тем самым опсонизировать их для поглощения фагоцитами. Он также регулирует воспалительные реакции и взаимодействует с адаптивным иммунным ответом. Деградация или инактивация поверхностно-активных веществ может способствовать повышению восприимчивости к воспалению и инфекции легких. [5]

Состав

Липиды

ДППК

Дипальмитоилфосфатидилхолин (ДПФХ) представляет собой фосфолипид с двумя насыщенными 16-углеродными цепями и фосфатной группой, к которой присоединена группа четвертичного амина. DPPC является самой сильной молекулой сурфактанта в легочной смеси сурфактантов. Он также обладает более высокой способностью к уплотнению, чем другие фосфолипиды, поскольку аполярный хвост менее изогнут. Тем не менее, без других веществ легочной смеси сурфактантов кинетика адсорбции ДПФХ очень медленная. Это происходит прежде всего потому, что температура фазового перехода между гелем и жидким кристаллом чистого ДПФХ составляет 41,5 °С, что выше температуры человеческого тела (37 °С). [7]

Другие фосфолипиды

Молекулы фосфатидилхолина составляют ~85% липидов поверхностно-активного вещества и имеют насыщенные ацильные цепи. Фосфатидилглицерин (ПГ) составляет около 11% липидов в поверхностно-активном веществе, он имеет цепи ненасыщенных жирных кислот, которые разжижают липидный монослой на границе раздела. Также присутствуют нейтральные липиды и холестерин. Компоненты этих липидов диффундируют из крови в альвеолярные клетки типа II, где они собираются и упаковываются для секреции в секреторные органеллы, называемые пластинчатыми тельцами . [ нужна цитата ]

Белки

Белки составляют оставшиеся 10% поверхностно-активного вещества. Половину из этих 10% составляют белки плазмы, а остальная часть образована аполипопротеинами , поверхностно-активными белками SP-A, SP-B, SP-C и SP-D. Аполипопротеины продуцируются секреторным путем в клетках типа II. Они претерпевают значительные посттрансляционные модификации, попадая в пластинчатые тельца. Это концентрические кольца липидов и белков диаметром около 1 мкм.

Белки SP снижают критическую температуру фазового перехода DPPC до значения ниже 37 °C, [10] что улучшает его адсорбцию и скорость распространения на границе раздела. [11] [12] Сжатие границы раздела вызывает фазовый переход молекул ПАВ в жидкость-гель или даже гель-твердое тело. Высокая скорость адсорбции необходима для поддержания целостности газообменной области легких.

Каждый белок SP имеет различные функции, которые действуют синергически , поддерживая интерфейс, богатый DPPC, во время расширения и сокращения легких. Изменение состава смеси ПАВ меняет давление и температурные условия фазовых превращений, а также форму кристаллов фосфолипидов. [13] Только жидкая фаза может свободно растекаться по поверхности, образуя монослой. Тем не менее, было замечено, что если область легких резко расшириться, плавающие кристаллы трескаются, как « айсберги ». Тогда белки SP избирательно притягивают к границе раздела больше DPPC, чем другие фосфолипиды или холестерин, чьи поверхностно-активные свойства хуже, чем у DPPC. ИП также закрепляет ДППК на интерфейсе, чтобы предотвратить выдавливание ДППК при уменьшении площади поверхности [12] . Это также снижает сжимаемость интерфейса. [14]

Искусственные поверхностно-активные вещества

Сурванта , окруженная устройствами для ее применения.

Существует несколько типов легочных сурфактантов. Измерения поверхностного натяжения и межфазной реологии ex-situ могут помочь понять функциональность легочных сурфактантов. [15]

Синтетические легочные поверхностно-активные вещества

  1. Колфосцерил пальмитат (Экзосурф) - смесь ДПФХ с гексадеканолом и тилоксаполом, добавляемая в качестве распределяющих агентов.
  2. Пумактант (искусственное соединение, расширяющее легкие или ALEC) - смесь DPPC и PG.
  3. KL-4 - состоит из DPPC, пальмитоил-олеоилфосфатидилглицерина и пальмитиновой кислоты в сочетании с синтетическим пептидом из 21 аминокислоты, который имитирует структурные характеристики SP-B.
  4. Вентикут - DPPC, PG, пальмитиновая кислота и рекомбинантный SP-C.
  5. Люцинактанты — ДПФХ , ПОПГ и пальмитиновая кислота .

Поверхностно-активные вещества животного происхождения

  1. Берактант
    1. (Альвеофакт) - экстрагируется из жидкости лаважа легких коровы.
    2. (Сурванта) - экстрагирован из фарша коровьего легкого с добавлением DPPC, пальмитиновой кислоты и трипальмитина.
    3. (Бераксурф) - экстрагирован из фарша легких теленка с добавлением DPPC, пальмитиновой кислоты и трипальмитина.
  2. Кальфактант (Инфасурф) – экстрагируется из жидкости лаважа легких телят.
  3. Порактант альфа (Curosurf) - экстрагирован из материала, полученного из фарша легких свиньи.
  4. Овинактант (Варасурф) - извлечен из материала, полученного из фарша легких овцы.

Величина поверхностного натяжения внутри легкого

Несмотря на то, что поверхностно-активное вещество может быть значительно снижено с помощью легочного сурфактанта, этот эффект будет зависеть от концентрации сурфактанта на границе раздела. Концентрация интерфейса имеет предел насыщения, который зависит от температуры и состава смеси. Поскольку во время вентиляции происходит изменение площади поверхности легких, концентрация поверхностно-активного вещества обычно не находится на уровне насыщения. Поверхность увеличивается во время вдоха, что, следовательно, открывает пространство для новых молекул поверхностно-активного вещества, которые могут быть привлечены к границе раздела. Между тем, во время выдоха площадь поверхности уменьшается со скоростью, которая всегда превышает скорость, с которой молекулы ПАВ вытесняются с поверхности раздела в водную пленку. Таким образом, плотность поверхностно-активного вещества на границе раздела воздух-вода остается высокой и относительно сохраняется на протяжении всего выдоха, что еще больше снижает поверхностное натяжение. Это также объясняет, почему податливость больше во время выдоха, чем во время вдоха. [ нужна цитата ]

Молекулы СП способствуют увеличению кинетики адсорбции на границе раздела ПАВ, когда концентрация ниже уровня насыщения . Они также образуют слабые связи с молекулами поверхностно-активного вещества на границе раздела и удерживают их там дольше, когда граница раздела сжимается. Поэтому при вентиляции поверхностное натяжение обычно ниже, чем при равновесии. Следовательно, поверхностное натяжение варьируется в зависимости от объема воздуха в легких, что защищает их от ателектаза при низких объемах и повреждения тканей при высоких уровнях объема. [11] [13] [14]

Производство и деградация

Производство сурфактанта у человека начинается в клетках типа II на стадии развития легких альвеолярного мешка . Пластинчатые тельца появляются в цитоплазме примерно на 20 неделе беременности. [16] Эти ламеллярные тельца секретируются путем экзоцитоза в жидкость альвеолярной выстилки , где сурфактант образует сеть канальцевого миелина [17] [18] По оценкам, у доношенных детей альвеолярный депонирующий пул составляет примерно 100 мг/кг сурфактанта. , тогда как у недоношенных детей его концентрация при рождении оценивается в 4–5 мг/кг. [19]

Клубные клетки также производят компонент поверхностно-активного вещества легких. [20]

Период полураспада альвеолярного сурфактанта после секреции составляет от 5 до 10 часов. Он может как расщепляться макрофагами, так и/или реабсорбироваться в пластинчатых структурах пневмоцитов II типа. До 90% сурфактанта ДПФХ (дипальмитоилфосфатидилхолина) перерабатывается из альвеолярного пространства обратно в пневмоциты II типа. Считается, что этот процесс происходит посредством SP-A , стимулирующего рецептор-опосредованный клатрин -зависимый эндоцитоз . [21] Остальные 10% поглощаются альвеолярными макрофагами и перевариваются.

Болезни

История

В конце 1920-х годов фон Неергаард [22] определил функцию легочного сурфактанта в повышении податливости легких за счет снижения поверхностного натяжения. Однако значение его открытия не было понято научным и медицинским сообществом того времени. Он также осознал важность низкого поверхностного натяжения в легких новорожденных. Позже, в середине 1950-х годов, Пэттл и Клементс заново открыли важность сурфактанта и низкого поверхностного натяжения в легких. В конце того же десятилетия было обнаружено, что недостаток сурфактанта вызывает респираторный дистресс-синдром у младенцев (ИРДС). [23] [13]

Рекомендации

  1. ^ Бернхард В. (ноябрь 2016 г.). «Поверхностно-активное вещество легких: функция и состав в контексте развития и физиологии дыхания». Анналы анатомии . 208 : 146–150. дои :10.1016/j.aanat.2016.08.003. ПМИД  27693601.
  2. ^ «19-й Примерный список основных лекарственных средств ВОЗ (апрель 2015 г.)» (PDF) . ВОЗ. Апрель 2015 года . Проверено 10 мая 2015 г.
  3. ^ «Альвеолы ​​и процесс дыхания» . Проверено 30 октября 2013 г.[ ненадежный медицинский источник? ]
  4. ^ Уэст, Джон Б. (1994). Физиология дыхания - самое важное . Балтимор: Уильямс и Уилкинс. ISBN 0-683-08937-4.[ нужна страница ]
  5. ^ Райт-младший (2004). «Защитные функции легочного сурфактанта». Биология новорожденного . 85 (4): 326–32. дои : 10.1159/000078172. PMID  15211087. S2CID  25469141.
  6. ^ abcd Нкади П.О., Мерритт Т.А., Пиллерс Д.М. (2009). «Обзор легочного сурфактанта у новорожденных: генетика, метаболизм и роль сурфактанта в здоровье и заболеваниях». Молекулярная генетика и обмен веществ . 97 (2): 95–101. дои : 10.1016/j.ymgme.2009.01.015. ISSN  1096-7192. ПМЦ 2880575 . ПМИД  19299177. 
  7. ^ Албон Н. (1978). «Природа перехода геля в жидкие кристаллы синтетических фосфатидилхолинов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 75 (5): 2258–2260. Бибкод : 1978PNAS...75.2258A. дои : 10.1073/pnas.75.5.2258 . ПМЦ 392531 . ПМИД  276866. 
  8. ^ Haagsman HP, Diemel RV (май 2001 г.). «Белки, ассоциированные с поверхностно-активными веществами: функции и структурные вариации». Сравнительная биохимия и физиология. Часть A. Молекулярная и интегративная физиология . 129 (1): 91–108. дои : 10.1016/s1095-6433(01)00308-7. ПМИД  11369536.
  9. ^ Уивер Т.Э., Конкрайт Дж.Дж. (2001). «Функция поверхностно-активных белков B и C». Ежегодный обзор физиологии . 63 : 555–78. doi :10.1146/annurev.physical.63.1.555. ПМИД  11181967.
  10. ^ Хиллз, Б.А. (1999). «Альтернативный взгляд на роль сурфактанта и альвеолярную модель». Журнал прикладной физиологии . 87 (5): 1567–83. дои : 10.1152/яп.1999.87.5.1567. PMID  10562593. S2CID  2056951.
  11. ^ ab Шурч С., Ли М., Гер П., Канбар Р., Шюрч С. (1992). «Легочный сурфактант: поверхностные свойства и функции сурфактанта альвеолярных и дыхательных путей». Чистая и прикладная химия . 64 (11): 209–20. дои : 10.1351/pac199264111745 . S2CID  97007574.
  12. ^ ab Поссмайер Ф, Наг К, Родригес К, Канбар Р, Шюрх С (2001). «Поверхностная активность in vitro: роль белков поверхностно-активных веществ». Сравнительная биохимия и физиология А. 129 (1): 209–20. дои : 10.1016/S1095-6433(01)00317-8. ПМИД  11369545.
  13. ^ abc Вельдхейзен Р., Наг К., Оргейг С., Поссмайер Ф. (1998). «Роль липидов в легочном сурфактанте». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярные основы болезней . 1408 (2–3): 90–108. дои : 10.1016/S0925-4439(98)00061-1 . ПМИД  9813256.
  14. ^ аб Шюрх С., Бахофен Х., Поссмайер Ф. (2001). «Поверхностная активность in situ, in vivo и в поверхностно-пузырьковом поверхностно-метре». Сравнительная биохимия и физиология А. 129 (1): 195–207. дои : 10.1016/S1095-6433(01)00316-6. ПМИД  11369544.
  15. ^ Берч П., Бергфройнд Дж., Виндхаб Э.Дж., Фишер П. (август 2021 г.). «Интерфейсы физиологических жидкостей: функциональная микросреда, цели доставки лекарств и первая линия защиты». Акта Биоматериалы . 130 : 32–53. doi : 10.1016/j.actbio.2021.05.051 . hdl : 20.500.11850/498803 . PMID  34077806. S2CID  235323337.
  16. ^ "Sinh lý học chu sinh - Нхи Хоа" . Cẩm nang MSD — Phiên bản dành cho chuyên gia (на вьетнамском языке) . Проверено 23 апреля 2021 г.
  17. ^ Янг С.Л., Фрам ЕК, Ларсон Э.В. (июль 1992 г.). «Трехмерная реконструкция трубчатого миелина». Экспериментальное исследование легких . 18 (4): 497–504. дои : 10.3109/01902149209064342. ПМИД  1516569.
  18. ^ Франсиози Л., Говорухина Н., Тен Хакен Н., Постма Д., Бишофф Р. (2011). «Протеомика жидкости эпителиальной оболочки, полученной путем отбора проб бронхоскопическим микрозондом». Нанопротеомика . Методы молекулярной биологии. Том. 790. стр. 17–28. дои : 10.1007/978-1-61779-319-6_2. ISBN 978-1-61779-318-9. ПМИД  21948403.
  19. ^ Нимаркт Х, Крамер Б.В. (2017). «Поверхностно-активное вещество при респираторном дистресс-синдроме: новые идеи знакомого препарата с инновационным применением». Неонатология . 111 (4): 408–414. дои : 10.1159/000458466. ПМК 5516408 . ПМИД  28538236. 
  20. ^ Янг Б. (2014). Функциональная гистология Уитера: текстовый и цветной атлас . О'Дауд, Джеральдин, Вудфорд, Филипп (Шестое изд.). Филадельфия, Пенсильвания. стр. Глава 12. ISBN 978-0702047473. ОСЛК  861650889.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  21. ^ Кроутер Дж. Э., Шлезингер Л. С. (2005). «Эндоцитарный путь поверхностно-активного белка а в макрофагах человека: связывание, клатрин-опосредованное поглощение и транспорт через эндолизосомальный путь». AJP: Клеточная и молекулярная физиология легких . 290 (2): L334–42. дои : 10.1152/ajplung.00267.2005. PMID  16169899. S2CID  12759872.
  22. ^ Неергаард К. (1929). «Neue Auffassungen über einen Grundbegriff der Atemmechanik» [Новые взгляды на фундаментальное понятие дыхательной механики]. Zeitschrift für die Gesamte Experimentelle Medizin (на немецком языке). 66 (1): 373–94. дои : 10.1007/bf02621963. S2CID  87610289.
  23. ^ Эйвери М.Э. (1 мая 1959 г.). «Поверхностные свойства в отношении ателектаза и заболеваний гиалиновых мембран». Архив педиатрии и подростковой медицины . 97 (5_PART_I): 517–23. doi : 10.1001/archpedi.1959.02070010519001. ISSN  1072-4710. PMID  13649082. S2CID  23200589.

Внешние ссылки