Сурфактант альвеолярный: пневмоциты II типа

Альвеолярный сурфактант - это поверхностно-активный комплекс липидов и белков, выстилающий внутреннюю поверхность альвеол и резко снижающий поверхностное натяжение на границе «воздух - жидкость». Производят его пневмоциты II типа (альвеолоциты II типа) - кубические клетки альвеолярного эпителия, которые синтезируют, хранят и секретируют сурфактант, а также служат камбием для пневмоцитов I типа. Без сурфактанта высокое поверхностное натяжение тонкой плёнки жидкости стремилось бы спадать альвеолы на выдохе, и каждый вдох требовал бы огромного давления. Разберём, что входит в состав альвеолярного сурфактанта, как пневмоциты II типа его производят, как он стабилизирует альвеолы по закону Лапласа и почему его дефицит вызывает респираторный дистресс-синдром.

Что такое альвеолярный сурфактант и зачем он нужен

Внутренняя поверхность альвеолы покрыта тончайшей плёнкой жидкости. На границе этой жидкости с альвеолярным воздухом возникает поверхностное натяжение: молекулы воды сильнее притягиваются друг к другу, чем к воздуху, и плёнка стремится сократить свою площадь. Для сферической альвеолы это означает силу, направленную на спадение (коллапс). Альвеолярный сурфактант - амфифильное вещество, молекулы которого встраиваются в поверхностный слой и разрывают сетку водородных связей воды, снижая поверхностное натяжение примерно с $70\ \text{мН/м}$ (чистая вода) до $5\text{–}30\ \text{мН/м}$, а при сжатии плёнки на выдохе - почти до нуля.

Три ключевые функции сурфактанта: снижение работы дыхания (лёгкие становятся податливее), стабилизация альвеол разного размера и защита от транссудации жидкости в просвет альвеолы. Чтобы увидеть в числах, насколько сурфактант снижает давление коллапса в альвеоле, подставьте параметры в расчёт ниже.

Пневмоциты II типа: строение и функции

Альвеолярный эпителий образован двумя типами клеток. Пневмоциты I типа - крайне плоские клетки, покрывающие около $95\,\%$ площади альвеолы; именно через них идёт газообмен между альвеолой и кровью. Пневмоциты II типа (альвеолоциты II типа, большие альвеолярные клетки) - кубические клетки, которых по числу больше, но они занимают лишь около $5\,\%$ поверхности, располагаясь преимущественно в углах альвеол.

Функции пневмоцитов II типа:

• Синтез и секреция сурфактанта - главная роль; его компоненты хранятся в характерных пластинчатых тельцах (ламеллярных тельцах).
• Камбиальная (стволовая) функция - пневмоциты II типа делятся и дифференцируются в пневмоциты I типа, восстанавливая эпителий после повреждения.
• Участие в водно-ионном транспорте альвеолярной жидкости, поддержание «сухости» альвеолы.

Характерный ультраструктурный признак пневмоцита II типа - пластинчатые тельца: окружённые мембраной органеллы с концентрически уложенными липидными ламеллами, где сурфактант хранится в плотноупакованной форме перед выбросом в просвет альвеолы.

Состав альвеолярного сурфактанта

Сурфактант примерно на $90\,\%$ состоит из липидов и на $10\,\%$ из белков. Основной поверхностно-активный компонент - фосфолипиды, прежде всего фосфатидилхолин. Ключевая молекула - дипальмитоилфосфатидилхолин (ДПФХ, DPPC): насыщенный фосфолипид с двумя пальмитиновыми хвостами, который плотно упаковывается в монослой и обеспечивает наибольшее снижение поверхностного натяжения при сжатии плёнки.

Белки сурфактанта (сурфактантные апопротеины) делят на две группы:

• SP-B и SP-A - гидрофобные, мелкие; они ускоряют формирование и стабилизацию фосфолипидной плёнки, её адсорбцию на границе раздела. Дефект SP-B несовместим с жизнью без лечения.
• SP-A и SP-D - гидрофильные, крупные; относятся к коллектинам и выполняют преимущественно иммунную функцию - опсонизируют микроорганизмы и участвуют во врождённом иммунитете лёгких.

Помимо ДПФХ в состав входят ненасыщенные фосфолипиды, фосфатидилглицерол, холестерин и нейтральные липиды. Именно соотношение насыщенных и ненасыщенных липидов определяет, насколько быстро плёнка перестраивается при циклах вдоха и выдоха.

Как сурфактант стабилизирует альвеолы: закон Лапласа

Давление, стремящееся спадать сферический пузырёк (альвеолу), описывает закон Лапласа. Для альвеолы, рассматриваемой как сфера с одной границей раздела «жидкость - воздух», давление коллапса равно:

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

где $\gamma$ - поверхностное натяжение плёнки, а $r$ - радиус альвеолы. Подробный вывод и обсуждение самого уравнения - в материале про уравнение Юнга - Лапласа и капиллярное давление. Из формулы видно: при одинаковом $\gamma$ меньшая альвеола (малый $r$) создаёт большее спадающее давление, чем крупная. Без сурфактанта это означало бы катастрофу: мелкие альвеолы опорожнялись бы в крупные, и лёгкое распадалось бы на немногие гигантские полости и спавшиеся участки.

Сурфактант решает проблему за счёт того, что его поверхностная активность зависит от плотности плёнки. На выдохе альвеола уменьшается, молекулы сурфактанта сближаются, плёнка сжимается - и $\gamma$ падает почти до нуля. В мелкой альвеоле сурфактант сконцентрирован сильнее, поэтому $\gamma$ в ней ниже, что компенсирует малый $r$ в знаменателе и выравнивает давление между альвеолами разного размера. Так достигается стабилизация альвеол: они не схлопываются и не «перетекают» одна в другую.

Синтез, секреция и кругооборот сурфактанта

Пневмоциты II типа синтезируют липиды и белки сурфактанта в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи, после чего компоненты собираются и хранятся в пластинчатых тельцах. По сигналу (растяжение альвеолы при вдохе, стимуляция β-адренорецепторов) пластинчатые тельца сливаются с апикальной мембраной и путём экзоцитоза выбрасывают содержимое в гипофазу - слой жидкости на поверхности альвеолы.

В просвете секретированный материал разворачивается в характерную решётчатую структуру - тубулярный миелин, из которого фосфолипиды переходят в поверхностный монослой на границе «воздух - жидкость». Отработавший сурфактант не теряется бесследно: большая его часть захватывается обратно пневмоцитами II типа и альвеолярными макрофагами, а затем рециклируется. Этот кругооборот экономит ресурсы и поддерживает постоянный пул активного сурфактанта. Нарушение клиренса (например, при дефекте макрофагов) ведёт к накоплению сурфактанта - альвеолярному протеинозу.

Дефицит сурфактанта и респираторный дистресс-синдром

Клинически наиболее значим дефицит сурфактанта у недоношенных. Активная выработка сурфактанта пневмоцитами II типа начинается примерно с $24\text{–}28$-й недели гестации и достигает зрелости к $34\text{–}36$-й. При рождении раньше срока сурфактанта не хватает - развивается респираторный дистресс-синдром новорождённых (РДС, болезнь гиалиновых мембран).

Патогенез прямо следует из закона Лапласа: без сурфактанта поверхностное натяжение высокое, альвеолы спадаются на выдохе (ателектаз), резко падает податливость лёгких, растёт работа дыхания, нарушается газообмен - возникают гипоксемия и ацидоз. Зрелость лёгких оценивают по соотношению лецитин/сфингомиелин (L/S) в околоплодных водах: значение $\ge 2$ указывает на достаточную выработку сурфактанта. Профилактика - антенатальные глюкокортикоиды матери (ускоряют созревание пневмоцитов II типа), лечение - экзогенный сурфактант эндотрахеально и респираторная поддержка. У взрослых вторичная инактивация сурфактанта - одно из звеньев острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС).

Частые ошибки

• Путают типы клеток: газообмен идёт через тонкие пневмоциты I типа, а сурфактант производят кубические пневмоциты II типа.
• Считают, что сурфактант «склеивает» альвеолы; на деле он снижает поверхностное натяжение и тем самым препятствует их спадению.
• Забывают зависимость поверхностного натяжения от площади плёнки - именно переменное $\gamma$, а не постоянное, выравнивает давление по закону Лапласа.
• Думают, что меньшая альвеола устойчивее; по формуле $P = 2\gamma/r$ при равном $\gamma$ малый радиус даёт большее спадающее давление.
• Считают РДС новорождённых инфекционным заболеванием - это дефицит сурфактанта из-за незрелости пневмоцитов II типа.

FAQ

Чем пневмоциты I типа отличаются от пневмоцитов II типа? Пневмоциты I типа - плоские клетки, покрывающие около $95\,\%$ поверхности альвеолы и обеспечивающие газообмен. Пневмоциты II типа - кубические, занимают около $5\,\%$ площади, синтезируют и секретируют сурфактант, служат стволовыми клетками эпителия и участвуют в транспорте альвеолярной жидкости.

Почему без сурфактанта мелкие альвеолы спадаются? По закону Лапласа $P = 2\gamma/r$ давление коллапса обратно пропорционально радиусу. При постоянном высоком поверхностном натяжении мелкая альвеола создаёт большее спадающее давление и опорожняется в крупную. Сурфактант снижает $\gamma$ сильнее в мелких альвеолах и выравнивает давление.

Что такое пластинчатые тельца? Это специфические органеллы пневмоцитов II типа - окружённые мембраной структуры с концентрически уложенными липидными ламеллами, где сурфактант хранится в концентрированной форме перед секрецией в просвет альвеолы путём экзоцитоза.

Коротко

Альвеолярный сурфактант - липидно-белковый комплекс (преимущественно дипальмитоилфосфатидилхолин плюс апопротеины SP-A, SP-B, SP-C, SP-D), который вырабатывают пневмоциты II типа и хранят в пластинчатых тельцах. Он снижает поверхностное натяжение на границе «воздух - жидкость», уменьшает работу дыхания и по закону Лапласа $P = 2\gamma/r$ стабилизирует альвеолы разного размера, не давая мелким спадаться. Пневмоциты II типа также служат камбием для пневмоцитов I типа и поддерживают кругооборот сурфактанта. Дефицит сурфактанта из-за незрелости пневмоцитов II типа у недоношенных вызывает респираторный дистресс-синдром новорождённых.