《Journal of Colloid and Interface Science》：Disruption of pulmonary surfactant function under oxidative stress: structural and biophysical insights
编辑推荐：
肺表面活性物质（PS）的氧化应激损伤机制研究。通过Langmuir平衡、捕获气泡表面活性测定等实验，发现HClO/ClO?选择性破坏含不饱和磷脂或天然混合物的PS薄膜稳定性，饱和单层影响较小。FTIR-ATR光谱显示脂质头部区域和蛋白质二级结构异常，形成β-片层富集的聚集体，破坏蛋白-脂质相互作用，导致吸附延迟和界面重排。荧光显微镜证实氧化导致脂质层横向排列紊乱及三维储器结构改变。功能实验表明动态循环可部分缓解表面张力降低。该研究揭示炎症性氧化应激通过破坏脂质-蛋白质协作机制导致PS功能受损，为抗氧化治疗和抗氧化PS开发提供理论依据。
P. del Cejas Jimena | O. Ca?adas | A. Ledesma | A.S. Rosa | A. Collada | A. Blanco-Rivero | J. Pérez-Gil | E.A. Disalvo | MdlA. Frías
应用生物物理学与食品研究中心（CIBAAL-UNSE-CONICET），阿根廷圣地亚哥-德尔埃斯特罗市4200
摘要
?）是一种强氧化剂，可能破坏表面活性剂的完整性；然而，其分子和功能影响尚未完全明了。本研究利用朗缪尔平衡法、气泡表面张力测量法、差示扫描量热法、FTIR-ATR光谱法和荧光显微镜技术，探讨了HClO/ClO
?引起的氧化应激对猪源性天然表面活性剂生物物理和结构特性的影响。
氧化应激导致表面活性剂吸附和界面膜稳定性出现浓度和时间依赖性的抑制。朗缪尔平衡实验显示，含有不饱和磷脂或天然混合物的膜受到选择性破坏，而饱和单层则基本未受影响。FTIR-ATR分析表明脂质头部区域发生扰动，蛋白质二级结构向β-折叠聚集体转变，这与氧化展开和聚集现象一致。这些分子变化破坏了蛋白质-脂质相互作用，延缓了在气液界面的吸附和重新铺展过程。荧光显微镜进一步观察到脂质侧向组织的破坏以及富含无序成分的三维表面活性剂储库的形成改变。功能测试证实，在准静态循环中表面张力降低，而在动态循环中这种降低部分得到缓解，这表明氧化成分可能从界面被排除或净化。这些发现表明，中性粒细胞产生的氧化剂通过靶向脂质-蛋白质协同作用逐步破坏肺表面活性剂，导致早期界面功能障碍，随后发生结构重组。这一机制性见解有助于理解表面活性剂的氧化失活机制，并为开发抗氧化策略或耐氧化表面活性剂配方提供依据，以作为治疗炎症性肺损伤的潜在方法。
引言
最近在生物物理建模和高分辨率界面研究方面的进展进一步阐明了表面活性剂功能的动态机制，强调了脂质-蛋白质协同作用的重要性、压缩过程中的饱和物种选择性富集，以及压力依赖性的分子重排，使膜在生理相关循环条件下保持机械稳定性[4]、[5]。这些研究表明，表面活性剂的性能不仅受其分子组成影响，还受其在动态变形过程中进行可控结构转变的能力影响。
除了生物物理作用外，PS还通过与肺泡巨噬细胞协同作用来中和吸入的病原体和毒素，从而参与肺部的宿主防御[6]、[7]。
PS的脂质部分约占其质量的80–85%，主要是磷脂，其中二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）是实现接近零表面张力的主要饱和物种。不饱和磷脂酰胆碱、阴离子脂质如磷脂酰甘油（PG）和磷脂酰肌醇（PI），以及胆固醇，有助于精细调节表面活性剂的动态、侧向组织和稳定性[2]、[8]。表面活性剂蛋白对此系统起到补充作用，疏水性蛋白SP-B和SP-C促进脂质吸附和膜稳定性，而亲水性蛋白SP-A和SP-D主要参与先天免疫反应[3]、[4]、[7]、[9]。
越来越多的研究关注能够破坏表面活性剂界面组织的化学和物理应力因素。最新实验表明，吸入颗粒、工程纳米材料和炎症性氧化剂会干扰表面活性剂吸附、改变膜结构并增加最小表面张力，最终影响肺泡稳定性[10]、[11]、[12]、[13]。这些发现突显了表面活性剂膜对分子扰动的脆弱性，并强调了阐明化学修饰如何损害表面活性剂性能的机制的必要性。
越来越多的证据表明，氧化应激（定义为活性氧（ROS）生成与抗氧化防御之间的失衡）显著损害了PS的功能[14]、[15]。肺部持续暴露于高氧水平和环境污染物中，特别容易受到氧化损伤。氧化应激可来源于内源性代谢和外源性暴露，包括污染物和炎症过程[16]、[17]、[18]。ROS对表面活性剂的破坏与急性呼吸窘迫综合征（ARDS）[19]、[20]、哮喘[21]、慢性阻塞性肺疾病（COPD）[18]、[22]和感染性肺疾病[20]有关。
PS暴露于氧化条件下会导致其表面活性降低，表现为吸附能力受损和最小表面张力增加[23]、[24]、[25]。虽然不饱和磷脂的过氧化被认为是关键机制[26]、[27]，但表面活性剂蛋白也容易受到氧化修饰，从而影响其功能结构[24]、[28]。重要的是，无论是内源性PS还是临床使用的外源性表面活性剂都容易受到氧化失活的影响，这引发了对其储存和使用过程中稳定性的担忧[15]、[23]、[24]、[25]。
次氯酸（HClO）由活化的中性粒细胞中的髓过氧化物酶产生，在炎症部位是一种主要氧化剂，在生理pH值下与次氯酸盐（ClO?）处于平衡状态。由于HClO的高反应性和快速消耗，其在大气道黏膜液中的稳态浓度难以精确测定，但在严重炎症条件下，中性粒细胞激活期间的局部HClO流量估计可达微摩尔至低毫摩尔水平[24]、[29]。HClO可以攻击磷脂中的不饱和脂肪链和蛋白质中的特定氨基酸残基，使其成为肺部氧化损伤的关键介质[29]、[30]。
尽管人们对表面活性剂氧化损伤的认识日益增加，但氧化应激如何改变PS结构和功能的精确分子机制仍不清楚。特别是，氧化如何不同地影响天然表面活性剂复合体中的脂质和蛋白质，以及这些改变如何转化为功能障碍，目前仍有争议。
本研究探讨了HClO/ClO?引起的氧化应激对猪源性天然表面活性剂（NS）生物物理和结构特性的影响。使用朗缪尔平衡法评估了NS在HClO/ClO?作用下的气液界面吸附动力学，通过气泡表面张力测量法（CBS）评估了类似呼吸的压缩-扩张循环下的动态表面活性。差示扫描量热法（DSC）分析了热致行为，FTIR-ATR光谱法检测了脂质和蛋白质的分子结构变化。此外，荧光显微镜直接观察了氧化引起的界面NS膜侧向组织的改变。通过整合功能、热致、光谱和显微方法，本研究提供了炎症氧化应激如何破坏PS结构和性能的机制性见解，对肺疾病和基于表面活性剂的疗法设计具有潜在意义。
化学物质
合成磷脂1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱（POPC；99%）、1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱（DPPC；99%）和1,2-二肉豆蔻酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱（DMPC；99%）购自Avanti Polar Lipids Inc.（美国阿拉巴斯特，AL）。有机溶剂（氯仿和甲醇）为HPLC级。
次氯酸以次氯酸钠水溶液（NaClO，活性氯含量6–14%，德国达姆施塔特Merck公司）的形式获得。
使用朗缪尔平衡法测量气液界面的吸附动力学
图1显示了将天然表面活性剂（NS）注入Tris缓冲液亚相（5 mM Tris，150 mM NaCl，pH 7.4）后，在气液界面的吸附动力学。NS样品在界面测量前分别用1.3 mol%（图1A）或2.6 mol%（图1B）的HClO/ClO?孵育不同时间。
讨论
结论
CRediT作者贡献声明
P. del Cejas Jimena: 写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，方法学研究，数据分析。
O. Ca?adas: 写作 – 审稿与编辑，监督，方法学研究，数据分析。
A. Ledesma: 方法学研究，数据分析。
A.S. Rosa: 方法学研究，数据分析。
A. Collada: 方法学研究，数据分析。
A. Blanco-Rivero: 方法学研究，数据分析。
J. Pérez-Gil: 写作 – 审稿与编辑，监督，方法学研究，资金获取，概念构思。
E.A. Disalvo:
利益冲突声明
致谢
