Новые подходы в сборе и анализе образцов легочного аэрозоля для функциональной диагностики сурфактантзависимых состояний

Авторы

  • А.И. Мизев Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • А.В. Шмыров Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • И.А. Мизева Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • А.И. Шмырова Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • И.М. Пшеничникова-Пеленева Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.1.6

Ключевые слова:

легочный сурфактант, поверхностное натяжение, капиллярные волны, туберкулез

Аннотация

Разработка эффективных методов неинвазивного сбора образцов легочного аэрозоля и изучения поверхностной активности полученного нативного материала актуальна для построения диагностики воспалительных пневмопатий легких. В результате исследования разработан и аппаратно реализован метод, основанный на улавливании капель легочной жидкости, содержащихся в виде аэрозоля в выдыхаемом человеком воздухе. Поток выдыхаемого воздуха пропускается через область коронного разряда, где капли аэрозоля получают электрический заряд и затем переносятся на поверхность воды электростатическими силами. Содержащийся в захваченных каплях легочный сурфактант формирует адсорбированный слой, поверхностные свойства которого затем исследуются тензиометрическими методами. Апробация метода и оптимизация конструкции установки проведены на модельном аэрозоле слабого раствора электролита, что позволило измерять эффективность захвата через проведение кондуктометрических измерений. Для исследования поверхностных свойств легочного сурфактанта использован модифицированный метод капиллярных волн. Методика сбора выдыхаемых частиц и исследования поверхностных свойств легочного сурфактанта протестирована на группе здоровых добровольцев. Проведено сравнительное исследование поверхностных свойств нативного материала, собранного электростатическим методом из выдыхаемого воздуха и полученного в процессе бронхоальвеолярного смыва в группах здоровых добровольцев и больных туберкулезом легких.

Биографии авторов

  • А.И. Мизев, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией гидродинамической устойчивости
  • А.В. Шмыров, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    младший научный сотрудник
  • И.А. Мизева, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физической гидродинамики
  • А.И. Шмырова, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории физической гидродинамики
  • И.М. Пшеничникова-Пеленева, Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера
    профессор кафедры, доктор медицинских наук

Библиографические ссылки

  1. Haslbeck K., Schwarz K., Hohlfeld J.M., Seume J.R., Koch W. Submicron droplet formation in the human lung// Journal of Aerosol Science. - 2010. - Vol. 41. - P. 429-438.
  2. Johnson G.R., Morawska L. The Mechanism of Breath Aerosol Formation // Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. - 2009. - Vol. 22. - P. 229-237.
  3. Almstrand A.C., Bake B., Ljungstrom E., Larsson P., Bredberg A., Mirgorodskaya E., Olin A.C. Effect of airway opening on production of exhaled particles // Journal of applied physiology. - 2010. - Vol. 108. - P. 584-588.
  4. Fairchild C., Stampfer J. Particle concentration in exhaled breath. // American Industrial Hygiene Association Journal. - 1987. - Vol. 48. - P. 948-949.
  5. Papineni R., Rosenthal F. The size distribution of droplets in the exhaled breath of healthy human subjects. Journal of Aerosol Medicine: Deposition, Clearance, and Effects in the Lung. - 1997. - Vol. 10. - P. 105-116.
  6. Morawska L., Johnson G., Ristovski Z., Hargreaves M., Mengersen K., Corbett S., Chao C., Li Y., Katoshevski D. Size distribution and sites of origin of droplets expelled from the human respiratory tract during expiratory activities // Journal of Aerosol Science. - 2009. - Vol. 40. - P. 256-269.
  7. Olin A.C. Particles in exhaled air - а novel method of sampling non-volatiles in exhaled air. // Volatile biomarkers: Non-invasive diagnosis in physiology and medicine Elsevier. - 2013. - Vol. 20. - P. 383-391.
  8. Tinglev A.D., Ullah S., Ljungkvist G., Viklund E., Olin A.C., Beck O. Characterization of exhaled breath particles collected by an electret lter technique // Journal of Breath Research. - 2016. - Vol. 10. - P. 026001.
  9. Ullah S., Sandqvist S., Beck O. Measurement of Lung Phosphatidylcholines in Exhaled Breath Particles by a Convenient Collection Procedure // Analitical Chemistry. - 2015. - Vol. 87. - P. 11553-11560.
  10. Schwarz K., Biller H., Windt H., Koch W., Hohlfeld J.M. Characterization of exhaled particles from the healthy human lung|a systematic analysis in relation to pulmonary function variables. // Journal of aerosol medicine and pulmonary drug delivery. - 2010. - Vol. 23. P. 371-379.
  11. Johnson G., Morawska L., Ristovski Z., Hargreaves M., Mengersen K., Chao C., Wan M., Li Y., Xie X., Katoshevski D. [et al] Modality of human expired aerosol size distributions. // Journal of Aerosol Science. - 2011. - Vol. 42. - P. 839-851.
  12. Bake B., Ljungstrom E., Claesson A., Carlsen H.K., Holm M., Olin A.C. Exhaled particles after a standardized breathing maneuver // Journal of aerosol medicine and pulmonary drug delivery. - 2017. - Vol. 30. - P. 267-273.
  13. Schwarz K., Biller H., Windt H., Koch W., Hohlfeld J.M. Characterization of exhaled particles from the human lungs in airway obstruction // Journal of aerosol medicine and pulmonary drug delivery. - 2015. - Vol. 28. - P. 52-58.
  14. Clements J. Pulmonary surface tension and alveolar stability. // Technical report. CRDLR. U.S. Army Chemical Research and Development Laboratories. 1961. - Vol. 16. - P. 444-450.
  15. Hildebran J. Pulmonary surface film stability and composition. // J. of Applied Physiology Respiratory Environmental and Exercise Physiology. - 1979. - Vol. 47(3). - P. 604-611.
  16. Meyer K. Bronchoalveolar lavage as a diagnostic tool. // Seminars in Respiratory and Critical Care Medicine. - 2007. - Vol. 28(5). - P. 546-560.
  17. Walters E., Gardiner P. Bronchoalveolar lavage as a research tool // Thorax. - 1991. - Vol. 46(9). - P. 613-618.
  18. Horvath I. Exhaled breath condensate contains more than only volatiles. // European Respiratory Journal. - 2003. - Vol. 22. - P. 187-188.
  19. Kazakov V.N., Sinyachenko O.V., Fainerman V.B., Pison U., Miller R. Dynamic Surface Tensiometry in Medicine. Studies in Interface Science. - 2000, Elsevier.
  20. Hinds W.C. Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. - 1999, John Wiley & Sons.
  21. Morozov V.N., Mikheev A.Y. A collection system for dry solid residues from exhaled breath for analysis via atomic force microscopy // Journal of Breath Research. - 2017. - Vol. 11. - P. 016006.
  22. Pardon G., Ladhani L., Sandstrm N., Ettori M., Lobov G., van der Wijngaart W. Aerosol sampling using an electrostatic precipitator integrated with a microfluidic interface. // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2015. - Vol. 212. - P. 344-352.
  23. Notter R. Lung Surfactants: Basic Science and Clinical Applications (Lung Biology in Health and Disease). P.: CRC Press, 2000; 464 p.
  24. Bykov A., Loglio G., Miller R., Milyaeva O., Michailov A., Noskov B. Dynamic properties and relaxation processes in surface layer of pulmonary surfactant solutions // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 2019. - Vol. 573. - P. 14-21.
  25. Hohlfeld J. The role of surfactant in asthma // Respiratory Research. - 2001. - Vol. 30. - P. 1201-1204.
  26. Baritussio A. Lung surfactant, asthma, and allergens - A story in evolution. // American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. - 2004. - Vol. 169. - P. 550-551.
  27. Wright T., Notter R., Wang Z., Harmsen A., Gigliotti F. Pulmonary inflammation disrupts surfactant function during Pneumocystis carinii pneumonia. // Infection and Immunity. - 2001. - Vol. 69. - P. 758-764.
  28. Schwab U., Rohde K.H., Wang Z., Chess P.R., Notter R.H., Russell D.G. Transcriptional responses of Mycobacterium tuberculosis to lung surfactant // Microbial Pathogenesis. - 2009. - Vol. 46. - P. 185-193.
  29. Raghavendran K., Willson D., Notter R.N. Surfactant Therapy for Acute Lung Injury and Acute Respiratory Distress Syndrome // Critical Care Clinics. - 2011. - Vol. 27. - P. 525-559.
  30. Chroneos Z.C., Midde K., Sever-Chroneos Z., Jagannath C. Pulmonary surfactant and tuberculosis // Tuberculosis. - 2009. - Vol. 89. - P. 10-14.
  31. Chimote G., Banerjee R. Lung surfactant dysfunction in tuberculosis: Effect of mycobacterial tubercular lipids on dipalmitoylphosphatidylcholine surface activity // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. - 2005. - Vol. 45. - P. 215-223.
  32. Hasegawa T., Leblanc R.M. Aggregation properties of mycolic acid molecules in monolayer, 2003.
  33. Wang Z., Schwab U., Rhoades E., Chess P.R., Russell D.G., Notter R.H. Peripheral cell wall lipids of mycobacterium tuberculosis are inhibitory to surfactant function // Tuberculosis. - 2008. - Vol. 88. - P. 178-186.
  34. Shmyrov A., Mizev I., Mizeva A., Shmyrova A. Electrostatic precipitation of exhaled particles for tensiometric examination of pulmonary surfactant // Journal of Aerosol Science. - 2021. - Vol. 151. - ID 105622.
  35. Shmyrov A. [et al.] Capillary wave method: An alternative approach to wave excitation and to wave profile reconstruction //Physics of Fluids. - 2019. - Т. 31. - №. 1. - 012101. DOI 10.1063/1.5060666/
  36. Шмырова А.И., Мизева И.А., Артамонова П.А. Модификация метода капиллярных волн // Вестник Пермского университета. Сер. Физика. - 2018. - № 3(41). - с. 32-38.
  37. Shmyrovа A., Shmyrov A., Mizeva I., Mizev A. Registration of high-frequency waves on the surface by the interference methods // EPJ Web of Conferences, - 2019. № 213, 02075. DOI

Загрузки

Опубликован

2021-04-30

Выпуск

№ 1 (2021)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Мизев, А., Шмыров, А., Мизева, И., Шмырова, А., & Пшеничникова-Пеленева, И. (2021). Новые подходы в сборе и анализе образцов легочного аэрозоля для функциональной диагностики сурфактантзависимых состояний. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 1, 64-72. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.1.6