Adsorption of lung surfactant by particles studied in an ex vivo model: effects of quartz and amorphous silica
Authors: Wiemann M. , Erlinghagen C. , Bruch J. , Rehn B. 
Published: January 2011

Particles adsorb biomolecules such as proteins and lipids from biological fluids. Accordingly, respirable particles (aerodynamic diameter <3 μm) inside lung alveolae bind molecules from lung surfactant (LS) which is composed of lipids (90%) and surfactant proteins (10%). In this paper we show that particles impair lung function by adsorbing LS. To this aim, we suspended particles characterized by different surface sizes such as quartz DQ12 and amorphous silica HDKN20 in 0.9% NaCl and tested the effect of a particle containing fluid bolus on the compliance of the isolated rat lung in the presence and absence of surfactant. A method was deviced in which the left lung of the rat was ventilated ex vivo by periodic negative pressure pulses. As an indirect measure of lung compliance the maximal expiratory volume flow of the isolated lung (MEF‐IL) was measured. Experiments were carried out for 90 min during which MEF‐IL showed a slight run down by about 20%. Instillation of 0.9% NaCl further reduced MEF‐IL; this effect was attenuated if lung lavage fluid was used and was completely reversed by commercially available surfactant. Instillation of quartz DQ12 (5 mg) and HDK N20 (2 mg) suspended in 0.9% NaCl lowered MEF‐IL within 10 min by 50.3% and 58.2%, respectively. In both cases pre‐coating with or subsequent addition of surfactant abrogated the inhibitory effect of particles on MEF‐IL. Experiments show that suspended particles affect lung compliance by adsorbing surfactant and that this effect can be quantified by an ex vivo lung model.

Partikel in biologischen Flüssigkeiten können Biomoleküle wie Proteine und Lipide adsorbieren. Dementsprechend binden lungengängige Partikel (aerodynamischer Durchmesser <3 μm) in den Alveolen Komponenten des Lungensurfactants, das aus Lipiden (90%) und Proteinen besteht (10%). In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Partikel die Lungenfunktion über eine Bindung von Lungensurfactant beeinträchtigen können. Dazu wurden Partikel mit verschieden großer Oberfläche (Quarz DQ12, amorphe Kieselsäure HDKN20) in 0,9%iger NaCl‐Lösung suspendiert und der Effekt eines partikelhaltigen Flüssigkeitsbolus auf die Lungencompliance mit und ohne Zusatz von Lungensurfactant getestet. Für die Experimente wurde eine ex vivo‐Methode entwickelt, bei der die linke Lunge kontinuierlich durch zyklisch angelegte Unterdruckpulse ventiliert wurde. Als indirekte Messgröße der Lungencompliance diente der maximale exspiratorische Volumenstrom der isolierten Lunge (MEF‐IL). Die Messungen erstreckten sich über 90 min, innerhalb derer ein Abfall des MEF‐IL um ca. 20% stattfand. Instillation von 0,9%iger NaCl‐Lösung reduzierte den MEF‐IL zusätzlich. Dieser Effekt wurde durch Zusatz von Lungenspülflüssigkeit abgemildert, durch kommerziell erhältliches Lungensurfactant vollständig aufgehoben. Die Instillation von Quarz DQ12 (5 mg, n = 7) oder HDK N20 (2 mg, n = 7), suspendiert in 0,9%iger NaCl‐Lösung, senkte den MEF‐IL innerhalb von 10 min auf 50,3% bzw. 58,2%. In beiden Fällen hob eine Vorbehandlung der Partikel mit Surfactant oder eine nachträgliche Surfactant‐Zugabe den Effekt wieder auf. Die Experimente zeigen, dass Partikel die Compliance der Lungen beeinträchtigen und dass dieser Effekt mit einem ex vivo Lungenmodell gemessen werden kann.