Surf Act Ante 1

Pontificia Universidad Católica Madre y Maestra Facultad Ciencias de la Salud. Departamento de Medicina

Área Ciencias Fisiológicas

“Surfactante Pulmonar” Por: Laura V. Beato C. Área Ciencias Fisiológicas http://www.pucmmsti.edu.do/cienciasfisiologicas

Surfactante Pulmonar Se hace uso en nuestros días de relacionar el hecho de respirar con la vida y no es que esto dista de la realidad porque es así. Se ha hecho un sinónimo entre Respirar y vida. Existen componentes de nuestro sistema respiratorio especialmente de los pulmones que permiten que la respiración pueda llevarse acabo y uno de estos componentes de los pulmones es el Surfactante. Nuestras vías respiratorias se dividen en Vías Aéreas Superiores y Vías Aéreas Inferiores. Donde la inferior se extiende hasta la laringe y la inferior comienza en Traquea, continuándose con Bronquios principales o primarios, luego Bronquio Secundario, Bronquio terciario, y estos se continúan subdividiendo hasta llegar a los Bronquiolos lobulillares, luego los Bronquiolos terminales, bronquiolos respiratorios, conductos alveolares, atrio y sacos alveolares, donde encontramos lo alvéolos. Los alvéolos no son más que sacos de aire pequeños de 200 µm de diámetro formando estos la unidad funcional respiratoria, gracias a sus paredes delgadas que permiten el intercambio de O2 y CO2. Dichas paredes están compuestas por un epitelio escamoso simple formado por 2 tipos de células: Los Neumocitos tipo I o Células alveolares Tipo I o Células Alveolares escamosas, y los Neumocitos tipo II o Células Réptales o celulares alveolares mayores. Los Neumocitos tipo I recubren el 95% de la superficie Alveolar, poseen escaso citoplasma y este es de característica fina, lo que permite la difusión gaseosa. Entre los tipo I hay uniones ocluyentes o tight junctions lo que ayuda a evitar la difusión de liquido desde la sangre y los estaciones intercelulares hacia la luz alveolar. Los Neumocitos Tipo II recubren el 5 % de la superficie alveolar pero son más abundantes que los tipo I y poseen mayor cantidad de organelas y son más desarrollados. Estos pueden sufrir mitosis y regenerar los neumocitos tipo I y contienen una características de extrema importancia y es la que hace que estas Células resalten mas, y esta característica son los Cuerpos Laminares que no son mas que estructuras formadas de bicapas lípidica alrededor del centro dando el aspecto de cebolla y los cuales son los precursores del surfactante pulmonar. Estos cuerpos laminares son la características morfológica primordial de los Neumocitos tipo II, poseen de 2 a 2.2 µm de diámetro constituyendo así el 18%-24% del citoplasma celular. Otro componente de los alvéolos es la Hipofase que no es más que el líquido que rodea completamente a las Celulas alveolares debido a la forma circular del alveolo. Esta compuesto de moléculas de agua que ejercen una fuerte atracción entre ellas, es decir, que ejercen una fuerza intermolecular llamada fuerza de cohesión la cual se define como la fuerza que se da entre moléculas semejantes, en este caso, las moléculas de agua. Esta atracción es bastante fuerte debido a los puentes de hidrogeno o enlaces de hidrogeno que se forman entre las moléculas de agua.

Si observáramos la siguiente imagen, visualizamos la interfase Aire – Agua, existen dos moléculas una en la superficie y otra en la profundidad. La fase liquida es la que llamamos Hipofase alveolar. Las moléculas que se encuentra en la superficie luminar – la superficie limítrofe con el aire alveolar- contienen mas energía que las moléculas liquidas del interior. Estas moléculas superficiales ricas en energía, situadas en la zona límite de la hipofase alveolar, son las responsables de la tensión superficial alveolar, la cual se define como la cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área. Las moléculas de agua superficiales pues intentan adoptar un estado de mínima energía, atrayendo una a la que esta al lado y si imagináramos un circulo este terminaría colapsando por la atracción de una molécula con otra para así llegar al estado de mínima energía, como si trataran de expulsar el aire fuera de los pulmones. La Tensión Superficial disminuye la complianza pulmonar que se define como la variación del volumen por cada aumento de cmH20 de la presión intrapleural. Aquí es donde interviene el surfactante pulmonar Pues como, pues disminuyendo la tensión superficial -la cual es su función final- al formar una película o film en la superficie alveolar entre la interfase aire agua como se ve en el recipiente derecho de la imagen esquematizado como círculos de fondo azul. Para entender la función del surfactante, tenemos que saber un poco de el, su síntesis, y composición.

Weibel fue el primero en describir el sustrato morfológico del surfactante en el ámbito alveolar (1970). Postuló la existencia de una doble capa fluida sobre el epitelio alveolar.. “ La membrana de las células epiteliales alveolares reposa directamente sobre una lamina basal laxa de grosor variable, que salva las irregularidades de la superficie epitelial. Sobre esta lámina basal se encuentra, en el límite de separación aire-liquido, una película superficial fina y relativamente compacta. Esta lamina basal rellena así la zona comprendida entre las membranas celulares y la película superficial. La película superficial aparece mas o menos contínua y formada por una única unidad. La lamina basal es homogénea normalmente y comprende, ocasionalmente, inclusiones osmiofilas y tamaño y grosor variable”. La etimología de la palabra surfactante es “ Surface Active Agent” describiendo así la función de este importante e imprescindible componente alveolar. El surfactante no es más que una mezcla de lípidos, proteínas y calcio cuya función es disminuir la tensión superficial. Esta sustancia Tensoactiva es sintetizada por los Neumocitos tipo II. Dicha síntesis comienza muy pronto en la vida intrauterina y tiene su pico entre las semanas 35-36 del embarazo. Se sintetiza en el RER luego pasa a Golgi y sale compactado dentro de multivesiculas que luego se fusionan una con otra y forman los Cuerpos Laminares. Estos cuerpos son liberados por exocitosis fusionando su membrana con al de la célula tipo II liberando el surfactante. Pero el surfactante esta compuesto por diferentes sustancias las cuales se sintetizan de manera diferente y por separado.

Composición. La capacidad Tensoactiva del Surfactante se debe a sus componentes los cuales son: • 80% Fosfolípidos (Lípidos) - Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) 60% - Fosfatidilglicerol y Fosfatidilinositol 20% • 10% Lípidos Neutros (Lípidos) - Colesterol • 10% Apoproteínas (Proteínas) - SP-A - SP-D - SP-B - SP-C Una apoproteina se define como la parte proteica de ka molécula sin su grupo prostético que se define este como la parte no proteica de la misma molécula. DPPC Es el más abundante de los Fosfolípidos que componen el surfactante y es el encargado más importante de disminuir la Tensión Superficial junto con los demás fosfolípidos (Fosfatidilglicerol y Fosfatidilinositol). Dicha molécula se sintetiza a partir de los siguientes precursores obtenidos de la dieta y llevados a través de la circulación al alveolo. Estos son : colina y 1,2 diacilglicerol. La colina debe primero convertirse a “colina Activada” y este proceso se da en 2 etapas: 1- La fosforilación de la colina por una molécula de ATP a través de la enzima colina cinasa formándose así Fosfocolina 2- El CTP (Cistidina trifosfato) reacciona con la Fosfocolina a través de la Fosfocolincitidiltransferasa y se forma CDP- Colina o histidina difosfocolina. Ahora la CDP-Colina interacciona con 1,2- diacilglicerol a través de la enzima Fosfocolindiacilglicerol transferasa formándose Fosfatidilcolina. Ahora dos grupos palmitato se une al carbono 1,2 de la Fosfatidilcolina y forman la molécula final que es la Dipalmitoilfosfatidilcolina. Ahora como sabemos un fosfolípido esta compuesto por cabeza conformada por la parte polar que es la que esta compuesta por la colina, grupo fosfato y el glicerol y representando por tanto la parte hidrofílica, mientras que la otra parte del fosfolípido es su cola representada por las 2 cadenas de ácidos grasos, este caso los dos grupos palmitato, esta es la parte hidrofóbica. Por tanto ahora deduciendo su disposición, la cabeza se dirige en dirección hacia la Fase liquida disminuyendo así la tensión superficial, y la cola se dirige hacia la luz donde se encuentra el aire.

Fase Liquida(Hipofase)

Fase Gaseosa (aire)

Las apoproteinas también son muy importantes al igual que la DPPC, pues si esta estuviera sola no se ejercería la función de disminuir verdaderamente la tensión superficial ocasionando una patología pulmonar. Cuatro proteínas específicas como componentes del surfactante fueron descritas, cada una con estructura y propiedades funcionales diferentes. Fueron nombradas SP-A, SP-B, SP-C, SP-D según el orden cronológico en el que fueron descubiertas. Las Apoproteinas fueron divididas en dos grupos según sus características, dichos grupos fueron: Hidrofilitas (SP-A y SPD) Hidrofóbicas (SP-B y SP-C) • SP-A. Fue la primera proteína del surfactante en ser identificada además de ser la más abundante de todas. Es una proteína hidrofilita. Posee una masa molecular de 650 kD, contribuyendo con el 3% a 4% del peso total del surfactante y en un 50% a la suma del peso total de todas las proteínas. Esta compuesta por 6 trímeros, es decir, que su estructura es un Hexamero, el cual posee una longitud de 20 µm. Posee dos formas: longitudinal y Cubo. La forma de cubo la adquiere al interaccionar con el ión calcio. Esta forma es la que utiliza para la síntesis y estabilización de la mielina tubular, que no es más que el surfactante que se encuentra en la porción liquida del alveolo.

Existen dos genes que codifican la codifican, uno esta localizado solo en las vías aéreas y se llama SP-A1; y en los Neumocitos Tipo II esta el SP-A2 y también el SP-A1, lo cual se piensa que ambos son necesarios para la producción de una proteína madura. Ambos genes esta localizados en el cromosoma 10, el cual luego produce un polipéptido largo de 247-248 residuos de aminoácidos, con un peso moléculas de 28 kD. Luego se remueven 20 residuos de aminoácidos.

Estudios inmuhistoquímicos han localizado a la SP-A también en las células de Clara, y en los macrófagos alveolares. Para salir del Neumocito tipo II, la SP-A utiliza la exocitosis, pero no sale junto con la secreción de lo cuerpos laminares, solo una mínima parte de SP-A se encuentra en los cuerpos laminares. Se desconoce el mecanismo por la cual la SP-A realiza la exocitosis. Funcionalmente la SP-A esta envuelta en varios aspectos del sistema pulmonar. SP-A promueve, en colaboración con la SP-B, la transformación estructural de los cuerpos laminares, a una estructura laminar transicional, llamada Mielina Tubular, que consiste en proteínas del surfactante, fosfolípidos y calcio. Colabora además con la SP-B y SP-C en la estabilización y dispersión de la película de fosfolípidos en la interfase aire-agua. Otra función atribuible a la SP-A es mantener la concentración del surfactante alveolar al inhibir la secreción del mismo y aumentar su reciclaje por los propios Neumocitos tipo II, es decir, que promueve su endocitosis. Esta función la realiza gracias a una proteína que se encuentra en la membrana del Neumocito tipo II llamada “proteína unidora de SP-A o BP55”. Se ha demostrado además que actúa en los mecanismo de defecan (Función Inmune), ya que promueve la opsonización de microorganismo y la fagocitosis por los macrófagos alveolares. • SP-D Es la proteína del surfactante mas reciente descubierta por tanto no se conoce bastante de ella. Es una glicoproteina de gran longitud, soluble en agua. Su organización estructural es similar a la SP-A. En su estado maduro la SP-D esta hecho de cuatro subunidades, cada una compuesta por 3 cadenas polipeptídicas idénticas de 43 kD la cual se entrecruzan y forman un dodecámero. El precursor es de 355 aminoácidos cuyos genes se localizan en el cromosoma 10. Este precursor sufre diversas modificaciones hasta formar la proteína madura con un peso de 600 kD. Dicha proteína ha sido localizada mediante estudios inmuhistoquímicos en los Neumocitos tipo II y en las células de Clara. Existe en dos formas: unida a lípidos y forma libre, predominando su ubicación en el compartimiento alveolar extracelular. Su vía de secreción es una vía totalmente diferente, pues no se localiza dentro de los cuerpos laminares. Las propiedades funcionales de la SP-D dentro del sistema surfactante no han sido totalmente dilucidadas, pero la SP-D aparentemente no contribuye con las propiedades tenso activas del complejo surfactante. Se conoce que actúa en defensa del organismo (sistema inmune) al actuar como opsonina, y que regula el balance del surfactante pulmonar, pues se ha demostrado en ratones con alteraciones de esta proteína que contiene 4 veces mas fosfolípidos de lo normal y la proporción de la SP-A y SP-C están reducidas. En ratones con ausencia se SP-D se observo macrófagos con forma esponjosa, grandes y numerosos y en meses mas ratón desarrollaba enfisema pulmonar.

• SP- B Es relativamente pequeña; conformada por 79 aminoácidos. Posee un peso de 8.7 kD. Es un péptido anfipático debido a su estructura que esta conformada por dos set de hélices que bordean a otros dos set que están internamente. Dicha proteína es producida por un proceso proteolítico de 381 aminoácidos, codificados por un gen (SFTB) localizado en el cromosoma 2. Es sintetizada como una proteína precursora glucosilada, luego transportada desde el RER al aparato de Golgi, mas tarde sale de Golgi dentro de numerosas vesículas o cuerpos vesiculares que son empaquetados en los cuerpos laminares. El proceso proteolítico se produce durante el paso desde vesículas a los cuerpos laminares donde es almacenada junto con la SP-C y los fosfolípidos. La SP-B cuyos dos set externos están cargados positivamente (cationes) y los internos son neutros, se anclan a fosfolípidos aniónicos, es decir se unen a la cabeza de dichos fosfolípidos, excepto la DPPC. Esta unión hace que aumente la estabilidad de los fosfolípidos o la película o capa de fosfolípidos durante la compresión o expiración que ocurre durante el ciclo respiratorio. La SP-B interactúa con las vesículas lipídicas causando lisis y fusión, proceso que es necesario en dos situaciones: cuando las vesículas que contienen la SP-B y los demás componentes puedan empaquetarse en los cuerpos laminares, y para generar rápidamente capas o películas de fosfolípidos lo que ayuda a formar múltiples barreras o membranas en la interfase aire-agua. Otra propiedad funcional de esta proteína es que promueve la homeostasis del surfactante, ya que promueve la adsorción de los fosfolípidos nuevos en la película de surfactante, y mantiene así la estabilidad. Un déficit de esta proteína o una mutación del SFTB se traducirá en una Insuficiencia Respiratoria. Observaremos un aumento de los múltiples cuerpos vesiculares que no se han fusionado con los cuerpos laminares, y además se interrumpe el proceso de estabilización de la capa de surfactante en la interfase aire-agua.

• SP-C Es quizás la proteínas mas hidrofóbica, además de ser la mas pequeña que compone el surfactante pulmonar. Tiene un peso de 4.2 kD y consiste en 35 aminoácidos ricos en valina, leucina y isoleucina. Solo es encontrada en el pulmón. Es codificada por el gen SFTC localizado en el cromosoma 8, el cual transcribe la síntesis de un precurso de 197 aminoácidos. Este precursor es encaminado junto con el precursor de la SP-B. Su estructura difiere de la SP-B, la cual esta formada por un dominio hidrofobito alfa-helicoidal que se ancla a la cabeza polar de los grupos de fosfolípidos de la superficie a través de residuos con carga que se encuentran cerca del extremo amino terminal. La SP-C forma oligómeros no covalente, y esta palmitolada en uno o dos de las cisternas localizadas cerca de la superficie de la membrana. Este grupo palmitolada puede moverse sin una membrana lípidica o con ella. La inserción de esta proteína interrumpe el empaquetamiento de los fosfolípidos, por tanto aumenta el movimiento de los fosfolípidos entre capas o laminas de la membrana, es decir, provee a la membrana lípidica con fluidez.

Secreción Luego que los componentes están formados y empaquetados dentro de los cuerpos laminares, estos cuerpos funden su membrana con la membrana del Neumocito tipo II realizando la exocitosis y liberando su contenido al líquido extracelular. Este contenido forma agregados gracias a la acción de la SP-A y las de más proteínas, a excepción de la SP-D. Estos agregados es lo que conocemos como Mielina Tubular. La Mielina Tubular sirve como reservorio del surfactante para cuando se necesite la remodelación de la capa o película de surfactante en la interfase aire-agua. Además, funcionalmente, en la hipofase forma micelas e interactúa con las moléculas de agua y ayuda a disminuir la Tensión Superficial.

Función del Surfactante •

Disminuir la tensión superficial

•

Evitar el colapso alveolar y la atelectasia

•

Facilitar el intercambio gaseoso

•

Proteger de la desecación

•

Defensa antimicrobiana

Disfunciones en el sistema Surfactante Pulmonar Entre las patologías que mas vemos relacionadas por deficiencia del complejo surfactante pulmonar, tenemos: a) Síndrome de Insuficiencia Respiratoria del Recién Nacido (IRDS) b) Síndrome de Insuficiencia Respiratoria del Adulto (ARDS) c) Atelectasia Pulmonar d) Edema Pulmonar.

- Síndrome de insuficiencia respiratoria del recién nacido (IRDS) El síndrome de Insuficiencia respiratoria del Recién Nacido se desarrolla, sobre todo, durante el período perinatal de los prematuros. Este síndrome constituye su causa mas frecuente de muerte. Este síndrome recibe el nombre también de Síndrome de Membrana Hialina. Además de que es el más importante de todas las patologías producidas por deficiencia de surfactante. Clínicamente, la enfermedad se caracteriza por una severa disnea, con una elevada frecuencia respiratoria de hasta 100 respiraciones por minuto, por retracciones inspiratorias del tórax y por la sonora o suspirante expiración contra una glotis contraída. Debido a la insuficiente arterialización de la sangre en el pulmón hipoventilado, se desarrolla cianosis. Se puede concluir, gracias a resultados experimentales y a la observación clínica, que la patogénesis de este Síndrome de insuficiencia respiratoria del recién nacido radica en la disminución perinatal, de fosfolípidos pulmonares con actividad superficial. Puede demostrarse que la expansión alveolar, insuficiente tras el nacimiento, se basa en la disminución del contenido de fosfolípidos y que, en los recién nacidos afectados, se halla disminuida sobre todo la cantidad de Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC). Parece alcanzarse una cantidad crítica en el total de los lípidos pulmonares. Cuando el contenido en fosfolípidos es menor de los 80 mg por gramo de peso de pulmón seco, es imposible la expansión pulmonar tras el nacimiento y aparece el IRDS. La cantidad y formación del surfactante depende del grado de desarrollo pulmonar. Durante el periodo embrionario, el material surfactante sintetizado en el epitelio alveolar se libera continuamente al líquido amniótico. Por ello se puede determinar el grado de desarrollo pulmonar midiendo el contenido de DPPC y Fosfatidilglicerol en el líquido amniótico. Estos valores están en correlación con el grado de severidad de los síntomas clínicos en el IRDS. Los pulmones de los niños que han muerto por un IRDS muestran un espectro de cambios histopatológicos que depende del grado de desarrollo pulmonar y de la duración de la enfermedad. La expansión de los alvéolos varía considerablemente. Se

encuentran porciones con alvéolos sin huecos. Las porciones periféricas de las vías aéreas de conducción, los bronquiolos y los ductos alveolares, están hiperextendidos y dilatados. Los cambios titulares se producen en primer lugar en los bronquiolos terminales y respiratorios. Si el recién nacido ha respirado, bien espontáneamente o mediante respiración asistida, se desarrolla, inmediatamente, tras pocas respiraciones, una hiper expansión de los bronquiolos, con necrosis y desestructuracion del epitelio. Si la enfermedad persiste, se aprecian membranas hialinas en los conductos alveolares y bronquiolos. Se trata de material eosinofílo dispuesto a modo de membrana, que cubre tales porciones de los bronquiolos. Este material muestra una estructura homogénea, en parte formando copos. Las membranas hialinas constan principalmente de detritos celulares de la necrosis epiteliales y fibrina, así como de material surfactante agregado y dispuesto en forma de láminas. La formación de membranas hialinas constituye una forma inespecífica de lesión tisular en el IRDS. Representa la consecuencia de la reducida expansión alveolar y no su causa. Las membranas hialinas pueden encontrarse también en otras enfermedades distintas del IRDS, como son infecciones virales y bacterianas, procesos reumáticos, uremia, danos producidos por exceso de O2 o la inhalación de sustancias toxicas. El conjunto de síntomas de la displasia broncopulmonar, puede desarrollarse como compilación del IRDS, tras un periodo prolongado de respiración artificial. Se desarrolla bronquiolítis, con una fibrosis peribronquiolar avanzada. En las porciones bronquiales mediales y periféricas aparecen metaplasias del epitelio bronquial del tipo escaso. Este cambio se caracteriza, además, por una fibrosis intersticial distribuida irregularmente y más o menos extendida, que lleva a un reblandecimiento de la estructura alveolar. Los cambios pueden apreciarse ya tras 55 horas de respiración artificial. En la fase temprana se produce un edema intersticial e intraalveolar. Los ductos alveolares se llenan de un exudado rico en albúmina. El exudado intersticial y alveolar se organiza posteriormente y es sustituido por un tejido fibroso. Se forman paralelamente, focos de fibrosis, ricos en células, en la intima de los vasos, así como trombos sobreañadidos. En aquellos niños que sobreviven uno o mas meses, puede desarrollarse una hipertensión pulmonar. Los conocimientos fundamentales de que la carencia de surfactante tiene un papel básico en la patogénesis del IRDS, de que el grado de severidad de su carencia depende del grado de desarrollo del tejido pulmonar, así como de las posibilidades de diagnostico prenatal de este defecto, han llevado en los últimos anos al desarrollo de nuevas líneas terapéuticas de gran éxito. Estas líneas se basan, por un lado, en la estimulación medicamentosa intrauterina de la producción de surfactante, y por otro, en la sustitución del surfactante durante la fase perinatal, y también en la aplicación de nuevo surfactante sintético al recién nacido.