Сурфактант. Поверхностное натяжение и спадение альвеол
а) Принцип поверхностного натяжения. Молекулы воды на поверхности водной среды, граничащей с воздухом, имеют между собой особо прочную связь. В результате такая поверхность воды всегда стремится к сокращению. Именно это явление формирует дождевые капли: в них образуется плотная стягивающая мембрана из молекул воды по всей поверхности дождевой капли. Посмотрим на эту закономерность с обратной стороны и постараемся понять, что происходит на внутренних поверхностях альвеол. Здесь поверхность жидкости также стремится к сокращению.
Появляется стремление к выжиманию воздуха из альвеол к бронхам, в результате альвеолы начинают спадаться, и в легких образуется эластическая сила сокращения, которую называют эластической силой поверхностного натяжения.
б) Сурфактант и его влияние на поверхностное натяжение. Сурфактант — это поверхностно активное вещество, которое значительно уменьшает поверхностное натяжение воды. Оно секретируется специальными сурфактант-секретирующими эпителиальными клетками, которые составляют около 10% площади поверхности альвеол. Эти клетки называют альвеолярными эпителиальными клетками второго типа. Они являются гранулярными, т.к. содержат липидные включения, которые в составе сурфактанта секретируются в альвеолы.
Сурфактант представляет собой сложную смесь из нескольких фосфолипидов, белков и ионов. Наиболее важными его составляющими являются фосфолипид дипальмитоилфосфатидилхолин, апопротеины сурфактанта и ионы кальция. Именно дипальмитоилфосфатидилхолин наряду с некоторыми менее важными фосфолипидами вызывает снижение поверхностного натяжения. При этом в жидкостной мембране на поверхности альвеол растворяется только часть его молекулы, а остальная часть расплывается на поверхности жидкостного слоя в альвеоле.
Поверхностное натяжение такой поверхности составляет только от 1/12 до 1/2 по сравнению с таковым чистой воды.
Количественные соотношения поверхностного натяжения для разных жидкостей выглядят примерно так: чистая вода — 72 дин/см, нормальная альвеолярная жидкость без сурфактанта — 50 дин/см, нормальная альвеолярная жидкость, содержащая нормальное количество сурфактанта, — от 5 до 30 дин/см.
Приложение закона Лапласа к изменению поверхностного натяжения слоя жидкости, покрывающего поверхность альвеол.
Изменение радиуса альвеол изменяет в прямой зависимости величину поверхностного натяжения в альвеолах (Т).
Давление (Р) внутри альвеол также варьирует при изменении их радиуса: уменьшается при вдохе и увеличивается при выдохе.
в) Давление в закрытых альвеолах, вызванное поверхностным натяжением. Когда воздухоносные пути, ведущие от легочных альвеол, закрыты, поверхностное натяжение в альвеолах обусловливает спадение альвеол. Вследствие этого в альвеолах развивается положительное давление, действие которого направлено на выталкивание воздуха. Величину развивающегося таким путем давления в альвеоле можно вычислить по формуле:
Давление = 2 х Поверхностное натяжение / Радиус альвеолы.
Для альвеолы среднего размера, имеющей радиус около 100 мкм и выстланной нормальным сурфактантом, давление равно около 4 см вод. ст. Если альвеола была бы выстлана слоем чистой воды без сурфактанта, расчетное давление составляло бы около 18 см вод. ст., т.е. в 4,5 раз больше. Отсюда видно, насколько важным является сурфактант для снижения поверхностного натяжения в альвеолах и, следовательно, для снижения усилия, которое потребуется от дыхательных мышц для растяжения легких.
г) Влияние радиуса альвеолы на вызванное поверхностным натяжением давление. Из приведенной формулы следует, что давление, возникающее в альвеоле вследствие поверхностного натяжения, обратно пропорционально величине радиуса альвеолы, т.е. чем меньше альвеола, тем больше вызванное поверхностным натяжением давление. Таким образом, если радиус альвеолы окажется в 2 раза меньше нормального (50 мкм вместо 100), давление увеличивается в 2 раза.
Особое значение это имеет для недоношенных новорожденных, у многих из которых размеры радиуса альвеол составляют менее 1/4 таковых у взрослых. Обычно секреция сурфактанта в альвеолах начинается на 6-7 мес внутриутробного развития, в некоторых случаях даже позднее этого срока, поэтому у многих недоношенных детей в момент рождения в альвеолах еще нет сурфактанта или его очень мало, в результате их легкие имеют высокую тенденцию к спадению (иногда в 6-8 раз больше, чем у нормального взрослого). Такое состояние называют синдромом респираторного дистресса новорожденных. Без применения интенсивной терапии (продолжительного искусственного дыхания под положительным давлением) такое состояние приводит к смерти.
