Tensioactivo pulmonar

surfactante pulmonar es un complejo tensoactivo de fosfolípidos y proteínas formado por células alveolares de tipo II. Las proteínas y lípidos que forman el tensioactivo tienen regiones tanto hidrofílicas como hidrofóbicas. Al adsorberse en la interfaz aire-agua de los alvéolos, con grupos de cabeza hidrófilos en el agua y colas hidrófobas orientadas hacia el aire, el principal componente lipídico del tensioactivo, la dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), reduce la tensión superficial.

Como medicamento, el surfactante pulmonar está en la Lista Modelo de Medicamentos Esenciales de la OMS, los medicamentos más importantes necesarios en un sistema de salud básico.

Función

• Aumentar el cumplimiento pulmonar.
• Para prevenir la atelectasis (collapso de los alvéolos o atrios) al final de la caducidad.
• Facilitar el reclutamiento de vías aéreas colapsadas.

Los alvéolos se pueden comparar con el gas en el agua, ya que están húmedos y rodean un espacio de aire central. La tensión superficial actúa en la interfaz aire-agua y tiende a hacer que la burbuja sea más pequeña (al disminuir el área superficial de la interfaz). La presión del gas (P) necesaria para mantener el equilibrio entre la fuerza de colapso de la tensión superficial (γ) y la fuerza de expansión del gas en un alvéolo de radio r se expresa mediante la ecuación de Young-Laplace:

P=2γ γ r{displaystyle P={frac {2gamma } {r}}

Cumplimiento

La distensibilidad es la capacidad de los pulmones y el tórax para expandirse. La distensibilidad pulmonar se define como el cambio de volumen por unidad de cambio de presión en el pulmón. Las mediciones del volumen pulmonar obtenidas durante la inflación/deflación controlada de un pulmón normal muestran que los volúmenes obtenidos durante la deflación superan a los del inflado, a una presión determinada. Esta diferencia en los volúmenes de inflación y deflación a una presión determinada se llama histéresis y se debe a la tensión superficial aire-agua que se produce al inicio de la inflación. Sin embargo, el surfactante disminuye la tensión superficial alveolar, como se observa en casos de bebés prematuros con síndrome de dificultad respiratoria infantil. La tensión superficial normal del agua es de 70 dyn/cm (70 mN/m) y en los pulmones es de 25 dyn/cm (25 mN/m); sin embargo, al final de la espiración, las moléculas de fosfolípidos tensioactivos comprimidas disminuyen la tensión superficial a niveles muy bajos, cercanos a cero. Por lo tanto, el surfactante pulmonar reduce en gran medida la tensión superficial, aumentando la distensibilidad permitiendo que el pulmón se infle mucho más fácilmente, reduciendo así el trabajo respiratorio. Reduce la diferencia de presión necesaria para permitir que el pulmón se infle. La distensibilidad y la ventilación del pulmón disminuyen cuando el tejido pulmonar se enferma y se vuelve fibrótico.

Regulación del tamaño alveolar

A medida que los alvéolos aumentan de tamaño, el surfactante se extiende más sobre la superficie del líquido. Esto aumenta la tensión superficial y ralentiza efectivamente la tasa de expansión de los alvéolos. Esto también ayuda a que todos los alvéolos de los pulmones se expandan al mismo ritmo, ya que uno que se expande más rápidamente experimentará un gran aumento en la tensión superficial, lo que ralentizará su ritmo de expansión. También significa que la tasa de contracción es más regular, ya que si uno reduce de tamaño más rápidamente, la tensión superficial se reducirá más, por lo que otros alvéolos pueden contraerse más fácilmente que él. El surfactante reduce la tensión superficial más fácilmente cuando los alvéolos son más pequeños porque el surfactante está más concentrado.

Prevención de la acumulación de líquidos y mantenimiento de la sequedad de las vías respiratorias

La tensión superficial atrae líquido desde los capilares hacia los espacios alveolares. El surfactante reduce la acumulación de líquido y mantiene las vías respiratorias secas al reducir la tensión superficial.

Inmunidad innata

La función inmune del surfactante se atribuye principalmente a dos proteínas: SP-A y SP-D. Estas proteínas pueden unirse a los azúcares en la superficie de los patógenos y así opsonizarlos para su absorción por los fagocitos. También regula las respuestas inflamatorias e interactúa con la respuesta inmune adaptativa. La degradación o inactivación del surfactante puede contribuir a una mayor susceptibilidad a la inflamación e infección pulmonar.

Composición

• ~40% dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC);
• ~40% otros fosfolípidos (PC);
• ~10% surfactant proteins (SP-A, SP-B, SP-C y SP-D);
• ~10% neutral lipids (Cholesterol);
• Traces de otras sustancias.

Lípidos

DPPC

La dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) es un fosfolípido con dos cadenas saturadas de 16 carbonos y un grupo fosfato con un grupo amino cuaternario unido. El DPPC es la molécula de surfactante más fuerte en la mezcla de surfactante pulmonar. También tiene una mayor capacidad de compactación que el resto de fosfolípidos, porque la cola apolar está menos curvada. Sin embargo, sin las otras sustancias de la mezcla de surfactante pulmonar, la cinética de adsorción del DPPC es muy lenta. Esto sucede principalmente porque la temperatura de transición de fase entre el gel y el cristal líquido del DPPC puro es de 41,5 °C, que es más alta que la temperatura del cuerpo humano de 37 °C.

Otros fosfolípidos

Las moléculas de fosfatidilcolina forman ~85% de los lípidos en el surfactante y tienen cadenas de acilo saturadas. El fosfatidilglicerol (PG) forma aproximadamente el 11% de los lípidos en el tensioactivo y tiene cadenas de ácidos grasos insaturados que fluidifican la monocapa lipídica en la interfaz. También están presentes lípidos neutros y colesterol. Los componentes de estos lípidos se difunden desde la sangre hacia las células alveolares tipo II, donde se ensamblan y empaquetan para su secreción en orgánulos secretores llamados cuerpos laminares.

Proteínas

Las proteínas constituyen el 10% restante del tensioactivo. La mitad de este 10% son proteínas plasmáticas pero el resto lo forman las apolipoproteínas, proteínas tensioactivas SP-A, SP-B, SP-C y SP-D. Las apolipoproteínas se producen por vía secretora en las células de tipo II. Sufren muchas modificaciones postraduccionales y terminan en los cuerpos laminares. Son anillos concéntricos de lípidos y proteínas, de aproximadamente 1 µm de diámetro.

• SP-A y SP-D son coleccionistas. Conferen inmunidad innata ya que tienen dominios de reconocimiento de carbohidratos que les permiten recubrir bacterias y virus promoviendo la fagocitosis por macrófagos. SP-A también se cree que está involucrado en un mecanismo de retroalimentación negativa para controlar la producción de surfactante.
• SP-B y SP-C son proteínas de membrana hidrofóbica que aumentan la tasa que el surfactante se disemina sobre la superficie. SP-B y SP-C son necesarios para la función biofísica adecuada del pulmón. Humans and animals born with a congenital absence of the saposin family SP-B experience intractable breathing failure whereas those born lacking SP-C tend to develop progressive interstitial pneumonitis.

Las proteínas SP reducen la temperatura crítica de la transición de fase DPPC ' S a un valor inferior a 37 ° C, lo que mejora su velocidad de propagación de adsorción e interfaz. La compresión de la interfaz provoca un cambio de fase de las moléculas tensioactivas a gel líquido o incluso a gel-sólido. La velocidad de adsorción rápida es necesaria para mantener la integridad de la región de intercambio de gases de los pulmones.

Cada proteína SP tiene funciones distintas, que actúan sinérgicamente para mantener una interfaz rica en DPPC durante la expansión y la contracción del pulmón. Los cambios en la composición de la mezcla de tensioactivo alteran las condiciones de presión y temperatura para los cambios de fase y los fosfolípidos ' forma de cristal también. Solo la fase líquida puede extenderse libremente en la superficie para formar una monocapa. Sin embargo, se ha observado que si una región pulmonar se expande abruptamente, los cristales flotantes se agrietan como " icebergs ". Luego, las proteínas SP atraen selectivamente más DPPC a la interfaz que otros fosfolípidos o colesterol, cuyas propiedades tensioactivas son peores que DPPC ' s. El SP también sujeta el DPPC en la interfaz para evitar que el DPPC se exprima cuando el área de superficie disminuye, esto también reduce la compresibilidad de la interfaz.

tensioactivos artificiales

Hay varios tipos de surfactantes pulmonares disponibles. Las mediciones ex situ de la tensión superficial y la reología interfacial pueden ayudar a comprender la funcionalidad de los surfactantes pulmonares.

Tensioactivos pulmonares sintéticos

1. Colfosceril palmitate (Exosurf) - una mezcla de DPPC con hexadecanol y tyloxapol añadido como agentes de difusión
2. Pumactant (Artificial Lung Expanding Compound o ALEC) - una mezcla de DPPC y PG
3. KL-4 - compuesto por DPPC, palmitoyl-oleoyl phosphatidylglycerol y ácido palmítico, combinado con un péptido sintético de 21 aminoácidos que imita las características estructurales del SP-B.
4. Venticute - DPPC, PG, ácido palmítico y SP-C recombinante
5. Lucinactant - DPPC, POPG y ácido palmítico.

Tensioactivos de origen animal

1. Beractant
   1. (Alveofacto) - extraído del líquido de lavado de pulmón de vaca
   2. (Survanta) - extraído de pulmón de vaca picada con DPPC adicional, ácido palmítico y tripalmitin
   3. (Beraksurf) -extraído de pulmón de becerro picado con DPPC adicional, ácido palmítico y tripalmitin
2. Calfactant (Infasurf) - extraído del líquido de lavaje de pulmón de becerro
3. Alfa poractante (Curosurf) - extraído de material derivado de pulmón de cerdo picado
4. Ovinactant (Varasurf) - extraído de material derivado de pulmón de ovejas picadas

Superficie de tensión dentro del pulmón

Aunque el surfactante pulmonar puede reducir en gran medida la tensión superficial, este efecto dependerá de la concentración del surfactante en la interfaz. La concentración de la interfaz tiene un límite de saturación, que depende de la temperatura y la composición de la mezcla. Debido a que durante la ventilación hay una variación del área de la superficie pulmonar, la concentración de la interfaz del surfactante generalmente no está en el nivel de saturación. La superficie aumenta durante la inspiración, lo que en consecuencia abre espacio para que se recluten nuevas moléculas de surfactante en la interfaz. Mientras tanto, durante la espiración, el área superficial disminuye a una velocidad que siempre excede la velocidad a la que las moléculas de surfactante son impulsadas desde la interfaz hacia la película de agua. Por lo tanto, la densidad del surfactante en la interfaz aire-agua permanece alta y se conserva relativamente durante la espiración, disminuyendo aún más la tensión superficial. Esto también explica por qué la distensibilidad es mayor durante la espiración que durante la inspiración.

Las moléculas de SP contribuyen a aumentar los kinetics de adsorción de interfaz surfactante, cuando la concentración está por debajo del nivel de saturación. También hacen enlaces débiles con las moléculas de surfactante en la interfaz y los mantienen más tiempo allí cuando la interfaz es comprimida. Por lo tanto, durante la ventilación, la tensión superficial suele ser inferior al equilibrio. Por lo tanto, la tensión superficial varía según el volumen de aire en los pulmones, que los protege de la atelectasis a volúmenes bajos y daño del tejido a altos niveles de volumen.

Producción y degradación

La producción de surfactante en humanos comienza en las células tipo II durante la etapa del desarrollo pulmonar del saco alveolar. Los cuerpos laminares aparecen en el citoplasma aproximadamente a las 20 semanas de gestación. Estos cuerpos laminares se secretan por exocitosis en el líquido del revestimiento alveolar, donde el surfactante forma una red de mielina tubular. Se estima que los bebés a término tienen una reserva de almacenamiento alveolar de aproximadamente 100 mg/kg de surfactante, mientras que Se estima que los lactantes prematuros tienen entre 4 y 5 mg/kg al nacer.

Las células club también producen un componente de surfactante pulmonar.

El tensioactivo alveolar tiene una vida media de 5 a 10 horas una vez secretado. Puede ser descompuesto por los macrófagos y/o reabsorbido en las estructuras laminares de los neumocitos tipo II. Hasta el 90% del surfactante DPPC (dipalmitoilfosfatidilcolina) se recicla desde el espacio alveolar hacia el neumocito tipo II. Se cree que este proceso ocurre a través de la endocitosis dependiente de clatrina mediada por el receptor estimulante de SP-A. El otro 10% es absorbido por los macrófagos alveolares y digerido.

Enfermedades

• El síndrome de dificultad respiratoria infantil (IRDS) es causado por la falta de surfactante, comúnmente visto en bebés prematuros nacidos antes de 28 a 32 semanas de gestación.
• Deficiencia de surfactante congénita
• proteinosis alveolar pulmonar
• Disfunción del metabolismo de los artefactos

Historia

A finales de la década de 1920, von Neergaard identificó la función del surfactante pulmonar al aumentar la distensibilidad de los pulmones al reducir la tensión superficial. Sin embargo, la comunidad científica y médica de la época no comprendió la importancia de su descubrimiento. También se dio cuenta de la importancia de tener una tensión superficial baja en los pulmones de los recién nacidos. Posteriormente, a mediados de la década de 1950, Pattle y Clements redescubrieron la importancia del surfactante y la baja tensión superficial en los pulmones. A finales de esa década se descubrió que la falta de surfactante provocaba el síndrome de dificultad respiratoria infantil (IRDS).