Влияние состава и температуры на динамические свойства смешанных монослоев легочных липидов

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Основной компонент легочного сурфактанта дипальмитоил фосфатидилхолин (ДПФХ) позволяет снижать поверхностное натяжение практически до нуля при сжатии поверхности легких, что препятствует коллапсу альвеол на выдохе. В данной работе с помощью методов поверхностной реологии было определено влияние шести липидов, входящих в состав легочного сурфактанта, на динамические поверхностные свойства нанесенного монослоя ДПФХ в широкой области поверхностных натяжений и при различных температурах. Особое внимание было уделено области низких поверхностных натяжений (менее 25 мН/м) при температурах 25 и 35°С, что близко к физиологическому состоянию на внутренней поверхности легких. Добавление к ДПФХ липидов с близкой молекулярной структурой не оказывало значительного влияния на динамические поверхностные свойства при температуре 25°С. В то же время при температуре 35°С позволяло увеличивать поверхностную упругость в области малых поверхностных натяжений. Однако в этих условиях присутствие в поверхностном слое липидов с ненасыщенными углеводородными радикалами приводило к противоположному эффекту и препятствовало достижению низких поверхностных натяжений при медленном сжатии. Полученные результаты демонстрируют возможность управления свойствами смешанного слоя, который можно рассматривать в качестве модели легочного сурфактанта.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. Г. Быков

Санкт-Петербургский государственный университет

Author for correspondence.
Email: ag-bikov@mail.ru
Russian Federation, 198504, Санкт-Петербург, Университетский пр., д. 26

М. А. Панаева

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: ag-bikov@mail.ru
Russian Federation, 198504, Санкт-Петербург, Университетский пр., д. 26

А. Р. Рафикова

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: ag-bikov@mail.ru
Russian Federation, 198504, Санкт-Петербург, Университетский пр., д. 26

Н. А. Волков

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: ag-bikov@mail.ru

физический факультет

Russian Federation, 198504, Санкт-Петербург, Ульяновская ул., д. 1

А. А. Ванин

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: ag-bikov@mail.ru
Russian Federation, 198504, Санкт-Петербург, Университетский пр., д. 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. 2017. V. 1859. № 9. P. 1725–1739 https://doi.org/10.1016/J.BBAMEM.2017.03.015
  2. Zuo Y., Veldhuizen R., Neumann A., Petersen N., Possmayer F. Current perspectives in pulmonary surfactant – Inhibition, enhancement and evaluation // Biochim. Biophys. Acta. 2008. V. 1778. № 10. P. 1947–1977. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2008.03.021
  3. Autilio C., Pérez-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. F1–F9. https://doi.org/10.1136/archdischild-2018-315413
  4. Piknova B., Schram V., Hall S. Pulmonary surfactant: Phase behavior and function // Curr. Opin. Struct. Biol. 2002. V. 12. № 4. P. 487–494. https://doi.org/10.1016/s0959-440x(02)00352-4
  5. Castillo-Sánchez J., 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
  6. Lopez-Rodriguez E., Pérez-Gil J. Structure-function relationships in pulmonary surfactant membranes: From biophysics to therapy // Biochim. Biophys. Acta. 2014. V. 1838. № 6. P. 1568–1585. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2014.01.028
  7. Goerke J. Pulmonary surfactant: Functions and molecular composition // Biochim. Biophys. Acta. 1998. V. 1408. № 2–3. P. 79–89. https://doi.org/10.1016/S0925-4439(98)00060-X
  8. Wustneck R., Perez-Gil J., Wustneck N., Cruz A., Fainerman V., Pison U. Interfacial properties of pulmonary surfactant layers // Adv. Colloid Interface Sci. 2005. V. 117. № 1–3. P. 33–58. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.05.001
  9. Casals C., Cañadas O. Role of lipid ordered/disordered phase coexistence in pulmonary surfactant function // Biochim. Biophys. Acta. 2012. V. 1818. № 11. P. 2550–2562. https://doi.org/10.1016/J.BBAMEM.2012.05.024
  10. Keating E., Zuo Y., Tadayyon S., Petersen N., Possmayer F., Veldhuizen R. A modified squeeze-out mechanism for generating high surface pressures with pulmonary surfactant // Biochim. Biophys. Acta. 2012. V. 1818. № 5. P. 1225–1234. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2011.12.007
  11. de la Serna J., Vargas R., Picardi V., Cruz A., Arranz R., Valpuesta M., Mateu L., Peres-Gil J. Segregated ordered lipid phases and protein-promoted membrane cohesivity are required for pulmonary surfactant films to stabilize and protect the respiratory surface // Faraday Discuss. 2013. V. 161. P. 535–548. https://doi.org/10.1039/c2fd20096a
  12. López-Montero I., Arriaga L., Rivas G., Vélez M., Monroy F. Lipid domains and mechanical plasticity of Escherichia coli lipid monolayers // Chem. Phys. Lipids. 2010. V. 163. № 1. P. 56–63. https://doi.org/10.1016/J.CHEMPHYSLIP.2009.10. 002
  13. Sabatini K., Mattila J-P., Kinnunen P. Interfacial behavior of cholesterol, ergosterol and lanosterol in mixtures with DPPC and DMPC // Biophys. J. 2008. V. 95. № 5. P. 2340–2355. https://doi.org/10.1529/biophysj.108.132076
  14. Miyoshi T., Kato S. Detailed analysis of the surface area and elasticity in the saturated 1,2-diacylphosphatidylcholine/cholesterol binary monolayer system // Langmuir. 2015. V. 31. № 33. P. 9086–9096. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b01775
  15. Schurch S., Bachofen H., Goerke J., Possmayer F. A captive bubble method reproduces the in situ behavior of lung surfactant monolayers // J. Appl. Physiol. 1989. V. 67. № 6. P. 2389–2396. https://doi.org/10.1152/jappl.1989.67.6.2389
  16. 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/10.1134/S0023291218050038
  17. Gopal A., Lee K.Y.C. Morphology and collapse transitions in binary phospholipid monolayers // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105. № 42. P. 10348–10354. https://doi.org/10.1021/jp012532n
  18. Lee K.Y.C. Collapse mechanisms of Langmuir monolayers // Ann. Rev. Phys. Chem. 2008. V. 59. P. 771–791. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.58.032806. 104619
  19. Zhang H., Fan Q., Wang Y., Neal C., Zuo Y. Comparative study of clinical pulmonary surfactants using atomic force microscopy // Biochim. Biophys. Acta. 2011. V. 1808. № 7. P. 1832–1842. https://doi.org/10.1016/J.BBAMEM.2011.03.006
  20. Ravera F., Miller R., Zuo Y., Noskov A., Bykov A., Kovalchuk V., Loglio G., Javadi A., Liggieri L. 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
  21. Santini E., Nepita I., Bykov A., Ravera F., Liggieri L., Dowlati S., Javadi A., Miller R., Loglio G. Interfacial dynamics of adsorption layers as supports for biomedical research and diagnostics // Colloids and Interfaces. 2022. V. 6. № 4. P. 81. https://doi.org/10.3390/colloids6040081
  22. Bykov A., Liggieri L., Noskov B., Pandolfini P., Ravera F., Loglio G. Surface dilational rheological properties in the nonlinear domain // Adv. Colloid Interface Sci. 2015. V. 222. P. 110–118. https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.07.006
  23. Bykov A., Loglio G., Ravera F., Liggieri L., Miller R., Noskov B. Dilational surface elasticity of spread monolayers of pulmonary lipids in a broad range of surface pressure // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2018. V. 541. P. 137–44. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.01.031
  24. Bykov A., Loglio G., Miller R., Milyaeva O., Michailov A., Noskov B. Dynamic properties and relaxation processes in surface layer of pulmonary surfactant solutions // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2019. V. 573. P. 14–21. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.04.032
  25. Bykov A., Milyaeva O., Isakov N., Michailov A., Loglio G., Miller R., Noskov B. 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
  26. Быков А., Панаева М. Динамические свойства монослоев легочных липидов на поверхности растворов полистиролсульфоната натрия и полидиаллилдиметиламмония хлорида // Коллоид. журн. 2023. Т. 85. № 5. С. 556–565. https://doi.org/10.31857/S0023291223600505
  27. Bykov A., Loglio G., Miller R., Milyaeva O., Michailov A., Noskov B. Dynamic properties and relaxation processes in surface layer pulmonary surfactant solutions // Chem. Phys. Lip. 2019. V. 225. P. 104812. https://doi.org/10.1016/j.chemphyslip.2019.104812
  28. Zuo Y., Keating E., Zhao L., Tadayyon S., Veldhuizen R., Petersen N., Possmayer F. Atomic force microscopy studies of functional and dysfunctional pulmonary surfactant films. I. Micro- and nanostructures of functional pulmonary surfactant films and the effect of SP-A // Biophys. J. 2008. V. 94. P. 3549–3564. https://doi.org/10.1529/biophysj.107.122648

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Structural formulas of PVC lipids (a), PMPH (b), DOPH (c), DMEA (d), DPFG (d), POFG (e), cholesterol (g).

Download (328KB)
3. Fig. 2. (a) Dependences of dynamic surface elasticity (shaded symbols) and effective surface elasticity (empty symbols) on surface pressure and (b) compression isotherms for deposited monolayers DPFC (squares), DPFC/DPFG 3/1 (circles), DPFC/PMFX 3/1 (diamonds) and DPFX/DMEA 3/1 (triangles, respectively) at T = 25 °C.

Download (329KB)
4. Fig. 3. (a) Dependences of dynamic surface elasticity (shaded symbols) and effective surface elasticity (empty symbols) on surface pressure and (b) compression isotherms for deposited monolayers DPFC (squares), DPFC/DOFX 3/1 (circles), DPFX/PFG 3/1 (stars) and DPFC/cholesterol 3/1 (triangles) at T = 25 °C.

Download (355KB)
5. Fig. 4. (a) Dependences of dynamic surface elasticity (shaded symbols) and effective surface elasticity (empty symbols) on surface pressure and (b) compression isotherms for deposited monolayers DPFC (squares), DPFC/DOFX 9/1 (circles), DPFX/PFG 9/1 (stars) and DPFC/cholesterol 9/1 (triangles) at T = 25 °C.

Download (358KB)
6. Fig. 5. (a) Dependences of dynamic surface elasticity (shaded symbols) and effective surface elasticity (empty symbols) on surface pressure and (b) compression isotherms for deposited monolayers DPFC (squares), DPFC/DPFG 3/1 (circles), DPFC/PMFX 3/1 (diamonds) and DPFX/DMEA 3/1 (triangles, respectively) at T = 35 °C.

Download (351KB)
7. Fig. 6. (a) Dependences of dynamic surface elasticity (shaded symbols) and effective surface elasticity (empty symbols) on surface pressure and (b) compression isotherms for deposited monolayers DPFC (squares), DPFC/DOFX 9/1 (circles), DPFX/PFG 9/1 (stars) and DPFC/cholesterol 9/1 (triangles) at T = 35 °C.

Download (341KB)
8. Fig. 7. Compression isotherms for deposited monolayers (a) DPFC/cholesterol 9/1 and (b) DPFC/DOFX 3/1 at relative strain rates of 300%/min (squares), 100%/min (circles) and 30%/min (triangles) at 25°C.

Download (312KB)


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies