Surfactante pulmonar

El surfactante pulmonar es un complejo tensioactivo de fosfolípidos y proteínas formado por células alveolares de tipo II . ^[1] Las proteínas y los lípidos que componen el surfactante tienen regiones tanto hidrófilas como hidrófobas . Al adsorberse a la interfaz aire-agua de los alvéolos , con grupos de cabeza hidrófilos en el agua y las colas hidrófobas orientadas hacia el aire, el principal componente lipídico del surfactante, 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 . ^[2]

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

Los alvéolos pueden compararse con el gas en el agua, ya que están húmedos y rodean un espacio central de aire. 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 un 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 :

${\displaystyle P={\frac {2\gamma}{r}}}$

La distensibilidad pulmonar 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 el inflado/desinflado controlado de un pulmón normal muestran que los volúmenes obtenidos durante el desinflado superan a los del inflado, a una presión dada. Esta diferencia en los volúmenes de inflado y desinflado a una presión dada se llama histéresis y se debe a la tensión superficial aire-agua que se produce al comienzo del inflado. Sin embargo, el surfactante disminuye la tensión superficial alveolar , como se ve en casos de bebés prematuros con síndrome de dificultad respiratoria infantil . La tensión superficial normal para el agua es de 70 dinas/cm (70 mN/m) y en los pulmones, es de 25 dinas/cm (25 mN/m); sin embargo, al final de la espiración, las moléculas de fosfolípidos surfactantes comprimidas disminuyen la tensión superficial a niveles muy bajos, cercanos a cero. El surfactante pulmonar reduce en gran medida la tensión superficial , lo que aumenta la elasticidad y permite 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 elasticidad y la ventilación del pulmón disminuyen cuando el tejido pulmonar se enferma y se vuelve fibrótico . ^[3]

A medida que los alvéolos aumentan de tamaño, el surfactante se distribuye más sobre la superficie del líquido. Esto aumenta la tensión superficial, lo que reduce efectivamente la velocidad 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 expanda más rápidamente experimentará un gran aumento en la tensión superficial que reducirá su velocidad de expansión. También significa que la velocidad de contracción es más regular, ya que si uno se 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.

La tensión superficial atrae el 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. ^[4]

La función inmunitaria del surfactante se atribuye principalmente a dos proteínas: SP-A y SP-D . Estas proteínas pueden unirse a los azúcares de la superficie de los patógenos y, por lo tanto, opsonizarlos para que los absorban los fagocitos. También regula las respuestas inflamatorias e interactúa con la respuesta inmunitaria adaptativa. La degradación o inactivación del surfactante puede contribuir a una mayor susceptibilidad a la inflamación e infección pulmonar. ^[5]

• ~40% de dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC); ^[6]
• ~40% otros fosfolípidos (PC); ^[6]
• ~10% de proteínas surfactantes ( SP-A , SP-B , SP-C y SP-D ); ^[6]
• ~10% de lípidos neutros ( colesterol ); ^[6]
• Trazas de otras sustancias .

La dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) es un fosfolípido con dos cadenas saturadas de 16 carbonos y un grupo fosfato con un grupo amino cuaternario unido. La DPPC es la molécula surfactante más fuerte en la mezcla de surfactante pulmonar. También tiene una mayor capacidad de compactación que los otros fosfolípidos, porque la cola apolar está menos doblada. Sin embargo, sin las otras sustancias de la mezcla de surfactante pulmonar, la cinética de adsorción de la DPPC es muy lenta. Esto sucede principalmente porque la temperatura de transición de fase entre el gel y el cristal líquido de la DPPC pura es de 41,5 °C, que es más alta que la temperatura del cuerpo humano de 37 °C. ^[7]

Las moléculas de fosfatidilcolina forman aproximadamente el 85 % de los lípidos del surfactante y tienen cadenas de acilo saturadas. El fosfatidilglicerol (PG) forma aproximadamente el 11 % de los lípidos del surfactante y tiene 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 de tipo II, donde se ensamblan y empaquetan para su secreción en orgánulos secretores llamados cuerpos lamelares . ^{[ cita requerida ]}

Las proteínas constituyen el 10% restante del surfactante. La mitad de este 10% son proteínas plasmáticas pero el resto está formado por las apolipoproteínas , proteínas surfactantes SP-A, SP-B, SP-C y SP-D. Las apolipoproteínas son producidas por la vía secretora en las células de tipo II. Sufren mucha modificación postraduccional, terminando en los cuerpos lamelares. Estos son anillos concéntricos de lípidos y proteínas, de aproximadamente 1 μm de diámetro.

• La SP-A y la SP-D son colectinas que confieren inmunidad innata, ya que poseen dominios de reconocimiento de carbohidratos que les permiten recubrir bacterias y virus, promoviendo la fagocitosis por parte de los macrófagos. ^[8] También se cree que la SP-A está involucrada en un mecanismo de retroalimentación negativa para controlar la producción de surfactante. ^{[ cita requerida ]}
• La SP-B y la SP-C son proteínas de membrana hidrofóbicas que aumentan la velocidad con la que el surfactante se extiende sobre la superficie. La SP-B y la SP-C son necesarias para el funcionamiento biofísico adecuado del pulmón. Los seres humanos y los animales que nacen con una ausencia congénita de la familia de las saposinas SP-B sufren insuficiencia respiratoria intratable, mientras que los que nacen sin SP-C tienden a desarrollar neumonitis intersticial progresiva. ^[9]

Las proteínas SP reducen la temperatura crítica de transición de fase del DPPC a un valor inferior a 37 °C, ^[10] lo que mejora su adsorción y velocidad de expansión en la interfase. ^{[11] [12]} La compresión de la interfase provoca un cambio de fase de las moléculas de surfactante a líquido-gel o incluso gel-sólido. La rápida velocidad de adsorción 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 contracción del pulmón. Los cambios en la composición de la mezcla de surfactantes 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 del pulmón 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. La SP también fija el DPPC en la interfaz para evitar que se expulse cuando el área de superficie disminuye ^[12] Esto también reduce la compresibilidad de la interfaz. ^[14]

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 esparcidores
2. Pumactant (Compuesto expansor de pulmones artificiales o ALEC): una mezcla de DPPC y PG
3. KL-4 : compuesto de 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. Lucinactant - DPPC , POPG y ácido palmítico .

Surfactantes de origen animal

1. Beractante
   1. (Alveofacto) - extraído del líquido de lavado pulmonar de vaca
   2. (Survanta) - extraído de pulmón de vaca picado con DPPC adicional, ácido palmítico y tripalmitina
   3. (Beraksurf) -extraído de pulmón de ternera picado con DPPC adicional, ácido palmítico y tripalmitina
2. Calfactant (Infasurf): extraído del líquido de lavado pulmonar de ternera
3. Poractant alfa (Curosurf): extraído de material derivado de pulmón de cerdo picado
4. Ovinactante (Varasurf): extraído de material derivado de pulmón de oveja picado

Aunque la tensión superficial puede reducirse en gran medida mediante el surfactante pulmonar, este efecto dependerá de la concentración del surfactante 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 que durante la ventilación hay una variación del área de la superficie pulmonar, la concentración del surfactante en la interfase no suele estar al nivel de saturación. La superficie aumenta durante la inspiración, lo que en consecuencia abre espacio para que nuevas moléculas de surfactante se incorporen a la interfase. Mientras tanto, durante la espiración, el área de la superficie disminuye a una velocidad que siempre es superior a la velocidad a la que las moléculas de surfactante son expulsadas de la interfase hacia la película de agua. Por lo tanto, la densidad del surfactante en la interfase aire-agua permanece alta y se conserva relativamente durante la espiración, lo que disminuye aún más la tensión superficial. Esto también explica por qué la compliancia es mayor durante la espiración que durante la inspiración. ^{[ cita requerida ]}

Las moléculas de SP contribuyen a aumentar la cinética de adsorción de la interfase del surfactante cuando la concentración está por debajo del nivel de saturación . También forman enlaces débiles con las moléculas de surfactante en la interfase y las mantienen allí durante más tiempo cuando la interfase está comprimida. Por lo tanto, durante la ventilación, la tensión superficial suele ser menor que en el equilibrio. Por lo tanto, la tensión superficial varía según el volumen de aire en los pulmones, lo que los protege de la atelectasia a volúmenes bajos y del daño tisular a niveles altos de volumen. ^{[11] [13] [14]}

La producción de surfactante en humanos comienza en las células de 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 bebés} a término tienen un depósito alveolar de aproximadamente 100 mg/kg de surfactante, mientras que los bebés prematuros tienen un estimado de 4-5 mg/kg al nacer. ^[19]

Las células del 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 los 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 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 . ^[21] El 10% restante es absorbido por los macrófagos alveolares y digerido.

• El síndrome de dificultad respiratoria infantil (IRDS) es causado por la falta de surfactante, y se observa comúnmente en bebés prematuros que nacen antes de las 28 a 32 semanas de gestación. ^{[ cita requerida ]}
• Deficiencia congénita de surfactante
• Proteinosis alveolar pulmonar
• Disfunción del metabolismo del surfactante

A finales de la década de 1920, von Neergaard ^[22] identificó la función del surfactante pulmonar en el aumento de la elasticidad de los pulmones mediante la reducción de la tensión superficial. Sin embargo, la comunidad científica y médica de ese momento 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. Más tarde, 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 infantil (IRDS). ^{[23] [13]}