Protein- and Lipid Modification of Natural Bovine Surfactant

Summary

Surfactant therapy does not lead to a uniform, optimal and sustained effect on gas exchange in neonatal respiratory distress syndrome (RDS) and acute respiratory distress syndrome (ARDS). The aim of the present study therefore was to compare the effects of a lipid-enriched and protein-modified natural surfactant preparations with a licensed, clinically used bovine surfactant preparation - SF-Ri1 (Alveofact^®).

Methods: SF-Ri1 was enriched with phosphatidylglycerol, sphingomyeline, phosphatidylethanolamine plasmalogen, phosphatidylethanolamine. Furthermore, SF-Ri1 was modified with increased surfactant protein B (SP-B)/surfactant protein C (SP-C) content and finally a mercaptoethanol (ME) treated preparation for breaking the sulfhydril bondage of SP-B/SP-C by chemical reduction in methylene chloride using ME was developed. Finally ME was removed by vacuum extraction. These modified surfactants were tested at a dosage of 100 mg/kg each in a model of respiratory failure induced by lung lavage in male adult rats and compared with SF-Ri1 at an identical dosage. Mechanical ventilation was standardised with fraction of inspiratory oxygen (FiO₂) 1.0 and time-cycled pressure limited ventilation 16/0.8 cmH₂O before and 26/6 cmH₂O (peak inspiratory pressure/positive endexpiratory pressure) after lung lavage (target arterial oxygen pressure [pa0₂] < 100 mmHg), respiratory rate 36/min, inspiration/expiration time ratio 1 : 2.

Results: During the observation period of 120 min, the sphingomyeline substituted and protein-modified (ME reduced) surfactant preparations exerted improved and sustained oxygenation compared with SF-Ri1. Similar effects were observed for tidal volumes. All other preparations were equal or inferior to SF-Ri1 in our model.

Conclusion: For the development of surfactant preparations less prone for inactivation the above mentioned data may provide useful information, provided they can be confirmed in further investigations employing other alternative models.

Zusammenfassung

Protein- und Lipidmodifikation von natürlichem bovinen Surfactant / Wirkung auf die experimentelle Lungeninsuffizienz unter besonderer Berücksichtigung der Therapieeffekte bei Neugeborenen

Die Behandlung mit natürlichen Surfactant-Präparaten führt weder beim neonatalen Atemnotsyndrom (RDS) noch beim akuten Atemnotsyndrom (ARDS) zu einer einheitlichen und anhaltenden Verbesserung des Gasaustauschs. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, den Effekt einer Lipidsubstitution bzw. Proteinmodifikation eines natürlichen Surfactant, das sich in klinischer Anwendung befindet - SF-Ri1 (Alveofact^®) - mit der Standardsubstanz tierexperimentell zu vergleichen.

Methodik: SF-Ri1 wurde angereichert mit Phosphatidyglycerol, Sphingomyelin, Phosphatidylethanolamin-Plasmalogen, Phosphatidylethanolamin. Weiterhin wurde die Konzentration von Surfactant-protein B und C (SP-B/SP-C) erhöht und durch Mercapto-Ethanol (ME)-Vorbehandlung, um die Sulfhydril-Bindungen von SP-B und SP-C in Anwesenheit von Methylenchlorid zu reduzieren, eine Präparation dargestellt. Anschließend wurde Mercapto-Ethanol durch Vakuumextraktion entfernt. Die so modifizierten Surfactant-Präparate wurden mit einer Dosis von 100 mg/kg Körpergewicht jeweils in einem Tiermodell untersucht, in dem ein respiratorisches Versagen durch eine Lavage mit physiologischer Kochsalzlösung in männlichen adulten Ratten induziert worden war. Die Standard-Substanz SF-Ri1 wurde in einer identischen Dosis mit den modifizierten Substanzen verglichen (jeweils 100 mg/kg Körpergewicht). Die maschinelle Beatmung war standardisiert mit einer inspiratorischen Sauerstoffkonzentration (FiO₂) von 1,0, inspiratorische Spitzendrucke bei 16, positiv endexspiratorische Drucke 0,8 cmH₂O vor und 26/6 cmH₂O nach der Kochsalzlavage (Ziel der arteriellen Sauerstoffpartialdrucke < 100 mmHg), Beatmungsfrequenz 36/min, In-/Exspirationszeit 1:2.

Ergebnisse: Während der Beobachtungsperiode von 120 min zeigte das Sphingomyelin-substituierte und Protein-modifizierte (ME-behandelte) Surfactant-Präparat einen verbesserten und anhaltenden Effekt auf die Oxygenierung im Vergleich zu SF-Ri1. Gleichsinnig verhielten sich die Tidalvolumina mit einer anhaltenden Erhöhung nach Applikation dieser Substanzen. Alle anderen Präparate waren in ihrer Wirkung gleich bzw. schlechter als SF-Ri1 im vorliegenden Modell.

Schlußfolgerung: Für die Weiterentwicklung natürlicher Surfactant-Präparate mit dem Ziel einer verminderten Aktivierungsrate sind die vorgenannten Untersuchungsdaten eine wertvolle Basis, vorausgesetzt sie lassen sich in weiteren Untersuchungen in alternativen tierexperimentellen Modellen bestätigen.

Key words

Alveofact^® - Lung failure, experimental, rat - Surfactant, effects in lung-lavage model, modified, natural