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surfactante pulmonar

Los alvéolos son las prolongaciones esféricas de los bronquiolos respiratorios . El surfactante pulmonar es un complejo tensioactivo de fosfolípidos y proteínas formado por las ...

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Los alvéolos son las prolongaciones esféricas de los bronquiolos respiratorios .

El surfactante pulmonar es un complejo tensioactivo de fosfolípidos y proteínas formado por las células alveolares de tipo II . [ 1 ] Las proteínas y los lípidos que componen el surfactante tienen regiones tanto hidrofílicas como hidrofóbicas . Al adsorberse en la interfaz aire-agua de los alvéolos , con los grupos de cabeza hidrofílicos en el agua y las colas hidrofóbicas orientadas hacia el aire, el principal componente lipídico del surfactante, la dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), reduce la tensión superficial .

Como medicamento, el surfactante pulmonar figura en la Lista Modelo de Medicamentos Esenciales de la OMS , que incluye los medicamentos más importantes necesarios en un sistema básico de salud . [ 2 ]

Función

  • Para aumentar la distensibilidad pulmonar .
  • Para prevenir la atelectasia (colapso de los alvéolos o las aurículas) al final de la espiración.
  • Para facilitar el reclutamiento de las vías respiratorias colapsadas.

Los alvéolos pueden compararse con el gas en el agua, ya que están húmedos y rodean un espacio aéreo central. El surfactante pulmonar reduce significativamente el trabajo respiratorio al minimizar la tensión superficial alveolar, lo que permite que los alvéolos se expandan más fácilmente durante la inspiración. La tensión superficial actúa en la interfaz aire-agua y tiende a reducir el tamaño de la burbuja (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 :

PAG=2γr{\displaystyle P={\frac {2\gamma}{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 a través del pulmón. Las mediciones del volumen pulmonar obtenidas durante la inflación/desinflación controlada de un pulmón normal muestran que los volúmenes obtenidos durante la desinflación superan a los obtenidos durante la inflación, a una presión dada. Esta diferencia en los volúmenes de inflación y desinflación a una presión dada se denomina 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 neonatal . 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 del surfactante comprimidas disminuyen la tensión superficial a niveles muy bajos, cercanos a cero. El surfactante pulmonar reduce considerablemente la tensión superficial , aumentando la distensibilidad y permitiendo que el pulmón se infle con mayor facilidad, reduciendo así el trabajo respiratorio. Reduce la diferencia de presión necesaria para que el pulmón se infle. La distensibilidad pulmonar y la ventilación disminuyen cuando el tejido pulmonar se enferma y se fibrosa . [ 3 ]

Regulación del tamaño alveolar

A medida que los alvéolos aumentan de tamaño, el surfactante se distribuye más uniformemente sobre la superficie del líquido. Esto incrementa la tensión superficial, lo que ralentiza la expansión de los alvéolos. Además, contribuye a que todos los alvéolos pulmonares se expandan al mismo ritmo, ya que un alvéolo que se expande más rápidamente experimentará un aumento significativo de la tensión superficial, lo que disminuirá su velocidad de expansión. Asimismo, implica que la reducción de tamaño es más regular, pues si un alvéolo se reduce más rápidamente, la tensión superficial disminuirá en mayor medida, permitiendo que otros alvéolos se contraigan con mayor facilidad. El surfactante reduce la tensión superficial con mayor facilidad cuando los alvéolos son más pequeños, debido a su mayor concentración.

Prevención de la acumulación de líquido y mantenimiento de la sequedad de las vías respiratorias.

La tensión superficial atrae el líquido desde los capilares hacia los espacios alveolares. El surfactante reduce la acumulación de líquido y mantiene secas las vías respiratorias al disminuir la tensión superficial. [ 4 ]

Inmunidad innata

La función inmunitaria del surfactante se atribuye principalmente a dos proteínas: SP-A y SP-D . Estas proteínas se unen a los azúcares de la superficie de los patógenos, opsonizándolos para su posterior fagocitosis. También regulan las respuestas inflamatorias e interactúan con la respuesta inmunitaria adaptativa. La degradación o inactivación del surfactante puede contribuir a una mayor susceptibilidad a la inflamación e infección pulmonar. [ 5 ]

Composición

Lípidos

DPPC

La dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) es un fosfolípido con dos cadenas saturadas de 16 carbonos y un grupo fosfato con un grupo amina cuaternario unido. La DPPC es la molécula surfactante más potente en la mezcla de surfactante pulmonar. También tiene una mayor capacidad de compactación que los demás fosfolípidos, debido a que su cola apolar está menos curvada. Sin embargo, sin las demás sustancias de la mezcla de surfactante pulmonar, la cinética de adsorción de la DPPC es muy lenta. Esto se debe principalmente a que la temperatura de transición de fase entre gel y cristal líquido de la DPPC pura es de 41,5  °C, superior a la temperatura corporal humana de 37  °C. [ 7 ]

Otros fosfolípidos

Las moléculas de fosfatidilcolina forman aproximadamente el 85 % de los lípidos del surfactante y poseen cadenas acilo saturadas. El fosfatidilglicerol (PG) constituye alrededor del 11 % de los lípidos del surfactante y posee cadenas de ácidos grasos insaturados que fluidifican la monocapa lipídica en la interfase. 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 denominados cuerpos lamelares .

Proteínas

Las proteínas constituyen el 10% restante del surfactante. La mitad de este 10% son proteínas plasmáticas , mientras que el resto está formado por las apolipoproteínas , proteínas surfactantes SP-A, SP-B, SP-C y SP-D. Las apolipoproteínas se producen por la vía secretora en las células tipo II. Sufren numerosas modificaciones postraduccionales, formando los cuerpos lamelares. Estos son anillos concéntricos de lípidos y proteínas, de aproximadamente 1  μm de diámetro.

  • SP-A y SP-D son colectinas . Confieren inmunidad innata ya que poseen dominios de reconocimiento de carbohidratos que les permiten recubrir bacterias y virus, promoviendo la fagocitosis por macrófagos. [ 8 ] También se cree que SP-A participa en un mecanismo de retroalimentación negativa para controlar la producción de surfactante.
  • SP-B y SP-C son proteínas de membrana hidrofóbicas que aumentan la velocidad de propagación del surfactante sobre la superficie. SP-B y SP-C son necesarias para el correcto funcionamiento biofísico del pulmón. Los humanos y animales que nacen con una ausencia congénita de la proteína SP-B de la familia de las saposinas experimentan insuficiencia respiratoria intratable, mientras que aquellos que nacen sin SP-C tienden a desarrollar neumonitis intersticial progresiva. [ 9 ]

Las proteínas SP reducen la temperatura crítica de la transición de fase del DPPC a un valor inferior a 37  °C, [ 10 ] lo que mejora su adsorción y velocidad de propagación en la interfaz. [ 11 ] [ 12 ] La compresión de la interfaz provoca un cambio de fase de las moléculas del surfactante a líquido-gel o incluso gel-sólido. La rápida velocidad de adsorción es necesaria para mantener la integridad de la región de intercambio gaseoso de los pulmones.

Cada proteína SP tiene funciones distintas, que actúan sinérgicamente para mantener una interfaz rica en DPPC durante la expansión y contracción pulmonar. Los cambios en la composición de la mezcla de surfactante alteran las condiciones de presión y temperatura para los cambios de fase y también la forma cristalina de los fosfolípidos. [ 13 ] Solo la fase líquida puede extenderse libremente sobre 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 ". Entonces, las proteínas SP atraen selectivamente más DPPC a la interfaz que otros fosfolípidos o colesterol, cuyas propiedades surfactantes son peores que las del DPPC. El SP también fija el DPPC en la interfaz para evitar que el DPPC sea expulsado cuando disminuye el área de la superficie [ 12 ] Esto también reduce la compresibilidad de la interfaz. [ 14 ]

Tensioactivos artificiales

Survanta , rodeada de dispositivos para su aplicación.

Existen 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. [ 15 ]

surfactantes pulmonares sintéticos

  1. Palmitato de colfosceril (Exosurf): una mezcla de DPPC con hexadecanol y tiloxapol añadidos como agentes dispersantes.
  2. Pumactant (compuesto expandidor pulmonar artificial o ALEC): una mezcla de DPPC y PG.
  3. KL-4 : compuesto por DPPC, palmitoil-oleoil fosfatidilglicerol y ácido palmítico, combinado con un péptido sintético de 21 aminoácidos que imita las características estructurales de SP-B.
  4. Venticute - DPPC, PG, ácido palmítico y SP-C recombinante
  5. Lucinactante : DPPC , POPG y ácido palmítico .

Tensioactivos de origen animal

  1. Beractant
    1. (Alveofacto) - extraído del líquido de lavado broncoalveolar de vaca
    2. (Survanta) - extraído de pulmón de vaca picado con DPPC, ácido palmítico y tripalmitina adicionales.
    3. (Beraksurf) -extraído de pulmón de ternera picado con DPPC, ácido palmítico y tripalmitina adicionales.
  2. Calfactante (Infasurf): extraído del líquido de lavado pulmonar de terneros.
  3. Poractant alfa (Curosurf): extraído de material derivado de pulmón de cerdo picado.
  4. Ovinactant (Varasurf): extraído de material derivado de pulmón de oveja picado.

Magnitud de la tensión superficial dentro del pulmón

Aunque el surfactante pulmonar puede reducir considerablemente la tensión superficial, este efecto depende de su concentración en la interfase. La concentración en la interfase tiene un límite de saturación, que depende de la temperatura y la composición de la mezcla. Debido a la variación de la superficie pulmonar durante la ventilación, la concentración de surfactante en la interfase no suele alcanzar el nivel de saturación. La superficie aumenta durante la inspiración, lo que abre espacio para que nuevas moléculas de surfactante se incorporen a la interfase. Mientras tanto, durante la espiración, la superficie disminuye a un ritmo siempre superior al de la migración de las moléculas de surfactante desde la interfase hacia la película de agua. De este modo, la densidad de surfactante en la interfase aire-agua se mantiene alta y relativamente constante durante toda la espiración, reduciendo 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 la cinética de adsorción en la interfaz del surfactante cuando la concentración está por debajo del nivel de saturación . También forman enlaces débiles con las moléculas de surfactante en la interfaz y las mantienen allí durante más tiempo cuando la interfaz se comprime. Por lo tanto, durante la ventilación, la tensión superficial suele ser menor que en equilibrio. En consecuencia, la tensión superficial varía según el volumen de aire en los pulmones, lo que los protege de la atelectasia a bajos volúmenes y del daño tisular a altos niveles de volumen. [ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]

Producción y degradación

La producción de surfactante en humanos comienza en las células tipo II durante la etapa del saco alveolar del desarrollo pulmonar. Los cuerpos lamelares aparecen en el citoplasma alrededor de las 20 semanas de gestación. [ 16 ] Estos cuerpos lamelares se secretan por exocitosis en el líquido de revestimiento alveolar , donde el surfactante forma una red de mielina tubular. [ 17 ] [ 18 ] Se estima que los recién nacidos a término tienen una reserva de almacenamiento alveolar de aproximadamente 100  mg/kg de surfactante, mientras que los recién nacidos prematuros tienen una reserva estimada de 4 a 5  mg/kg al nacer. [ 19 ]

Las células club también producen un componente del surfactante pulmonar. [ 20 ]

El surfactante alveolar tiene una vida media de 5 a 10 horas una vez secretado. Puede ser degradado por macrófagos y/o reabsorbido en las estructuras lamelares de los neumocitos tipo II. Hasta el 90% del surfactante DPPC (dipalmitoilfosfatidilcolina) se recicla desde el espacio alveolar de vuelta al neumocito tipo II. Se cree que este proceso ocurre a través de la endocitosis dependiente de clatrina mediada por el receptor estimulador SP-A . [ 21 ] El otro 10% es captado por los macrófagos alveolares y digerido.

Enfermedades

Historia

A finales de la década de 1920, von Neergaard [ 22 ] identificó la función del surfactante pulmonar en el aumento de la distensibilidad de los pulmones mediante la reducción de la tensión superficial. Sin embargo, la comunidad científica y médica no comprendió la importancia de su descubrimiento en aquel momento. También se percató de la importancia de tener una baja tensión superficial 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 causaba el síndrome de dificultad respiratoria del lactante (SDR). [ 23 ] [ 13 ]

Referencias

  1. ↑ Bernhard W (noviembre de 2016). "Surfactante pulmonar: función y composición en el contexto del desarrollo y la fisiología respiratoria". Annals of Anatomy . 208 : 146–150 . doi : 10.1016/j.aanat.2016.08.003 . PMID 27693601 . 
  2. ↑ "19.ª Lista Modelo de Medicamentos Esenciales de la OMS (abril de 2015)" (PDF) . OMS. Abril de 2015. Consultado el 10 de mayo de 2015 .
  3. ↑ "Alvéolos y el proceso respiratorio" . Archivado del original el 18 de mayo de 2015. Consultado el 30 de octubre de 2013 .
  4. ↑ West, John B. (1994). Fisiología respiratoria: lo esencial . Baltimore: Williams & Wilkins. ISBN 0-683-08937-4.
  5. ↑ Wright JR (2004). "Funciones de defensa del huésped del surfactante pulmonar". Biology of the Neonate . 85 (4): 326– 32. doi : 10.1159/000078172 . PMID 15211087 . S2CID 25469141 .  
  6. 1 2 3 4 Nkadi PO, Merritt TA, Pillers DA (2009). "Una visión general del surfactante pulmonar en el neonato: Genética, metabolismo y el papel del surfactante en la salud y la enfermedad" . Molecular Genetics and Metabolism . 97 (2): 95– 101. doi : 10.1016/j.ymgme.2009.01.015 . ISSN 1096-7192 . PMC 2880575. PMID 19299177 .   
  7. ↑ Albon N (1978). "Naturaleza de la transición de gel a cristal líquido de fosfatidilcolinas sintéticas" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 75 (5): 2258– 2260. Bibcode : 1978PNAS...75.2258A . doi : 10.1073 / pnas.75.5.2258 . PMC 392531. PMID 276866 .  
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