Propiedades, producción y regulación del surfactante pulmonar

Este capítulo es vagamente relevante para la sección F3 (vi) del Plan de Estudios de Primaria del CICM 2017, que espera que los candidatos al examen sean capaces de «describir las propiedades, producción y regulación del surfactante y relacionarlas con su papel en la influencia de la mecánica respiratoria». El tema ha surgido solo una vez en el documento escrito, en la Pregunta 6 del segundo documento de 2012 que preguntó sobre la estructura del surfactante, así como sus efectos en la tensión superficial y la mecánica pulmonar., El comentario del colegio a este SAQ es notablemente detallado, y fue muy útil en el proceso de estructuración de este capítulo.

En resumen:

para la tensión superficial y la Ley de Laplace, el artículo más esclarecedor es probablemente Prange (2003)., El surfactante Alveolar parece ser excepcionalmente popular, y hay varias buenas revisiones por ahí, pero muchas están debilitadas por el detalle excesivo; el mejor equilibrio de brevedad y minuciosidad parece ser Goerke (1998)

tensión superficial

tensión superficial no parece tener una definición formal, pero este ejercicio del Diccionario Oxford parece ser una definición adecuada:

«tensión de la película superficial de un líquido causada por la atracción de las partículas en la capa superficial por el grueso del líquido, que tiende a minimizar el área superficial.,»

Esta es una propiedad de líquidos, o específicamente de interfaces líquido-gas. Las moléculas de los líquidos tienden a pegarse entre sí por fuertes fuerzas de atracción intermolecular (por ejemplo. los enlaces de hidrógeno en el agua), por lo que la superficie de un líquido tiende naturalmente a recoger el líquido en una gota redondeada (o una esfera, donde la gravedad no es un problema). Al menos cuando estamos hablando de líquidos que tienen estas fuertes fuerzas de atracción intermolecular (por ejemplo, agua, cuya tensión superficial es de alrededor de 72 mN/m a 25°C)., Con el aumento de la temperatura, la tensión superficial disminuye; con el aumento de las fuerzas intermoleculares aumenta. Un buen ejemplo de tensión superficial extrema es el mercurio líquido, que tiene una tensión superficial de 487 mN/m. por otro lado, el helio líquido es el campeón de todos los tiempos de baja tensión superficial (0,37 mN / m).

La Ley de Laplace

los examinadores del colegio, en su comentario a la Pregunta 6 del segundo documento de 2012 hacen referencia a algo llamado «Ley de la Place», probablemente una referencia a la Ley de Laplace (después de Pierre-Simon, Marqués de Laplace)., Es una relación muy famosa, y en caso de que uno necesite una docena de ejemplos de donde se vuelve útil en Medicina, uno puede ser referido al excelente artículo de Jeffrey Basford (2002). Para una versión que se ajusta a un modelo alveolocéntrico del universo, la ecuación de Young-Laplace-Gauss se puede representar como:

donde

• γ es la tensión superficial
• r es el radio del alvéolo esférico, y
• P es la presión de Laplace, o la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la superficie fluida curvada, i. e., la diferencia de presión entre la capa de fluido y el gas dentro de la esfera.

¿Cuál es el significado de esto? Bueno, la ley en sí es bastante sencilla. Básicamente dice que la presión dentro de una esfera elástica es inversamente proporcional al radio, siempre que la tensión superficial permanezca estable. Obediente a esta relación, en cualquier valor de tensión superficial dado, las esferas más pequeñas con radios más pequeños tendrán una presión transmural más alta, es decir, quieren colapsar más que las esferas más grandes. Las implicaciones de esta ley para los alvéolos son:

• Pequeños alvéolos (es decir,, los alvéolos más pequeños promoverán su propio colapso al vaciarse en alvéolos vecinos más grandes
• La filtración de fluido a través de la pared capilar pulmonar depende del gradiente de presión hidrostática, y la tensión de la superficie alveolar se suma a ese gradiente (es decir, promueve la ultrafiltración de líquido de edema)

que todo suena muy científico, pero ¿qué tan bien representa el ¿lo que pasa en la superficie alveolar?, Probablemente en un grado mínimo, parece ser la respuesta. Los libros de Fisiología nos han estado engañando, según Henry Prange (2003). Los puntos importantes a tener en cuenta con respecto a la mala aplicación y limitación de la Ley de Lapace serían:

• los alvéolos no son esféricos. Son polígonos. La Ley de Laplace se aplica solo a la región curva muy pequeña en el fluido donde estas paredes se cruzan.
• los alvéolos no se colapsan como globos desinflados, se pliegan como cajas de cartón.,
• los alvéolos no son independientes, sino más bien interconectados y suspendidos unos contra otros con bandas de tejido conectivo elástico, que sirve para apoyarlos y evitar su colapso.

por lo tanto, probablemente no sea 100% aplicable a la realidad de la mecánica pulmonar humana. Es un ejemplo de la medicina que se apropia indebidamente de las reputaciones precisas y simplificadas de la física y la ingeniería, tratando de presionar algunos bordes matemáticos nítidos en el lío pegajoso de la biología humana., Para tomar prestadas las palabras de Prange,

» Los biólogos a menudo parecemos impulsados a buscar los mecanismos elegantes y sofisticados de la física en las estructuras mucho más complejas de plantas y animales. Somos propensos a caer en la trampa de inyectar física en nuestro trabajo donde sea que podamos, ya sea que su uso esté justificado o sea correcto.,»

efecto de la tensión superficial en la conformidad pulmonar

cuando se discute el efecto de la tensión superficial del agua en la conformidad pulmonar, a menudo se extrae un diagrama famoso que demuestra lo que sucedería de que la interfaz aire-líquido no estaba allí. Es una curva de cumplimiento de un pulmón de gato (pulmón de Cat 27, para ser precisos) que se llenó con solución salina.

esta versión específica de este diagrama proviene de T. E. Morgan (1971), pero sus orígenes son mucho más antiguos. Estos datos fueron publicados por primera vez en 1929 por Kurt von Neergaard., A nivel básico, esto demuestra que la tensión superficial de los alvéolos hace que el pulmón sea mucho más difícil de inflar, es decir, es uno de los determinantes más importantes de la compliance pulmonar. Con la tensión superficial abolida (sin superficie, sin tensión!) el pulmón se infla aparentemente sin esfuerzo, y notablemente también pierde la parte temprana de la curva de cumplimiento.,

efecto del surfactante sobre la tensión superficial en los alvéolos

la tensión superficial del agua es de aproximadamente 70 mN / m a temperatura corporal, mientras que la tensión superficial del fluido superficial alveolar es obviamente bastante diferente. Clements (1957) usó un equilibrio Wilhelmy para probar la tensión superficial del extracto de pulmón mushed («picadura de pulmones enteros en solución salina normal, filtrada a través de algodón suelto») y determinó que su tensión superficial variaba de 46 a 10 mN/m, con una histéresis sustancial. Esto fue confirmado más tarde por Schurch Goerke & Clements en 1976., Lachmann et al (1980) demostraron lo que esta diferencia significa para el cumplimiento pulmonar comparando los pulmones de conejo antes y después de un lavado que eliminó todo el surfactante. Sus gráficos (a continuación) demuestran la disminución sustancial del cumplimiento (se redujo esencialmente a la mitad).

entonces, ¿qué es el surfactante pulmonar, y de dónde obtiene estas propiedades milagrosas, y cómo se compara con, digamos, el detergente para lavavajillas?,

propiedades físicas y químicas del surfactante pulmonar

es mucho mejor que el detergente lavavajillas, que generalmente solo disminuye la tensión superficial del agua hasta aproximadamente 25-30 mN/m. Para aquellos con la necesidad de saber absolutamente todo sobre esta sustancia, una excelente monografía de Notter& Wang (1997) sería más que suficiente para agitar sus pasiones., A pesar de sus 118 páginas y la complejidad de su contenido, en a crime against good typography practice Reviews in Chemical Engineering por alguna razón lo publicaron en negrita, dificultando aún más su lectura. No importa: los puntos más importantes se resumirán aquí.

• Es una sopa compleja de fosfolípidos
• de la masa seca,
  • 85-90% es fosfolípidos
  • 8-10% es proteína – principalmente proteínas SP A B y C, Todas pequeñas (~4-5 kDa)
  • 2-5% es lípido neutro, por ejemplo., colesterol
• Los componentes fosfolípidos son:
  • Dipalmitoil fosfatidilcolina (DPPC, o lecitina) es aproximadamente 2/3rds del contenido total de fosfolípidos, y hace la mayor parte del trabajo surfactante.
  • El resto son fosfolípidos aleatorios (un grupo heterogéneo), incluyendo fosfatidilglicerol, fosfatidilinositol, fosfatidiletanolamina, esfingomielina y fosfatidilserina.
  • estos últimos elementos son esenciales ya que contribuyen a la estabilidad de la mezcla., Por ejemplo, DPPC el surfactante star player no es realmente soluble en agua, y tiende a ser un sólido hasta una temperatura de 41.6 °C, a menos que haya una cantidad decente de fosfatidilglicerol en la mezcla.

en términos generales, en la interfaz gas-líquido, los fosfolípidos tienden a formar monocapas que están orientadas con las cabezas hidrofílicas enterradas en el agua y las cadenas de cola hidrofóbicas apuntando hacia el aire., El objetivo del juego es empacar tanto de este material en la interfaz aire-líquido como sea posible; la atracción de las moléculas de agua entre sí es la razón principal de la tensión superficial, por lo que si elimina todas las moléculas de agua superficial llenando la superficie con fosfolípidos, teóricamente la tensión superficial debe minimizarse. Esa es la teoría detrás de la elección de dipalmitoil fosfatidilcolina, que realmente no se encuentra en ningún otro lugar excepto en los pulmones., Como agente surfactante, este es una buena opción porque su forma disaturada puede ser «empaquetada a una densidad muy alta en la interfaz aire-agua» (Pérez-Gil et al, 2008). No se puede hacer eso con muchos de los otros fosfolípidos porque tienen cadenas insaturadas «retorcidas» que no se alinean cuidadosamente. Por lo tanto, a medida que los alvéolos se encogen en la expiración y su área de superficie interna disminuye, las moléculas DPPC se agrupan y forman una alfombra impenetrable sin agua en la interfaz, esencialmente un sólido (aunque muy delgado)., Teóricamente, esta solidificación del surfactante debería disminuir la tensión superficial a cero (Morley & Bangham, 1981). En otras palabras, el surfactante pulmonar podría, bajo ciertas circunstancias, superar el registro de tensión superficial del helio líquido superfluido espeluznante, que tiende a escabullirse de su vaso de precipitados y generalmente se comporta como un enjambre de bosones.

producción y regulación del surfactante pulmonar

el surfactante es producido y reciclado casi exclusivamente por células alveolares tipo II., Algunas de las mejores fuentes para este tema son Van Golde et al (1988) y Chander & Fisher (1990). En resumen:

• El surfactante preformado se almacena en los cuerpos laminares dentro de las células tipo 2; Estas son estructuras en forma de campana que, al seccionarse, revelan una estructura interna concéntrica como una cebolla. Estos cuerpos tienen un pH interno relativamente ácido y también contienen algunas enzimas lisosomales sorprendentemente, por ejemplo. hidrolasas.,
• Los cuerpos lamelares aparecen en las células tipo 2 alrededor de la semana 20 de gestación
• Cada célula tiene aproximadamente 150 cuerpos lamelares, y aproximadamente 15 de estos se exocitosen cada hora
• La liberación de surfactante se ve reforzada por
  • catecolaminas (un receptor β-adrenérgico está involucrado)
  • medicamentos colinérgicos
  • vasopresina
  • adenosina

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• La liberación de tensioactivo es inhibida por
  • altas concentraciones de proteínas tensioactivas
  • lectinas (por ejemplo., lectina vegetal), que son homólogas con las proteínas tensioactivas
  • mediadores inflamatorios
• La sustancia tensioactiva pulmonar tiene una vida media de aproximadamente 5-10 horas, es decir, cada hora 10-30% de ella debe eliminarse de alguna manera., Esto sucede por:
  • reabsorción en células tipo 2 (Esto representa el 95% de la eliminación)
  • Transporte por las vías respiratorias y eliminación como aerosol exhalado
  • degradación en macrófagos alveolares
  • degradación enzimática extracelular en los alvéolos
  • aclaramiento a través de linfa o sangre

el programa CICM pide producción y regulación de surfactante, lo que implica que puede haber algún escenario en el que uno podría experimentar un exceso de surfactante no regulado. Ese es de hecho el caso si uno tiene proteinosis alveolar., Aparte de ese ejemplo, Whitsett et al (2010) describen una serie de condiciones en las que la producción de surfactante se altera con efectos profundos.