- Tvorba a ověření e-learningového prostředí pro integraci výuky preklinických a klinických předmětů na LF a FZV UP Olomouc - http://pfyziolklin.upol.cz -
Téma: Plicní surfaktant jeho složení, syntéza, funkce a terapeutické uplatnění
Posted By vodouch On 23.3.2012 @ 11:25 In Nezařazené | Comments Disabled
autor: MUDr. Ondřej Veselý
pracoviště: Ústav patologické fyziologie LF UP Olomouc, Dětská endokrinologická ambulance Svitavské nemocnice a.s.
Povrch alveolů představuje z fyzikálního hlediska rozhraní kapaliny a plynu. Na takové to rozhraní působí síla, která způsobuje, že se povrch tekutiny chová jako „pružná folie“ a tekutina se snaží zaujmout co nejmenší povrch, což je dáno sumou všech vzájemných interakčních sil mezi molekulami v dané kapalině, jedná se o tzv. povrchové napětí. Díky povrchovému napětí by tekutina v beztížném stavu zaujala tvar koule, protože koule má vzhledem k objemu ze všech geometrických těles nejmenší povrch. Pokud ale na tekutinu působí nějaké zevní síly (třeba gravitace), neumožní ji zaujmout ideální tvar. Molekuly kapaliny na povrchu by se ovšem „rády dostaly dovnitř“ do kapaliny, ale nemohou, protože místa uvnitř kapaliny jsou obsazena jinými molekulami této kapaliny, na povrchu vzniká „pnutí „ – povrchové napětí. Ze striktně fyzikálního pohledu jde o sílu působící ve směru tečny k povrchu na úsečku jednotkové délky, její jednotkou dle soustavy SI je N.m-1, co do velikosti jde o síly v hodnotách milinewtonů na metr (starší jednotka dyn/cm). Voda má hodnotu povrchového napětí asi 73 mN.m-1 (pro srovnání např. ethanol má povrchové napětí 22,5 mN.m-1, olivový olej 33 mN.m-1, rtuť 476 mN.m-1). Povrchové napětí vody je ve srovnání s jinými kapalinami relativně vysoké, díky jeho existenci mohou po vodě „běhat“ vodoměrky či „plavat“ mince položená naplocho na hladinu i přesto, že má větší hustotu než voda. Na druhé straně chceme-li zvětšit povrch tekutiny, musíme vynaložit energii – práci k překonání povrchového napětí.
Vztaženo k respiračnímu systému představuje povrchové napětí alveolů odpor, který musí překonat dýchací svaly během nádechu svou prací, tj. musí být vynaložena energie na rozepětí alveolů. Povrchové napětí kapalin není veličina neměnná, snižuje se např. při zvýšení teploty (rychlejší pohyb molekul kapaliny) nebo přidáním povrchově aktivních látek. Proto dosáhneme větší efektivity při umývání, pokud použijeme teplou vodu a/nebo mýdlo, obé snížením povrchové napětí usnadňuje vodě přístup k povrchu umývaného objektu (ruce, nádobí, prádlo). Stejně tak díky účinku saponátů přidaného do vody můžeme vykouzlit velké bubliny, což by se nám s čistou vodou nepovedlo. Úlohu látky snižující povrchové napětí v alveolech hraje plicní surfaktant, tím že vytlačuje molekuly vody z rozhraní fáze kapalina/plyn. Pro pochopení účinku surfaktantu je pak potřeba ještě znalosti Laplaceova zákona, který popisuje vztah mezi povrchovým napětím (σ) a tlakem (P) uvnitř sférického dutého útvaru o daném poloměru (r), jehož stěna o tloušťce (h) je tvořena tekutinou, platí σ = P . r/2 . h. Pokud ho aplikujeme na plicní sklípky, pak platí, že distenzní tlak zabraňující kolapsu alveolu se zvyšuje při zvýšení povrchového napětí (např. deficit surfaktantu) nebo zmenšení velikosti poloměru alveolu.
Surfaktant je svou biochemickou povahou lipoprotein resp. směs lipidů a proteinů. Podíl jednotlivých složek je přibližně následující:
Fosfolipidy jsou nejvýznamnější složkou surfaktantu. Základem fosfolipidů je kyselina fosfatidová, jejíž centrální část představuje glycerol, který na straně jedné váže zbytek kyseliny fosforečné, na straně druhé dva acyly mastných kyselin, tedy jde o diacylglycerolfosfát. Ke kyselině fosfatidové je pak připojena další molekula cholin, ethanolamin, inositol, glycerol. Svými vlastnostmi patří fosfolipidy mezi amfifilní molekuly, tj. mají část, která je hydrofilní a část, která je lipofilní. Hydrofilní neboli polární část je ve vodě smáčivá, kdežto lipofilní neboli nepolární část je ve vodě nesmáčivá. Díky tomu se fosfolipidy hromadí na fázovém rozhraní, v případě alveolů tedy na rozhraní kapalina/plyn s orientací polárních částí směrem k vodné fázi, a vytváří na povrchu plicních sklípků jednovrstevný film. Kvantitativně hlavním fosfolipidem surfaktantu je fosfatidylcholin (PC) neboli lecitin tvořící 85 % fosfolipidů, další v pořadí je fosfatidylglycerol (PG) 10 %, fosfatidylethnolamin (PE) 3 % a fosfatidylinositol (PI) 2 % všech fosfolipidů. Z acylů mastných kyselin se ve fosfolipidech surfaktantu nejčastěji objevuje acyl kyseliny palmitové, takže nejčastější formou fosfolipidu je dipalmitoylfosfatydilcholin (DPPC), který kvantitativně představuje 40 – 55 % surfaktantu a je tak zároveň funkčně hlavní látkou snižující povrchové napětí alveolů.
Specifické proteiny po stránce kvantitativní tvoří jen malou část surfaktantu, ale mají značný význam funkční a to jak ve vztahu k účinnosti a stabilitě fosfolipidové vrstvy, tak ve vztahu k obranyschopnosti plic. Tyto specifické surfaktantové proteiny jsou čtyři a označujeme je velkými písmeny: SP – A (5 % z celkového složení surfaktantu), SP-B (2 %), SP – C (2 %), SP – D (1 %). Surfaktant získaný bronchiální laváží obsahuje i nespecifické proteiny, jedná se však o kontaminaci plazmatickými bílkovinami.
Neutrální tuky kvantitativně i funkčně nejméně významná složka surfaktantu. Počítáme sem cholesterol, triacylglyceroly, volné mastné kyseliny.
Epiteliální buňky plicních sklípků jsou dvojího typu. Pneumocyty I.typu mají tenký plochý tvar s redukovanými organelami v cytoplazmě. Co do počtu představují 40 % všech buněk alveolů, ale co do plochy pokrývají 95 %. Jejich výrazná „tenkost“ je klíčová pro výměnu dýchacích plynů mezi alveoly a kapilárami. Pneumocyty II. typu tvoří 60 % všech buněk alveolů, ale vystýlají pouze 5 % jejich povrchu. Mají kubický tvar a cytoplazmu bohatou na organely a jsou to právě ony, které produkují surfaktant. Pneumocyty II. typu jsou také odolnější vůči poškození a proto slouží jako rezervoár pro obnovu alveolární výstelky pomnožením a diferenciací na pneumocyty I. typu.
Syntéza složek surfaktantu probíhá v endoplazmatickém retikulu pneumocytů II. typu, z něho se pak jednotlivé komponenty surfaktantu přesouvají do Golgiho aparátu, kde dochází k jejich úpravě. Z Golgiho aparátu se odštěpují tzv. lamelární tělíska, ve kterých dochází k integraci jednotlivých komponent surfaktantu. Lamelární tělíska jsou následně secernována do alveolů, kde dochází k jejich „rozbalení“ a formaci surfaktantového filmu na povrchu plicních sklípků.
Syntéza fosfolipidů surfaktantu. Jejím úvodním krokem je syntéza kyseliny fosfatidové. Substráty jsou dihydroxyacetonfosfát (glykolýza) nebo glycerol-3-fosfát (fosforylace glycerolu z lipolýzy nebo redukce dihydroxyacetonfosfátu) a mastné kyseliny v podobě acyl-CoA (syntéza de novo přímo v plicích nebo volné mastné kyseliny z krve přitékající do plic). Oba substráty podstoupí dvojnásobnou acylaci (u dihydroxyacetonfosfátu navíc ještě redukce) tedy dojde k navázání dvou zbytků mastných kyselin na hydroxylové skupiny glycerolu na pozicích 1 a 2 a vznikne kyselina fosfatidová, která je pak základním kamenem pro syntézu všech jmenovaných fosfolipidů surfaktantu.
Syntéza surfaktantu začíná již prenatálně. Pneumocyty II. typu se diferencují v kanalikulárním stádiu vývoje plic v půlce těhotenství a od 22. – 24. týdne v nich lze prokázat lamelární tělíska svědčící pro syntézu surfaktantu. Ovšem teprve od 28. týdne začíná být tvorba surfaktantu kvantitativně významná. V dalším průběhu těhotenství jeho produkce dále stoupá a mění se jeho složení. Hlavním produkovaným fosfolipidem je od začátku fosfatidylcholin (PC), s postupujícím gestačním stářím stoupá jeho celkový podíl ve spektru fosfolipidů a zvětšuje se poměr saturovaného PC ku celkovému PC. Naopak podíl fosfatidylethanolaminu a fosfatidylinositolu v závěru těhotenství klesá. Fosfatidylglycerol se v surfaktantu objevuje až od 36. týdne těhotenství a jeho tvorba vytrvale roste až do porodu, jeho přítomnost tak svědčí pro plicní zralost.
Syntéza fosfatidylcholinu de novo je možná dvěma metabolickými cestami.
Resyntéza fosfatidylcholinu z lysolecitinu. Rozdíl mezi molekulami fosfatidylcholinu (lecitinu) a lysolecitinu činí počet acylů mastných kyselin. Lecitin má dva acylové zbytky a to v pozicích 1,2, kdežto lysolecitin pouze jeden acyl v poloze 1. Lysolecitin vzniká deacylací z lecitinu nebo je syntetizován de novo. Tak či onak může být použit pro syntézu/resyntézu fosfatidylcholinu a to buď procesem reacylace, kdy donorem acyl skupiny je acyl-koenzym A, nebo transacylací, kdy donorem acylu je druhá molekula lysolecitinu. Kvantitativně významnější je cesta reacylace. Vzájemné reakce mezi lecitinem a lysolecitinem mohou také vést k remodelaci fosfatidylcholinu, kdy je jeden typ acylu vyměněn za jiný, např. acyl kys. olejové za acyl kys. palmitové.
Syntéza fostadidylglycerolu jako výchozí molekulu rovněž využívá kys.fosfatidovou, z které se za účasti CTP formuje CDP-diacylglycerol. Tento pak v dalším kroku reaguje s glycerol-3-fosfátem za vzniku fosfatidylglycerolfosfátu, jenž se rychle defosforyluje na fosfatidylglycerol.
Syntéza fosfatidylethanolaminu je obdobná jako syntéza PC pomocí CDP transferázové cesty, s tím rozdílem že substrátem, který se aktivuje vazbou na CDP, není cholin, ale ethanolamin.
Syntéza fosfatidylinositolu rovněž využívá CDP. Substrátem, který je přenesen na CDP a tím aktivován, je v tomto případě diacylglycerol. Vzniklý CDP-diacylglycerol pak reaguje s inositolem.
Syntéza a sekrece surfaktantu je pod vlivem řady hormonů, růstových faktorů či dalších působků:
Vzhledem k tomu, že povrchové napětí alveolů je nejvýznamnější složkou retrakčních elastických sil plic (asi 2/3 z celkové hodnoty, zbývající 1/3 je dána obsahem elastických a kolagenních vláken, množstvím tkáňového moku, krve v kapilárách) představuje plicní surfaktant rozhodující faktor, který zvyšuje plicní poddajnost a tím snižuje velikost dechové práce. Plicní poddajnost (compliance, C) je opakem elasticity, matematicky vyjádřeno C = 1/E. Mírou poddajnosti je změna objemu plic (DV) na jednotkovou změnu tlaku (DP) vyvinutou dýchacími svaly, tedy C = DV/DP. Dechová práce (WD) je pak součinem velikosti změny objemu plic a změny tlaku k tomu potřebného, tedy WD = DV x DP. Poddajnost plic je tím vyšší, čím menší změna tlakového gradientu je potřeba na tutéž změnu objemu plic. Plicní surfaktant působí jako antiatelektatický faktor, bránící kolapsu alveolů zejména během výdechu a tím podporuje výměnu dýchacích plynů během celého dýchacího cyklu, protože snížením povrchového napětí dle Laplaceova zákona redukuje výši distenzního tlaku, v tomto případě transpulmonálního tlakového gradientu, potřebného k udržení alveolů v rozepjatém stavu. Transpulmonální tlak (PL) je tlakový gradient mezi tlakem alveolárním (PA) a tlakem v pleurální dutině (PPL), tedy PL = PA – PPL. Surfaktant snížením povrchového napětí též zabraňuje vzniku plicního otoku, protože jinak by povrchové napětí vedlo ke snížení hydrostatického tlaku v perikapilárním vazivu alveolokapilární membrány a tím podporovalo transudaci tekutiny ve směru kapilára – intersticium – alveoly.
Hlavní účinnou složkou surfaktantu snižující povrchové napětí jsou fosfolipidy a z nich na prvním místě fosfatidylcholin. Pro stavbu vrstvičky surfaktantu je důležitý také SP-A, protože na chemicko-fyzikální úrovni tvoří tento apoprotein „kostru“ pro ukotvení fosfolipidů, výsledná podoba surfaktantového filmu pak připomíná pravoúhlou trojrozměrnou „mříž“ z tubulárního myelinu. Pro účinnost fosfolipidů je důležitá přítomnost apoproteinů SP-B a SP-C, které zvyšují adsorpční kapacitu a stabilitu fosfolipidového filmu.
Surfaktant představuje významný imunologický faktor lokální plicní obrany vůči mikrobiálním patogenům z řad bakterií, virů, plísní. Mechanismy, kterými tak činí, jsou dvojí:
K dispozici máme několik typů léčebných preparátů obsahujících surfaktant či některé jeho složky různého původu:
Logickou léčebnou indikací podávání exogenní substituce surfaktantu je deficit surfaktantu, který může být etiologicky dvojího typu:
Teoretické terapeutické indikace léčby surfaktantem jsou širší:
Article printed from Tvorba a ověření e-learningového prostředí pro integraci výuky preklinických a klinických předmětů na LF a FZV UP Olomouc: http://pfyziolklin.upol.cz
URL to article: http://pfyziolklin.upol.cz/?p=834
URLs in this post:
[1] Image: http://pfyziolklin.upol.cz/wp-content/uploads/2012/03/Laplaceuv-zakon.jpg
[2] Image: http://pfyziolklin.upol.cz/wp-content/uploads/2011/06/surfaktantslozeni.jpg
[3] Image: http://pfyziolklin.upol.cz/wp-content/uploads/2012/03/Synteza-fosfolipidu-CDP-transfer1.jpg
[4] Image: http://pfyziolklin.upol.cz/wp-content/uploads/2012/03/Synteza-fosfolipidu-CH3-transfer-a-resynteza.jpg
[5] Image: http://pfyziolklin.upol.cz/wp-content/uploads/2012/03/Regulace-tvorby-surfaktantu.jpg
[6] Image: http://pfyziolklin.upol.cz/wp-content/uploads/2012/03/funkce-surfaktantu.jpg
Click here to print.
Copyright © 2011 Tvorba a ověření e-learningového prostředí pro integraci výuky preklinických a klinických předmětů na LF a FZV UP Olomouc. All rights reserved.