Pľúcny surfaktant

Pľúca predstavujú v ľudskom tele najväčšiu kontaktnú plochu s vonkajším prostredím. U dospelého človeka meria vnútorná plocha pľúc po výdychu asi 80 m², po pokojnom nádychu až 120 m². Vnútorný povrch pľúc je pokrytý tenkou vrstvou špeciálnej tekutiny – pľúcnym surfaktantom. Táto tekutina, ktorej celkové množstvo u dospelého človeka sa odhaduje na 1 gram, má unikátne zloženie a plní v organizme dôležitú úlohu. Výskum surfaktantu prispel k vysvetleniu mechaniky dýchania a k objasneniu lokálnych obranných mechanizmov pľúc. V podobe exogénneho surfaktantu získali lekári prostriedok na liečbu surfaktant-deficitných stavov.

Zloženie pľúcneho surfaktantu

Surfaktant je zložitý komplex tukov a bielkovín. Z väščej časti ho tvoria fosfolipidy (90 %), z nich najhojnejší je fosfatidylcholín (PC, starší názov lecitín). PC tvorí 70 – 80 % všetkých forfolipidov surfaktantu. Väčšina molekúl PC surfaktantu, na rozdiel od PC v bunkových membránach, je v nasýtenej forme.

Proteíny tvoria asi 8 – 10 % surfaktantu. Väčšinou majú svoj pôvod v krvnej plazme, existujú však aj proteíny špecifické pre surfaktant. V pľúcnych bunkách sa syntetizujú štyri proteíny, označované písmenami SP (surfactant protein) A,B,C,D. Tieto proteíny regulujú metabolizmus alveolárneho surfaktantu a zvyšujú jeho biofyzikálnu a imunitnú aktivitu.

Funkcie surfaktantu

Sily pôsobiace medzi molekulami kvapaliny sú silnejšie ako sily medzi molekulami plynu (vzduchu). Prejavuje sa to existenciou povrchového napätia. Kvapalina zaujíma tvar s čo najmenším povrchom. Tlak v bublinách závisí od ich polomeru, môžeme sa o tom presvedčiť jednoduchým pokusom. Ak prepojíme dve rôzne veľké elastické bubliny z rovnakého materiálu (mydlovej vody), potom menšia bublina vyprázdni svoj obsah do väčšej bubliny (obrázek). Tento jav je dôsledkom spomínaného povrchového napätia.

Ak si uvedomíme, že v pľúcach novorodencov sa nachádza 20 miliónov a v pľúcach dospelých až 300 miliónov alveol s rôznym priemerom, ktoré sú navzájom prepojené dýchacími cestami, a navyše svoj priemer pri nádychu a výdychu menia, ľahko pochopíme, že pľúca bez špeciálneho mechanizmu by boli veľmi nestabilným systémom.

Tomu, aby sa menšie pľúcne alveoly vyprázdňovali do väčších, zamedzuje práve prítomnosť surfaktantu. Fosfolipidy sú na rozhraní vody a vzduchu orientované svojimi hydrofilnými hlavicami do vodnej fázy, zatiaľ čo hydrofóbne reťazce smerujú do priestoru alveol naplneného vzduchom. Už samotné fosfolipidy sú schopné vytvoriť monovrstvu znižujúcu povrchové napätie na interfáze voda-vzduch. Ich biofyzikálna aktivita sa však značne zvýši v prítomnosti proteínov surfaktantu.

Surfaktant znižuje povrchové napätie na rozhraní tekutinového filmu, ktorý sa nachádza na vnútornej strane alveol. Táto aktivita závisí od množstva surfaktantu pripadajúceho na jednotku plochy povrchu. Surfaktant výrazne zvyšuje poddajnosť pľúc a znižuje dychovú prácu potrebnú na výmenu vzduchu v pľúcach.

V menšej alveole pripadá na jednotku plochy väčší počet molekúl surfaktantu, a preto sa povrchové napätie v malých alveolách znižuje výraznejšie než v alveolách veľkých. Metódou alveolárnej mikropunkcie sa dokázalo, že pri konštantnom pľúcnom objeme je v rôzne veľkých alveolách rovnaké povrchové napätie. Takto surfaktant zabezpečuje stabilitu dýchacieho systému.

Je zaujímavé a z hľadiska fyziológie účelné, že v porovnaní s pľúcami dospelých u novorodencov pripadá na jednotku plochy viac surfaktantu. Alveoly v pľúcach novorodencov sú totiž menšie ako alveoly dospelých pľúc, a preto je v nich väčšie povrchové napätie.

Pri naplnení pľúc vzduchom je potrebné prekonať odpor elastických štruktúr pľúc i povrchové napätie, ktoré vzniklo na rozhraní vzduchu a tekutiny. Ak sa pľúca v experimente naplnia tekutinou (fyziologickým roztokom), na ich naplnenie stačí oveľa menší tlak, pretože sa prekonáva len odpor elastických štruktúr (obrázek).V pľúcach v tomto prípade nie je vzduch, a teda ani rozhranie vzduchu a kvapaliny, na ktorom by mohlo vzniknúť povrchové napätie (obrázek). Pri nedostatočnom množstve alebo nedostatočnej aktivite surfaktantu, napríklad pri syndróme respiračnej tiesne (respiratory distress syndrom – IRDS) u nedonosených novorodencov, sa pri bežnom nádychu dostane do pľúc len málo vzduchu. Novorodenci s IRDS musia na výmenu vzduchu v alveolárnom priestore vyvíjať nesmierne veľké úsilie.

Surfaktant sa podiela nielen na mechanickej stabilizácii alveol, ale aj priedušiniek – dýchacích ciest cylindrického tvaru bez chrupavčitej výstuže. Surfaktant je do priedušiniek vytláčaný z alveol pri výdychu. Neplní len úlohu mechanického stabilizátora, ale súčasne uľahčuje prúdenie vzduchu týmito najtenšími dýchacími cestami.

Surfaktant plní dôležité úlohy i v lokálnej obrane pľúc. Zabraňuje vdýchnutým časticiam, vrátane infekčných mikroorganizmov, aby sa dostali do bezprostredného kontaktu s bunkami alveolárneho epitelu. Surfaktant zvyšuje chemotaktickú aktivitu alveolárnych makrofágov a ich fagocytárnu schopnosť. Zistilo sa, že najmä surfaktantový protein SP-A je účinný pri zneškodňovaní pľúcnych patogénov.

Tvorba surfaktantu

Surfaktant sa tvorí v pneumocytoch typu II (epiteliálnych bunkách pľúcnych alveol), ktoré vystielajú asi 5 % povrchu alveol. Zvyšných 95 % vystielajú pneumocyty typu I. Pneumocyty II sú menšie a vyskytujú sa ojedinele, prípadne tvoria ostrovčeky po 2 – 3 bunkách medzi pneumocytmi I. Stavebné zložky surfaktantu (mastné kyseliny, fosfáty, lipoproteíny, glycerol, glukóza a iné) sa do pneumocytov II dostávajú z krvi.

Surfaktant sa syntetizuje z prekurzorov v endoplazmatickom retikule a potom sa transportuje do lamelárnych teliesok. Nezrelé lamelárne telieska sú menšie a nachádzajú sa v blízkosti Golgiho aparátu. Väčšie a zrelšie lamelárne telieska sa nachádzajú bližšie k membráne, ktorá tvorí hranicu so vzdušným priestorom. Po vylúčení surfaktantu na povrch epitelu vzniká tubulárny myelín, ktorý má štruktúru mriežky a vzniká iba v prítomnosti vápnika. Tubulárny myelín sa považuje za prechodnú formu medzi intracelulárnym surfaktantom a funkčnou monovrstvou definitívneho surfaktantu (obrázek).

Biologický polčas rozpadu surfaktantu u potkanov je 14 – 16 hodín, u králikov 17 – 20 hodín, u človeka nie je známy. Keď surfaktant splní svoju biologickú funkciu, odstraňuje sa z alveol niekoľkými spôsobmi. Najdôležitejším z nich je vychytávanie a opätovné spracovanie samotnými pneumocytmi typu II. Takto sa opätovne využije až 85 % zložiek surfaktantu.

Tvorba a vylučovanie surfaktantu sú regulované viacerými mechanizmami. Jedným z lokálnych regulačných faktorov je mechanické napínanie alveolárnych buniek. Zvýšenie ventilácie a najmä prehĺbenie dýchania vyvoláva vzostup sekrécie surfaktantu na povrchu alveol, a to s maximom o 2 hodiny od začiatku hyperventilácie. Sekrécia surfaktantu je stimulovaná už pri pokojnom dýchaní a zvyšuje sa pri hlbokých dychoch. Periodicky sa opakujúce hlboké vdychy (vzdychy, zívanie...) pri spontánnom dýchaní, alebo aj pri umelej ventilácii pomáhajú zvyšovať obsah surfaktantu na povrchu alveol.

Lokálne sa vylučovanie surfaktantu reguluje aj negatívnou spätnou väzbou – sekrečné mechanizmy sú stimulované alebo inhibované v závislosti od obsahu surfaktantu na povrchu alveol. V tomto mechanizme zohráva dôležitú úlohu SP-A. SP-A je z alveol spätne vychytávaný, zabudovávaný do lamelárnych teliesok pneumocytov II a opäť vylučovaný. Pri nadbytku SP-A v alveolách je ďalšia sekrécia surfaktantu inhibovaná. Pri nedostatku SP-A sa naopak sekrécia surfaktantu zvyšuje, až kým dostatočné množstvo SP-A neinhibuje ďalšiu sekréciu. Jedná sa teda o jednoduchú negatívnu spätnú väzbu.

Vylučovanie surfaktantu je ovplyvňované aj nervovým systémom, najmä sympatikom, ktorý stimuluje sekréciu surfaktantu.

Mnoho klinických dôkazov svedčí o fyziologickej úlohe katecholamínov a kortikosteroidov v období pred narodením plodu. Patologické stavy, ktoré sú spojené so stresom a so zvýšenou hladinou katecholamínov a kortikosteroidov u plodu, urýchľujú dozrievanie fetálnych pľúc. Katecholamíny uvoľňované s nástupom pôrodu zvyšujú syntézu a hlavne sekréciu surfaktantu z pneumocytov II, čo môže byť rozhodujúce pri prispôsobení sa mimomaternicovému (maternica – děloha) prostrediu. Stres urýchľuje dozrievanie fetálnych pľúc.

Ďalšími hormónmi, ktoré regulujú dozrievanie orgánov pred i po narodení človeka, sú hormóny štítnej žľazy – tyroxín a trijódtyronín (T3). Za jednu z príčin nezrelosti surfaktantového systému pľúc u nedonosených detí sa považuje fakt, že koncentrácia hormónov štítnej žľazy je počas vnútromaternicového života relatívne nízka a prudko sa zvyšuje až s blížiacim sa pôrodom.

Mužské pohlavné hormóny – androgény – na jednej strane stimulujú rast fetálnych pľúc ako celku, na druhej strane však brzdia diferenciáciu buniek pľúc a navyše brzdia účinok kortikoidov. Preto urýchľovanie dozrievania pľúc, v prípade hroziaceho predčasného pôrodu, exogénne podávanými kortikoidmi nemusí byť vždy úspešné, najmä u plodov mužského pohlavia.

Ženské pohlavné hormóny – estrogény – urýchľujú dozrievanie pľúc a stimulujú vylučovanie surfaktantu. Je to jedno z vysvetlení menšieho výskytu surfaktant-deficitného stavu (IRDS) u dievčat.

Otázka vplyvu inzulínu na dozrievanie pľúc a surfaktant je klinicky veľmi závažná. Je známe, že výskyt IRDS je u detí diabetických matiek niekoľkonásobne vyšší. Uvažuje sa o tom, že spomalenie syntézy surfaktantu u plodov matiek s diabetom môže byť spôsobené fetálnou hyperinzulinémiou. Zvýšená hladina inzulínu inhibuje priaznivý vplyv kortikosteroidov na syntézu surfaktantu plodu.

Na podiel prostaglandínov v regulácii metabolizmu surfaktantu poukazuje čiastočná blokáda sekrécie surfaktantu pri zamedzení tvorby prostaglandínov. Existuje však aj opačné pôsobenie – surfaktant, ktory sa dýchacími pohybmi plodu dostáva do plodovej vody, ovplyvňuje produkciu prostaglandínov v placente. Prostaglandíny plnia dôležitú úlohu pri vyvolaní pôrodu. Je to obdivuhodné prepojenie regulačných mechanizmov, ktoré za fyziologických podmienok prispieva k vyvolaniu pôrodu, ak sú pľúca dostatočne zrelé na to, aby prevzali svoju funkciu.

Klinické aspekty surfaktantu pred narodením

Prítomnosť surfaktantu v plodovej vode možno dokázať v 30. –32. týždni tehotenstva. V tomto období začínajú pneumocyty II. typu vylučovať veľké množstvá surfaktantu bohatého na fosfatidylinozitol (Pl), ktorý je charakteristický pre surfaktant nezrelých pľúc. Neskôr sa zvyšuje syntéza fosfatidylglycerolu (PG, ktorý je typický pre zrelé pľúca.

Molekuly surfaktantu sa do plodovej vody dostávajú v dôsledku komunikácie pľúc s okolím pri dýchacích pohyboch plodu. Vyšetrením plodovej vody, či už biochemicky (určením koncentrácie rôznych zložiek surfaktantu) alebo biofyzikálne (meraním povrchového napätia), sa dá pomerne presne určiť stupeň zrelosti pľúc plodu, a tým aj pripravenosť na život po narodení.

Syntetizovaný surfaktant je aj u plodu uložený v lamelárnych telieskach, ktoré sa počas dýchacích pohybov plodu dostávajú do plodovej vody. Vo forme lamelárnych teliesok ostáva surfaktant až do narodenia, kedy počas prvých dychov dojde k vytvoreniu rozhrania medzi kvapalinou na povrchu alveol a vzduchom. K druhému vzostupu vylučovania surfaktantu dochádza asi 30 minút po narodení, vrchol nastáva po dvoch hodinách. Za jeden zo stimulov sekrécie surfaktantu pri narodení sa považuje expanzia pľúc atmosferickým vzduchom.

Najčastejšou a najzávažnejšou poruchou dýchania predčasne narodených novorodencov je zmienený IRDS. Klinicky sa prejavuje predovšetkým poruchami dýchania, ako sú sťažené dýchanie, spojené s veľkou námahou pri nádychu, zrýchlené dýchanie – tachypnoe a typické stonkanie pri výdychu – grunting. Tieto príznaky sú dôsledkom kompenzačných mechanizmov, ktoré pomáhajú prekonávať zníženú pľúcnu poddajnosť.

K poškodeniu môže dojsť aj pri vdýchnutí mekónia z plodovej vody. V prvej fáze sú u novorodencov prítomné príznaky zapchania dýchacích ciest, pre ďalšiu fázu sú charakteristické príznaky poruchy surfaktantu. Surfaktant pri vdýchnutí mekónia poškodzujú najmä voľné mastné kyseliny. Je zaujímavé, že dokonca až 6500násobne zriedené mekónium je schopné významne inhibovať aktivitu surfaktantu.

Poruchy surfaktantu u väčších detí a u dospelých

Analógiou IRDS nedonosených novorodencov je u dospelých ARDS – adult respiratory distress syndrome. ARDS sprevádza napríklad rôzne otravy, úrazy, poruchy látkovej premeny a mnohé iné stavy. Často je súčasťou multiorgánového zlyhávania. Nedostatočná aktivita surfaktantu je pri ARDS spôsobená predovšetkým preniknutím proteínov krvnej plazmy do alveolárneho priestoru, a následnou poruchou sekrécie a inaktiváciou surfaktantu.

K poruchám surfaktantu môže dochádzať pri rôznych ďalších ochoreniach pľúc charakterizovaných prítomnosťou exsudátu (kvapaliny vznikajúcej pri zápaloch) v alveolách, ale aj pri priamom pôsobení rôznych škodlivín na pľúca. Cigaretový dym narušuje funkciu pneumocytov II. typu a zhoršuje vlastnosti surfaktantu. Počas pohlcovania pevných čiastočiek cigaretového dymu alveolárnymi makrofágmi je časť surfaktantu viazaná a pohltená spolu s cudzorodými časticami. Zvyšuje to nároky na produkciu surfaktantu, čo pri chronickom a pravidelnom fajčení môže viesť až k poruchám jeho vylučovania. Novšie výskumy in vitro na kultúrach pneumocytov II. typu ukazujú, že cigaretový dym môže i priamo inhibovať tvorbu a vylučovanie surfaktantu.

Aj vdychovanie iných pevných častíc (kremíka či azbestu), dymu vznikajúceho pri horení polyuretánu, prípadne výfukových motorových plynov ovplyvňuje metabolizmus surfaktantu. Pri krátkodobom pôsobení spomínané látky stimulujú sekréciu surfaktantu a vyvolávajú hyperpláziu a hypertrofiu pneumocytov II. typu, pri dlhodobom vdychovaní spôsobujú vyčerpanie týchto producentov surfaktantu.

Liečba exogénnym surfaktantom

Pri nedostatku surfaktantu v alveolách sa môžu priamo do pľúc (cez dýchacie cesty) aplikovať prirodzené, prípadne umelé surfaktanty. Prirodzené surfaktanty sa získavajú z pľúc zvierat, najmä hovädzieho dobytka a ošípaných. Umelý surfaktant sa pripravuje ako zmes fosfolipidov a novšie sa obohacuje o ďalšie doležité látky, najmä o proteíny.

Liečba exogénnym surfaktantom je liečbou substitučnou, ale nemenej dôležitým cieľom je aj stimulácia tvorby endogénneho surfaktantu. zistilo sa. že dávka exogénneho sufraktantu neinhibuje tvorbu vlastného endogénnehpo sufraktantu, ale dokonca ju stimuluje. Pneumocyty II. typu takto získavajú potrebné látky a dokážu zabudovať komponenty exogénneho surfaktantu do vlastného produktu.

Základný, ako aj klinický výskum pľúcneho surfaktantu veľmi intenzívne pokračuje

Ďalšie poznatky základného výskumu by mohli prispieť k objaveniu nových možností stimulácie tvorby endogénneho surfaktantu, ako i k vývoju a k výrobe nových generácií dokonalejšieho a lacnejšieho exogénneho surfaktantu pre liečbu nedonosených novorodencov s IRDS, ako aj starších detí a dospelých.