W. Schoedel

Zeitabhängige Veränderungen des Filmdruckes alveolärer Oberflächenfilme im Langmuir-Trog

SummaryElastic properties as well as time depending properties of surface films are responsible for the effects of surface active substances on the stabilization of the lung alveoli. Lung alveolar surfactant (LAS) obtained from rat lungs was spread in a rhomb-formed trough and the surface tension was recorded during rapid changes of the surface area using the Wilhelmy method. — Immediately after rapid compression of the surface area by 75% the surface tension is very low increasing again to a higher level during the following minutes. Expansion of the surface area to its initial size was at first accompanied by a high surface tension which afterwards decreased to a lower value. In comparative experiments using Dipalmitoyllecithin a similar behaviour with, however, some quantitative differences was found. Following compression lecithin shows higher final values of surface tension than LAS. After expansion the surface tension decreases more when LAS is spread in the through than when Lecithin is used. This last difference is due to the better spreading qualities of LAS on the hypophasis. In this respect LAS seems to be more efficient in preventing atelectasis of the lung than Dipalmitoyllecithin. If LAS is spread on a hypophasis containing protein the values of the surface tension following compression are only slightly increased while the values following expansion are distinctly decreased. If Lecithin is spread on such protein solutions the values after compression and after expansion are very similar to those obtained when pure protein solutions are used.ZusammenfassungFür die Wirksamkeit von oberflächenaktiven Substanzen als Stabilisatoren der Lungenalveolen sind nicht nur elastische, sondern auch zeitabhängige Eigenschaften der von ihnen gebildeten Oberflächenfilme verantwortlich. In einem rhombusförmigen Trog wird oberflächenaktives Material aus Rattenlungen (LAS) gespreitet und die Oberflächenspannung bei raschen Änderungen der Trogfläche mit der Methode von Wilhelmy gemessen. Nach rascher Verkleinerung der Trogfläche um 75% stellt sich die Oberflächenspannung zunächst auf einen sehr niedrigen Wert ein, steigt dann aber wieder in einigen Minuten auf einen höheren Wert an. Bei Vergrößerung der Trogfläche auf den Ausgangswert stellt sich zunächst eine sehr hohe Oberflächenspannung ein, die aber dann auf einen niederen Wert zurückgeht. Vergleichende Untersuchungen mit Dipalmitoyllecithin zeigen ein ähnliches Verhalten, jedoch gewisse quantitative Unterschiede. Im Anschluß an die Kompression stellen sich bei Lecithin endgültig höhere Oberflächen-spannungen ein als beim LAS. Im Anschluß an die Expansion sinkt bei der Beschickung des Trogs mit LAS die Oberflächenspannung stärker ab als bei Lecithin-Versuchen. Der letztgenannte Unterschied beruht darauf, daß das LAS besser als das Lecithin auf der Hypophase spreitet. In dieser Hinsicht scheint LAS besser geeignet zu sein, Atelektasen in der Lunge zu verhindern, als Dipalmityllecithin. Spreitet man LAS auf Eiweißlösungen, so sind die Werte der Oberflächenspannung nach der Kompression leicht erhöht, die nach der Expansion deutlich erniedrigt. Spreitet man Lecithin auf Eiweißlösungen, erhält man bei Kompression und Expansion des Films Werte, die denen der reinen Eiweißlösung sehr ähnlich sind.

Lung surfactant: film kinetics at the surface of an air bubble during prolonged oscillation of its volume.

Abstract These investigations were designed to provide a better understanding of the behaviour and action of surface-active materials in the alveolus of the lung. The bubble method was used to generate area/surface tension diagrams (ASD) for films of lung alveolar surfactants and of dipal-mitoyllecithin. If one rhythmically enlarges or reduces a bubble covered with a film of lung surfactant or lecithin, supplied in excess, the ASD changes as though surface-active substance was disappearing. This alteration in successive ASDs occurs very rapidly at first but later is much slower. After ca 1000 cycles practically no further change can be seen; this final or “equilibrium” ASD is approached asymptotically as the number of cycles increases. The equilibrium ASD is to a large extent independent both of the amount of surfactant applied and of whether the material has been applied to the bubble surface or to the hypophase. For films of lung surfactant, with oscillatory surface-area changes of 75% at 37 °C, the maximal surface tensions obtained with the largest area lie between 67–69 dyne/cm and the minimal values, with the smallest area, between 19–22 dyne/cm. For lecithin films under the same conditions, a maximal surface tension of, 70 dyne/cm and a minimal value of less than O.5 dyne/cm are found. If the bubble area is changed by less than 75%, the difference between maximal and minimal surface tension in the equilibrium ASD decreases, for both kinds of film, by an amount corresponding to the reduction in change of area, the minimal surface tension remaining the same. These results can be explained in part by an exchange of surfactant between the aqueous phase and the interface, and in part by the behaviour of the material at the interface durins ranid chanses of area.

Bestimmung der Oberflächeneigenschaften von Stoffen aus den Lungenalveolen mit einer Blasenmethode

SummaryA method for study of dynamic and static surface properties of small bubbles in liquids is described.An air bubble, remaining in communication with the atmosphere, is sucked into a cuvette, filled with an aqueous solution through a circular opening in its bottom. Surface active material is brought on to the surface of the bubble by means of a micro-pipette. The volume of the bubble is changed by corresponding displacements of liquid into and out of the cuvette with varied time patterns and amplitudes. The transmural pressure of the bubble is measured by means of a pressure transducer, and the radius and surface area of the bubble are derived from photocell recordings. The surface tension is instantaneously obtained, according to the Laplace equation, using an analog computer. The method has been applied to the study of the behavior of lung surfactant. The film-lined air bubble is considered to represent a good model for the lung alveolus covered with the surfactant film.ZusammenfassungEs wird eine Methode beschrieben, mit der statische und dynamische Oberflächeneigenschaften von kleinen Blasen in Flüssigkeit untersucht werden können.Durch eine kreisförmige Öffnung können in eine mit einer wäßrigen Lösung gefüllten Cuvette Gasblasen mit einem Radius von 250–380 μ eingesogen werden. Sie stehen durch die Öffnung mit der Außenluft in Verbindung und können in ihrer Größe planmäßig verändert werden. Aus dem Blasenradius und der Druckdifferenz zwischen dem Blaseninnern und der umgebenden Flüssigkeit läßt sich mit Hilfe eines Analogrechners die jeweilige Oberflächenspannung an der Blasenoberfläche berechnen und registrieren. Auf die Oberfläche der Blase kann man oberflächenaktive Substanzen bringen und das Verhalten der dadurch gebildeten Oberflächenfilme bei Änderung der Blasenfläche untersuchen. Mit Hilfe dieser Methode wurde das Verhalten von Filmen aus alveolären oberflächenaktiven Stoffen bei verschieden rascher Flächenänderung untersucht. Die mit Film bedeckte künstliche Blase ist ein gutes Modell für die mit oberflächenaktiver Substanz bedeckte Lungenalveole.

Zeitabhängiges Verhalten von Filmen von oberflächenaktivem Material aus Lungenalveolen

SummaryUsing a special bubble method, the behaviour of lung alveolar surfactant (LAS) films was studied during rapid changes of the surface area covered by the film.Upon a rapid decrease of the surface area by 75%, the surface tension at first reached a very low value, but thereafter returned to a higher value. Upon a rapid increase of the surface area the surface tension at first reached a high level, decreasing thereafter.The behaviour of the surface tension during and after increases in surface area was dependent upon temperature. At 45°C and 37°C the peak surface tension reached immediately after an increase in film surface area was lower than that observed at 24°C. Also the final value reached after an increase in surface area was lower and practically coincident with the final value attained after compression of the film. Furthermore, at the higher temperatures the time constants for attainment of the final value were shorter than at 24°C.Films of dipalmitoyl-lecithin (DPL) showed a behaviour similar to that of LAS films. However, after an increase of the surface area the surface tension reached very high values and thereafter decreased less rapidly and to a lesser extent when compared with LAS films. In this respect a DPL film appears to be less suited for stabilization of lung alveoli than the LAS film.ZusammenfassungMit einer Blasenmethode wurde das Verhalten von Filmen aus alveolärer oberflächenaktiver Substanz (LAS=lung alveolar surfactant) bei rascher Änderung der von dem Film bedeckten Fläche untersucht. Bei rascher Verkleinerung einer mit einem Film bedeckten Luftblase um 75% der Ausgangsfläche findet man zunächst eine sehr niedrige Oberflächenspannung, die dann wieder auf einen höheren Wert ansteigt. Bei rascher Vergrößerung der Fläche stellt sich zunächst eine hohe Oberflächenspannung ein, die aber dann wieder auf einen niederen Wert zurückgeht. Das Verhalten der Oberflächenspannung während und nach der Flächenvergrößerung ist temperaturabhängig. Bei 45 und 37°C liegt die Oberflächenspannung direkt nach der Flächenvergrößerung niedriger als bei 24°C. Auch der in Anschluß daran sich einstellende Endwert liegt tiefer und stimmt praktisch mit dem Endwert überein, der sich im Anschluß an die Kompression des Films einstellt. Auch sind die Einstellzeiten für diesen Wert bei hohen Temperaturen kürzer als bei 24°C. Filme aus Dipalmitoyllecithin (DPL) zeigen ein ähnliches Verhalten wie LAS-Filme. Jedoch stellen sich direkt nach der Oberflächenvergrößerung sehr hohe Oberflächenspannungen ein, die auch im Anschluß daran langsamer und weniger stark absinken. In dieser Hinsicht scheint der DPL-Film für die Stabiliserung der Lungenalveolen weniger geeignet als der LAS-Film.

Kolloidosmotischer Druck und Filtration von Flssigkeit durch die Alveolar-Capillar-Schranke in der Hundelunge

An Hundelungen wurden in drei verschiedenen Versuchsanordnungen die Beziehungen zwischen der Filtration von Flussigkeit durch die Alveolar-Capillar-Schranke und dem kolloidosmotischen Druck des Blutplasmas untersucht.SummaryThe relationship between filtration of liquid through the alveolar-capillary barrier and the colloid-osmotic pressure of the blood plasma was investigated in lungs of the dog, using three different experimental approaches.1. In isolated lung lobes perfused with blood from another dog the pressure difference between pulmonary capillaries and the alveolar space at which liquid was neither filtered from the capillaries into the alveolar space nor was refiltered from the alveolar space into the capillaries was determined by continuous monitoring of the weight of the lung lobe. This pressure difference, the critical transmural pressure (closely related to the isogravimetric pressure of Pappenheimer), was essentially independent of the colloid-osmotic pressure of the blood plasma. Similar behaviour was found in lung lobes filled with blood plasma.2. In an open thorax preparation the critical transmural pressure for the right inferior lung lobe in situ was determined by variation of pressures in the pulmonary artery and vein. When the colloid-osmotic pressure of the blood plasma was decreased by dilution of the blood with Ringer solution, the critical transmural pressure decreased very little in comparison to the decrease of the colloid-osmotic pressure.3. In dogs with closed thorax the pressure in the pulmonary veins was increased by means of a rubber balloon placed in the ascendent aorta. The consequent changes in the absorption of the radiation from an Am 238 source showed the development of lung oedema. The formation of the oedema was dependent upon the pressure in the pulmonary artery and in the left atrium. However, when the colloid-osmotic pressure of the plasma was changed by infusions of Ringer solution and subsequent blood transfusions, only a slight dependency of the oedema formation upon the colloid-osmotic pressure of the blood plasma was found.According to these results the alveolar-capillary barrier cannot be considered an ultrafilter without reservations.ZusammenfassungAn Hundelungen wurden in drei verschiedenen Versuchsanordnungen die Beziehungen zwischen der Filtration von Flüssigkeit durch die Alveolar-Capillar-Schranke und dem kolloidosmotischen Druck des Blutplasmas untersucht.1. An isolierten Lungenlappen, die von einem zweiten Hund aus durchblutet wurden, wurde durch fortlaufende Wägungen des Lappens die Druckdifferenz zwischen den Lungencapillaren und dem Alveolarraum bestimmt, bei dem weder Flüssigkeit aus der Capillare in den Alveolarraum filtriert noch aus dem Alveolarraum in die Capillare rückfiltriert wurde (kritischer transmuraler Druck entsprechend dem isogravimetrischen Druck nach Pappenheimer). Der kritische transmurale Druck war weitgehend unabhängig vom kolloidosmotischen Druck des Blutplasmas. Gleiche Verhältnisse ergaben sich auch bei Lungenlappen, deren Alveolarraum mit Ringerscher Lösung oder Blutplasma gefüllt war.2. Am rechten Unterlappen wurde in situ bei offenem Thorax durch Veränderung der Drücke in der A. und V. pulmonalis der kritische transmurale Druck bestimmt. Bei Senkung des kolloidosmotischen Druckes des Blutplasmas durch Verdünnung des Blutes mit Ringerscher Lösung sank der kritische transmurale Druck im Verhältnis zur Senkung des kolloidosmotischen Druckes nur sehr wenig ab.3. Bei Hunden mit geschlossenem Thorax wurde mit Hilfe eines in der Aorta ascendens liegenden Gummiballons der Druck in der V. pulmonalis erhöht. Die veränderte Absorption einer Strahlung, die aus einer 238Am-Quelle stammte, zeigte die Entwicklung eines Lungenödems an. Die Ödembildung war abhängig vom Druck in der A. pulmonalis und im linken Vorhof. Dagegen fanden wir nur eine sehr geringe Abhängigkeit der Ödembildung vom kolloidosmotischen Druck des Blutplasmas, wenn wir ihn durch Infusion von Ringerscher Lösung und nachfolgenden Bluttransfusionen veränderten.Nach diesen Ergebnissen kann man die Alveolar-Capillar-Schranke nur begrenzt als ein Ultrafilter betrachten.

Filtration von Flssigkeit durch die Alveolar-Capillar-Schranke in der isolierten Hundelunge

SummaryIsolated lung lobes of the dog, with alveoli filled with air, with plasma, or with Ringer solution, were perfused with blood from a donor dog with varied inflow and outflow pressures. The rate of fluid filtration from lung capillaries (or the rate of refiltration into lung capillaries) was determined by measuring the lung weight. The relation between change of filtration rate and change of capillary pressure in a single lung was constant through a large range of intravascular pressures both for filtration with high pressures as for refiltration with low pressures.The calculated coefficients of filtration (coefficient of filtration=filtration rate per filtration area) were nearly equal for air-filled, Ringer-filled, and plasma-filled lungs.The coefficient of filtration for the alveolar-capillary barrier (0,6 · 10−8 ml/sec · cm H2O · cm2) was found to lie in the range of coefficient of filtration of cell membranes. The filtration from pulmonary capillaries into the alveolar space is primarily limited by permeability of alveolar epithelium and not by permeability of the capillary endothelium.ZusammenfassungIsolierte Lungenlappen von Hunden, deren Alveolen mit Luft, mit Plasma oder mit Ringerscher Lösung gefüllt waren, wurden von einem Spenderhund mit verschieden hohen Einstrom- und Ausstromdrucken durchblutet. Die Filtration von Flüssigkeit aus den Lungencapillaren (bzw. Refiltration in die Lungencapillaren) wurde durch Registrierung des Lungengewichtes bestimmt. Über einen großen intravasalen Druckbereich, der sich sowohl über das Gebiet der Filtration bei höherem Druck als auch über das der Refiltration bei niederem Druck erstreckte, war bei der einzelnen Lunge das Verhältnis von Filtrationsänderung zu Capillardruckänderung konstant.Die berechneten Filtrationskoeffizienten (Filtrationskoeffizient=Filtration pro Druckdifferenz und Durchtrittsfläche) waren bei den verschiedenen Füllungen mit Luft, Ringerscher Lösung und Plasma angenähert gleich.Der Filtrationskoeffizient der Alveolar-Capillar-Schranke liegt mit 0,6 · 10−8 ml/sec · cm H2O · cm2 im Bereich der Filtrationskoeffizienten von Zellmembranen. Die Filtration aus der Lungencapillare in den Alveolarraum wird in erster Linie durch die Permeabilität des Alveolarepithels und nicht durch die des Capillarendothels begrenzt.