Accessible Requires Authentication Published by De Gruyter May 1, 2013

Automatic Adsorptive Isolation and Biophysical and Biochemical Characterization of the Surface Film of Human Bronchoalveolar Lavage Fluid

Automatische adsorptive Isolation und biophysikalische und biochemische Charakterisierung des Oberflächenfilms von humaner bronchoalveolärer Spülflüssigkeit
Klaus Winsel, Klaus Lunkenheimer, Katrina Geggel and Christian Witt

Abstract

Lung surfactant is the surface active material of the lung alveoli that makes breathing possible. It consists of various amphiphilic components like phospholipids and surfactant proteins and can be isolated by bronchoalveolar lavage from the lungs. The function of the surfactant system of the lungs is dominated by the composition of the surface film. It is therefore highly probable that alterations of the lung surfactant in lung diseases are mostly reflected in the surface film of bronchoalveolar lavage fluid. The aim of the study was to investigate the possibility of isolating the native surface film of bronchoalveolar lavage (BAL) fluid with the high-performance surfactant purification apparatus HPS 1 from the technical as well as from the theoretical point of view.

Basically this method represents a technique for the high-performance purification of ordinary surfactants to remove surface-active impurities and to achieve “surface-chemically” pure solutions. After adsorption from bulk BAL fluid (within 30 min) and subsequent compression of the adsorbed layer (by an surface area ratio of 1 to 30) the adsorbed layer was aspirated (one cycle) and the aspirated solution collected. This procedure was repeated for 100 and 200 times. The collected fractions of the aspirated solutions (after 100 and 200 cycles), the original BAL fluid pool and the residual bulk phase were analysed for the total protein, total phospholipids and phospholipid subclasses. In addition, the dynamic surface tension of the solutions was measured. Generally, there was an increase of the protein and the phospholipid concentrations in the aspirated fractions by a factor 2 to 3 in comparison to the corresponding concentrations of the BAL fluid. Analysis of the phospholipid subclasses shows that the aspirated solutions, i. e. the surface film, contains phosphatidylcholine, phosphatidylglycerol and phosphatidylinositol. Phosphatidylethanolamine was not detected in the surface film. The percentage of phoshatidylglycerol in the surface film (100 cycles) was noticeably increased by 11.4% and 7.0%, respectively, in comparison to that of the BAL fluid. The equilibrium surface tension values of the aspirated solutions amounted to 37.5 and/or 40.3 mN/m (lavage fluid 1) and 38.6 and/or 40.2 mN/m (lavage fluid 2). The results prove that proteins and different phospholipids are integral parts of the surface film of BAL fluid and that this technique provides a new advantageous possibility for the isolation of native lung surfactant.

Kurzfassung

Lungen-Surfactant ist das oberflächenaktive Material der Lungenalveolen, das die Atmung erst ermöglicht. Es besteht aus verschiedenen amphiphilen Komponenten wie Phospholipiden und speziellen Surfactant-Proteinen. Die Funktion des Lungen-Surfactant-Systems wird durch die Zusammensetzung des Surfactant-Films dominiert. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass Surfactant-Veränderungen bei Lungenerkrankungen sich am stärksten im Oberflächenfilm von bronchoalveolärer Lavage wiederspiegeln.

Im Rahmen dieser Untersuchungen sollte geklärt werden, ob der native Oberflächenfilm von bronchoalvelärer Spülflüssigkeit (BAL) mit der automatischen Surfactant- Hochreinigungsapparatur isoliert und mit entsprechenden Methoden für Phospholipide und Proteine quantitativ analysiert werden kann. Ursprünglich war diese Apparatur für die Reinigung von technischen Tensiden zur Abtrennung oberflächenaktiver Verunreinigungen entwickelt worden. In dieser Apparatur wurde nach der Adsorption des Surfactant-Materials (innerhalb von 30 min) und nachfolgender Kompression der Adsorptionsschicht (im Oberflächenverhältnis 1:30) die Adsorptionsschicht abgesaugt (1 Zyklus) und die abgesaugte Lösung gesammelt. Diese Prozedur wurde 100- bzw. 200-mal wiederholt. In den gesammelten Fraktionen der abgesaugten Lösungen (nach 100 und 200 Zyklen), in der eingesetzten Lungenspülflüssigkeit und in der zurückbleibenden Volumenphase wurden das Gesamt-Protein, die Gesamt-Phospholipide und die einzelnen Phospholipide (HPLC) analysiert. Zusätzlich wurde die dynamische Oberflächenspannung der Lösungen gemessen. Allgemein wurde ein Anstieg der Protein- und Phospholipid-Konzentrationen in den abgesaugten Fraktionen um das 2- bis 3fache im Vergleich zur ursprünglichen Lungenspülflüssigkeit gefunden. Die Analyse der einzelnen Phospholipide in den abgesaugten Lösungen zeigt, dass der Oberflächenfilm Phosphatidylcholin, Phosphatidylglycerol und Phosphatidylinositol enthält. Phospatidylethanolamin wurde im Oberflächenfilm nicht nachgewiesen. Der prozentuale Anteil an Phosphatidylglycerol im Oberflächenfilm war deutlich erhöht und zwar um 11,4 % bzw. 7,0% bei 100 Zyklen im Vergleich zur eingesetzten Lungenspülflüssigkeit. Die Gleichgewichtsoberflächenspannungen der abgesaugten Lösungen lagen bei 37,5 und 40,3 mN/m (Spülflüssigkeit 1) bzw. 38,6 und 40,2 mN/m (Spülflüssigkeit 2) entsprechend 100 und 200 Zyklen. Die Ergebnisse zeigen, dass Proteine und bestimmte Phospholipide integrale Bestandteile des Oberflächenfilms der BAl-Flüssigkeit sind und dass diese Technik eine vorteilhafte neue Möglichkeit zur Isolierung und Charakterisierung von nativen Lungensurfactant an der Grenzfläche Flüssigkeit/Luft darstellt.


Correspondence to Klaus Winsel Max-Planck-Institute of Colloids and Interfaces D-14424 Potsdam, Germany Fax: (+49)03315679202 Telephon number: (+49)03315679452 E-mail:

Klaus Lunkenheimer (Dipl.-Chem. PhD., Dr. habil.) is currently Head of an Independent Research Group at the Max-Planck-Institute of Colloid and Interface Science in Potsdam/Golm, Germany. His research focuses on basic surfactant adsorption of surface-chemically pure surfactants at fluid and solid/liquid interfaces, novel surfactant structures, foam stability, and development of novel devices for surfactant characterization.

Klaus Winsel (Dipl.-Chem., PhD., Dr. habil.) took his PhD in organic chemistry and his habilitation in biochemistry. He is currently collaborator of the Independent Research Group of Dr. Lunkenheimer. His mean field of research is the biochemistry of the lungs especially lung surfactant, analysis of lung surfactant and adsorption of surfactants at the liquid/air interface.

Katrina Geggel (Dipl.-Chem.) is currently collaborator of the research group of Dr. Lunkenheimer. Her focus is the analysis of surfactants especially of lung surfactant.

Christian Witt is professor of medicine and the Head of the Department of Pneumonology, Charitè, Medical Clinic, Berlin. His main subject is diagnosis and therapy of lung diseases.


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Received: 2003-11-20
Published Online: 2013-05-01
Published in Print: 2004-03-01

© 2004, Carl Hanser Publisher, Munich