Del pulmón al laboratorio: caracterización y simulación de propiedades biofísicas y estructurales de un surfactante pulmonar de origen colombiano, desde la bioquímica hasta la biotermodinámica.

El surfactante pulmonar (SP) es un compuesto conformado por lípidos y proteínas específicas, que facilita la dinámica respiratoria al recubrir la interfase aire-líquido alveolar. La acción del surfactante es, por una parte, disminuir la tensión superficial en los estados de máxima compresión durante la espiración, y por otra, proporcionar la estabilidad estructural para facilitar la mecánica respiratoria [1-3]. A su vez, el SP forma una barrera de defensa contra la entrada de microorganismos patógenos [4,5]. Actualmente los avances en nanotecnología han develado que la vía pulmonar puede convertirse en un excelente canal de entrada para transportar fármacos y nanotransportadores [6,7]. La composición del surfactante se conserva entre especies, donde aproximadamente el 90% de la masa total lo constituyen lípidos y del 8 al 10% proteínas. La actividad interfacial del surfactante pulmonar puede verse afectada por diversos factores y generar enfermedades tanto en recién nacidos como en adultos [8,9]. Colombia actualmente importa al menos dos surfactantes clínicos de origen animal, Curosurf ® (origen porcino) y Survanta ® (origen bovino), para el tratamiento del Sindrome de Distres Respiratorio Neonatal (SDRN). Bajo este contexto, se plantea en este proyecto caracterizar experimental y computacionalmente, la composición bioquímica, la actividad interfacial y la organización estructural del SP de origen local. Para ello tenemos en cuenta que, las membranas fosfolipídicas que se ensamblan en los neumocitos tipo II, tienen por sí solas una baja capacidad de adsorción en la interfase, por lo que requieren de la presencia de moléculas que los transfieran de una manera eficiente hacia la interfase. Esta función, además de otras, la efectúan las proteínas hidrofóbicas del surfactante, la SP-B y la SP-C [10]. Las otras dos proteínas del surfactante, la SP-A y la SP-D, son de naturaleza hidrofílica y están directamente relacionadas con la función del surfactante de defender el organismo frente a agentes patógenos que se introduzcan en las vías respiratorias. Con base a lo anterior, la caracterización de la actividad interfacial de películas de surfactante pulmonar en una interfase aire-líquido, por medio de experimentos in vitro, se valorará en función de cuatro propiedades físicas: la presión de equilibrio, a partir de las cinéticas de presión superficial en función del tiempo; el valor mínimo de tensión superficial, con base en la organización del material surfactante en las isotermas de compresión; el módulo de elasticidad superficial de compresión y el trabajo total invertido, de acuerdo con los procesos cíclicos consecutivos de compresión – expansión. En este proyecto de investigación la componente experimental se enfoca en la caracterización y análisis de las propiedades in vitro en función de tres variables: masa de surfactante en la interfase, temperatura y velocidad de compresión-expansión, así como los ciclos termodinámicos en balanzas estándar de superficie tipo Langmuir. Las películas interfaciales se transferirán e inmovilizarán sobre una superficie de mica, para luego ser llevadas al microscopio de fluorescencia y al microscopio de fuerza atómica, respectivamente, para de esta manera obtener las imágenes estructurales a escala micrométrica, que nos permitían la caracterización topográfica y estructural [11,12]. Respecto a la componente teórica-computacional de este proyecto de investigación nos proponemos caracterizar computacionalmente la organización y estructura del surfactante en sus diferentes fases (gel, líquido-expandido, líquido-condensado), para lo cual realizaremos una simulación computacional de la clase de Dinámica Molecular sobre el sistema conformado por una monocapa lipídica DPPC y la proteína SP-B. Con esta simulación caracterizaremos el comportamiento estructural y termodinámico del surfactante pulmonar mediante la determinación y análisis de un parámetro de orden específico sobre el componente lipídico del SP, del mismo modo estimaremos cuantitativamente el cambio en la tensión superficial, mediante el calculo de un Potencial de Fuerza Media (PMF). La simulación se llevará a cabo en su fase de producción en un ensamble del tipo NPT (número de partículas, presión y temperatura constantes), usando un termostato tipo Nose-Hoover [13,14] y un baróstato del tipo Parinello-Rahman [15]; con una parametrización del campo de fuerza a nivel atómico [16,17], agregando iones y aguas explicitas del tipo SPC (Single Point Charge). El cálculo de la energía libre se efectuará en un ensamble de la clase NPTA empleando métodos que permiten la recombinación de múltiples simulaciones, empleando el algoritmo WHAM (weighted histogram analysis method) para recombinar los datos de las diferentes simulaciones [18-21]. Se utilizará la suite GROMACS [22-29] para llevar a cabo las simulaciones y el programa VMD [30] para visualización de las trayectorias. Dado que Colombia no es productor de preparaciones de surfactante exógeno e importa los surfactantes del mercado internacional, en el grupo de Biofísica y Bioquímica Estructural se pretende abordar la ciencia básica de un surfactante de muestras de origen animal obtenido en Colombia, para proporcionar información de la composición bioquímica y la actividad biofísica in vitro. Estudios realizados en Colombia, presenta la eficacia y eficiencia de los surfactantes pulmonares utilizados en recién nacidos prematuros con síndrome de dificultad respiratoria [31-33], revelando además los altos costos de los tratamientos con los diferentes surfactantes importados [32,34]. Este proyecto abordaremos esencialmente las siguientes preguntas globales de investigación: ¿Cuál es el comportamiento de la tensión superficial en función de la concentración de Surfactante Pulmonar Nativo o extracto orgánico respecto a la temperatura y la velocidad de compresión? ¿Puede el Potencial de Fuerza Media (PMF) obtenido de simulaciones computacionales de dinámica molecular de la interacción de péptido (simulando SP-B y/o SP-C) con una monocapa de DPPC, describir el comportamiento termodinámico del surfactante pulmonar? ¿Es posible mediante un parámetro de orden dar cuenta del ordenamiento estructural del surfactante pulmonar? De esta manera esta propuesta de investigación pretende desde un enfoque experimental y teórico-computacional avanzar en el entendimiento del complejo comportamiento dinámico del Surfactante Pulmonar.