Proprietà, produzione e regolazione del tensioattivo polmonare

Questo capitolo è vagamente pertinente alla Sezione F3 (vi) del programma primario CICM 2017, che prevede che i candidati all’esame siano in grado di “descrivere le proprietà, la produzione e la regolazione del tensioattivo e correlarli al suo ruolo nell’influenzare la meccanica respiratoria”. L’argomento è emerso solo una volta nel documento scritto, nella domanda 6 del secondo documento del 2012 che chiedeva della struttura del tensioattivo e dei suoi effetti sulla tensione superficiale e sulla meccanica polmonare., Il commento del college a questo SAQ è notevolmente dettagliato ed è stato molto utile nel processo di strutturazione di questo capitolo.

In sintesi:

Per la tensione superficiale e la legge di Laplace, il più illuminante articolo è probabilmente Prange (2003)., Surfattante alveolare sembra essere molto popolare, e ci sono diverse buone recensioni, ma molti sono indebolite a causa di eccessivo dettaglio; il miglior equilibrio di brevità e completezza sembra essere Goerke (1998)

tensione Superficiale

tensione Superficiale non sembra avere una definizione formale, ma questo estratto dal dizionario di Oxford sembra adeguatamente definizione-come:

“la tensione del film superficiale di un liquido causata dall’attrazione delle particelle dello strato superficiale dalla massa del liquido, che tende a ridurre al minimo la superficie.,”

Questa è una proprietà dei liquidi, o specificamente delle interfacce liquido-gas. Le molecole di liquidi tendono a stare insieme da forti forze attrattive intermolecolari(ad es. i legami idrogeno in acqua), e così la superficie di un liquido tende naturalmente a raccogliere il liquido in un blob tondeggiante (o una sfera, dove la gravità non è un problema). Almeno quando parliamo di liquidi che hanno queste forti forze attrattive intermolecolari (ad esempio acqua, la cui tensione superficiale è di circa 72 mN/m a 25°C)., Con l’aumentare della temperatura, la tensione superficiale diminuisce; con l’aumentare delle forze intermolecolari aumenta. Un buon esempio di tensione superficiale estrema è il mercurio liquido, che ha una tensione superficiale di 487 mN/m. D’altra parte, l’elio liquido è il campione di tutti i tempi della bassa tensione superficiale (0,37 mN/m).

La legge di Laplace

Gli esaminatori del college, nel loro commento alla domanda 6 del secondo articolo del 2012, fanno riferimento a qualcosa chiamato “Legge di La Place”, probabilmente un riferimento alla legge di Laplace (dopo Pierre-Simon, marchese di Laplace)., È una relazione molto famosa, e nel caso in cui uno abbia mai bisogno di una dozzina di esempi di dove diventa utile in medicina, si può fare riferimento all’eccellente articolo di Jeffrey Basford (2002). Per una versione che si adatta un alveolocentric modello dell’universo, la Young-Laplace-Gauss equazione può essere rappresentato come:

dove

• γ è la tensione superficiale
• r è il raggio della sfera alveolo, e
• P è Laplace pressione, o la differenza di pressione tra l’interno e l’esterno delle curve del liquido di superficie, vale a dire, la differenza di pressione tra lo strato fluido e il gas all’interno della sfera.

Qual è il significato di questo? Bene, la legge stessa è abbastanza semplice. Dice fondamentalmente che la pressione all’interno di una sfera elastica è inversamente proporzionale al raggio, a condizione che la tensione superficiale rimanga stabile. Obbedienti a questa relazione, ad ogni dato valore di tensione superficiale sfere più piccole con raggi più piccoli avranno una pressione transmurale più alta, cioè vogliono collassare più di sfere più grandi. Le implicazioni di questa legge per gli alveoli sono:

• Piccoli alveoli (cioè, crollò e quasi crollato) sono più difficili da gonfiare e poi grandi alveoli; questo contribuisce al basso visto di conformità a piccoli volumi polmonari
• Piccoli alveoli, promuovere il loro crollo, svuotare in più vicine alveoli
• la Filtrazione di fluidi attraverso la parete capillare polmonare dipende dal gradiente di pressione idrostatica, e la tensione superficiale alveolare aggiunge il gradiente (cioè promuove l’ultrafiltrazione di edema fluido)

Che tutti i suoni molto scientifico, ma come ben rappresentano il viavai al alveolare campo?, Probabilmente in qualche misura minima, sembra essere la risposta. Libri di testo di fisiologia sono stati tirando la lana sopra i nostri occhi, secondo Henry Prange (2003). Punti importanti da notare per quanto riguarda l’errata applicazione e la limitazione della legge di Lapace sarebbero:

• Gli alveoli non sono sferici. Sono poligoni. La legge di Laplace si applica solo alla regione curva molto piccola nel fluido in cui queste pareti si intersecano.
• Gli alveoli non collassano come palloncini sgonfianti, si piegano come scatole di cartone.,
• Gli alveoli non sono indipendenti, ma piuttosto interconnessi e sospesi l’uno contro l’altro con bande di tessuto connettivo elastico, che serve a sostenerli e prevenirne il collasso.

Quindi, probabilmente non è applicabile al 100% alla realtà della meccanica polmonare umana. È un esempio di medicina che si appropria indebitamente della reputazione precisa e snella della fisica e dell’ingegneria, cercando di premere alcuni bordi matematici nitidi nel pasticcio appiccicoso della biologia umana., Per prendere in prestito le parole di Prange,

“Noi biologi spesso sembriamo spinti a cercare i meccanismi eleganti e sofisticati della fisica nelle strutture molto più complesse di piante e animali. Siamo inclini a cadere nella trappola di iniettare la fisica nel nostro lavoro ovunque possiamo, indipendentemente dal fatto che il suo uso sia giustificato o corretto.,”

Effetto della tensione superficiale sulla compliance polmonare

Quando si discute l’effetto della tensione superficiale dell’acqua sulla compliance polmonare, viene spesso estratto un famoso diagramma che dimostra cosa succederebbe di quell’interfaccia aria-liquido che non c’era. È una curva di compliance di un polmone di gatto (il polmone di Cat 27, per essere precisi) che è stato riempito con soluzione salina.

Questa versione specifica di questo diagramma proviene da T. E. Morgan (1971), ma le sue origini sono molto più antiche. Questi dati furono pubblicati per la prima volta nel 1929 da Kurt von Neergaard., A livello di base, questo dimostra che la tensione superficiale degli alveoli rende il polmone molto più difficile da gonfiare, cioè è uno dei determinanti più importanti della compliance polmonare. Con la tensione superficiale abolita (nessuna superficie, nessuna tensione!) il polmone si gonfia apparentemente senza sforzo, e in particolare perde anche la parte iniziale poco conforme della curva di conformità.,

Effetto del tensioattivo sulla tensione superficiale negli alveoli

La tensione superficiale dell’acqua è di circa 70 mN / m a temperatura corporea, mentre la tensione superficiale del fluido superficiale alveolare è ovviamente molto diversa. Clements (1957) usò una bilancia Wilhelmy per testare la tensione superficiale dell’estratto polmonare mushed (“trito di polmoni interi in soluzione salina normale, filtrato attraverso cotone vagamente confezionato”) e determinò che la sua tensione superficiale variava da 46 a 10 mN/m, con una sostanziale isteresi. Questo è stato poi confermato da Schurch Goerke & Clements nel 1976., Lachmann et al (1980) hanno dimostrato cosa significhi questa differenza per la compliance polmonare confrontando i polmoni di coniglio prima e dopo un lavaggio che ha rimosso tutto il tensioattivo. I loro grafici (sotto) dimostrano la sostanziale diminuzione della conformità (è stata sostanzialmente dimezzata).

Quindi, cos’è il tensioattivo polmonare e dove ottiene queste proprietà miracolose e come si confronta, ad esempio, con il detersivo per piatti?,

proprietà Fisiche e chimiche di surfattante polmonare

e ‘ molto meglio di detersivo per piatti, che in genere solo diminuisce la tensione superficiale dell’acqua fino a circa 25-30 mN/m. Per chi ha la necessità di sapere tutto su questa sostanza, un’ottima monografia di Notter & Wang (1997) sarebbe più che sufficiente per agitare le loro passioni., Nonostante la sua lunghezza di 118 pagine e la complessità dei suoi contenuti, in un crimine contro la buona pratica tipografica Le recensioni in Ingegneria chimica per qualche motivo lo hanno pubblicato in grassetto, rendendolo ancora più difficile da leggere. Non importa: i punti più importanti saranno riassunti qui.

• È una zuppa complessa di fosfolipidi
• Della massa secca,
  • 85-90% è fosfolipidi
  • 8-10% è proteico – principalmente proteine SP A B e C, tutte piccole (~4-5 kDa)
  • 2-5% è lipidico neutro, ad es., colesterolo
• Componenti fosfolipidi sono:
  • Dipalmitoil fosfatidilcolina (DPPC, o lecitina) è di circa 2/3rds del contenuto totale di fosfolipidi, e fa la maggior parte del tensioattivo lavoro.
  • Il resto sono fosfolipidi casuali (un gruppo eterogeneo), tra cui fosfatidilglicerolo, fosfatidilinositolo, fosfatidiletanolamina, sfingomielina e fosfatidilserina.
  • Questi ultimi elementi sono essenziali in quanto contribuiscono alla stabilità della miscela., Ad esempio, DPPC il tensioattivo star player non è realmente solubile in acqua, e tende ad essere un solido fino ad una temperatura di 41,6 °C, a meno che non vi sia una discreta quantità di fosfatidilglicerolo nella miscela.

In generale, all’interfaccia gas-liquido, i fosfolipidi tendono a formare monostrati orientati con le teste idrofile sepolte nell’acqua e le catene di coda idrofobe che puntano verso l’aria., Lo scopo del gioco è quello di imballare il più possibile questa roba all’interfaccia aria-liquido; l’attrazione delle molecole d’acqua l’una verso l’altra è la ragione principale della tensione superficiale, e quindi se elimini tutte le molecole d’acqua superficiali riempiendo la superficie con fosfolipidi, teoricamente la tensione superficiale dovrebbe essere ridotta al minimo. Questa è la teoria dietro la scelta di dipalmitoil fosfatidilcolina, che in realtà non si trova da nessun’altra parte tranne i polmoni., Come agente tensioattivo, questa è una buona scelta perché la sua forma disatura può essere” imballata ad una densità molto alta all’interfaccia aria–acqua ” (Pérez-Gil et al, 2008). Non puoi farlo con molti degli altri fosfolipidi perché hanno catene insature “attorcigliate” che non si allineano ordinatamente. Così, mentre gli alveoli si restringono in espirazione e la loro superficie interna diminuisce, le molecole DPPC si raggruppano e formano un tappeto senz’acqua impenetrabile all’interfaccia, essenzialmente un solido (anche se molto sottile)., Teoricamente, questa solidificazione del tensioattivo dovrebbe ridurre la tensione superficiale a zero (Morley& Bangham, 1981). In altre parole, il tensioattivo polmonare potrebbe in determinate circostanze battere il record di tensione superficiale dell’elio liquido superfluido raccapricciante, che tende a sgattaiolare fuori dal suo becher e generalmente si comporta come uno sciame di bosoni.

Produzione e regolazione del tensioattivo polmonare

Il tensioattivo viene prodotto e riciclato quasi esclusivamente da cellule alveolari di tipo II., Alcune delle migliori fonti per questo argomento sono Van Golde et al (1988) e Chander & Fisher (1990). In sintesi:

• Il tensioattivo preformato è immagazzinato nei corpi lamellari all’interno delle cellule di Tipo 2; si tratta di strutture a campana che, al momento del sezionamento, rivelano una struttura interna concentrica come una cipolla. Questi corpi hanno un pH interno relativamente acido e contengono anche alcuni enzimi lisosomiali sorprendentemente, ad es. idrolasi.,
• corpi Lamellari apparire in cellule di Tipo 2 intorno alla 20 ° settimana di gestazione
• Ogni cella ha circa 150 corpi lamellari, e circa 15 di questi sono exocytosed ogni ora.
• Rilascio di tensioattivo è arricchito da
  • Catecolamine (un beta-adrenergici è coinvolto)
  • l’uso di farmaci nootropi
  • Vasopressina
  • Adenosina
• Rilascio di tensioattivo è inibito da
  • Alta concentrazione di tensioattivo proteine
  • Lectine (es., lectina vegetale), che sono omologhi con le proteine tensioattive
  • Mediatori infiammatori
• La sostanza tensioattiva polmonare ha un’emivita di circa 5-10 ore, cioè ogni ora il 10-30% di esso deve essere rimosso in qualche modo., Questo succede da:
  • il Riassorbimento in cellule di Tipo 2 (questo rappresenta il 95% di rimozione)
  • Trasporti le vie respiratorie e l’eliminazione come esalato l’aerosol
  • Degrado nei macrofagi alveolari
  • Extracellulare degradazione enzimatica negli alveoli
  • Liquidazione via la linfa o sangue

Il CICM programma chiede di produzione e del regolamento di tensioattivo, il che implica che ci può essere qualche scenario in cui si potrebbe sperimentare un tensioattivo non regolamentata in eccesso. Questo è infatti il caso se si ha la proteinosi alveolare., Oltre a questo esempio, Whitsett et al (2010) descrivono una serie di condizioni in cui la produzione di tensioattivo viene alterata con effetti profondi.