Surfattante polmonare

Il surfattante polmonare o, in inglese, surfactant (dall'acronimo inglese SURFace ACTive AgeNT) è un complesso tensioattivo fosfolipoproteico (cioè composto da lipidi e, in minor misura, da proteine), secreto dalle cellule alveolari (pneumociti) di classe II. Le proteine e i lipidi che compongono il surfactante presentano sia una regione idrofila sia una regione idrofoba. La componente lipidica principale del surfactante è la dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), una molecola in grado di ridurre la tensione superficiale rompendo i legami idrogeno dell'acqua, ponendosi all'interfaccia aria-acqua a livello alveolare, con la componente idrofila di testa rivolta verso l'acqua e la parte idrofoba della coda rivolta verso l'aria.

Funzione fisiologica

Il surfattante impedisce il collasso degli alveoli più piccoli e l'eccessiva espansione di quelli più grandi.

Aumenta la compliance polmonare (la capacità del polmone di variare il proprio volume quando viene applicata una determinata pressione).
Previene l'atelettasia (il collasso del polmone) alla fine dell'espirazione.
Facilita il reclutamento delle vie aeree collassate.

Gli alveoli possono essere paragonati a gas in acqua, in quanto umidi e circondati da uno spazio centrale aereo. La tensione superficiale (una particolare tensione meccanica che si sviluppa lungo la superficie di separazione, interfaccia, tra un liquido e l'aria) agisce sull'alveolo all'interfaccia aria-acqua e tende a rendere la bolla più piccola. Grazie alla sua azione il surfactante diminuisce la tensione superficiale all'interno degli alveoli con raggio minore e ne impedisce il collasso durante l'espirazione, in accordo con la relazione di Laplace (dove P è la pressione, T è la tensione superficiale e r è il raggio dell'alveolo. Come si vede dalla relazione al crescere di P cresce la tendenza dell'alveolo a collabire):

P={\frac {2T}{r}}.

Compliance

La compliance indica la capacità di polmoni e torace di espandersi. La compliance polmonare è definita come la variazione di volume cui è soggetto il polmone per unità di variazione di pressione. Se si effettuano delle misurazioni del volume polmonare durante il gonfiaggio e lo sgonfiaggio controllato di un polmone normale, si può verificare che i volumi ottenuti durante lo sgonfiaggio superano quelli riscontrati in corso di gonfiaggio, per una data pressione. Questa differenza dei volumi di gonfiaggio-sgonfiaggio a una data pressione è chiamata isteresi ed è dovuta alla tensione superficiale aria-acqua che si verifica all'inizio del gonfiaggio. Il surfactante polmonare diminuisce proprio la tensione superficiale alveolare, come è possibile verificare nei neonati prematuri affetti da sindrome da distress respiratorio infantile. Il valore normale della tensione superficiale dell'acqua è di 70 dine/cm (70 mN/m) e nei polmoni raggiunge il valore di 25 dine/cm (25 mN/m). In ogni caso, al termine dell'espirazione, le molecole di fosfolipidi del surfactante riducono la tensione superficiale a livelli bassissimi, prossimi allo zero. È grazie alla azione del surfactante polmonare, e all'abbattimento della tensione superficiale da esso causato, che il polmone può essere gonfiato con relativa facilità, riducendosi così il lavoro respiratorio.

Regolazione della dimensione alveolare

Quando gli alveoli aumentano di dimensioni, il surfactante viene a distribuirsi su una superficie maggiore di liquido. Questa diluizione su un'area più vasta comporta un aumento della tensione superficiale che a sua volta determina un rallentamento nell'espansione degli alveoli. Questo meccanismo comporta che tutti gli alveoli polmonari tendano a espandersi alla stessa velocità, poiché quelli che si espandono più rapidamente sono inevitabilmente sottoposti a un forte aumento della tensione superficiale rallentando così la loro velocità di espansione. Similmente anche la velocità di contrazione degli alveoli diviene più regolare e uniforme. Il surfactante riduce la tensione superficiale più facilmente quando il diametro alveolare è minore perché viene a essere più concentrato.

Prevenzione dell'accumulo di fluidi

Le forze di tensione superficiale tendono ad attrarre fluidi dai capillari verso gli spazi alveolari. Il surfactante riduce l'accumulo di questi liquidi e mantiene le vie aeree asciutte, proprio perché viene a contrastare queste forze.

Immunità innata

La funzione immunitaria del surfactante viene attribuita principalmente a due proteine: SP-A e SP-D. Queste proteine possono legarsi agli zuccheri presenti sulla superficie dei patogeni e quindi causarne l'opsonizzazione facilitandone la fagocitosi. Il surfactante regola anche le risposte infiammatorie e interagisce con la risposta immune adattativa. La degradazione o inattivazione del surfactante può contribuire a una maggiore suscettibilità alle infezioni e alla infiammazione polmonare.

Composizione

~ 40% Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC).
~ 40% Altri fosfolipidi (PC).
~ 5% Proteine associate al surfactante (SP-A, B, C e D).
Colesterolo.
Tracce di altre sostanze.

Lipidi

Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC)

Si tratta di un fosfolipide con due catene a 16 atomi di carbonio sature, e un gruppo fosfato con un gruppo amminico quaternario attaccato. Il DPPC è la molecola dotata di più forte azione tensioattiva nella miscela di cui è composto il surfattante polmonare. La molecola si caratterizza anche per una capacità di compattazione superiore rispetto ad altri fosfolipidi, poiché la sua coda apolare è meno curva. Tuttavia, senza le altre sostanze presenti nella miscela del surfattante polmonare, la cinetica di adsorbimento di DPPC è molto lenta. Ciò avviene principalmente perché la temperatura della fase di transizione tra gel e cristalli liquidi di DPPC puro è di 41 °C, una temperatura decisamente superiore a quella del corpo umano.

Altri fosfolipidi

Le molecole di fosfatidilcolina rappresentano circa l'85% dei lipidi del surfactante e presentano catene di acidi saturi. Il fosfatidilglicerolo (PG) rappresenta circa l'11% dei lipidi del surfactante, ha catene di acidi grassi insaturi che fluidificano il monostrato lipidico all'interfaccia. Sono presenti anche lipidi neutri e colesterolo. I componenti di questi lipidi diffondono dal sangue verso le cellule alveolari di tipo II in cui sono assemblati e preparati per la secrezione in alcuni organelli secretori chiamati corpi lamellari.

Proteine

Le proteine costituiscono il restante 10% del surfactante. La metà circa di questo 10% sono proteine plasmatiche. La quota restante è costituito dalle apolipoproteine SP-A ( SFTPA1 ), B ( SFTPB ), C ( SFTPC ) e D ( SFTPD ) (la sigla SP sta per "proteina associata al surfactante"). Le apolipoproteine sono prodotte dalla secrezione delle cellule alveolari di tipo II. Queste proteine subiscono molte modificazioni e rimaneggiamenti, finendo nei corpi lamellari. Questi ultimi sono anelli concentrici di lipidi e proteine, di circa 1 µm in diametro.

SP-A e SP-D conferiscono immunità innata in quanto hanno domini di riconoscimento di carboidrati, i quali consentono loro di rivestire batteri e virus, promuovendone la fagocitosi da parte dei macrofagi. Si ritiene che SP-A sia anche coinvolta in un meccanismo di feedback negativo nel controllo della produzione di tensioattivo.
SP-B e SP-C sono proteine di membrana idrofobe che aumentano le proprietà tensioattive del surfactante. SP-B e SP-C sono necessarie per una corretta funzione biofisica del polmone. Gli esseri umani e gli animali che nascono con un deficit congenito di SP-B soffrono di insufficienza respiratoria intrattabile. Coloro che nascono privi di SP-C tendono a sviluppare una polmonite interstiziale progressiva.

Le proteine SP riducono la temperatura critica della fase di transizione della dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) a un valore inferiore ai 37 °C,^[1] migliorandone l'assorbimento e la velocità di diffusione all'interfaccia.^[2]^[3]

Dal 2012 negli Stati Uniti e successivamente anche in Europa è stato commercializzato il primo surfattante polmonare di origine sintetica e non animale. Dopo moltissimi anni di ricerche e un lungo percorso di approvazione della Food and Drug Administration, finalmente la Discovery Labs il 6 marzo 2012 ottenne l'approvazione da parte della FDA di un syntetic, peptide-containing surfattante, rivoluzionando così il segmento e l'approccio alla RDS infantile.^[4]

Note

^ BA. Hills, An alternative view of the role(s) of surfactant and the alveolar model., in J Appl Physiol, vol. 87, n. 5, Nov 1999, pp. 1567-83, PMID 10562593.
^ Samuel Schürch, Hans Bachofenb, Fred Possmayer, Pulmonary surfactant: Surface properties and function of alveolar and airway surfactant, in Pure and Applied Chemistry, vol. 64, n. 11, Nov 1992, pp. 1745–1750, DOI:10.1351/pac199264111745.
^ Fred Possmayer, Kaushik Naga, Karina Rodrigueza, Riad Qanbarb, Samuel Schürch, Surface activity in situ, in vivo, and in the captive bubble surfactometer, in Comparative Biochemistry and Physiology - Part A: Molecular & Integrative Physiology, vol. 129, n. 1, Mag 2001, pp. 209–220, DOI:10.1016/S1095-6433(01)00317-8.
^ Surfaxin Approved for Prevention of Respiratory Distress Syndrome - MPR, su empr.com, Monthly Prescribing Reference (MPR), 6 marzo 2012. URL consultato il 10 dicembre 2012.

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[pmid10562593-1] BA. Hills, An alternative view of the role(s) of surfactant and the alveolar model., in J Appl Physiol, vol. 87, n. 5, Nov 1999, pp. 1567-83, PMID 10562593.

[Schuerch_1992-2] Samuel Schürch, Hans Bachofenb, Fred Possmayer, Pulmonary surfactant: Surface properties and function of alveolar and airway surfactant, in Pure and Applied Chemistry, vol. 64, n. 11, Nov 1992, pp. 1745–1750, DOI:10.1351/pac199264111745.

[Possmayer2001-3] Fred Possmayer, Kaushik Naga, Karina Rodrigueza, Riad Qanbarb, Samuel Schürch, Surface activity in situ, in vivo, and in the captive bubble surfactometer, in Comparative Biochemistry and Physiology - Part A: Molecular & Integrative Physiology, vol. 129, n. 1, Mag 2001, pp. 209–220, DOI:10.1016/S1095-6433(01)00317-8.

[4] Surfaxin Approved for Prevention of Respiratory Distress Syndrome - MPR, su empr.com, Monthly Prescribing Reference (MPR), 6 marzo 2012. URL consultato il 10 dicembre 2012.

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