Het pulmonale surfactanssysteem
Open

Stand van zaken
04-02-1996
L.M.G. van Golde

Gezonde personen halen ongeveer 25.000 maal per dag moeiteloos adem. De voor dit proces benodigde arbeid is tot een minimum beperkt, omdat de alveoli bekleed zijn met een dunne film pulmonaal surfactans. Dit lipide-eiwitcomplex zorgt ervoor dat de spanning van het alveolaire oppervlak tijdens de uitademing tot zeer lage waarden daalt, zodat de alveoli niet dichtklappen. Zonder surfactans zou, volgens de wet van Laplace, een te grote druk nodig zijn om de alveoli bij lage longvolumes open te houden; de dan optredende alveolaire collaps zou de ademhaling bemoeilijken en de gaswisseling verstoren. Bovendien verhindert surfactans het ontstaan van alveolair oedeem.1

In de prenatale long wordt surfactans in het laatste trimester van de zwangerschap gevormd en rond de geboorte in de luchtwegen uitgescheiden, waardoor de neonatus tot spontane ademhaling kan overgaan. Een tekort aan surfactans is dan ook de primaire oorzaak voor het ontstaan van ‘idiopathic respiratory distress syndrome’ (IRDS) of hyaliene-membranenziekte bij premature neonati.2 Ondanks de sterk verbeterde neonatale zorg is IRDS nog steeds een belangrijke oorzaak van neonatale sterfte. Disfunctionerende surfactans is ook een belangrijke, zij het secundaire factor in de complexe pathogenese van het ‘adult respiratory distress syndrome’ (ARDS), een ziektebeeld dat nog steeds een zeer hoge sterfte kent.3

In dit overzicht ligt de nadruk op nieuwe inzichten in de moleculaire biologie en de fysiologische functies van de surfactanseiwitten,45 en op de klinische successen die behaald zijn bij het therapeutische gebruik van exogene surfactanspreparaten, tot nu toe met name bij premature neonati met IRDS. Daarnaast gaan wij in op de mogelijke rol van surfactans bij de eerstelijnsafweer van de longen tegen infiltrerende pathogenen.6

HOE REGULEERT SURFACTANS DE OPPERVLAKTESPANNING?

Het hoofdbestanddeel (90) van surfactans wordt gevormd door lipiden, met name fosfolipiden. Daarnaast bevat surfactans 4 proteïnen, 2 hydrofobe (SP-B en SP-C) en 2 hydrofiele (SP-A en SP-D) eiwitten.145 De belangrijkste oppervlakteactieve component is het dipalmitoylfosfatidylcholine (DPPC). Dit fosfolipide, met zijn twee verzadigde palmitaatresten, vormt bijna 50 van de totale surfactans. Het belangrijkste negatief geladen surfactanslipide is fosfatidylglycerol.7

De surfactanslipiden vormen een monomoleculaire film op het grensvlak tussen vloeistof en lucht aan het alveolaire oppervlak (figuur 1). Wanneer het uitademen begint, vindt compressie van deze film plaats, waardoor het aantal moleculen per oppervlakte-eenheid groter wordt en de oppervlaktespanning dus daalt. Bij nog verdere compressie worden lipiden met onverzadigde vetzuren, die per molecule een groter oppervlak innemen, uit de film gedrukt. Hierdoor wordt de monolaag nog rijker aan DPPC en kan de oppervlaktespanning tot dicht bij 0 mNm dalen. Bij de inademing ontstaat decompressie van de film, worden onverzadigde lipiden weer in de monolaag opgenomen en zal de oppervlaktespanning weer toenemen. Deze cyclische variatie in alveolaire oppervlaktespanning tijdens de in- en uitademing is ook in situ aangetoond.1

DE DYNAMIEK VAN HET SURFACTANSSYSTEEM: ROL VAN EIWITTEN

De surfactanslipiden en -eiwitten worden gesynthetiseerd in de alveolaire type II-cellen en daar opgeslagen in de ‘lamellar bodies’ (zie figuur 1). Nadat ze door de type II-cellen zijn uitgescheiden, transformeren de lamellen tot tubulair myeline. Vanuit dit tubulaire netwerk worden de surfactanslipiden in de oppervlaktefilm geïnsereerd. Ofschoon lipiden primair de oppervlakteactieve werking van surfactans teweegbrengen, adsorberen deze slechts zeer langzaam aan het vloeistof-luchtgrensvlak. Dit proces wordt echter enorm versneld door de hydrofobe eiwitten SP-B en SP-C.1457

Het surfactanssysteem wordt voortdurend vernieuwd.8 Per uur verdwijnt 10-30 van de surfactans uit de alveolaire ruimten. Het merendeel hiervan (tot 90) wordt echter weer door de type II-cellen opgenomen en tot nieuw surfactans geassembleerd. Deze cellen scheiden aldus per dag hun volledige gewicht als surfactans uit. De hoeveelheid extracellulaire surfactans wordt waarschijnlijk gereguleerd door SP-A, aangezien dit hydrofiele eiwit de secretie van surfactans door de type II-cellen remt en de heropname van surfactans door deze cellen stimuleert.8

BIOGENESE, STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN SURFACTANSEIWITTEN

De hydrofobe eiwitten SP-B en SP-C.

Zoals vermeld, spelen deze eiwitten een cruciale rol bij de insertie van surfactanslipiden in de oppervlaktefilm. Daarnaast is aangetoond dat met name SP-B ook bescherming biedt tegen inactivering van de biofysische activiteit van surfactans indien serumeiwitten de alveolaire ruimte binnendringen.9

Het humane SP-B-gen wordt gecodeerd door 11 exons op chromosoom 2.45 Translatie van het primaire transcript levert een zogenaamd prepro-SP-B van 381 aminozuren op, waaruit door afsplitsing van het signaalpeptide pro-SP-B gevormd wordt. Door verwijdering van peptiden aan het aminoterminale en aan het carboxyterminale einde, ontstaat het eigenlijke SP-B (figuur 2). De primaire structuur van SP-B is voor een aantal diersoorten opgehelderd en blijkt in sterke mate evolutionair geconserveerd. In zijn functionele vorm komt SP-B voornamelijk voor als dimeren, door zwavelbrugvorming tussen de cysteïnen 48 van 2 monomeren.

Recentelijk is een aangeboren stoornis met betrekking tot SP-B beschreven.10 Bij een aantal patiëntjes lijdend aan congenitale alveolaire proteïnose, een vrij zeldzame oorzaak van een ernstige respiratoire aandoening bij à terme neonati die in alle gevallen vóór het einde van het 1e levensjaar tot de dood leidt, bleken SP-B en zijn ‘messenger’-RNA (mRNA) volledig te ontbreken. Dit blijkt veroorzaakt te worden door een insertiemutatie in exon 4. Door verschuiving van het leesframe stopt de transcriptie door een voortijdig stopcodon precies vóór exon 6, dat codeert voor het eigenlijke SP-B (zie figuur 2).10

SP-C is wellicht het meest hydrofobe peptide dat in de natuur voorkomt. Het gen wordt gecodeerd door 6 exons op chromosoom 8.45 Evenals bij SP-B, wordt eerst een veel groter pro-SP-C gevormd, waaruit door afsplitsing van peptiden aan de amino- en carboxyterminale zijde uiteindelijk het 35 aminozuren omvattende SP-C ontstaat. Van plaats 13 tot 29 bevat SP-C een extreem hydrofoob domein, dat voorafgegaan wordt door 2 positief geladen residuen die belangrijk zijn voor de binding van lipiden aan SP-C.11 Plaats 5 en 6 worden ingenomen door 2 cysteïnen, die elk gekoppeld zijn aan een palmitaatrest.

Aangezien SP-B en SP-C zo verschillend van structuur en beide sterk geconserveerd zijn, is het aannemelijk dat in vivo beide eiwitten hun eigen rol spelen bij de vorming van de surfactansfilm. Het precieze mechanisme waarmee SP-B en SP-C de insertie van lipiden in de oppervlaktefilm stimuleren, is nog niet opgehelderd en ook is nog onduidelijk welke domeinen van deze eiwitten hiervoor essentieel zijn.

De hydrofiele eiwitten SP-A en SP-D.

Het meest voorkomende surfactanseiwit is SP-A. Het gen voor dit glycoproteïne ligt op chromosoom 10 en omvat 5 exons.45 De primaire structuur van SP-A (228 aminozuren) omvat een kort aminoterminaal stuk dat gevolgd wordt door een collageenachtig domein en een carboxyterminaal koolhydraat-herkennend domein. Vanwege deze primaire structuur behoort SP-A tot de collageenachtige lectinen ofwel collectinen.12 In zijn functionele vorm bestaat SP-A uit 18 monomeren die als 6 trimeren geassembleerd zijn tot de karakteristieke, boeketachtige structuur, die eerder voor de complementfactor C1q en mannosebindend proteïne (MBP) beschreven is.412

Ook het gen voor SP-D is gelokaliseerd op chromosoom 10. De primaire structuur van monomeer SP-D lijkt sterk op die van SP-A, behalve dat het collageenachtige domein veel langer is dan dat van SP-A en ononderbroken is. In zijn functionele vorm bestaat SP-D uit 12 monomeren die als 4 trimeren geassembleerd zijn tot een kruisvormige, quaternaire structuur (figuur 3).13

In tegenstelling tot de hydrofobe surfactanseiwitten heeft SP-A geen rechtstreeks katalyserend effect op de vorming van de oppervlaktefilm. Al eerder is gemeld dat SP-A waarschijnlijk de hoeveelheid surfactans reguleert die in de alveolaire ruimte aanwezig is.8 Daarnaast is aangetoond dat ook SP-A de activiteit van surfactans beschermt tegen inactivering door plasma-eiwitten, indien deze de alveolaire ruimten binnentreden.14 Tot nu toe zijn er geen aanwijzingen dat SP-D enige functie heeft bij de vorming van de oppervlaktefilm. Vrij algemeen wordt aangenomen dat de belangrijkste functie van SP-D, en wellicht ook van SP-A, ligt in de afweer van de long tegen infiltrerende pathogenen.

SPEELT PULMONAAL SURFACTANS EEN ROL BIJ DE LONGAFWEER?

In het alveolaire gebied bewerkstelligen met name de alveolaire macrofagen primair de inactivering en eliminatie van kleine deeltjes en pathogenen die ontsnapt zijn aan het aërodynamische filtratiesysteem van de luchtwegen. Tijdens een ontsteking zullen ook monocyten en neutrofiele granulocyten gemobiliseerd worden.

De eerste indicaties dat SP-A en SP-D mogelijk betrokken zijn bij de afweer van de long tegen pathogenen, volgden uit de grote structurele gelijkenis van deze eiwitten met de collectinen MBP en conglutinine die, in tegenstelling tot SP-A en SP-D, in het bloed voorkomen (zie figuur 3). Het wordt steeds duidelijker dat MBP en conglutinine in de circulatie een belangrijke rol spelen in het aangeboren of niet-klonale immuunafweersysteem,12 aangezien ze op selectieve wijze configuraties van koolhydraten kunnen herkennen die aanwezig zijn op de celwanden van pathogene bacteriën of op het oppervlak van virussen. Deze aangeboren afweer is waarschijnlijk met name belangrijk bij kinderen tussen 6 maanden en 2 jaar, wanneer er niet langer bescherming is door antilichamen van de moeder en het eigen immuunsysteem nog geen volledig efficiënte humorale respons kan leveren. Een erg goed bestudeerd voorbeeld in dit verband is MBP.12

Door de grote gelijkenis tussen SP-A en MBP vermoedde men dat SP-A mogelijk een overeenkomstige rol had in de eerstelijnsafweer tegen pathogenen in de luchtwegen. De spinachtige structuur van het SP-D-molecuul met zijn lange armen met daaraan de koolhydraat-bindende groepen lijkt ideaal om agglutinatie van micro-organismen te bewerkstelligen. Dat SP-A en SP-D functies hebben die buiten het klassieke surfactanssysteem gelegen zijn, is ook aannemelijk, doordat deze eiwitten niet alleen uitgescheiden worden door de type II-cellen, maar ook door Clara-cellen en door het epitheel van de hogere luchtwegen.6

De belangrijkste resultaten van het onderzoek naar de interacties tussen SP-A en SP-D enerzijds en fagocyten en pathogenen anderzijds, kunnen als volgt samengevat worden (de resultaten zijn elders uitvoeriger beschreven).6 Er zijn zeer sterke aanwijzingen dat alveolaire macrofagen een specifieke receptor voor zowel SP-A als SP-D bezitten. Beide eiwitten brengen de productie op gang van zuurstofradicalen door alveolaire macrofagen, hetgeen kan bijdragen tot het lokaal onschadelijk maken van micro-organismen. Door diverse groepen is aangetoond dat SP-A de complement- en immunoglobulinegemedieerde fagocytose van bacteriën door alveolaire macrofagen en monocyten verhoogt. Daarnaast is gebleken dat SP-A als opsonine kan werken bij de fagocytose van sommige virussen en Gram-negatieve bacteriën. Zowel SP-A als SP-D kunnen zich binden aan lipopolysacchariden (LPS) van diverse Gram-negatieve bacteriën en daardoor binding van LPS aan hun reguliere doelwitcellen afremmen. Met name SP-D leidt tot sterke agglutinatie van Gram-negatieve bacteriën. Tevens heeft men waargenomen dat zowel SP-A als SP-D in vitro de infectiviteit van sommige virussen, bijvoorbeeld het influenza A-virus, kan verlagen.6

Bij sommige van de beschreven effecten, bijvoorbeeld de activering van alveolaire macrofagen, hebben surfactanslipiden een werking die tegengesteld is aan die van SP-A. Het is mogelijk dat de lokale verhouding tussen lipiden en SP-A uiteindelijk bepalend is voor het netto-effect, en dat verstoringen in deze verhouding, die bij diverse longziekten voorkomen, tot disregulatie van de afweerfunctie van surfactans kunnen leiden. Overigens moet benadrukt worden dat dit onderzoek tot nu toe grotendeels tot werk in vitro beperkt is gebleven en zijn vervolg moet krijgen in onderzoek met diverse diermodellen voor bacteriële en virale infecties.

SURFACTANS EN DE KLINIEK

Surfactanstherapie en IRDS.

Het surfactanstekort bij IRDS leidt tot een alveolaire collaps en verhoogt de arbeid die nodig is om te ademen. Als gevolg van de longschade tijdens het verloop van de ziekte, kunnen serumeiwitten in de alveolaire luchtruimte lekken en het functioneren van het aanwezige surfactans remmen.15

Na het eerste pilotonderzoek in 1980 door Fujiwara et al. waarin aangetoond werd dat intratracheale toediening van een exogeen surfactans aan 10 preterme neonati met ernstige RDS tot een snelle en aanzienlijke verbetering van de gaswisseling leidde,16 is een groot aantal goed gecontroleerde, dubbelblinde trials uitgevoerd waarbij het effect van surfactanstherapie bestudeerd werd op de behandeling dan wel preventie van RDS bij prematuren. De preparaten die gebruikt worden, kunnen in 2 groepen ingedeeld worden:15

– natuurlijke surfactanspreparaten geïsoleerd uit runder- of varkenslong, waaraan al dan niet extra hoeveelheden synthetische lipiden (bijvoorbeeld DPPC) worden toegevoegd; gemeenschappelijk voor deze preparaten is dat ze behalve de surfactanslipiden ook 1-2 SP-B en SP-C bevatten, maar geen SP-A of SP-D;

– eiwitvrije synthetische preparaten bestaande uit DPPC en een agens om spreiding van DPPC te versnellen, bijvoorbeeld fosfatidylglycerol of tyloxapol plus hexadecanol.

Uit een metanalyse van 12 trials waarin 1200 baby's lijdend aan IRDS behandeld werden met een natuurlijk surfactanspreparaat,17 kon men de conclusie trekken dat toediening van natuurlijke surfactanspreparaten leidde tot een duidelijke reductie in de neonatale sterfte met ongeveer 40. Bovendien trad er een uitgesproken daling op in de incidentie van pneumothorax. De frequentie van bronchopulmonaire dysplasie was echter niet lager, al was er wel een significante toename in overlevingskans zonder bronchopulmonaire dysplasie vergeleken met de controlegroepen. Vergelijkbare effecten werden verkregen met synthetische, eiwitvrije preparaten.17 De respons van de zieke neonatus op een natuurlijke surfactans is echter veel sneller dan op een eiwitvrije surfactans. Met een natuurlijke surfactans bestaat meestal binnen 4 h reeds een zeer duidelijke verbetering van het röntgenbeeld (figuur 4), gepaard gaande met een reductie van de behoefte aan ventilatie met extra zuurstof.

Surfactanstoediening aan baby's met IRDS heeft inderdaad een belangrijke doorbraak in de neonatale geneeskunde betekend. In de periode 1975-1985 werden bijvoorbeeld door de afdeling Neonatologie van het Academisch Medisch Centrum (AMC) 690 kinderen opgenomen die geboren waren na een zwangerschap korter dan 30 weken. In deze categorie premature kinderen was het totale sterftepercentage vóór of op dag 28 na de geboorte 41,9. In het decennium volgend op de introductie van surfactanstherapie in 1985 werden van dezelfde leeftijdscategorie 1093 baby's opgenomen en was het totale sterftepercentage vóór dag 28 gedaald tot 27,5 (dr.R.de Leeuw, AMC, schriftelijke mededeling, 1995).

Andere indicaties voor surfactanstherapie.

Het is de afgelopen jaren duidelijk geworden dat er ook bij ARDS een deficiënt surfactanssysteem bestaat, waarbij het disfunctioneren van de surfactans correleert met de ernst van de ziekte.318 Ondanks de term ‘adult’ komt het beeld van ARDS ook voor bij pasgeborenen, in geval van sepsis, meconiumaspiratie en pneumonie. Bij ARDS is er geen primair tekort aan surfactans zoals bij IRDS, maar is het disfunctioneren van de surfactans het gevolg van de initiële longschade, onder meer bij endotheelbeschadiging, vasoconstrictie en disfunctie van het NO-synthasesysteem. Ofschoon ARDS veroorzaakt kan worden door een groot aantal factoren, is een gemeenschappelijk kenmerk een toegenomen permeabiliteit van de alveolocapillaire membraan, vaak gepaard gaand met schade aan het alveolaire epitheel. De in de alveolaire ruimte binnentredende serumeiwitten, leiden daarbij tot ernstige inactivering van de surfactans.318 Indien toediening van exogene surfactans als ondersteunende therapie bij patiënten met ARDS wordt toegepast, moet dus eerst de inhiberende werking van de plasma-eiwitten overwonnen worden voordat de oppervlakte-actieve werking van het surfactanssysteem kan verbeteren. Mede op grond van de successen van deze therapie bij IRDS en bij diverse diermodellen voor ARDS,18 zijn toch reeds enkele, veelal kleinschalige trials met zowel natuurlijke als synthetische surfactans uitgevoerd. Ofschoon met natuurlijke surfactans bemoedigende resultaten geboekt zijn,19 moet het trekken van meer definitieve conclusies opgeschort worden tot resultaten van grote, goed gecontroleerde trials ter beschikking komen. Een niet gering probleem is hierbij dat voor patiënten met ARDS grote hoeveelheden (vooralsnog kostbare) exogene surfactans nodig zijn, al biedt toediening van surfactans als aërosol hierbij wellicht perspectieven.3 Het belangrijkste probleem blijft dat de ARDS-patiëntengroep bijzonder heterogeen is door verschil in etiologie (ernstige sepsis, verdrinking, multipele fracturen, et cetera).

CONCLUSIE EN PERSPECTIEVEN

In de afgelopen jaren is ons inzicht in de moleculaire structuur en functies van de surfactanseiwitten sterk toegenomen. De hydrofobe eiwitten SP-B en SP-C blijken essentieel te zijn voor de vorming van de oppervlaktefilm aan het lucht-vloeistofgrensvlak. Deze componenten vormen dan ook essentiële bestanddelen van de natuurlijke, uit runder- of varkenslongen afkomstige surfactanspreparaten die de afgelopen jaren met zoveel succes zijn toegepast voor de therapie van IRDS. Het is te verwachten dat in de komende jaren een nieuwe generatie surfactanspreparaten voor klinische toepassing (IRDS en mogelijk ook ARDS) beschikbaar zal komen. Zeer waarschijnlijk zullen deze preparaten humane surfactanseiwitten of analoge peptiden bevatten, die ofwel gesynthetiseerd zijn ofwel geproduceerd zijn door genexpressie in bacteriën of andere celsystemen. De overtuiging groeit dat pulmonale surfactans en met name de hydrofiele eiwitten SP-A en SP-D mogelijk ook een belangrijke rol spelen bij de afweer van de longen tegen schadelijke bacteriën en virussen. Onderzoek met transgene dieren waarin het gen voor deze eiwitten uitgeschakeld is en met diverse diermodellen voor bacteriële en virale infecties zal in de komende jaren over deze potentiële rol van surfactans nader uitsluitsel kunnen geven.

Met dank aan mw.prof.dr.J.G.Koppe, mw.dr.L.van Sonderen en dr.R.de Leeuw, kinderartsen, afdeling Neonatologie van het Academisch Medisch Centrum van de Universiteit van Amsterdam, voor een aantal klinische gegevens. Onderzoek beschreven in dit artikel werd financieel gesteund door de Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), het Nederlands Astma Fonds en het Praeventiefonds.

Literatuur

  1. Golde LMG van, Batenburg JJ, Robertson B. The pulmonarysurfactant system. News in physiological sciences 1994;9:13-20.

  2. Avery ME, Mead J. Surface properties in relation toatelectasis and hyaline membrane disease. Am J Dis Child1959;97:517-23.

  3. Lewis JF, Jobe AH. Surfactant and the adult respiratorydistress syndrome. Am Rev Respir Dis 1993;147:218-33.

  4. Weaver TE, Whitsett JA. Function and regulation ofexpression of pulmonary surfactant-associated proteins. Biochem J 1991;273(Pt2):249-64.

  5. Johansson J, Curstedt T, Robertson B. The proteins of thesurfactant system. Eur Respir J 1994;7:372-91.

  6. Golde LMG van. Potential role of surfactant proteins A andD in innate lung defense against pathogens. Biol Neonate 1995;67 Suppl1:2-17.

  7. Haagsman HP, Golde LMG van. Synthesis and assembly of lungsurfactant. Annu Rev Physiol 1991;53:441-64.

  8. Wright JR. Clearance and recycling of pulmonarysurfactant. Am J Physiol 1990;259(2 Pt 1):L1-12.

  9. Seeger W, Günther A, Thede C. Differentialsensitivity to fibrinogen inhibition of SP-C vs. SP-B-based surfactants. Am JPhysiol 1992;262(3 Pt 1):L286-91.

  10. Nogee LM, Garnier G, Dietz HC, Singer L, Murphy AM,deMello DE, et al. A mutation in the surfactant protein B gene responsiblefor fatal neonatal respiratory disease in multiple kindreds. J Clin Invest1994;93:1860-3.

  11. Creuwels LAJM, Boer EH, Demel RA, Golde LMG van, HaagsmanHP. Neutralization of the positive charges of surfactant protein C. Effectson structure and function. J Biol Chem 1995;270:16225-9.

  12. Holmskov U, Malhotra R, Sim RB, Jensenius JC. Collectins:collagenous C-type lectins of the innate immune defense system. Immunol Today1994;15:67-74.

  13. Crouch E, Persson A, Chang D, Heuser J. Molecularstructure of pulmonary surfactant protein D (SP-D). J Biol Chem 1994;269:17311-9.

  14. Yukitake K, Brown CL, Schlueter MA, Clements JA, HawgoodS. Surfactant apoprotein A modifies the inhibitory effect of plasma proteinson surfactant activity in vivo. Pediatr Res 1995;37:21-5.

  15. Jobe AH. Pulmonary surfactant therapy. N Engl J Med1993;328:861-8.

  16. Fujiwara T, Maeta H, Chida S, Morita T, Watabe Y, Abe T.Artificial surfactant therapy in hyaline-membrane disease. Lancet 1980;i:55-9.

  17. Soll RF. Clinical trials of surfactant therapy in thenewborn. In: Robertson B, Taeusch HW, editors. Surfactant therapy for lungdisease. New York: Marcel Dekker, 1995:407-42.

  18. Lachmann B, Daal GJ van. Adult respiratory distresssyndrome: animal models. In: Robertson B, Golde LMG van, Batenburg JJ,editors. Pulmonary surfactant: from molecular biology to clinical practice.Amsterdam: Elsevier, 1992:625-63.

  19. Gregory TJ, Gadek JE, Weiland JE, Hyers TM, Crim C,Hudson LD, et al. Survanta supplementation in patients with acute respiratorydistress syndrome (ARDS). Am J Respir Crit Care Med 1994;149:567A.