肺表面活性劑的分子特性可以更好地治療呼吸系統(tǒng)疾病

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2022-04-08 16:37:00【大中小】

由明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校工程研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組分析了肺表面活性劑的基本性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。表面活性劑是一種天然存在的物質(zhì)，可以幫助人類和動(dòng)物的肺部擴(kuò)張和收縮。

方框A-F顯示了肺表面活性物質(zhì)單層膜結(jié)晶結(jié)構(gòu)的演化，隨著壓力的增加，單層膜呈“指狀”或拉長(zhǎng)。通過觀察這種進(jìn)化，科學(xué)家們可以更好地理解肺表面活性劑是如何在整個(gè)肺部傳播的，并幫助人類更容易呼吸。資料來(lái)源:明尼蘇達(dá)大學(xué)扎薩津斯基研究實(shí)驗(yàn)室

這篇論文發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上，這是一份由美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)(American Association for The Advancement of Science)出版的同行評(píng)議的多學(xué)科科學(xué)期刊。

人類和動(dòng)物的肺部都會(huì)自然產(chǎn)生一種表面活性劑，這種物質(zhì)由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成，覆蓋在肺部，在我們吸氣和呼氣時(shí)降低表面張力，使呼吸更容易。

肺炎或COVID-19等呼吸道疾病會(huì)阻礙肺表面活性劑的正常工作，導(dǎo)致呼吸并發(fā)癥。類似的問題也發(fā)生在早產(chǎn)兒身上，他們有時(shí)還沒有發(fā)展出產(chǎn)生這種物質(zhì)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(dòng)物肺中提取的表面活性劑來(lái)替代人類，但多年來(lái)，研究人員一直在努力制造合成表面活性劑來(lái)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(dá)大學(xué)化學(xué)工程和材料科學(xué)系的博士生凱恩·瓦爾蒂雷茲-蓋坦(Cain Valtierrez-Gaytan)說(shuō)。“作為科學(xué)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(yīng)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(dá)大學(xué)的研究小組最初對(duì)膽固醇的作用感興趣，膽固醇是一種自然存在于動(dòng)物和人類細(xì)胞中的脂質(zhì)。

用朗繆爾槽以及高分辨率光學(xué)顯微鏡,研究了圖像的一些脂質(zhì)構(gòu)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(cè)試單分子膜在不同溫度和壓力下的表現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)之前未被證實(shí)的現(xiàn)象，它們與材料科學(xué)的基本理論相一致。

首先，研究人員發(fā)現(xiàn)表面活性劑以平衡結(jié)構(gòu)的形式組織起來(lái)，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(zhǎng)，那么如果壓力被去除，它們有能力恢復(fù)到原來(lái)的形狀。這是一種相當(dāng)罕見的情況，因?yàn)閱畏肿幽ひ坏└淖?，通常不?huì)恢復(fù)到原來(lái)的結(jié)構(gòu)。

顯微鏡圖像還顯示，當(dāng)壓力增加時(shí)，單分子膜的結(jié)晶部分呈“手指狀”或伸長(zhǎng)。這是由于化學(xué)的不穩(wěn)定性，同樣的不穩(wěn)定性導(dǎo)致冰在形成雪花時(shí)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(kuò)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(xué)理論，比如不穩(wěn)定性和平衡，來(lái)嘗試?yán)斫夥伪砻婊钚詣┦侨绾喂ぷ鞯模?rdquo;論文的高級(jí)作者、明尼蘇達(dá)大學(xué)化學(xué)工程和材料科學(xué)學(xué)院的教授Joe Zasadzinski說(shuō)。“然后我們可以根據(jù)基本物理原理預(yù)測(cè)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。”