Атланты наших лёгких и нанотехнологии:
Слово «сурфактант» является аббревиатурой английской фразы «поверхностно-активная легочная структура» и представляет собой секрет, вырабатываемый в альвеолах {Прим. ред.: в общем случае просто ПАВ, конечно, здесь и далее речь идет о специфическом для медицины термине "легочный сурфактант", который автором называется просто "сурфактантом"}. Сурфактант - эмульсия фосфолипидов, белков и холестерина, покрывающая поверхность легочных альвеол в виде мононуклеарного слоя толщиной 10-50 нм. Функциональное значение легочного сурфактанта - снижение сил поверхностного натяжения, стремящихся уменьшить радиус альвеол, а также в антиинфекционной защите легких. Недостаточная выработка сурфактанта может привести к развитию ряда заболеваний.
Задания:
-
Известно, что вирусные заболевания, подобные гриппу, не выражены при морозной погоде, а пик этих недугов приходится на температурный диапазон от
0 до – 10 градусов Цельсия. Какова роль в этом феномене сурфактанта? - Что будет происходить с наночастицами, попадающим в дыхательные пути человека с выбросами дизельных двигателей и им подобных источников?
- Можно ли использовать достижения нанотехнологий, чтобы компенсировать недостаточную выработку легочного сурфактанта? Какие проблемы необходимо устранить при этом?
- Может ли найти применение легочный сурфактант и его аналоги в нанотехнологиях?
Решение:
1. По сути, сурфактант – это естественный уловитель и дезактиватор нанообъектов и микрообъектов живой природы. Прослеживается корреляция между температурным режимом и интенсивностью выработки сурфактанта. В морозную погоду сурфактантная пленка утолщается до 50 нм. Увеличивается количество SP-A и SP-D гидрофильных белков сурфактанта, участвующих в антиинфекционной защите легких. К тому же, в слоях под сурфактантом располагается содержащая
макрофаги гипофаза, являющаяся основой для самого сурфактанта.
2. Выбросы дизельных двигателей и других подобных источников загрязнения воздуха являются серьезной проблемой не только из-за малых размеров содержащихся в них частиц неполного сгорания топлива и токсичности, но и потому, что предположительно могут провоцировать злокачественные новообразования. Компьютерное моделирование, проведенное в Университете Мичигана группой А. Виоли (2008 г) показало, что такие наночастицы не будут выводиться из легких, а будут захвачены сурфактантом, притянуты и связаны его липоидной составляющей. Таким образом, присутствие наночастиц может мешать основным функциям легочной поверхностно-активной жидкости, прерывая взаимодействие между пептидами и липидами. Дальнейшие исследования показали, что накопление наночастиц в легких может привести к воспалительным процессам, закупорке кровяных сосудов, изменениях в дыхательном процессе и ритме работы сердца.
3. Отвечая на вопрос о возможности использования достижений нанотехнологий для компенсирования недостаточной выработки легочного сурфактанта, можно сказать, что существует ряд объективных трудностей:
- Разнородные причины нарушения выработки сурфактанта. Например: экзогенные (ожог,интоксикация вредными парами лакокрасочных материалов, инфекция), эндогенные (недоношенный плод) либо отклонения наследственного характера (связанные с дефектами ферментативных структур)
- Токсичность нанотехнологических компонентов (здесь решение лежит в области поиска безопасных аналогов или инактивации токсикологического эффекта существующих)
- Выработка сурфактанта в альвеоцитах происходит постоянно. Каждые 5 часов происходит обновление слоя сурфактанта. Поэтому логично предположить невысокую эффективность замещающей терапии, связанной с целевой доставкой сурфактанта к лёгким с помощью нанообъектов. Поэтому гипотетическое решение наследственных патологий целесообразнее искать в области генетической инженерии и терапии. Возможность починки последовательностей ДНК, отвечающих за выработку белков сурфактанта, с помощью запрограммированных нанороботов, с помощью вирусных векторов и др. Но реализацию этого шага затрудняет еще одна особенность сурфактанта.
- Сурфактант является сложносоставным компонентом. У всех млекопитающих сурфактант обладает схожим составом, включает 90% липидов и 10% белков-апопротеинов, называемые протеинами сурфактанта (выделяют SP-A, -B, -C, -D). В настоящий момент производится легочный сурфактант биологического происхождения (из легочной ткани животных и амниотической жидкости человека) и синтетический аналог. Препараты биологического происхождения содержат весь комплекс белков, а синтетический – частичный. При этом, перевес за синтетикой, так как биологический препарат может содержать инфекционный материал и вызывать серьезные патологии.
Так как фосфолипидную составляющую сурфактанта можно синтезировать химически, то возможным решением будет объединить транспортную доставку липоидной структуры с помощью безопасного нанаообъекта и коррекцию клеток ДНК, отвечающих за производство протеинов сурфактанта, а также ферментов, обеспечивающих сборку двух частей. При этом, необходимо разобраться с регуляцией выработки белка в ответ на поступление фосфолипидной составляющей. В дальнейшем могут быть разработаны технологии восстановления компартментов клетки, отвечающих за синтез фосфолипидной части структуры. Вариаций решения достаточно много.
4. К ответу на вопрос: может ли найти применение легочный сурфактант и его аналоги в нанотехнологиях, следует подходить творчески. Следует рассмотреть перспективы сурфактанта для заполнения полостей наногубки, используемой для трансплантации. Предположительно существует возможность использования антиинфекционных свойств белков легочного сурфактанта и перенос их в различные части тела. Необходимо выяснить роль сурфактанта в снижении сил поверхностного натяжения, стремящихся уменьшить
радиус эластичной полости. И т.д.
Источники:
- Иллюстрация: http://atrlantida-rusi.ru/wp-content/uploads/2010-11-08/antichnye-zhe-legendy-o-zemle-naxodyashhejsya_1.jpg
- Неконтролируемы выбросы наночастиц из дизельных двигателей могут блокировать процесс дыхания //www.nanonewsnet.ru
- Lewis JF, Veldhuizen R. The role of exogenous surfactant in the treatment of acute lung injury. Annual Review of Physiology. 2003, 65(March): 613-642
-
Ершов А.Л. Повреждение и замещение сурфактанта при респираторном
дистресс-синдроме взрослых. (обзор литературы) Институт проблем хирургии, Сан
Антонио, Техас. http://www.critical.ru/default.htm
Ссылки на иллюстрации к заданию "оригинальные художества":
http://www.stihi.ru/pics/2008/07/13/1278.jpg
http://i069.radikal.ru/1005/69/3ec3130b2988.jpg
http://www.astrosurf.com/luxorion/Bio/mimivirus-int.jpg
http://www.mod27.com/Ameba.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bf/Hookworms.JPG/800px-Hookworms.JPG
)
