Легочный сурфактант
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 ДПФХ ) воздух-вода на границе раздела альвеол дипальмитоилфосфатидилхолин , при этом гидрофильные головные группы находятся в воде, а гидрофобные хвосты обращены к воздуху, основной липидный компонент поверхностно-активного вещества, ( , 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
[ редактировать ]- Для повышения податливости легких .
- Для предотвращения ателектаза (коллапса альвеол или предсердий) в конце выдоха.
- Для облегчения рекрутирования спавшихся дыхательных путей.
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
[ редактировать ]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 надувания и сдувания при данном давлении называется гистерезисом и обусловлена поверхностным натяжением воздуха и воды, которое возникает в начале надувания. 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 болезненной и фиброзной . [ 3 ]
Регулирование альвеолярного размера
[ редактировать ]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 является более равномерной, 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.
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 сурфактанта может способствовать повышению восприимчивости к воспалению легких и инфекциям. [ 5 ]
Состав
[ редактировать ]- ~40% дипальмитоилфосфатидилхолина (ДПФХ); [ 6 ]
- ~40% другие фосфолипиды (ФХ); [ 6 ]
- ~10% поверхностно-активных белков ( SP-A , SP-B , SP-C и SP-D ); [ 6 ]
- ~10% нейтральных липидов ( холестерин ); [ 6 ]
- Следы других веществ .
Липиды
[ редактировать ]ДППК
[ редактировать ]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. ДПФХ Тем не менее, без других веществ легочной смеси сурфактантов кинетика адсорбции 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
[ редактировать ]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 ссылка ]
Белки
[ редактировать ]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.
- SP-A и SP-D — это коллекторы . Они придают врожденный иммунитет, поскольку имеют домены распознавания углеводов, которые позволяют им покрывать бактерии и вирусы, способствующие фагоцитозу макрофагов. [ 8 ] Также считается, что SP-A участвует в механизме отрицательной обратной связи, контролирующем выработку поверхностно-активного вещества. [ нужна ссылка ]
- SP-B и SP-C представляют собой гидрофобные мембранные белки, которые увеличивают скорость распространения поверхностно-активного вещества по поверхности. SP-B и SP-C необходимы для правильной биофизической функции легких. У людей и животных, рожденных с врожденным отсутствием SP-B семейства сапозинов, наблюдается трудноизлечимая дыхательная недостаточность, тогда как у рожденных с отсутствием SP-C наблюдается тенденция к развитию прогрессирующего интерстициального пневмонита. [ 9 ]
DPPC Белки SP снижают критическую температуру фазового перехода до значения ниже 37 °C. [ 10 ] что улучшает его скорость адсорбции и распространения на границе раздела. [ 11 ] [ 12 ] Сжатие границы раздела вызывает фазовый переход молекул ПАВ на 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. 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
[ редактировать ]
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
- Колфосцерил пальмитат (Экзосурф) - смесь ДПФХ с гексадеканолом и тилоксаполом, добавляемая в качестве распределяющих агентов.
- Пумактант (искусственное соединение, расширяющее легкие или ALEC) - смесь DPPC и PG.
- KL-4 - состоит из DPPC, пальмитоил-олеоилфосфатидилглицерина и пальмитиновой кислоты в сочетании с синтетическим пептидом из 21 аминокислоты, который имитирует структурные характеристики SP-B.
- Вентикут - DPPC, PG, пальмитиновая кислота и рекомбинантный SP-C.
- Люцинактант – ДПФХ , ПОПГ и пальмитиновая кислота .
Поверхностно-активные вещества животного происхождения
- Они ругают
- (Альвеофакт) - экстрагируется из жидкости лаважа легких коровы.
- (Сурванта) - экстрагирован из фарша коровьего легкого с добавлением DPPC, пальмитиновой кислоты и трипальмитина.
- (Бераксурф) - экстрагирован из фарша легких теленка с добавлением DPPC, пальмитиновой кислоты и трипальмитина.
- Кальфактант (Инфасурф) – экстрагируется из жидкости лаважа легких телят.
- Порактант альфа (Curosurf) - экстрагирован из материала, полученного из фарша легких свиньи.
- Овинактант (Варасурф) - извлечен из материала, полученного из фарша легких овцы.
Величина поверхностного натяжения внутри легкого
[ редактировать ]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 выше во время выдоха, чем во время вдоха. [ нужна ссылка ]
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 ]
| Состояние | Натяжение (мН/м) |
|---|---|
| Вода при 25 °C | 70 |
| Легочный сурфактант в равновесии при 36 °C | 25 |
| Здоровые легкие при 100 % ТСХ | 30 |
| Здоровое легкое составляет от 40 до 60% ТСХ. | 1~6 |
| Здоровое легкое ниже 40% ТСХ | <1 |
Производство и деградация
[ редактировать ]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 при рождении их уровень составляет примерно 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
[ редактировать ]- Респираторный дистресс-синдром младенцев (ИРДС) вызван недостатком сурфактанта, который обычно наблюдается у недоношенных детей, рожденных до 28–32 недель беременности. [ нужна ссылка ]
- Врожденный дефицит сурфактанта
- Легочный альвеолярный протеиноз
- Нарушение метаболизма сурфактанта
История
[ редактировать ]В конце 1920-х годов Неергаард [ 22 ] определили 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 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ «Девятнадцатый Примерный список основных лекарственных средств ВОЗ (апрель 2015 г.)» (PDF) . ВОЗ. Апрель 2015 года . Проверено 10 мая 2015 г.
- ^ «Альвеолы и процесс дыхания» . Архивировано из оригинала 18 мая 2015 г. Проверено 30 октября 2013 г. [ ненадежный медицинский источник? ]
- ^ Уэст, Джон Б. (1994). Физиология дыхания - самое важное . Балтимор: Уильямс и Уилкинс. ISBN 0-683-08937-4 . [ нужна страница ]
- ^ Райт-младший (2004). «Защитные функции легочного сурфактанта». Биология новорожденного . 85 (4): 326–32. дои : 10.1159/000078172 . ПМИД 15211087 . S2CID 25469141 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Нкади П.О., Мерритт Т.А., Пиллерс Д.А. (2009). «Обзор легочного сурфактанта у новорожденных: генетика, метаболизм и роль сурфактанта в здоровье и заболевании» . Молекулярная генетика и обмен веществ . 97 (2): 95–101. дои : 10.1016/j.ymgme.2009.01.015 . ISSN 1096-7192 . ПМЦ 2880575 . ПМИД 19299177 .
- ^ 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 .
- ^ Хаагсман 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 .
- ^ Уивер Т.Э., Конкрайт Дж.Дж. (2001). «Функция поверхностно-активных белков B и C». Ежегодный обзор физиологии . 63 : 555–78. doi : 10.1146/annurev.physiol.63.1.555 . ПМИД 11181967 .
- ^ Хиллз, бакалавр искусств (1999). «Альтернативный взгляд на роль сурфактанта и альвеолярную модель». Журнал прикладной физиологии . 87 (5): 1567–83. дои : 10.1152/яп.1999.87.5.1567 . ПМИД 10562593 . S2CID 2056951 .
- ^ Перейти обратно: а б Шурч С., Ли М., Гер П., Канбар Р., Шюрх 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 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с Вельдхейзен Р., Наг К., Оргейг С., Поссмайер Ф. (1998). «Роль липидов в легочном сурфактанте» . Биохимия и биофизика Acta (BBA) - Молекулярные основы болезней . 1408 (2–3): 90–108. дои : 10.1016/S0925-4439(98) 00061-1 ПМИД 9813256 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 .
- ^ Берч П., Бергфройнд Дж., Виндхаб Э.Дж., Фишер П. (август 2021 г.). «Взаимодействие физиологических жидкостей: функциональное микроокружение, 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 . ПМИД 34077806 . S2CID 235323337 .
- ^ «Перинатальная физиология – педиатрия» . Руководство MSD — профессиональная версия (на вьетнамском языке) . Проверено 23 апреля 2021 г.
- ^ Янг С.Л., Фрам Е.К., Ларсон Э.В. (июль 1992 г.). «Трехмерная реконструкция трубчатого миелина». Экспериментальное исследование легких . 18 (4): 497–504. дои : 10.3109/01902149209064342 . ПМИД 1516569 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . OCLC 861650889 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Кроутер Дж. Э., Шлезингер Л. С. (2005). «Эндоцитарный путь поверхностно-активного белка а в макрофагах человека: связывание, клатрин-опосредованное поглощение и транспортировка через эндолизосомальный путь». AJP: Клеточная и молекулярная физиология легких . 290 (2): L334–42. дои : 10.1152/ajplung.00267.2005 . ПМИД 16169899 . S2CID 12759872 .
- ^ Неергаард К. (1929). «Новые взгляды на фундаментальную концепцию механики дыхания». Журнал всей экспериментальной медицины (на немецком языке). 66 (1): 373–94. дои : 10.1007/bf02621963 . S2CID 87610289 .
- ^ 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 . ПМИД 13649082 . S2CID 23200589 .