En mamíferos el sistema respiratorio está ramificado. Desde la tráquea, pasando por bronquios y bronquiolos, hasta llegar a los alveolos (Figura 1). Tal es la ramificación que los millones de alveolos que forman nuestros pulmones hacen que la superficie expuesta al aire sea mucho mayor en los pulmones que en la piel. Al ser esta superficie lo primero que cualquier sustancia inhalada va a encontrar antes de acceder al interior de nuestro organismo, requiere de mecanismos eficaces de protección para impedir el paso de contaminantes, patógenos o cualquier otra sustancia indeseada a nuestro cuerpo. A su vez, en esta misma superficie se produce el intercambio gaseoso entre el oxígeno del aire (O2) y el dióxido de carbono producto del metabolismo celular (CO2), aumentando aún más, si cabe, la importancia de esta interfase entre el exterior (aire) y el interior (medio acuoso).
El sistema encargado de regular todos estos procesos y el objeto de estudio de nuestro laboratorio situado en la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Complutense de Madrid, es el surfactante pulmonar.
¿Qué es el surfactante pulmonar?
El surfactante pulmonar es una mezcla de lípidos (más conocidos popularmente como grasas) y proteínas que se sitúan en esa interfase respiratoria que se genera entre los alvéolos y el exterior (Figura 2). Desde ahí, juega simultáneamente varios papeles: una función de defensa, evitando la entrada de patógenos u otras sustancias nocivas al organismo, y una función biofísica, permitiendo la apertura fácil de los pulmones y, así, el proceso de la respiración.
Para ello, además de una composición de lípidos muy específica, las diferentes proteínas del sistema desempeñan papeles fundamentales. Denominadas SP (del inglés, surfactant proteins) A, B, C y D, se pueden dividir en dos grupos: SP-A y SP-D son proteínas capaces de reconocer patógenos, unirse a ellos y neutralizarlos. Por otro lado, las proteínas SP-B y SP-C son muy pequeñas y se asocian fuertemente a los lípidos, participando en la función biofísica, el principal objetivo de estudio de nuestro grupo de investigación BIOMIL (de las siglas Biofísica de Membranas e Interfases Lípido/proteína).
¿Cómo permite el surfactante pulmonar la respiración?
Cuando hablamos de la función biofísica del surfactante pulmonar nos referimos habitualmente al proceso mecánico de la respiración. Cuando inspiramos aire, nuestros pulmones se llenan y, por tanto, la superficie respiratoria crece (los alvéolos se expanden). Por el contrario, cuando espiramos y el aire sale de los pulmones, la superficie respiratoria decrece. Durante todo este proceso, toda esa superficie debe estar recubierta de lípidos de surfactante para que se pueda expandir y comprimir fácilmente. En ausencia de esa capa de lípidos, la fuerza que produce la tensión superficial de las moléculas de agua que hidratan la superficie respiratoria se opondría a su expansión, provocando que los alvéolos de menor tamaño colapsaran en los más grandes causando atelectasia pulmonar (colapso de una parte del pulmón).
La presencia del surfactante recubriendo la interfase alveolar disminuye la tensión superficial de la superficie respiratoria, permitiendo así que los alvéolos se expandan y contraigan durante los sucesivos ciclos respiratorios. Y si estos lípidos pueden llegar a la interfase, es gracias a la acción de las pequeñas proteínas SP-B y SP-C, que se ocupan de la organización de los lípidos para mantenerlos asociados a la superficie durante los ciclos respiratorios (Figura 3). Sin este sistema, gran parte de la energía que obtenemos de los alimentos iría a parar única y exclusivamente a mantener los pulmones abiertos, cosa que no ocurre gracias al surfactante pulmonar.
¿Qué pasa en su ausencia?
Si el surfactante pulmonar no se encuentra presente, o no funciona correctamente, se da lugar a diversas patologías respiratorias, algunas de ellas de grave pronóstico y/o sin tratamiento aún disponible. Durante muchos años, el mayor problema asociado a la falta de surfactante se presentaba en niños prematuros que aún no tenían suficientemente desarrollados los pulmones y, por tanto, carecían de surfactante. Sin embargo, en los años 80, este problema se logró solucionar gracias a la administración de un surfactante exógeno que rápidamente llegaba a los alvéolos y, además de ayudar a su apertura, también promovía la síntesis de surfactante endógeno.
Aunque para los bebés prematuros el tratamiento con surfactante exógeno resultó un éxito y millones de vidas se han salvado desde entonces, actualmente aún existen diversas patologías en las que los surfactantes exógenos no son eficaces. Un ejemplo de estas patologías es el Síndrome del Distrés Respiratorio Agudo, donde un daño pulmonar previo causa la infiltración de proteínas del suero que se sitúan en la interfase alveolar impidiendo su recubrimiento por los lípidos del surfactante y, por tanto, la tensión superficial no puede disminuirse adecuadamente. En esta patología los surfactantes exógenos no resultan funcionales, ya que se inhiben también una vez administrados. Sin embargo, este es solo un ejemplo de muchas otras patologías que se asocian con inactivación del surfactante y que no disponen de un tratamiento efectivo hoy en día.
¿Qué son los surfactantes exógenos?
Los surfactantes exógenos son preparaciones que imitan la composición y actividad del surfactante pulmonar y que se utilizan en clínica como tratamiento sustitutivo para algunas de las patologías derivadas de problemas en el surfactante pulmonar. La mayoría de estas preparaciones derivan de extractos de surfactante animal que se optimizan en el laboratorio para mejorar su actividad (por ejemplo, añadiéndoles ciertos aditivos o eliminándoles componentes como el colesterol) (Figura 4).
Otras preparaciones actualmente en desarrollo se basan en el uso de mezclas sintéticas que contienen los principales lípidos del surfactante y también SP-B y/o SP-C, ya que son absolutamente necesarias para el funcionamiento del surfactante. Sin embargo, estas proteínas son a su vez de origen animal o pequeños fragmentos de estas producidas en el laboratorio mediante técnicas de ingeniería genética, no estando disponibles aún sus versiones humanas.
Muchas de estas preparaciones, aunque son utilizadas para el tratamiento de patologías asociadas a disfunción del surfactante, presentan ciertas limitaciones: existen problemas asociados al uso de material de origen animal y la posible presencia de patógenos no humanos, pueden aparecer reacciones inmunológicas adversas, y además las elevadas dosis que se requieren para el tratamiento de adultos son inasumibles debido a los bajos rendimientos de obtención del material y el coste elevado de producción de estos medicamentos.
¿Cuál es la solución?
Actualmente, no existe un surfactante clínico tan eficaz como los disponibles de origen animal. Es por eso que muchos grupos de investigación, incluido el mío propio, trabajamos en la producción de un surfactante clínico mejorado que pueda ayudar a tratar todas estas patologías que aún no disponen de un tratamiento. Para ello, caracterizamos la estructura y función de las proteínas SP-B y SP-C, para tratar de conseguir la producción de las versiones humanas de estas proteínas a gran escala mediante ingeniería genética y biotecnología y mejorar así los actuales surfactantes terapéuticos, para poder prescindir de los materiales animales.
Por último, cabe destacar que actualmente se está utilizando la capacidad del surfactante de recubrir toda la superficie respiratoria de forma rápida y eficaz para administrar fármacos poco solubles y que lleguen rápidamente a la superficie pulmonar como alternativa a la administración de aerosoles. La investigación sobre el surfactante pulmonar sigue siendo, por tanto, un campo apasionante aún en desarrollo y con un futuro muy prometedor para la medicina del futuro.
Referencias
- Pérez-Gil, J., (2008). Structure of pulmonary surfactant membranes and films: the role of proteins and lipid-protein interactions. Biochimica et Biophysics Acta, 1778(7-8), 1676-95. doi: 10.1016/j.bbamem.2008.05.003
- Perez-Gil, J., & Weaver, T. E. (2010). Pulmonary surfactant pathophysiology: current models and open questions. Physiology, 25(3), 132-141. doi: 10.1152/physiol.00006.2010
- Fujiwara, T., Maeta, H., Chida, S., Morita, T., Watabe, Y., & Abe, T. (1980). Artificial surfactant therapy in hyaline-membrane disease. Lancet, 1(8159), 55-59.
- Isasi-Campillo, M., Losada-Oliva, P., Pérez-Gil, J., Olmeda, B., & García-Ortega, L. (2023). Pulmonary surfactant-derived antiviral actions at the respiratory Surface. Current Opinion in Colloid and Interface Science,66:101711. doi: 10.1016/j.cocis.2023.101711
Ainhoa Collada Marugán
Graduada en Bioquímica. Actualmente, investigadora predoctoral en Bioquímica, Biología Molecular y Biomedicina
Cortesía de Muy Interesante
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