Группа ученых под руководством инженеров Университета Миннесоты Twin Cities проанализировала фундаментальные свойства и структуру легочного сурфактанта — встречающегося в природе вещества, которое помогает легким человека и животных расширяться и сокращаться, — предоставив информацию, которая в конечном итоге может помочь ученым разработать более эффективные методы лечения респираторных заболеваний.
Статья опубликована в журнале Science Advances, рецензируемом междисциплинарном научном журнале, издаваемом Американской ассоциацией содействия развитию науки.
Легкие как человека, так и животных естественным образом вырабатывают поверхностно-активное вещество, вещество, состоящее из липидов и белков, которое покрывает легкие и снижает поверхностное натяжение при вдохе и выдохе, облегчая дыхание.
Респираторные заболевания, такие как пневмония или COVID-19, могут препятствовать работе легких сурфактанта, что приводит к осложнениям дыхания. Аналогичная проблема возникает у недоношенных детей, которые иногда еще не развили способность вырабатывать это вещество и страдают от респираторного дистресс-синдрома новорожденных. В настоящее время лечение состоит в том, чтобы дать людям замену поверхностно-активного вещества, взятого из легких животных, но исследователи годами работали над созданием синтетических поверхностно-активных веществ для лечения этих состояний.
«Основная цель легочного сурфактанта — минимизировать количество энергии, необходимой для дыхания», — сказал Кейн Валтьеррес-Гайтан, ведущий автор статьи и доктор философии. студент факультета химического машиностроения и материаловедения Миннесотского университета. «Как ученые, мы хотим определить, как различные компоненты поверхностно-активного вещества взаимодействуют друг с другом на фундаментальном уровне, чтобы мы могли знать, что включать в потенциальное синтетическое поверхностно-активное вещество».
В то время как легочный сурфактант состоит из множества различных материалов, команда Университета Миннесоты изначально была заинтригована ролью холестерина , типа липидов , которые естественным образом встречаются в клетках животных и человека.
Используя желоб Ленгмюра вместе с оптическим микроскопом высокого разрешения, исследователи получили изображения нескольких липидов, входящих в состав поверхностно-активного вещества легких — дипальмитоилфосфатидилхолина, гексадеканола или пальмитиновой кислоты и дигидрохолестерина — на уровне монослоя, или пленки, состоящей из одного Слой молекул на границе раздела воздух-вода. Проверяя, как монослои ведут себя при разных температурах и давлениях, они обнаружили два ранее неподтвержденных явления, которые согласуются с фундаментальными теориями материаловедения.
Во-первых, исследователи обнаружили, что поверхностно-активные вещества организуются как равновесные структуры, а это означает, что если кристаллические части молекул изменяют форму и растут при увеличении давления, они имеют возможность вернуться к своей первоначальной форме, если это давление исчезнет. Это довольно редкое явление, поскольку монослои обычно не возвращаются к своей исходной структуре после ее изменения.
Изображения под микроскопом также показали, что при повышении давления кристаллические части монослоев «пальцеобразно» или удлиняются. Это происходит из-за химической нестабильности, той самой нестабильности, из-за которой лед расползается фракталами при формировании снежинки. Знание обоих этих свойств помогает исследователям лучше понять, как быстро сурфактант распространяется по легким и как он снижает поверхностное натяжение в легких.
«Мы можем использовать основные теории материаловедения, такие как нестабильность и равновесие, чтобы попытаться понять, как на самом деле работает легочный сурфактант», — сказал Джо Засадзински, старший автор статьи и профессор кафедры химической инженерии и материаловедения Миннесотского университета. . «Тогда мы можем делать прогнозы на основе фундаментальной физики относительно того, как эти материалы будут организованы, что в конечном итоге поможет нам сформулировать следующее поколение материалов клинического поверхностно -активного вещества».
Теги: биотехнологии
