肺表面活性劑的分子特性可以更好地治療呼吸系統疾病

來源：作者：人氣：-發表時間：2022-04-08 16:37:00【大中小】

由明尼蘇達大學雙城分校工程研究人員領導的一個研究小組分析了肺表面活性劑的基本性質和結構。表面活性劑是一種天然存在的物質，可以幫助人類和動物的肺部擴張和收縮。

方框A-F顯示了肺表面活性物質單層膜結晶結構的演化，隨著壓力的增加，單層膜呈“指狀”或拉長。通過觀察這種進化，科學家們可以更好地理解肺表面活性劑是如何在整個肺部傳播的，并幫助人類更容易呼吸。資料來源:明尼蘇達大學扎薩津斯基研究實驗室

這篇論文發表在《科學進展》(Science Advances)上，這是一份由美國科學促進會(American Association for The Advancement of Science)出版的同行評議的多學科科學期刊。

人類和動物的肺部都會自然產生一種表面活性劑，這種物質由脂質和蛋白質組成，覆蓋在肺部，在我們吸氣和呼氣時降低表面張力，使呼吸更容易。

肺炎或COVID-19等呼吸道疾病會阻礙肺表面活性劑的正常工作，導致呼吸并發癥。類似的問題也發生在早產兒身上，他們有時還沒有發展出產生這種物質的能力，并患有新生兒呼吸窘迫綜合征(新生兒呼吸窘迫綜合征)。目前，治療方法是用從動物肺中提取的表面活性劑來替代人類，但多年來，研究人員一直在努力制造合成表面活性劑來治療這些疾病。

“肺表面活性劑的主要目的是減少呼吸所需的能量，”該論文的第一作者、明尼蘇達大學化學工程和材料科學系的博士生凱恩·瓦爾蒂雷茲-蓋坦(Cain Valtierrez-Gaytan)說。“作為科學家，我們想要確定表面活性劑的各種成分在基本層面上是如何相互作用的，這樣我們就能知道潛在的合成表面活性劑中應該包含哪些成分。”

雖然肺表面活性劑由許多不同的材料組成，但明尼蘇達大學的研究小組最初對膽固醇的作用感興趣，膽固醇是一種自然存在于動物和人類細胞中的脂質。

用朗繆爾槽以及高分辨率光學顯微鏡,研究了圖像的一些脂質構成肺surfactant-dipalmitoylphosphatidylcholine、十六醇、棕櫚酸,和dihydrocholesterol-at單層水平,或者電影組成的一層分子在空氣和水之間的界面。通過測試單分子膜在不同溫度和壓力下的表現，他們發現了兩個之前未被證實的現象，它們與材料科學的基本理論相一致。

首先，研究人員發現表面活性劑以平衡結構的形式組織起來，這意味著如果分子中的晶體部分隨著壓力的增加而改變形狀和生長，那么如果壓力被去除，它們有能力恢復到原來的形狀。這是一種相當罕見的情況，因為單分子膜一旦改變，通常不會恢復到原來的結構。

顯微鏡圖像還顯示，當壓力增加時，單分子膜的結晶部分呈“手指狀”或伸長。這是由于化學的不穩定性，同樣的不穩定性導致冰在形成雪花時以分形展開。了解這兩種特性有助于研究人員更好地了解表面活性劑在肺部的擴散速度，以及它如何降低肺部表面張力。

“我們可以使用基本的材料科學理論，比如不穩定性和平衡，來嘗試理解肺表面活性劑是如何工作的，”論文的高級作者、明尼蘇達大學化學工程和材料科學學院的教授Joe Zasadzinski說。“然后我們可以根據基本物理原理預測這些材料將如何組織，這將最終幫助我們制定下一代臨床表面活性劑材料。”


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