肺表面活性剂的分子特性可以更好地治疗呼吸系统疾病

由明尼苏达大学双城分校工程研究人员领导的一个小组分析了肺表面活性剂的基本性质和结构，这是一种帮助人类和动物肺膨胀的天然物质。

　　

               

方框A-F显示了肺表面活性物质单层膜结晶结构的演化，随着压力的增加，单层膜呈“指状”或拉长。通过观察这种进化，科学家们可以更好地理解肺表面活性剂是如何在整个肺部传播的，并帮助人类更容易呼吸。资料来源:明尼苏达大学扎萨津斯基研究实验室

由明尼苏达大学双城分校工程研究人员领导的一个研究小组分析了肺表面活性剂的基本性质和结构。表面活性剂是一种天然存在的物质，可以帮助人类和动物的肺部扩张和收缩。

这篇论文发表在《科学进展》(Science Advances)上，这是一份由美国科学促进会(American Association for The Advancement of Science)出版的同行评议的多学科科学期刊。

人类和动物的肺部都会自然产生一种表面活性剂，这种物质由脂质和蛋白质组成，覆盖在肺部，在我们吸气和呼气时降低表面张力，使呼吸更容易。

肺炎或COVID-19等呼吸道疾病会阻碍肺表面活性剂的正常工作，导致呼吸并发症。类似的问题也发生在早产儿身上，他们有时还没有发展出产生这种物质的能力，并患有新生儿呼吸窘迫综合征(新生儿呼吸窘迫综合征)。目前，治疗方法是用从动物肺中提取的表面活性剂来替代人类，但多年来，研究人员一直在努力制造合成表面活性剂来治疗这些疾病。

“肺表面活性剂的主要目的是减少呼吸所需的能量，”该论文的第一作者、明尼苏达大学化学工程和材料科学系的博士生凯恩·瓦尔蒂雷兹-盖坦(Cain Valtierrez-Gaytan)说。“作为科学家，我们想要确定表面活性剂的各种成分在基本层面上是如何相互作用的，这样我们就能知道潜在的合成表面活性剂中应该包含哪些成分。”

虽然肺表面活性剂由许多不同的材料组成，但明尼苏达大学的研究小组最初对胆固醇的作用感兴趣，胆固醇是一种自然存在于动物和人类细胞中的脂质。

用朗缪尔槽以及高分辨率光学显微镜,研究了图像的一些脂质构成肺surfactant-dipalmitoylphosphatidylcholine、十六醇、棕榈酸,和dihydrocholesterol-at单层水平,或者电影组成的一层分子在空气和水之间的界面。通过测试单分子膜在不同温度和压力下的表现，他们发现了两个之前未被证实的现象，它们与材料科学的基本理论相一致。

首先，研究人员发现表面活性剂以平衡结构的形式组织起来，这意味着如果分子中的晶体部分随着压力的增加而改变形状和生长，那么如果压力被去除，它们有能力恢复到原来的形状。这是一种相当罕见的情况，因为单分子膜一旦改变，通常不会恢复到原来的结构。

显微镜图像还显示，当压力增加时，单分子膜的结晶部分呈“手指状”或伸长。这是由于化学的不稳定性，同样的不稳定性导致冰在形成雪花时以分形展开。了解这两种特性有助于研究人员更好地了解表面活性剂在肺部的扩散速度，以及它如何降低肺部表面张力。

“我们可以使用基本的材料科学理论，比如不稳定性和平衡，来尝试理解肺表面活性剂是如何工作的，”论文的高级作者、明尼苏达大学化学工程和材料科学学院的教授Joe Zasadzinski说。“然后我们可以根据基本物理原理预测这些材料将如何组织，这将最终帮助我们制定下一代临床表面活性剂材料。”