伊利诺伊理工大学教授领导肺功能新发现

深吸一口气。从鼻子吸入，然后在肺部停留几秒钟。最后，呼出。

这听起来很放松，但对于伊利诺伊理工学院的物理学助理教授大卫·吉达列维茨而言，呼吸行为正是他研究的主题。吉达列维茨于2024年2月在《生物物理学期刊》上发表了一篇深入探讨肺功能的论文——“DPPC和胆固醇形成的晶体结构对肺表面活性物质抗塌陷的作用”。

这篇论文基于美国国家卫生研究院240万美元的资助研究结果，解释了肺功能的一个重要部分，而这个部分此前科学界并未完全理解。

肺部能够扩张和收缩的关键在于一种叫做肺表面活性物质的物质，它由脂质、胆固醇和蛋白质的混合物组成。这种薄膜状物质覆盖在肺部内部数百万个微小的肺泡（气囊）上。有了正常运作的表面活性物质，肺部就能正常扩张和收缩而不出问题。然而，如果没有正常运作的表面活性物质，肺部就会衰竭。

“有趣的是，尽管这对任何哺乳动物都至关重要，但我们对其工作原理知之甚少，”吉达列维茨说。“这种扩张和收缩的程度——如果用科学术语来解释，就是表面活性物质能够实现非常低的表面张力的能力。到底发生了什么？肺表面活性物质中的哪些分子结构导致了这种能力？科学家们多年来一直在问这些问题，但一直不清楚它是如何发生的。”

肺表面活性物质最初是在胎儿怀孕期间的肺部产生的。由于它是在怀孕晚期产生的——通常是妊娠晚期——根据美国国立卫生研究院的数据，近30%入住新生儿重症监护室的早产儿会出现严重的呼吸发病率。

“如果婴儿早产且肺表面活性物质尚未产生，那么新生儿在尝试第一次呼吸时，肺部会立即撕裂，因为它们在充满空气时无法扩张，”吉达列维茨说。

自20世纪中叶以来，人们已知的一种治疗方法是：从羊、猪和牛中提取肺表面活性物质，并将其放入缺乏这种物质的肺部。

“问题是这极其昂贵。你所使用的一切都是从动物身上提取的，”吉达列维茨说。“由于它非常昂贵，并不是每个人都能负担得起。所以这只是部分解决方案，而非真正的解决方案。”

几十年来，合成的肺表面活性物质都没有使用任何胆固醇。人们普遍认为，一种名为二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）的脂质是保持表面活性物质处于低表面张力的唯一必要物质。

那么，吉达列维茨和他的同事——他的研究是与芝加哥大学和俄勒冈州健康与科学中心的科学家合作进行的——发现了什么呢？

通过使用阿贡国家实验室的同步加速器先进质子源进行X射线实验，研究团队发现胆固醇在这个过程中发挥着重要作用。抗塌陷能力最强的表面活性物质由3:1的DPPC与胆固醇比例组成。

这意味着可以更便宜地生产合成表面活性物质，研究团队认为加入胆固醇可能会产生更有效的治疗方法。

“有不含胆固醇的合成表面活性物质可以使用——效果不太好，但可以使用，”吉达列维茨说。“我们希望它们能效果更好，而且合成物质会使成本更低。”

虽然吉达列维茨的团队没有生产新药，但他们现在对表面活性物质工作原理的新理解可能会对未来的治疗方法产生重大影响。

研究团队已经在开展下一阶段的研究，包括在人体生理温度（即华氏98.6度，或摄氏37度）而非室温下进行实验。

研究团队的初步结果已经包含了一些惊喜，最值得注意的是，表面活性物质的结构在室温下是晶态的，但在生理温度下则不是，这在他们最近在《软物质》期刊上发表的另一篇论文“肺表面活性物质单分子模拟物在生理温度下崩塌的结构决定因素”中有所展示。由于温度而产生的这种显著差异可能会对吉达列维茨未来的研究产生重要影响。