stringtranslate.com

Легочный сурфактант

Альвеолы ​​— это сферические выросты дыхательных бронхиол .

Легочный сурфактант представляет собой поверхностно-активный комплекс фосфолипидов и белков, образованный альвеолярными клетками II типа . [1] Белки и липиды, входящие в состав сурфактанта, имеют как гидрофильные , так и гидрофобные области. Адсорбируясь на границе раздела воздух-вода альвеол , с гидрофильными головными группами в воде и гидрофобными хвостами , обращенными к воздуху, основной липидный компонент сурфактанта, дипальмитоилфосфатидилхолин (DPPC), снижает поверхностное натяжение .

Легочный сурфактант как лекарственное средство включен в Примерный перечень основных лекарственных средств ВОЗ , наиболее важных лекарственных средств, 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 пузырек (уменьшая площадь поверхности раздела). Давление газа ( P ), необходимое для поддержания равновесия между силой коллапса поверхностного натяжения ( γ ) и силой расширения газа в альвеоле радиуса r, выражается уравнением Юнга-Лапласа :

Согласие

Комплаенс — это способность легких и грудной клетки расширяться. Комплаенс легких определяется как изменение объема на единицу изменения давления в легких. Измерения объема легких, полученные во время контролируемого надувания/сдувания нормального легкого, показывают, что объемы, полученные во время сдувания, превышают объемы во время надувания при заданном давлении. Эта разница в объемах надувания и сдувания при заданном давлении называется гистерезисом и обусловлена ​​поверхностным натяжением воздуха и воды, которое возникает в начале надувания. Однако сурфактант снижает поверхностное натяжение альвеол , как это наблюдается в случаях недоношенных детей с респираторным дистресс-синдромом у младенцев . Нормальное поверхностное натяжение для воды составляет 70 дин/см (70 мН/м), а в легких — 25 дин/см (25 мН/м); однако в конце выдоха сжатые молекулы фосфолипидов сурфактанта снижают поверхностное натяжение до очень низких, почти нулевых уровней. Таким образом, легочный сурфактант значительно снижает поверхностное натяжение , увеличивая податливость, что позволяет легкому надуваться гораздо легче, тем самым уменьшая работу дыхания. Он уменьшает разницу давления, необходимую для того, чтобы легкое надувалось. Податливость и вентиляция легких снижаются, когда легочная ткань становится больной и фиброзной . [3]

Регуляция размера альвеол

По мере увеличения размера альвеол поверхностно-активное вещество 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, так как та, которая расширяется быстрее, испытает большой рост поверхностного натяжения, замедляющий ее скорость расширения. Это также означает, что скорость сжатия более равномерна, так как если одна альвеола уменьшается в размере быстрее, поверхностное натяжение уменьшится больше, поэтому другие альвеолы ​​могут сокращаться легче, чем она. Сурфактант снижает поверхностное натяжение легче, когда альвеолы ​​меньше, потому что сурфактант более концентрирован.

Предотвращение накопления жидкости и поддержание сухости дыхательных путей

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

Врожденный иммунитет

Иммунная функция сурфактанта в первую очередь приписывается двум белкам: 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 сурфактанта может способствовать повышению восприимчивости к воспалению легких и инфекции. [5]

Состав

Липиды

ДППК

Дипальмитоилфосфатидилхолин (DPPC) представляет собой фосфолипид с двумя 16-углеродными насыщенными цепями и фосфатной группой с присоединенной четвертичной аминогруппой. DPPC является самой сильной молекулой поверхностно-активного вещества в смеси легочного сурфактанта. Он также обладает более высокой способностью к уплотнению, чем другие фосфолипиды, поскольку неполярный хвост менее изогнут. Тем не менее, без других веществ смеси легочного сурфактанта кинетика адсорбции DPPC очень медленная. Это происходит в первую очередь потому, что температура фазового перехода между гелем и жидким кристаллом чистого DPPC составляет 41,5 °C, что выше температуры человеческого тела 37 °C. [7]

Другие фосфолипиды

Молекулы фосфатидилхолина составляют ~85% липидов в поверхностно-активном веществе и имеют насыщенные ацильные цепи. Фосфатидилглицерин (ПГ) составляет около 11% липидов в поверхностно-активном веществе, он имеет ненасыщенные жирнокислотные цепи, 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 . [ необходима цитата ]

Белки

Белки составляют оставшиеся 10% сурфактанта. Половина этих 10% — это плазменные белки , но остальное образовано аполипопротеинами , белками сурфактанта SP-A, SP-B, SP-C и SP-D. Аполипопротеины вырабатываются секреторным путем в клетках типа II. Они подвергаются значительной посттрансляционной 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 интерфейса. [11] [12] Сжатие интерфейса вызывает изменение фазы молекул поверхностно-активного вещества до состояния жидкость-гель или даже гель-твердое тело. Высокая скорость адсорбции необходима для поддержания целостности области газообмена легких.

Каждый белок SP имеет различные функции, которые действуют синергически , чтобы поддерживать интерфейс, богатый DPPC во время расширения и сжатия легких. Изменения в составе смеси поверхностно-активных веществ изменяют условия давления и температуры для фазовых изменений, а также форму кристаллов фосфолипидов. [13] Только жидкая фаза может свободно распространяться по поверхности, образуя монослой. Тем не менее, было замечено, что если область легкого резко расширяется, плавающие кристаллы трескаются, как « айсберги ». Затем белки SP избирательно притягивают больше DPPC к интерфейсу, чем другие фосфолипиды или холестерин, поверхностно-активные свойства которых хуже, чем у DPPC. SP также закрепляет DPPC на интерфейсе, чтобы предотвратить выдавливание DPPC при уменьшении площади поверхности [12] Это также снижает сжимаемость интерфейса. [14]

Искусственные поверхностно-активные вещества

Сурванта , окруженная устройствами для ее применения.

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

Синтетические легочные сурфактанты

  1. Колфосцерил пальмитат (Экзосурф) - смесь ДПФХ с гексадеканолом и тилоксаполом, добавленными в качестве растекающихся агентов.
  2. Пумактант (искусственное расширяющее легкие вещество или АЛЭК) — смесь ДПФХ и ПГ
  3. KL-4 — состоит из DPPC, пальмитоил-олеоил фосфатидилглицерина и пальмитиновой кислоты в сочетании с синтетическим пептидом из 21 аминокислоты, который имитирует структурные характеристики SP-B.
  4. Venticute - DPPC, PG, пальмитиновая кислота и рекомбинантный SP-C
  5. Люцинактант - DPPC , POPG и пальмитиновая кислота .

Поверхностно-активные вещества животного происхождения

  1. Берактант
    1. (Альвеофакт) - извлекается из жидкости, полученной при промывании легких коровы
    2. (Survanta) - извлекается из измельченных легких коровы с добавлением DPPC, пальмитиновой кислоты и трипальмитина
    3. (Beraksurf) - извлекается из измельченных легких теленка с добавлением DPPC, пальмитиновой кислоты и трипальмитина
  2. Кальфактант (Инфасурф) - извлекается из промывной жидкости легких теленка.
  3. Порактант альфа (Куросурф) - извлекается из материала, полученного из измельченных свиных легких.
  4. Овинактант (Варасурф) — извлекается из материала, полученного из измельченных легких барана.

Величина поверхностного натяжения внутри легкого

Несмотря на то, что поверхностное натяжение может быть значительно снижено легочным сурфактантом, 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 интерфейса сурфактанта обычно не находится на уровне насыщения. Поверхность увеличивается во время вдоха, что, следовательно, открывает пространство для привлечения новых молекул сурфактанта к интерфейсу. Между тем, во время выдоха площадь поверхности уменьшается со скоростью, которая всегда превышает скорость, с которой молекулы сурфактанта вытесняются из интерфейса в водную пленку. Таким образом, плотность сурфактанта на границе раздела воздух-вода остается высокой и относительно сохраняется на протяжении всего выдоха, еще больше снижая поверхностное натяжение. Это также объясняет, почему податливость больше во время выдоха, чем во время вдоха. [ необходима цитата ]

Молекулы SP способствуют увеличению кинетики адсорбции поверхностно-активного вещества на границе раздела, 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 во время вентиляции поверхностное натяжение обычно ниже, чем при равновесии. Поэтому поверхностное натяжение изменяется в зависимости от объема воздуха в легких, что защищает их от ателектаза при малых объемах и повреждения тканей при больших объемах. [11] [13] [14]

Производство и деградация

Продукция сурфактанта у людей начинается в клетках типа II на стадии альвеолярного мешка развития легких. Пластинчатые тельца появляются в цитоплазме примерно на 20 неделе беременности. [16] Эти пластинчатые тельца секретируются экзоцитозом в жидкость альвеолярной выстилки , где сурфактант образует сеть трубчатого миелина [17] [18] Предполагается, что у доношенных детей альвеолярный пул хранения составляет приблизительно 100 мг/кг сурфактанта, в то время как у недоношенных детей при рождении этот показатель составляет приблизительно 4–5 мг/кг. [19]

Клетки клуба также вырабатывают компонент легочного сурфактанта. [20]

Период полураспада альвеолярного сурфактанта составляет от 5 до 10 часов после секреции. Он может быть как разрушен макрофагами, так и/или реабсорбирован в пластинчатые структуры пневмоцитов типа II. До 90% сурфактанта DPPC (дипальмитоилфосфатидилхолин) рециркулируется из альвеолярного пространства обратно в пневмоцит типа II. Считается, что этот процесс происходит посредством стимулирующего SP-A рецептор-опосредованного, зависимого от клатрина эндоцитоза . [21] Остальные 10% поглощаются альвеолярными макрофагами и перевариваются.

Заболевания

История

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

Ссылки

  1. ^ Бернхард В. (ноябрь 2016 г.). «Легочный сурфактант: функция и состав в контексте развития и респираторной физиологии». Annals of Anatomy . 208 : 146–150. doi : 10.1016/j.aanat.2016.08.003. PMID  27693601.
  2. ^ "19-й Примерный перечень основных лекарственных средств ВОЗ (апрель 2015 г.)" (PDF) . ВОЗ. Апрель 2015 г. . Получено 10 мая 2015 г. .
  3. ^ "Альвеолы ​​и процесс дыхания". Архивировано из оригинала 2015-05-18 . Получено 2013-10-30 .[ ненадежный медицинский источник? ]
  4. ^ Уэст, Джон Б. (1994). Физиология дыхания — основы . Балтимор: Williams & Wilkins. ISBN 0-683-08937-4.[ нужна страница ]
  5. ^ Райт Дж. Р. (2004). «Защитные функции легочного сурфактанта». Биология новорожденных . 85 (4): 326–32. doi :10.1159/000078172. PMID  15211087. S2CID  25469141.
  6. ^ abcd Nkadi PO, Merritt TA, Pillers DA (2009). «Обзор легочного сурфактанта у новорожденных: генетика, метаболизм и роль сурфактанта в здоровье и болезни». Молекулярная генетика и метаболизм . 97 (2): 95–101. doi :10.1016/j.ymgme.2009.01.015. ISSN  1096-7192. PMC 2880575. PMID 19299177  . 
  7. ^ Albon N (1978). «Природа перехода синтетических фосфатидилхолинов из геля в жидкокристаллическое состояние». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 75 (5): 2258–2260. Bibcode : 1978PNAS...75.2258A. doi : 10.1073/pnas.75.5.2258 . PMC 392531. PMID  276866 . 
  8. ^ Haagsman HP, Diemel RV (май 2001). "Протеины, ассоциированные с поверхностно-активными веществами: функции и структурные вариации". Сравнительная биохимия и физиология. Часть A, Молекулярная и интегративная физиология . 129 (1): 91–108. doi :10.1016/s1095-6433(01)00308-7. PMID  11369536.
  9. ^ Weaver TE, Conkright JJ (2001). «Функция сурфактантных белков B и C». Annual Review of Physiology . 63 : 555–78. doi :10.1146/annurev.physiol.63.1.555. PMID  11181967.
  10. ^ Hills BA (1999). «Альтернативный взгляд на роль(и) сурфактанта и альвеолярную модель». Журнал прикладной физиологии . 87 (5): 1567–83. doi :10.1152/jappl.1999.87.5.1567. PMID  10562593. S2CID  2056951.
  11. ^ ab Schurch S, Lee M, Gehr P, Qanbar R, Schürch S (1992). «Легочный сурфактант: поверхностные свойства и функция альвеолярного и дыхательного сурфактанта». Pure and Applied Chemistry . 64 (11): 209–20. doi : 10.1351/pac199264111745 . S2CID  97007574.
  12. ^ ab Possmayer F, Nag K, Rodriguez K, Qanbar R, Schürch S (2001). "Поверхностная активность in vitro: роль поверхностно-активных белков". Comparative Biochemistry and Physiology A . 129 (1): 209–20. doi :10.1016/S1095-6433(01)00317-8. PMID  11369545.
  13. ^ abc Вельдхуизен 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. ^ ab Schürch S, Bachofen H, Possmayer F (2001). «Поверхностная активность in situ, in vivo и в пузырьковом сурфактометре». Сравнительная биохимия и физиология A. 129 ( 1): 195–207. doi :10.1016/S1095-6433(01)00316-6. PMID  11369544.
  15. ^ Bertsch P, Bergfreund J, Windhab EJ, Fischer P (август 2021 г.). «Физиологические жидкостные интерфейсы: функциональные микросреды, цели доставки лекарств и первая линия защиты». Acta Biomaterialia . 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. ^ Young SL, Fram EK, Larson EW (июль 1992). «Трехмерная реконструкция трубчатого миелина». Experimental Lung Research . 18 (4): 497–504. doi :10.3109/01902149209064342. PMID  1516569.
  18. ^ Franciosi L, Govorukhina N, Ten Hacken N, Postma D, Bischoff R (2011). "Протеомика жидкости эпителиальной выстилки, полученной путем бронхоскопического микрозондового отбора проб". Нанопротеомика . Методы в молекулярной биологии. Т. 790. С. 17–28. doi :10.1007/978-1-61779-319-6_2. ISBN 978-1-61779-318-9. PMID  21948403.
  19. ^ Нимаркт Х., Крамер Б. В. (2017). «Поверхностно-активное вещество при респираторном дистресс-синдроме: новые идеи о знакомом препарате с инновационными применениями». Неонатология . 111 (4): 408–414. doi :10.1159/000458466. PMC 5516408. PMID  28538236 . 
  20. ^ Young B (2014). Функциональная гистология Уитера: текст и цветной атлас . O'Dowd, Geraldine,, Woodford, Phillip (шестое изд.). Филадельфия, Пенсильвания. С. Гл. 12. ISBN 978-0702047473. OCLC  861650889.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  21. ^ Crowther JE, Schlesinger LS (2005). «Эндоцитарный путь для сурфактантного белка a в макрофагах человека: связывание, клатрин-опосредованное поглощение и транспортировка через эндолизосомальный путь». AJP: Lung Cellular and Molecular Physiology . 290 (2): L334–42. doi :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. ^ Avery ME (1959-05-01). «Свойства поверхности в связи с ателектазом и заболеванием гиалиновых мембран». Архивы 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