Легочный сурфактант - Pulmonary surfactant

Альвеолы ​​- это сферические выступы респираторных бронхиол.

Легочный сурфактант является поверхностно-активным липопротеин комплекс (фосфолипопротеин), образованный альвеолярные клетки II типа. Белки и липиды, входящие в состав поверхностно-активное вещество есть оба гидрофильный и гидрофобный регионы. От адсорбирующий в воздух-воду интерфейс из альвеолы, с гидрофильными головными группами в воде и гидрофобными хвостами, обращенными к воздуху, главному липидному компоненту поверхностно-активного вещества, дипальмитоилфосфатидилхолин (DPPC), уменьшает поверхностное натяжение.

Как лекарство, легочный сурфактант на Примерный перечень основных лекарственных средств ВОЗ, наиболее важные лекарства, необходимые для система здоровья.[1]

Функция

Альвеолы ​​можно сравнить с газом в воде, поскольку альвеолы ​​влажные и окружают центральное воздушное пространство. В поверхностное натяжение действует на границе раздела воздух-вода и стремится сделать пузырь меньше (за счет уменьшения площади поверхности раздела). Давление газа (п) необходимо для поддержания равновесия между силой сжатия поверхностное натяжение (γ) и сила расширения газа в альвеоле радиусом р выражается закон Лапласа:

Соблюдение

Соблюдение способность легких и грудной клетки расширяться. Податливость легких определяется как изменение объема на единицу изменения давления через легкое. Измерения объема легких, полученные во время контролируемого раздувания / сдувания нормального легкого, показывают, что объемы, полученные во время сдувания, превышают объемы во время раздувания при заданном давлении. Эта разница в объемах надувания и дефляции при заданном давлении называется гистерезис и возникает из-за поверхностного натяжения воздух-вода, которое возникает в начале надувания. Однако сурфактант снижает альвеолярный поверхностное натяжение, как видно на примере недоношенных детей, страдающих от детский респираторный дистресс-синдром. Нормальное поверхностное натяжение для воды составляет 70 дин / см (70 мН / м), а в легких - 25 дин / см (25 мН / м); однако в конце срока годности сжатые молекулы фосфолипидов поверхностно-активного вещества снижают поверхностное натяжение до очень низких, почти нулевых уровней. Таким образом, легочный сурфактант значительно снижает поверхностное натяжение, увеличивая податливость, позволяя легким намного легче надуваться, тем самым уменьшая работу дыхания. Это уменьшает разницу давлений, необходимую для надувания легких. Податливость легких уменьшается, а вентиляция уменьшается, когда легочная ткань становится больной и фиброзной.[2]

Регулировка альвеолярного размера

По мере увеличения размера альвеол поверхностно-активное вещество все больше распределяется 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 альвеолы, которые расширяются быстрее, будут испытывать сильное повышение поверхностного натяжения, замедляющее скорость расширения. Это также означает, что скорость сокращения становится более равномерной, так как при более быстром уменьшении размера поверхностное натяжение уменьшится больше, поэтому другие альвеолы ​​могут сокращаться легче, чем это возможно. Поверхностно-активное вещество снижает поверхностное натяжение легче, когда альвеолы ​​меньше, поскольку поверхностно-активное вещество более концентрировано.

Предотвращение скопления жидкости и поддержание сухости дыхательных путей

Поверхностное натяжение вытягивает жидкость из капилляров в альвеолярные пространства. Поверхностно-активное вещество уменьшает скопление жидкости и сохраняет дыхательные пути сухими за счет снижения поверхностного натяжения.[3]

Врожденный иммунитет

Иммунная функция сурфактанта в первую очередь связана с двумя белками: СПА и СП-Д. 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. Разложение или инактивация поверхностно-активного вещества может способствовать повышению восприимчивости к воспалению и инфекции легких.[4]

Сочинение

Липиды

DPPC

Дипальмитоилфосфатидилхолин (DPPC) - это фосфолипид с двумя 16-углеродными насыщенными цепями и фосфат группа с присоединенной четвертичной аминогруппой. DPPC - самая сильная молекула сурфактанта в смеси легочных сурфактантов. Он также имеет более высокую способность к уплотнению, чем другие фосфолипиды, потому что аполярный хвост менее изогнут. Тем не менее, без других веществ смеси легочных сурфактантов DPPC адсорбция кинетика очень медленная. Это происходит прежде всего потому, что фаза температура перехода между гель к жидкокристаллический чистого DPPC составляет 41,5 ° C, что выше, чем температура человеческого тела 37 ° С.[6]

Другие фосфолипиды

Молекулы фосфатидилхолина составляют ~ 85% липидов в поверхностно-активном веществе и имеют насыщенные ацильные цепи. Фосфатидилглицерин (PG) образует около 11% липидов в поверхностно-активном веществе, он имеет цепи ненасыщенных жирных кислот, которые псевдоожижают 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 пластинчатые тела.[нужна цитата ]

Белки

Белки составляют оставшиеся 10% поверхностно-активного вещества. Половина из этих 10% - это белки плазмы но остальное сформировано аполипопротеины, поверхностно-активные белки SP-A, SP-B, SP-C и SP-D. Аполипопротеины продуцируются секреторным путем в клетках типа II. Они претерпевают много посттрансляционных модификаций, попадая в ламеллярные тела. Это концентрические кольца липида и белка диаметром около 1 мкм.

  • СПА и СП-Д находятся Colleins. Они наделяют врожденный иммунитет, поскольку у них есть домены распознавания углеводов, которые позволяют им покрывать бактерии и вирусы, способствующие фагоцитозу макрофагами.[7] Также считается, что SP-A участвует в механизме отрицательной обратной связи, контролирующем выработку поверхностно-активного вещества.[нужна цитата ]
  • СП-Б 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. Люди и животные, рожденные с врожденным отсутствием семья сапозинов SP-B страдает трудноизлечимой респираторной недостаточностью, тогда как у рожденных без SP-C обычно развивается прогрессирующий интерстициальный пневмонит.[8]

Белки SP снижают критическую температуру фазового перехода DPPC до значения ниже 37 ° C,[9] что улучшает его адсорбцию и скорость распространения поверхности раздела.[10][11] Сжатие границы раздела вызывает фазовый переход молекул поверхностно-активного вещества в жидкость-гель или даже гель-твердое тело. Высокая скорость адсорбции необходима для поддержания целостности области газообмена в легких.

Каждый протеин SP имеет различные функции, которые действуют синергетически чтобы интерфейс был богат DPPC во время расширения и сокращения легких. Изменения в составе смеси поверхностно-активных веществ изменяют условия давления и температуры для фазовых превращений, а также форму кристаллов фосфолипидов.[12] Только жидкая фаза может свободно растекаться по поверхности с образованием монослоя. Тем не менее, было замечено, что если область легкого резко расширяется, плавающие кристаллы трескаются как "айсберги ". Затем белки SP избирательно привлекают больше DPPC к поверхности раздела, чем другие фосфолипиды или холестерин, поверхностно-активные свойства которых хуже, чем у DPPC. SP также закрепляет DPPC на границе раздела, чтобы предотвратить выдавливание DPPC при уменьшении площади поверхности [11] Это также снижает сжимаемость интерфейса.[13]

Искусственные поверхностно-активные вещества

Основная статья: Легочный сурфактант (лекарство)
Сурванта, окруженный устройствами для его применения.

Доступен ряд типов легочных сурфактантов.

Синтетические легочные сурфактанты

  1. Колфосерил пальмитат (Exosurf) - смесь DPPC с гексадеканолом и тилоксаполом, добавленными в качестве агентов для распределения.
  2. Пумактант (Искусственное расширяющее легкое соединение 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. Вентикуте - DPPC, PG, пальмитиновая кислота и рекомбинантный SP-C
  5. Лусинактант - DPPC, POPG, и пальмитиновая кислота.

Поверхностно-активные вещества животного происхождения

  1. Beractant
    1. (Альвеофакт) - извлекается из жидкости лаважа легких коровы
    2. (Сурванта) - экстрагируется из измельченного легкого коровы с дополнительным DPPC, пальмитиновой кислотой и трипальмитином.
    3. (Beraksurf) - извлеченный из рубленого легкого теленка с дополнительным DPPC, пальмитиновой кислотой и трипальмитином
  2. Калфактант (Infasurf) - извлекается из жидкости лаважа легких теленка.
  3. Порактант альфа (Curosurf) - извлекается из материала, полученного из рубленого легкого свиньи

Величина поверхностного натяжения внутри легкого

Несмотря на то, что поверхностное натяжение может быть значительно уменьшено легочным сурфактантом, этот эффект будет зависеть от концентрации сурфактанта на границе раздела. Концентрация на границе раздела 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, по истечении срока действия площадь поверхности уменьшается, слой поверхностно-активного вещества сжимается, приближая молекулы поверхностно-активного вещества друг к другу и дополнительно уменьшая поверхностное натяжение.[нужна цитата ]

Молекулы SP способствуют увеличению кинетики адсорбции на границе раздела поверхностно-активных веществ, когда концентрация ниже насыщение уровень. Они также делают слабые связи с молекулами поверхностно-активного вещества на границе раздела и удерживают их там дольше, когда поверхность раздела сжата. Поэтому во время вентиляции поверхностное натяжение обычно ниже, чем в состоянии равновесия. Следовательно, поверхностное натяжение изменяется в зависимости от объема воздуха в легких, который защищает их от ателектаза при малых объемах и повреждения тканей при высоких уровнях объема.[10][12][13]

Значения поверхностного натяжения
СостояниеНапряжение (мН / м)
Вода при 25 ° C70
Легочный сурфактант в равновесии при 36 ° C25
Здоровое легкое на 100% TLC30
Здоровое легкое от 40 до 60% TLC1~6
Здоровое легкое ниже 40% TLC<1

Производство и деградация

Производство поверхностно-активного вещества у человека начинается в клетках типа II во время альвеолярный мешок стадия развития легких. Пластинчатые тела появляются в цитоплазме примерно на 20 неделе беременности.[нужна цитата ] Эти ламеллярные тела секретируются экзоцитоз в поверхностный слой воды, выстилающий альвеолярное воздушное пространство, где сурфактант образует сеть трубчатых миелин. У доношенных детей запас сурфактанта в альвеолярных отростках составляет приблизительно 100 мг / кг, а у недоношенных новорожденных - 4–5 мг / кг при рождении.[нужна цитата ]

Клетки клуба также производят компонент легочного сурфактанта.[14]

Период полураспада альвеолярного сурфактанта составляет от 5 до 10 часов после выделения. Он может расщепляться макрофагами и / или реабсорбироваться в пластинчатые структуры пневмоцитов II типа. До 90% сурфактанта DPPC (дипальмитоилфосфатидилхолина) рециркулируется из альвеолярного пространства обратно в пневмоциты II типа. Считается, что этот процесс происходит через СПА стимулирующий рецептор-опосредованный, клатрин зависимый эндоцитоз.[15] Остальные 10% поглощаются альвеолярными макрофагами и перевариваются.

Болезни

История

В конце 1920-х фон Нергаард[16] идентифицировали функцию легочного сурфактанта в повышении эластичности легких за счет снижения поверхностного натяжения. Однако значение его открытия не было осознано научным и медицинским сообществом в то время. Он также осознал важность низкого поверхностного натяжения легких новорожденных. Позже, в середине 1950-х, Паттл и Clements заново открыли важность сурфактанта и низкого поверхностного натяжения в легких. В конце того десятилетия было обнаружено, что недостаток поверхностно-активного вещества вызывает детский респираторный дистресс-синдром (IRDS).[17][12]

использованная литература

  1. ^ «Девятнадцатый Примерный перечень основных лекарственных средств ВОЗ (апрель 2015 г.)» (PDF). КТО. Апрель 2015 г.. Получено 10 мая, 2015.
  2. ^ «Альвеолы ​​и процесс дыхания». Получено 2013-10-30.[ненадежный медицинский источник? ]
  3. ^ Запад, Джон Б. (1994). Физиология дыхания - основы. Балтимор: Уильямс и Уилкинс. ISBN  0-683-08937-4.[страница нужна ]
  4. ^ Райт, Джо Рэй (2004). «Защитные функции организма легочного сурфактанта». Биология новорожденного. 85 (4): 326–32. Дои:10.1159/000078172. PMID  15211087. S2CID  25469141.
  5. ^ а б c d Nkadi, Paul O .; Мерритт, Т. Аллен; Пиллерс, Де-Энн М. (2009). «Обзор легочного сурфактанта у новорожденных: генетика, метаболизм и роль сурфактанта в здоровье и болезнях». Молекулярная генетика и метаболизм. 97 (2): 95–101. Дои:10.1016 / j.ymgme.2009.01.015. ISSN  1096-7192. ЧВК  2880575. PMID  19299177.
  6. ^ Альбон, Норман (1978). «Природа перехода синтетических фосфатидилхолинов из геля в жидкий кристалл». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 75 (5): 2258–2260. Bibcode:1978PNAS ... 75.2258A. Дои:10.1073 / пнас.75.5.2258. ЧВК  392531. PMID  276866.
  7. ^ Haagsman HP, Diemel RV (май 2001 г.). «Белки, связанные 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 / с1095-6433 (01) 00308-7. PMID  11369536.
  8. ^ Уивер TE, Конкрайт JJ (2001). «Функция поверхностно-активных белков B и C». Ежегодный обзор физиологии. 63: 555–78. Дои:10.1146 / annurev.physiol.63.1.555. PMID  11181967.
  9. ^ Хиллс, Б.А. (1999). «Альтернативный взгляд на роль сурфактанта и альвеолярной модели». Журнал прикладной физиологии. 87 (5): 1567–83. Дои:10.1152 / jappl.1999.87.5.1567. PMID  10562593.
  10. ^ а б Schurch, S .; Ли, Мартин; Гер, Питер; Qanbar, R; Schürch, S (1992). «Легочный сурфактант: свойства поверхности и функция сурфактанта альвеол и дыхательных путей». Чистая и прикладная химия. 64 (11): 209–20. Дои:10.1351 / pac199264111745. S2CID  97007574.
  11. ^ а б Поссмайер, Фред; Наг, Кошик; Родригес, Карина; Канбар, Риад; Шюрх, Самуэль (2001). «Поверхностная активность in vitro: роль сурфактантных белков». Сравнительная биохимия и физиология A. 129 (1): 209–20. Дои:10.1016 / S1095-6433 (01) 00317-8. PMID  11369545.
  12. ^ а б c Велдхуизен, Рууд; Наг, Кошик; Оргейг, Сандра; Поссмайер, Фред (1998). «Роль липидов в легочном сурфактанте». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная основа болезни. 1408 (2–3): 90–108. Дои:10.1016 / S0925-4439 (98) 00061-1. PMID  9813256.
  13. ^ а б Шюрх, Самуэль; Бахофен, Ганс; Поссмайер, Фред (2001). «Поверхностная активность in situ, in vivo и в сурфактометре с пленочным пузырем». Сравнительная биохимия и физиология A. 129 (1): 195–207. Дои:10.1016 / S1095-6433 (01) 00316-6. PMID  11369544.
  14. ^ Молодые, Барбара (2014). Функциональная гистология Уитера: текст и цветной атлас. О'Дауд, Джеральдин, Вудфорд, Филлип (Шестое изд.). Филадельфия, Пенсильвания. С. Глава 12. ISBN  978-0702047473. OCLC  861650889.
  15. ^ Crowther, J.E .; Шлезингер, Л. С. (2005). «Эндоцитарный путь сурфактантного протеина а в макрофагах человека: связывание, опосредованное клатрином захват и перенос через эндолизосомный путь». AJP: Клеточная и молекулярная физиология легких. 290 (2): L334–42. Дои:10.1152 / ajplung.00267.2005. PMID  16169899.
  16. ^ Neergaard, К. (1929). "Neue Auffassungen über einen Grundbegriff der Atemmechanik" [Новые взгляды на фундаментальную концепцию респираторной механики]. Zeitschrift für die Gesamte Experimentelle Medizin (на немецком). 66 (1): 373–94. Дои:10.1007 / bf02621963. S2CID  87610289.
  17. ^ Эйвери, Мэри Эллен (1959-05-01). «Поверхностные свойства в отношении ателектазов и заболеваний гиалиновых мембран». Архивы педиатрии и подростковой медицины. 97 (5_PART_I): 517–23. Дои:10.1001 / archpedi.1959.02070010519001. ISSN  1072-4710. PMID  13649082.

внешние ссылки