Dynamic Properties of Pulmonary Lipid Monolayers on the Surfaces of Sodium Polystyrene Sulfonate and Polydiallyldimethylammonium Chloride Solutions

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Pulmonary surfactant, which is a complex mixture of lipids and proteins, plays a key role in the functional properties of the respiratory system. Lipids form complexes with proteins to maintain low values of surface tension at continuous compression/expansion deformations. However, interactions that lead to the complexation still remain to be unknown thus significantly hampering the development of synthetic analogs of the natural pulmonary surfactant. In this work, the methods of surface rheology and ellipsometry have been employed to study the dynamic properties of model phospholipid monolayers applied onto the surfaces of synthetic polyelectrolyte solutions. It has been shown, that electrostatic or hydrophobic interactions between lipids and macromolecules are insufficient for the efficient complexation and maintenance of low surface tension values.

About the authors

A. G. Bykov

Institute of Chemistry, St. Petersburg State University, 198504, St. Petersburg, Russia

Email: ag-bikov@mail.ru
Россия, 198504, Санкт-Петербург, Университетский просп., 26

M. A. Panaeva

Institute of Chemistry, St. Petersburg State University, 198504, St. Petersburg, Russia

Author for correspondence.
Email: ag-bikov@mail.ru
Россия, 198504, Санкт-Петербург, Университетский просп., 26

References

  1. Echaide M., Autilio C., Arroyo R., Perez-Gil J. Restoring pulmonary surfactant membranes and films at the respiratory surface // Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Biomembranes. 2017. V. 1859. № 9. P. 1725–1739. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2017.03.015
  2. Zuo Y.Y., Veldhuizen R.A.W., Neumann A.W. et al. Current perspectives in pulmonary surfactant — Inhibition, enhancement and evaluation // Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Biomembranes. 2008. V. 1778. № 10. P. 1947–1977. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2008.03.021
  3. Autilio C., Perez-Gil J. Understanding the principle biophysics concepts of pulmonary surfactant in health and disease // Arch. Dis. Child Fetal. Neonatal Ed. 2018. V. 104. № 4. P. 343. https://doi.org/10.1136/archdischild-2018-315413
  4. Raghavendran K., Willson D., Notter R.H. Surfactant therapy for acute lung injury and acute respiratory distress syndrome // Crit. Care Clin. 2011. V. 27. № 3. P. 525–559. https://doi.org/10.1016/j.ccc.2011.04.005
  5. Martin J.A., Hamilton B.E., Sutton P.D. et al. Births: Final data for 2002 // Natl. Vital Stat. Rep. 2003. V. 52. № 10. P. 1–113.
  6. Engle W.A., the Committee on Fetus and Newborn. Surfactant-replacement therapy for respiratory distress in the preterm and term neonate // Pediatrics. 2008. V. 121. № 2. P. 419–432. https://doi.org/10.1542/peds.2007-3283
  7. Veldhuizen R.A.W., Zuo Y.Y., Petersen N.O. et al. The COVID-19 pandemic: A target for surfactant therapy? // Expert Rev. Respir. Med. 2021. V. 15. № 5. P. 597–608. https://doi.org/10.1080/17476348.2021.1865809
  8. Herman L., De Smedt S.C., Raemdonck K. Pulmonary surfactant as a versatile biomaterial to fight COVID-19 // Journal of Controlled Release. 2022. V. 342. P. 170–188. https://doi.org/10.1016/J.JCONREL.2021.11.023
  9. Jeon G.W. Surfactant preparations for preterm infants with respiratory distress syndrome: Past, present, and future // Korean Journal of Pediatrics. 2019. V. 62. № 5. P. 155–161. https://doi.org/10.3345/kjp.2018.07185
  10. Bae C., Chung S., Choi Y. Development of a synthetic surfactant using a surfactant protein-C peptide analog: In vitro studies of surface physical properties // Yonsei Med. J. 2016. V.57. № 1. P. 203–208. https://doi.org/10.3349/ymj.2016.57.1.203
  11. Castillo-Sánchez J.C., Cruz A., Pérez-Gil J. Structural hallmarks of lung surfactant: Lipid−protein interactions, membrane structure and future challenges // Arch. Biochem. Biophys. 2021. V. 703. P. 108850. https://doi.org/10.1016/J.ABB.2021.108850
  12. Goerke J. Pulmonary surfactant: Functions and molecular composition // Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Molecular Basis of Disease. 1998. V. 1408. № 2–3. P. 79–89. https://doi.org/10.1016/S0925-4439(98)00060-X
  13. Lee K.Y.C. Collapse mechanisms of Langmuir monolayers // Annu. Rev. Phys. Chem. 2008. V. 59. P. 771–791. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.58. 032806.104619
  14. Schurch D., Ospina O.L., Cruz A.C., Perez-Gil J. Combined and independent action of proteins SP-B and SP-C in the surface behavior and mechanical stability of pulmonary surfactant films // Biophys. J. 2010. V. 99. № 10. P. 3290–3299. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2010.09.039
  15. Casals C., Cañadas O. Role of lipid ordered/disordered phase coexistence in pulmonary surfactant function // Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Biomembranes. 2012. V. 1818. № 11. P. 2550–2562. https://doi.org/10.1016/J.BBAMEM.2012.05.024
  16. Hobi N., Giolai M., Olmeda B. et al. A Small key unlocks a heavy door: The essential function of the small hydrophobic proteins SP-B and SP-C to trigger adsorption of pulmonary surfactant lamellar bodies // Biochim. Biophys. Acta (BBA) – Molecular Cell Research. 2016. V. 1863. № 8. P. 2124–2134. https://doi.org/10.1016/J.BBAMCR.2016.04.028
  17. Liekkinen J., Enkavi G., Javanainen M. et al. Surfactant lipid reorganization induced by the adsorption of the oligomeric surfactant protein B complex // J. Mol. Bi-ol. 2020. V. 432. № 10. P. 3251–3268. https://doi.org/10.1016/J.JMB.2020.02.028
  18. Lu K.W., Goerke J., Clements J.A., Taeusch H.W. Hyaluronan decreases surfactant inactivation in vitro // Pediatr. Res. 2005. V. 57. № 2. P. 237–241. https://doi.org/10.1203/01.PDR.0000150726.75308.22
  19. Kundu S. Lipid–polyelectrolyte complexes at the air–water interface for different lipid packing // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2010. V. 368. № 1–3. P. 31–36. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFA.2010.07.012
  20. Chieng Y.Y., Chen S.B. Interaction between poly(acrylic acid) and phospholipid vesicles: Effect of pH, concentration, and molecular weight // J. Phys. Chem. B. 2010. V. 114. № 14. P. 4828–4835. https://doi.org/10.1021/jp1002403
  21. Bordi F., Cametti C., De Luca F. et al. Charged lipid monolayers at the air–solution interface: Coupling to polyelectrolytes // Colloids Surf. B: Biointerfaces. 2003. V. 29. № 2–3. P. 149–157. https://doi.org/10.1016/S0927-7765(02)00185-6
  22. de Meijere K., Brezesinski G., Möhwald H. Polyelectrolyte coupling to a charged lipid monolayer // Macromolecules. 1997. V. 30. № 8. P. 2337–2342. https://doi.org/10.1021/ma961490b
  23. Brezesinski G., Kjaer K., Möhwald H. Structure studies in coupled lipid−polyelectrolyte monolayers with diluted charge densities // Langmuir. 1998. V. 14. № 15. P. 4204–4209. https://doi.org/10.1021/la9709397
  24. Ortmann T., Ahrens H., Milewski S. et al. Lipid monolayers with adsorbed oppositely charged polyelectrolytes: Influence of reduced charge densities // Polymers. 2014. V. 6. № 7. P. 1999–2017. https://doi.org/10.3390/polym6071999
  25. Быков А.Г., Носков Б.А. Дилатационная поверхностная упругость растворов легочного сурфактанта в широкой области значений поверхностного натяжения // Коллоид. журн. 2021. Т. 80. № 5. С. 490–497. https://doi.org/https://doi.org/10.1134/S0023291218050038
  26. Bykov A.G., Loglio G., Miller R., Noskov B.A. Dilational surface elasticity of monolayers of charged polystyrene nano- and microparticles at liquid/fluid interfaces // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2015. V. 485. P. 42–48. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2015.09.004
  27. Bykov A.G., Milyaeva O.Y., Isakov N.A. et al. Dynamic properties of adsorption layers of pulmonary surfactants. Influence of matter exchange with bulk phase // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2021. V. 611. P. 125851. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.125851
  28. Ravera F., Miller R., Zuo Y.Y. et al. Methods and models to investigate the physicochemical functionality of pulmonary surfactant // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2021. V. 55. P. 101467. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2021.101467
  29. Motschmann H., Teppner R. Ellipsometry in interface science // Studies in Interface Science. 2001. V. 11. P. 1–42. https://doi.org/10.1016/S1383-7303(01)80014-4
  30. Ghazvini S., Ricke B., Zasadzinski J.A., Dhar P. Monitoring phases and phase transitions in phosphatidylethanolamine monolayers using active interfacial microrheology // Soft. Matter. 2015. V. 11. № 17. P. 3313–3321. https://doi.org/10.1039/C4SM02900C
  31. Bykov A.G., Guzmán E., Rubio R.G. et al. Influence of temperature on dynamic surface properties of spread DPPC monolayers in a broad range of surface pressures // Chem. Phys. Lipids. 2019. V. 225. P. 104812. https://doi.org/10.1016/j.chemphyslip.2019.104812

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (73KB)
Indexing metadata
3.

Download (134KB)
Indexing metadata
4.

Download (117KB)
Indexing metadata
5.

Download (46KB)
Indexing metadata
6.

Download (60KB)
Indexing metadata
7.

Download (243KB)
Indexing metadata
8.

Download (50KB)
Indexing metadata
9.

Download (82KB)
Indexing metadata
10.

Download (320KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.Г. Быков, М.А. Панаева

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».