Propriétés, production et régulation du tensioactif pulmonaire

Ce chapitre est vaguement pertinent à la Section F3(vi) du Programme primaire 2017 du CICM, qui s’attend à ce que les candidats à l’examen puissent « décrire les propriétés, la production et la régulation du tensioactif et les relier à son rôle dans Le sujet n’a été abordé qu’une seule fois dans l’article écrit, à la Question 6 du deuxième article de 2012 qui portait sur la structure du tensioactif ainsi que sur ses effets sur la tension superficielle et la mécanique pulmonaire., Le Commentaire du collège à cette SAQ est remarquablement détaillé et a été très utile dans le processus de structuration de ce chapitre.

En résumé:

pour la tension superficielle et la loi de Laplace, L’article le plus éclairant est probablement Prange (2003)., Le tensioactif alvéolaire semble être exceptionnellement populaire, et il existe plusieurs bonnes critiques, mais beaucoup sont affaiblis par des détails excessifs; le meilleur équilibre entre brièveté et rigueur semble être Goerke (1998)

tension superficielle

la tension superficielle ne semble pas avoir de définition formelle, mais cet exercice du dictionnaire Oxford semble approprié comme définition:

« tension du film de surface d’un liquide causée par l’attraction des particules dans la couche de surface par la masse du liquide, ce qui tend à minimiser la surface., »

Il s’agit d’une propriété des liquides, ou plus précisément des interfaces liquide-gaz. Les molécules de liquides ont tendance à coller ensemble par de fortes forces d’attraction intermoléculaires (par exemple. les liaisons hydrogène dans l’eau), et donc la surface d’un liquide tend naturellement à recueillir le liquide dans un arrondi goutte (ou une sphère, où la gravité n’est pas un problème). Du moins quand on parle de liquides qui ont ces fortes forces d’attraction intermoléculaires (par exemple de l’eau dont la tension superficielle est d’environ 72 mN/m à 25°C)., Avec l’augmentation de la température, la tension superficielle diminue; avec l’augmentation des forces intermoléculaires, elle augmente. Un bon exemple de tension superficielle extrême est le mercure liquide, qui a une tension superficielle de 487 mN/m. d’autre part, l’hélium liquide est le champion de tous les temps de la faible tension superficielle (0,37 mN/m).

la Loi de Laplace

Les examinateurs du collège, dans leur commentaire à la Question 6 du deuxième article de 2012, font référence à ce qu’on appelle « la loi de la Place », probablement une référence à la loi de Laplace (d’après Pierre-Simon, marquis de Laplace)., C’est une relation très célèbre, et au cas où on aurait besoin d’une douzaine d’exemples d’où il devient utile en médecine, on peut se référer à L’excellent article de Jeffrey Basford (2002). Pour une version qui correspond à un modèle alvéolocentrique de l’univers, L’équation de Young-Laplace-Gauss peut être représentée comme suit:

où

• γ est la tension superficielle
• r est le rayon de l’Alvéole sphérique, et
• P est la pression de Laplace, ou et l’extérieur de la surface fluide incurvée, c’est-à-dire, la différence de pression entre la couche de fluide et de gaz à l’intérieur de la sphère.

Quelle est la signification de cela? Eh bien, la loi elle-même est assez simple. Il dit essentiellement que la pression à l’intérieur d’une sphère élastique est inversement proportionnelle au rayon, à condition que la tension superficielle reste stable. Obéissant à cette relation, à n’importe quelle valeur de tension superficielle donnée, les sphères plus petites avec des rayons plus petits auront une pression transmurale plus élevée, c’est-à-dire qu’elles veulent s’effondrer plus que les sphères plus grandes. Les implications de cette loi pour les alvéoles sont:

• petites alvéoles (c.-à-d., les alvéoles plus petites favoriseront leur propre effondrement en se vidant dans de plus grandes alvéoles voisines
• La Filtration du fluide à travers la paroi capillaire pulmonaire dépend du gradient de pression hydrostatique, et la tension superficielle alvéolaire ajoute à ce gradient (c.-à-d. qu’elle favorise l’ultrafiltration du fluide de l’œdème)

cela semble très scientifique, mais dans quelle mesure est-elle efficace représenter les allées et venues à la surface alvéolaire du charbon?, Probablement à un degré minime, semble être la réponse. Les manuels de physiologie ont tiré la laine sur nos yeux, Selon Henry Prange (2003). Les points importants à noter concernant la mauvaise application et la limitation de la loi de Lapace seraient:

• les alvéoles ne sont pas sphériques. Ils sont des polygones. La loi de Laplace ne s’applique qu’à la très petite région courbe du fluide où ces parois se croisent.
• les alvéoles ne s’effondrent pas comme des ballons dégonflés, elles se plient comme des boîtes en carton.,
• les alvéoles ne sont pas indépendantes, mais plutôt interconnectées et suspendues les unes contre les autres avec des bandes de tissu conjonctif élastique, qui sert à les soutenir et à prévenir leur effondrement.

donc, il n’est probablement pas applicable à 100% à la réalité de la mécanique pulmonaire humaine. C’est un exemple de médecine détournant la réputation précise et rationalisée de la physique et de l’ingénierie, essayant d’appuyer sur des bords mathématiques nets dans le désordre gluant de la biologie humaine., Pour reprendre les mots de Prange,

« Nous, biologistes, semblons souvent poussés à rechercher les mécanismes élégants et sophistiqués de la physique dans les structures beaucoup plus complexes des plantes et des animaux. Nous sommes enclins à tomber dans le piège d’injecter la physique dans notre travail partout où nous le pouvons, que son utilisation soit justifiée ou correcte., »

effet de la tension superficielle sur la compliance pulmonaire

Lorsqu’on discute de l’effet de la tension superficielle de l’eau sur la compliance pulmonaire, un diagramme célèbre est souvent tiré qui montre ce qui se passerait de cette interface air-liquide n’était pas là. Il s’agit d’une courbe de compliance d’un poumon de chat (poumon de chat 27, pour être précis) qui était rempli de solution saline.

Cette version spécifique de ce schéma vient de T. E. Morgan (1971), mais ses origines sont beaucoup plus anciennes. Ces données ont été publiées pour la première fois en 1929 par Kurt von Neergaard., À un niveau de base, cela démontre que la tension superficielle des alvéoles rend le poumon beaucoup plus difficile à gonfler, c’est-à-dire qu’il est l’un des déterminants les plus importants de la compliance pulmonaire. Avec la tension superficielle abolie (pas de surface, Pas de tension!) le poumon se gonfle apparemment sans effort, et perd notamment la partie précoce mal conforme de la courbe de conformité.,

effet du tensioactif sur la tension superficielle dans les alvéoles

la tension superficielle de l’eau est d’environ 70 mN / m à température corporelle, alors que la tension superficielle du fluide de surface alvéolaire est évidemment très différente. Clements (1957) a utilisé un équilibre de Wilhelmy pour tester la tension superficielle de l’extrait de poumon mushed (« hachis de poumons entiers dans une solution saline normale, filtré à travers du coton faiblement emballé ») et a déterminé que sa tension superficielle variait de 46 à 10 mN/m, avec une hystérésis importante. Cela a été confirmé plus tard par Schurch Goerke & Clements en 1976., Lachmann et al (1980) ont démontré ce que cette différence signifie pour la conformité pulmonaire en comparant les poumons de lapin avant et après un lavage qui a éliminé tout le tensioactif. Leurs Graphiques (ci-dessous) montrent la diminution substantielle de la conformité (elle a été essentiellement réduite de moitié).

alors, qu’est-ce que le tensioactif pulmonaire, et où obtient-il ces propriétés miraculeuses, et comment se compare-t-il à, disons, un détergent à vaisselle?,

propriétés physiques et chimiques du tensioactif pulmonaire

Il est bien meilleur que le détergent à vaisselle, qui ne fait généralement que diminuer la tension superficielle de l’eau jusqu’à environ 25-30 mN/m. Pour ceux qui ont besoin de tout savoir sur cette substance, une excellente monographie de Notter& Wang (1997) serait plus que suffisante pour, Malgré sa longueur de 118 pages et la complexité de son contenu, in a crime against good typography practice Reviews in Chemical Engineering l’a publié pour une raison quelconque dans une police en gras, ce qui le rend encore plus difficile à lire. Peu importe: les points les plus importants seront résumés ici.

• c’est une soupe complexe de phospholipides
• de la masse sèche,
  • 85-90% sont des phospholipides
  • 8-10% sont des protéines – principalement des protéines SP A B et C, toutes petites (~4-5 kDa)
  • 2-5% sont des lipides neutres, par exemple., cholestérol
• Les composants phospholipides sont:
  • La phosphatidylcholine Dipalmitoyl (DPPC, ou lécithine) représente environ 2/3rds de la teneur totale en phospholipides et effectue la majeure partie du travail de surfactant.
  • les autres sont des phospholipides Aléatoires (un groupe hétérogène), y compris le phosphatidylglycérol, le phosphatidylinositol, la phosphatidyléthanolamine, la sphingomyéline et la phosphatidylsérine.
  • Ces derniers éléments sont essentiels, car ils contribuent à la stabilité du mélange., Par exemple, le tensioactif DPPC the star player n’est pas vraiment soluble dans l’eau et a tendance à être un solide jusqu’à une température de 41,6 °C, à moins qu’il n’y ait une quantité décente de phosphatidylglycérol dans le mélange.

de manière générale, à l’interface gaz-liquide, les phospholipides ont tendance à former des monocouches qui sont orientées avec les têtes hydrophiles enfouies dans l’eau et les chaînes de queue hydrophobes pointant dans l’air., Le but du jeu est d’emballer autant de ces choses à l’interface air-liquide que possible; l’attraction des molécules d’eau les unes aux autres est la principale raison de la tension superficielle, et donc si vous éliminez toutes les molécules d’eau de surface en remplissant la surface avec du phospholipide, théoriquement la tension superficielle devrait être minimisée. C’est la théorie derrière le choix de dipalmitoyl phosphatidylcholine, qui ne se trouve vraiment nulle part ailleurs, sauf les poumons., En tant qu’agent tensioactif, celui–ci est un bon choix car sa forme désaturée peut être « emballée à une densité très élevée à l’interface air-eau » (Pérez-Gil et al, 2008). Vous ne pouvez pas le faire avec beaucoup d’autres phospholipides parce qu’ils ont « tordu » des chaînes insaturées qui ne s’alignent pas proprement. Ainsi, à mesure que les alvéoles se rétrécissent à l’expiration et que leur surface interne diminue, les molécules de DPPC se regroupent et forment un tapis impénétrable sans eau à l’interface, essentiellement un solide (bien que très mince)., Théoriquement, cette solidification du tensioactif devrait diminuer la tension superficielle à zéro (Morley & Bangham, 1981). En d’autres termes, le surfactant pulmonaire pourrait dans certaines circonstances battre le record de tension superficielle de l’hélium liquide superfluide effrayant, qui a tendance à se faufiler hors de son bécher et se comporte généralement comme un essaim de bosons.

Production et régulation du tensioactif pulmonaire

le tensioactif est produit et recyclé presque exclusivement par des cellules alvéolaires de type II., Certaines des meilleures sources pour ce sujet sont Van Golde et al (1988) et Chander & Fisher (1990). En résumé:

• le tensioactif préformé est stocké dans les corps lamellaires à l’intérieur des cellules de Type 2; ce sont des structures en forme de cloche qui, lors du sectionnement, révèlent une structure interne concentrique comme un oignon. Ces corps ont un pH interne relativement acide et contiennent également des enzymes lysosomales étonnamment, par exemple. hydrolases.,
• Les Corps lamellaires apparaissent dans les cellules de Type 2 vers la 20e semaine de gestation
• chaque cellule a environ 150 corps lamellaires, et environ 15 d’entre eux sont exocytés toutes les heures
• La libération de tensioactif est renforcée par
  • catécholamines (un récepteur β-adrénergique est impliqué)
  • médicaments cholinergiques
  • vasopressine
  • adénosine
• la libération de tensioactif est inhibée par
  • des concentrations élevées de protéines tensioactives
  • lectines (par exemple., lectine végétale), qui sont homologues avec des protéines tensioactives
  • médiateurs inflammatoires
• La substance tensioactive pulmonaire a une demi-vie d’environ 5 à 10 heures, c’est-à-dire que chaque heure, 10 à 30% de celle-ci doit être éliminée d’une manière ou d’une autre., Cela se produit par:
  • résorption dans les cellules de Type 2 (ce qui représente 95% de l’élimination)
  • Transport dans les voies respiratoires et élimination sous forme d’aérosol expiré
  • dégradation dans les macrophages alvéolaires
  • dégradation enzymatique extracellulaire dans les alvéoles
  • clairance via la lymphe ou le sang

le programme CICM demande la production et la régulation ce qui implique qu’il peut y avoir un scénario où l’on pourrait rencontrer un excès de surfactant non réglementé. C’est en fait le cas si l’on a une protéinose alvéolaire., En dehors de cet exemple, Whitsett et al (2010) décrivent une gamme de conditions dans lesquelles la production de tensioactif est modifiée avec des effets profonds.