Determining the physiological optimal surface viscosity

确定生理最佳表面粘度

基本信息

  • 批准号:
    8691920
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 18.74万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2014-07-01 至 2015-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The primary goal of this research is to determine, for the first time, the physiologically optimal surface viscosity of the lung surfactant using an active microrheology technique unique to our lab. We hypothesize that there exists an optimal surface viscosity in an effective lung surfactant that provides both rapid adsorption to the air-water interface and ultra-low surface tensions. Our goal is to determine how best to achieve this optimum by controlling the cholesterol fraction of a synthetic replacement lung surfactant. Three orders of magnitude increased sensitivity of our microrheology technique as compared to macroscopic rheometers allows precise monitoring of changes in the molecular organization of the lung surfactant film in the presence of cholesterol, enabling accurate measurements of surface viscosity of surfactant films. Ultimately, determining the optimal cholesterol concentration will enable a better design of synthetic surfactants to treat Neonatal Respiratory Distress Syndrome (NRDS) and may give insights into the causes of surfactant inactivation in Adult Respiratory Distress Syndrome (ARDS). We hypothesize that small fractions (1-5 wt. %) of cholesterol reduce the crystalline ordering of saturated lipids in lung surfactant monolayers, leading to a reduction in the shear viscosity, which enhances the surfactant's ability to flow and cover the alveolar interface. We also hypothesize that excess cholesterol ( >10 wt %) decreases the effectiveness of lung surfactants in ARDS by increasing the minimum surface tension of the interfacial film. This inability to reach ultra-low surface tensions is hypothesized to be a consequence of significantly reduced interfacial energy of the film (line tension). Low interfacial film energy can influence the mechanical cohesion in the surfactant film and lead to the failure of the film on compression, which ultimately causes the film to become unstable at lower surface tensions. Furthermore, lipid(cholesterol)- protein interactions can also alter these mechanical and structural properties by changing their molecular organization at the interface. By determining the mechanical properties of both model and clinically relevant surfactant film in the presence of physiological and elevated amounts of cholesterol, we can understand how increased cholesterol might lead to surfactant inactivation in ARDS and determine better replacement surfactants for treatment. The mechanical properties thus determined by the active microrheology technique will be correlated with isotherms, fluorescence microscopy, and grazing incidence synchrotron X-ray diffraction to determine how cholesterol alters the molecular packing of lung surfactant lipids, which determines the mechanical properties of monolayers.
这项研究的主要目的是首次使用我们实验室独有的主动微流行病技术确定肺表面活性剂的生理最佳表面粘度。我们假设在有效的肺表面活性剂中存在最佳的表面粘度,该表面活性剂既可以快速吸附到空气水界面和超低表面张力。我们的目标是通过控制合成替换肺表面活性剂的胆固醇分数来确定如何最好地实现这一最佳。与宏观流变仪相比,三个数量级提高了我们的微流变技术的灵敏度,可以精确监测胆固醇存在的肺表面活性剂膜分子组织的变化,从而可以准确测量表面活性剂膜的表面粘度。最终,确定最佳胆固醇浓度将使合成表面活性剂的更好设计能够治疗新生儿呼吸窘迫综合征(NRDS),并可以深入了解成人呼吸窘迫综合征(ARDS)中表面活性剂失活的原因。 我们假设胆固醇的小部分(1-5 wt。%)降低了肺表面活性剂单层中饱和脂质的结晶顺序,从而降低了剪切粘度,从而增强了表面活性剂的流动能力并覆盖肺泡界面。我们还假设过量的胆固醇(> 10 wt%)通过增加界面膜的最小表面张力而降低了肺表面活性剂在ARDS中的有效性。假设这种无法达到超低表面紧张局势是由于膜的界面能量显着降低(线张力)。低界面膜能量会影响表面活性剂膜中的机械凝聚力,并导致膜在压缩时的失败,最终导致该膜在下表面张力下变得不稳定。此外,脂质(胆固醇) - 蛋白质相互作用还可以通过改变界面处的分子组织来改变这些机械和结构特性。通过确定在存在生理和胆固醇量升高的情况下模型和临床相关表面活性剂膜的机械性能,我们可以理解胆固醇增加可能导致ARDS中的表面活性剂失活并确定更好的替代表面表面活性剂的治疗。因此,由活性微流变技术确定的机械性能将与等温线,荧光显微镜和放牧的发生率同步子X射线衍射相关,以确定胆固醇如何改变胆固醇的分子填料,从而确定肺表面活性剂的脂质的分子堆积,从而确定单层机械性能。

项目成果

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