Tensioactif pulmonaire - Pulmonary surfactant

Les alvéoles sont les affleurements sphériques des bronchioles respiratoires.

Le surfactant pulmonaire est un complexe tensioactif de phospholipides et de protéines formé par les cellules alvéolaires de type II . Les protéines et les lipides qui composent le tensioactif ont à la fois des régions hydrophiles et hydrophobes . En s'adsorbant à l' interface air-eau des alvéoles , avec des groupes de tête hydrophiles dans l'eau et des queues hydrophobes tournées vers l'air, le principal composant lipidique du surfactant, la dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC), réduit la tension superficielle .

En tant que médicament, le surfactant pulmonaire figure sur la liste modèle de l' OMS des médicaments essentiels , les médicaments les plus importants nécessaires dans un système de santé de base .

Fonction

• Pour augmenter la compliance pulmonaire .
• Pour prévenir l' atélectasie (effondrement des alvéoles ou des oreillettes) en fin d'expiration.
• Pour faciliter le recrutement des voies respiratoires effondrées.

Les alvéoles peuvent être comparées au gaz dans l'eau, car les alvéoles sont humides et entourent un espace d'air central. La tension superficielle agit à l'interface air-eau et tend à rendre la bulle plus petite (en diminuant la surface de l'interface). La pression du gaz ( P ) nécessaire pour maintenir un équilibre entre la force d' écrasement de la tension superficielle ( en γ ) et la force d' expansion des gaz dans un alvéole de rayon r est exprimée par l' équation de Young-Laplace :

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

Conformité

La compliance est la capacité des poumons et du thorax à se dilater. La compliance pulmonaire est définie comme le changement de volume par unité de changement de pression dans le poumon. Les mesures de volume pulmonaire obtenues lors du gonflage/dégonflage contrôlé d'un poumon normal montrent que les volumes obtenus lors du dégonflage dépassent ceux lors du gonflage, à une pression donnée. Cette différence de volumes de gonflage et de dégonflage à une pression donnée est appelée hystérésis et est due à la tension superficielle air-eau qui se produit au début du gonflage. Cependant, le surfactant diminue la tension superficielle alvéolaire , comme on le voit chez les prématurés souffrant du syndrome de détresse respiratoire du nourrisson . La tension superficielle normale pour l'eau est de 70 dyn/cm (70 mN/m) et dans les poumons, elle est de 25 dyn/cm (25 mN/m); cependant, à la fin de l'expiration, les molécules de phospholipide de surfactant comprimées diminuent la tension superficielle à des niveaux très bas, proches de zéro. Le surfactant pulmonaire diminue ainsi fortement la tension superficielle , augmentant la compliance permettant au poumon de se gonfler beaucoup plus facilement, réduisant ainsi le travail respiratoire. Il réduit la différence de pression nécessaire pour permettre au poumon de se gonfler. La compliance pulmonaire et la ventilation diminuent lorsque le tissu pulmonaire devient malade et fibreux .

Régulation de la taille alvéolaire

Au fur et à mesure que la taille des alvéoles augmente, le tensioactif s'étale davantage à la surface du liquide. Cela augmente la tension superficielle en ralentissant efficacement la vitesse d'expansion des alvéoles. Cela aide également toutes les alvéoles des poumons à se dilater au même rythme, car une alvéole qui se dilate plus rapidement connaîtra une augmentation importante de la tension superficielle, ce qui ralentira son taux d'expansion. Cela signifie également que le taux de rétrécissement est plus régulier, car si l'on réduit la taille plus rapidement, la tension superficielle diminuera davantage, de sorte que les autres alvéoles peuvent se contracter plus facilement qu'elles ne le peuvent. Le tensioactif réduit plus facilement la tension superficielle lorsque les alvéoles sont plus petites car le tensioactif est plus concentré.

Prévention de l'accumulation de liquide et maintien de la sécheresse des voies respiratoires

La tension superficielle attire le fluide des capillaires vers les espaces alvéolaires. Le tensioactif réduit l'accumulation de liquide et maintient les voies respiratoires sèches en réduisant la tension superficielle.

L'immunité innée

La fonction immunitaire des tensioactifs est principalement attribuée à deux protéines : SP-A et SP-D . Ces protéines peuvent se lier aux sucres à la surface des agents pathogènes et ainsi les opsoniser pour être absorbés par les phagocytes. Il régule également les réponses inflammatoires et interagit avec la réponse immunitaire adaptative. La dégradation ou l'inactivation des tensioactifs peut contribuer à une sensibilité accrue à l'inflammation et à l'infection pulmonaires.

Composition

• ~ 40 % de dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC);
• ~ 40 % d'autres phospholipides (PC) ;
• ~10 % de protéines tensioactives ( SP-A , SP-B , SP-C et SP-D );
• ~ 10% de lipides neutres ( Cholestérol );
• Traces d'autres substances .

Lipides

DPPC

La dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) est un phospholipide avec deux chaînes saturées à 16 carbones et un groupe phosphate avec un groupe amine quaternaire attaché. Le DPPC est la molécule de surfactant la plus puissante dans le mélange de surfactant pulmonaire. Il a également une capacité de compactage plus élevée que les autres phospholipides, car la queue apolaire est moins courbée. Néanmoins, sans les autres substances du mélange de surfactant pulmonaire, la cinétique d' adsorption du DPPC est très lente. Cela se produit principalement parce que la température de transition de phase entre le gel et les cristaux liquides du DPPC pur est de 41,5 °C, ce qui est supérieur à la température du corps humain de 37 °C.

Autres phospholipides

Les molécules de phosphatidylcholine forment environ 85% du lipide dans le surfactant et ont des chaînes acyles saturées. Le phosphatidylglycérol (PG) forme environ 11% des lipides du tensioactif, il possède des chaînes d'acides gras insaturés qui fluidifient la monocouche lipidique à l'interface. Des lipides neutres et du cholestérol sont également présents. Les composants de ces lipides diffusent du sang dans les cellules alvéolaires de type II où ils sont assemblés et conditionnés pour la sécrétion dans des organites sécrétoires appelés corps lamellaires .

Protéines

Les protéines constituent les 10 % restants du tensioactif. La moitié de ces 10 % sont des protéines plasmatiques mais le reste est formé par les apolipoprotéines , les protéines tensioactives SP-A, SP-B, SP-C et SP-D. Les apolipoprotéines sont produites par la voie de sécrétion dans les cellules de type II. Ils subissent de nombreuses modifications post-traductionnelles, se terminant dans les corps lamellaires. Ce sont des anneaux concentriques de lipides et de protéines, d'environ 1 µm de diamètre.

• SP-A et SP-D sont des collectins . Ils confèrent une immunité innée car ils possèdent des domaines de reconnaissance des glucides qui leur permettent d'enrober les bactéries et les virus favorisant la phagocytose par les macrophages. On pense également que SP-A est impliqué dans un mécanisme de rétroaction négative pour contrôler la production de tensioactif.
• SP-B et SP-C sont des protéines membranaires hydrophobes qui augmentent la vitesse de propagation du surfactant sur la surface. SP-B et SP-C sont nécessaires au bon fonctionnement biophysique du poumon. Les humains et les animaux nés avec une absence congénitale de la famille des saposines SP-B souffrent d'une insuffisance respiratoire intraitable tandis que ceux nés sans SP-C ont tendance à développer une pneumonie interstitielle progressive.

Les protéines SP réduisent la température critique de transition de phase du DPPC à une valeur inférieure à 37 °C, ce qui améliore son adsorption et la vitesse d'étalement de l'interface. La compression de l'interface provoque un changement de phase des molécules de tensioactif en liquide-gel voire gel-solide. La vitesse d'adsorption rapide est nécessaire pour maintenir l'intégrité de la région d'échange gazeux des poumons.

Chaque protéine SP a des fonctions distinctes, qui agissent en synergie pour maintenir une interface riche en DPPC pendant l'expansion et la contraction des poumons. Les changements dans la composition du mélange de tensioactifs modifient les conditions de pression et de température pour les changements de phase ainsi que la forme cristalline des phospholipides. Seule la phase liquide peut s'étaler librement sur la surface pour former une monocouche. Néanmoins, il a été observé que si une région pulmonaire est brusquement dilatée, les cristaux flottants se fissurent comme des « icebergs ». Ensuite, les protéines SP attirent sélectivement plus de DPPC à l'interface que d'autres phospholipides ou cholestérol, dont les propriétés tensioactives sont pires que celles des DPPC. Le SP fixe également le DPPC sur l'interface pour éviter que le DPPC ne soit écrasé lorsque la surface diminue. Cela réduit également la compressibilité de l'interface.

Tensioactifs artificiels

Survanta , entouré de dispositifs pour son application.

Il existe plusieurs types de surfactants pulmonaires.

Tensioactifs pulmonaires synthétiques

1. Palmitate de colfosceril (Exosurf) - un mélange de DPPC avec de l'hexadécanol et du tyloxapol ajoutés comme agents d'étalement
2. Pumactant (Artificial Lung Expanding Compound ou ALEC) - un mélange de DPPC et de PG
3. KL-4 - composé de DPPC, de palmitoyl-oléoyl phosphatidylglycérol et d'acide palmitique, combiné à un peptide synthétique de 21 acides aminés qui imite les caractéristiques structurelles de SP-B.
4. Venticute - DPPC, PG, acide palmitique et SP-C recombinant
5. Lucinactant - DPPC , POPG et acide palmitique .

Tensioactifs d'origine animale

1. Beractant
   1. (Alveofact) - extrait du liquide de lavage pulmonaire de vache
   2. (Survanta) - extrait de poumon de vache haché avec du DPPC, de l'acide palmitique et de la tripalmitine supplémentaires
   3. (Beraksurf) - extrait de poumon de veau haché avec du DPPC supplémentaire, de l'acide palmitique et de la tripalmitine
2. Calfactant (Infasurf) - extrait du liquide de lavage des poumons de veau
3. Poractant alfa (Curosurf) - extrait de matière dérivée de poumon de porc haché

Ampleur de la tension superficielle à l'intérieur du poumon

Même si la tension superficielle peut être considérablement réduite par le surfactant pulmonaire, cet effet dépendra de la concentration du surfactant à l'interface. La concentration à l'interface a une limite de saturation, qui dépend de la température et de la composition du mélange. Parce que pendant la ventilation il y a une variation de la surface pulmonaire, la concentration d'interface du surfactant n'est généralement pas au niveau de la saturation. La surface augmente au cours de l'inspiration, ce qui ouvre par conséquent un espace pour que de nouvelles molécules de tensioactif soient recrutées à l'interface. Pendant ce temps, pendant l'expiration, la surface spécifique diminue à une vitesse qui dépasse toujours la vitesse à laquelle les molécules de tensioactif sont entraînées de l'interface dans le film d'eau. Ainsi, la densité du tensioactif à l'interface air-eau reste élevée et est relativement préservée tout au long de l'expiration, diminuant encore plus la tension superficielle. Cela explique aussi pourquoi la compliance est plus importante à l'expiration qu'à l'inspiration.

Les molécules SP contribuent à augmenter la cinétique d'adsorption à l'interface du tensioactif, lorsque la concentration est inférieure au niveau de saturation . Ils établissent également des liaisons faibles avec les molécules de tensioactif à l'interface et les y maintiennent plus longtemps lorsque l'interface est comprimée. Par conséquent, pendant la ventilation, la tension superficielle est généralement plus faible qu'à l'équilibre. Par conséquent, la tension superficielle varie en fonction du volume d'air dans les poumons, ce qui les protège de l'atélectasie à faible volume et des lésions tissulaires à haut volume.

Production et dégradation

La production de tensioactif chez l'homme commence dans les cellules de type II au stade du sac alvéolaire du développement pulmonaire. Des corps lamellaires apparaissent dans le cytoplasme vers 20 semaines de gestation. Ces corps lamellaires sont sécrétés par exocytose dans le liquide de revêtement alvéolaire , où le surfactant forme un maillage de myéline tubulaire On estime que les nourrissons nés à terme ont un pool de stockage alvéolaire d'environ 100 mg/kg de surfactant, tandis que les prématurés ont environ 5 mg/kg à la naissance.

Les cellules du club produisent également un composant du surfactant pulmonaire.

Le surfactant alvéolaire a une demi-vie de 5 à 10 heures une fois sécrété. Il peut être à la fois décomposé par les macrophages et/ou réabsorbé dans les structures lamellaires des pneumocytes de type II. Jusqu'à 90 % du surfactant DPPC (dipalmitoylphosphatidylcholine) est recyclé de l'espace alvéolaire dans le pneumocyte de type II. On pense que ce processus se produit par endocytose dépendante de la clathrine médiée par le récepteur stimulant SP-A . Les 10 % restants sont absorbés par les macrophages alvéolaires et digérés.

Maladies

• Le syndrome de détresse respiratoire du nourrisson (SRI) est causé par un manque de surfactant, généralement subi par les bébés prématurés nés avant 28 à 32 semaines de gestation.
• Carence congénitale en surfactant
• Protéinose alvéolaire pulmonaire
• Dysfonctionnement du métabolisme des tensioactifs

Histoire

À la fin des années 1920, von Neergaard a identifié la fonction du surfactant pulmonaire dans l'augmentation de la compliance des poumons en réduisant la tension superficielle. Cependant, l'importance de sa découverte n'a pas été comprise par la communauté scientifique et médicale à l'époque. Il a également réalisé l'importance d'avoir une faible tension superficielle dans les poumons des nouveau-nés. Plus tard, au milieu des années 1950, Pattle et Clements ont redécouvert l'importance du surfactant et de la faible tension superficielle dans les poumons. À la fin de cette décennie, il a été découvert que le manque de surfactant provoquait le syndrome de détresse respiratoire du nourrisson (IRDS).

Les références

Liens externes