Position du problème. L'arrêt cardiaque extra-hospitalier (ACEH), dont la forme clinique la plus caricaturale correspond à la " mort subite ", représenterait la première cause de mortalité à travers le monde. Malgré les améliorations apportées à leur prise en charge, le pronostic de ces patients demeure très péjoratif, y compris chez ceux qui ont bénéficié d'une réanimation initiale avec succès. En effet, la longue période d'ischémie suivie du phénomène de reperfusion secondaire au retour d'une activité circulatoire (RACS) est à l'origine d'une cascade de phénomènes physiopathologiques qui caractérisent le syndrome post-arrêt cardiaque. Plusieurs éléments thérapeutiques, telles que la reperfusion coronaire précoce et l'hypothermie thérapeutique, se sont développés ces dernières années afin de diminuer la morbi-mortalité importante observée dans cette situation. L'intérêt de ces interventions précoces sur le pronostic ultérieur demeure cependant débattu, car il a souvent été établi sur des sous-groupes de patients très sélectionnés. Objectif. L'objectif de ce travail était d'évaluer l'influence de ces interventions thérapeutiques précoces sur le devenir des patients victimes d'ACEH et admis vivants en service de réanimation. Méthode. Depuis 2000, une cohorte de patients survivants d'ACR et admis vivants en réanimation a été constituée dans un centre spécialisé. L'ensemble des caractéristiques démographiques, pré-hospitalières et hospitalières ont été analysées. L'analyse multivariée des facteurs pronostiques dans cette cohorte a utilisé principalement les méthodes de régression logistique. Résultats principaux. Entre 2003 et 2008, 435 patients ont été admis, ne présentaient pas d'étiologie extra-cardiaque évidente et ont bénéficié d'une coronarographie immédiate et systématique. Une lésion coronaire récente a été observée chez près de la moitié d'entre eux. Les moyens de détection d'une étiologie cardiaque sont extrêmement limités que ce soit par des modèles prédictifs simples utilisant des paramètres démographiques ou circonstancielles ou par des paramètres para-cliniques tels que l'électrocardiogramme ou les enzymes cardiaques. En effet, ces derniers possèdent des valeurs prédictives médiocres et ne peuvent être considérés comme outil de triage de ces patients. En revanche, la coronarographie immédiate et systématique (suivie d'une reperfusion coronaire si nécessaire) était associée de manière significative et indépendante à la survie hospitalière (OR ajusté= 2.06 (1.16-3.66)) et ceci quelque soit l'aspect électrocardiographique. Entre 2000 et 2009, 1145 patients ont été admis et 2/3 d'entre eux ont été traités par hypothermie thérapeutique. Parmi eux, 708/1145 (62%) avait initialement un rythme cardiaque choquable et 437/1145 (38%) présentait un rythme non choquable. Après ajustement sur les autres facteurs pronostiques, l'hypothermie thérapeutique avait un rôle protecteur sur le pronostic neurologique des patients à la sortie de réanimation dans le groupe présentant initialement un rythme choquable (OR ajusté= 1.90 (1.18-3.06)). En revanche, l'association entre le pronostic et l'intervention dans le groupe " non-choquable " n'était pas significative (OR ajusté=0.71 (0.37-1.36)). Parmi les facteurs susceptibles d'altérer le bénéfice lié à ce traitement, les complications infectieuses chez les patients traités par hypothermie thérapeutique s'avèrent courantes La plus fréquente est la pneumopathie précoce, dont l'apparition est associée de manière significative au traitement par hypothermie (OR ajusté= 1.90 (1.28-2.80)), mais son rôle sur le pronostic n'est pas démontré.

La méthode de préservation d’organes la plus utilisée actuellement en transplantation rénale est la conservation statique en hypothermie. Cependant, ce mode de conservation induit des dommages inhérents aux lésions du syndrome d’ischémie/reperfusion (I/R). Cette étude a eu pour objectif d’identifier de nouvelles conditions de préservation des greffons, afin de limiter les lésions d’I/R, en modulant la température de conservation ou par ajout d’un transporteur d’oxygène. Nous avons utilisé deux modèles : in vitro avec des cellules endothéliales et in vivo en autotransplantation rénale chez le porc.Les résultats ont confirmé les effets délétères de la conservation à 4°C contrairement à des conservations à 19°C, 27°C et surtout 32°C, permettant d’obtenir une activité métabolique, une viabilité et une intégrité cellulaire supérieures ainsi qu’une diminution des marqueurs de l’inflammation et du stress oxydant. Nous avons aussi démontré les bénéfices d'un nouveau transporteur d’oxygène, M101, dans deux des solutions de conservation les plus utilisés, UW et HTK. L'utilisation de M101 en conservation statique permet une meilleure reprise de fonction à court terme et une réduction de la fibrose, cause principale de la perte du greffon. Enfin, nous avons montré une conservation des bénéfices de M101 à des doses réduites et déterminé que cette protection était due à une multifonctionnalité de la molécule, combinant un transporteur d’oxygène, une activité superoxyde dismutase et une taille importante (permettant de réguler la pression oncotique). Ce travail a montré de nouvelles pistes de réflexion vers une préservation, et donc une qualité, supérieure des organes à transplanter. / The most used preservation method in renal transplantation is hypothermic cold storage (CS). However, this method induces damages inherent to the ischemia/ reperfusion (I /R) syndrome.My study was aimed at identifying new grafts preservation conditions, to limit I/R damage, by varying storage temperature or by adding an oxygen carrier.We used two models: in vitro with endothelial cells and in vivo in pig renal autotransplantation. The results confirmed the deleterious effects of 4°C storage in contrast to conservations at 19°C, 27°C and above 32°C, resulting in improved metabolic activity, cellular viability and integrity as well as a significant reduction in markers of inflammation and oxidative stress. Then we demonstrated the benefits of a new oxygen carrier, M101, in the two most used preservation solutions, UW and HTK. Indeed, use of M101 in CS protocols improved short-term function recovery and reduced fibrosis development, main cause of graft loss. Finally, we have shown that the benefits of M101 were preserved at lower doses and we determined that this protection was due to a multifunctionality of the molecule, combining oxygen transport, superoxyde dismutase activity and a large size (regulating oncotic pressure). This work permitted the uncovering of new concepts towards improved organ preservation and quality for transplantation.

Étude expérimentale de l'hypothermie ultra-rapide par ventilation liquide totale au cours de situations critiques d'ischémie-reperfusionL’ischémie-reperfusion est une situation rencontrée de façon pluri-quotidienne en anesthésie-réanimation. Sa prise en charge thérapeutique est limitée au traitement de la pathologie causale et à la suppléance des organes défaillants. Dans ce contexte, l’hypothermie possède des effets cyto- et organo-protecteurs pléiotropes, dont les bénéfices pourraient être pénalisés par des délais d’application trop longs. La ventilation liquide totale (VLT) hypotherme est une approche émergente, permettant de refroidir très rapidement un organisme. Elle consiste à ventiler les poumons avec des perfluorocarbones liquides, permettant d’assurer les échanges gazeux, tout en faisant varier la température de ces perfluorocarbones, et en utilisant le poumon comme bio-échangeur thermique.L’objectif de cette thèse était d’investiguer les effets de la VLT hypotherme au cours de la défaillance multi-viscérale dans des modèles d’ischémie-reperfusion systémique chez le lapin.Dans un premier travail, nous avons étudié un modèle d’ischémie-reperfusion par clampage de 30 minutes de l’aorte abdominale supra-cœliaque, suivi par 5 heures de reperfusion. Les animaux témoins développaient une défaillance multi-viscérale d’expression clinico-biologique sévère. Dans le groupe soumis à la VLT, cette stratégie permettait d’abaisser la température à 33°C en moins de 15 minutes, cible thermique maintenue pendant 75 minutes avant réchauffement. Les défaillances cardio-circulatoires, rénales et hépato-splanchniques étaient atténuées de façon pérenne, avec une protection d’autant plus puissante que la VLT était initiée tôt par rapport au clampage.Dans un second travail, nous nous sommes appuyés sur un modèle d’arrêt cardiaque en rythme non choquable par asphyxie, à l’origine d’une mortalité majeure de cause neurologique, et d’un syndrome post-arrêt cardiaque sévère. La VLT hypotherme offrait une neuro- et cardio-protection puissante, et une réduction du syndrome inflammatoire. L’hyperhémie cérébrale, la production d’espèces réactives de l’oxygène et l’augmentation de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique étaient également significativement réduits.Ces travaux démontrent qu’une hypothermie systémique ultra-rapide par VLT hypotherme atténue les effets délétères multi-viscéraux de l’ischémie-reperfusion. La brièveté de la fenêtre temporelle de protection suggère que la rapidité d’obtention de la cible thermique est un élément clef dans le bénéfice permis par cette approche. / Ultra-fast cooling with total liquid ventilation and ischemia-induced multi-organ failureIschemia and reperfusion injury is a major challenge in anesthesiology and critical care. Resolution of the underlying condition and organ replacement therapies are the cornerstone of the treatment. Hypothermia exhibits a myriad of protective effects, but delays of application may blunt its benefits. Ultra-fast cooling with total liquid ventilation (TLV) is an emerging strategy, which consists in lung ventilation with cold perflurocarbons and uses the lungs as a heat exchanger while maintaining normal gas exchanges. Our objective was to investigate the effects of TLV-induced cooling during multiorgan failure caused by systemic ischemia-reperfusion in rabbits.In a first study, the application of 30 minutes of supraceliac aortic cross-clamping followed by 300 minutes of reperfusion led to severe multiorgan failure in control animals. On the contrary, animals submitted to hypothermic TLV reached the temperature of 33°C within less than 15 minutes. Hypothermia was maintained during 75 minutes before rewarming. This brief period of hypothermic TLV attenuated biochemical and histological markers of multiorgan failure. Cardiovascular and liver dysfunctions were limited by this short period of hypothermic TLV, even when started after reperfusion. Conversely, acute kidney injury was limited only when hypothermia was started before reperfusion.In a second study, non-shockable cardiac arrest from respiratory cause was responsible for a high rate of mortality and a severe post-cardiac arrest syndrome. Hypothermic TLV had potent neuro- and cardio-protective effects, as well as reduced inflammatory syndrome. Early preservation of the blood-brain barrier integrity and cerebral hemodynamics as well as reduction in the immediate reactive oxygen species production in the brain, heart, and kidneys were also notable.These studies demonstrate that ultra-fast cooling by TLV alleviates the deleterious effects of ischemia-reperfusion. The optimal duration and timing of TLV-induced hypothermia for end-organ protection in hypoperfusion states remains to be determined.

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Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH) wird in der Herzchirurgie zur Korrektur komplexer angeborener Herzfehler angewendet. In den letzten Jahren zeigte sich eine Abnahme der Morbidität und Mortalität nach kardiochirurgischen Eingriffen. Es entstanden aber gleichzeitig Bedenken über eine Beeinträchtigung der neurologischen Funktion und psychomotorischen Entwicklung der operierten Kinder. Wir untersuchten das morphologische Schädigungsmuster im Gehirn nach extrakorporaler Zirkulation mit Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH) in einem neonatalen Tiermodell. Zusätzlich evaluierten wir morphologisch den Einfluss einer neuroprotektiven Vorbehandlung mit systemischer und intrathekaler Applikation von Methylprednisolon (MP). Material und Methoden: 24 neugeborenen Ferkeln mit einem Alter unter 1 Woche (Gewicht: 2,1 ± 0,5 kg KG) wurden mittels eines cardiopulmonalen Bypass(CPB) bei 15 °C rektaler Körpertemperatur einem totalen Kreislaufstillstand (KSTH) von 120 Minuten ausgesetzt. Nach Reperfusion wurden die Tiere vom CPB entwöhnt und für 6 Std. überwacht. Eine Gruppe ohne Intervention mit 12 Tieren diente als Kontrollgruppe, bei 7 Tieren wurde eine systemische und bei 5 Tieren eine intrathekale Methylprednisolongabe (Urbason) präoperativ durchgeführt. Das Gehirn wurde nach Fixierung regional histologisch und immunhistochemisch untersucht. Die nekrotischen und apoptotischen Neurone wurden quantitativ in Hippocampus, Kortex, Stammganglien und Kleinhirn erfasst. Molekulargenetische Untersuchungen erfolgten im frontalen Kortex und es wurde die Genexpression mittels "Real-time PCR" für das Hitze-Schock-Protein 70 kD (HSP 70) und die apoptotischen Gene Bak, FAS und Bcl-xL erfasst. Ergebnisse: Das Schädigungsmuster nach KSTH von 120 Minuten bestand aus Nekrose der Neuronen mit einem Fokus in Hippocampus, Kleinhirn und Kortex. Zusätzlich kam es im Gyrus dentatus zum Auftreten apoptotischer Neuronenveränderungen, wobei durch die MP-Vorbehandlung die Anzahl apoptotischer Neurone zunahm. Unter der systemischen Steroidbehandlung kam es zu einer signifikanten Hyperglykämie. Molekulargenetisch zeigten sich bei systemischer Steroidvorbehandlung eine Induktion pro-apoptotischer Gene. Nach intrathekaler Steroidgabe war das Verhältniss zugunsten der anti-apoptotischen Gene signifikant verändert. Die Expression des HSP-70 war nur in der intrathekalen Gruppe signifikant erhöht und scheint im Zusammenhang mit einer geringeren neuronalen Zellschädigung zu stehen. Schlussfolgerung: Eine systemische Vorbehandlung mit MP zeigte keinen neuroprotektiven Effekt, im Gegenteil kam es zu einer Zunahme nekrotischer und apoptotischer neuronaler Zellveränderungen. Bei intrathekaler Applikation des MP und Umgehung der Blut-Hirn-Schranke kam es zu einer signifikanten Reduktion der nekrotischen Zellveränderungen im Sinne einer neuroprotektiven Wirkung. Die routinemäßige Applikation von Steroiden in der Kinderherzchirurgie sollte aufgrund dieser Ergebnisse kritisch überdacht werden. / We evaluated the mode of neuronal cell injury and the possible neuroprotective effect of pretreatment with high dose steroids in a neonatal piglet model with CPB and 120 minutes deep hypothermic circulatory arrest (DHCA). Methods: 24 neonatal piglets (age < 10 days and 2,1 ± 0,5 kg BW) were included in this study. Three groups were formed, one group without any additional pharmacological treatment (n=12) served as control group, two groups with a high dose methylprednisolone (MP) pretreatment, where 30 mg / kg/ BW MP (Urbason) was administered either systemically preoperatively (n=7), or intrathecally 4-6 hours preoperatively (n=5). All animals were anaesthetized, intubated and mechanically ventilated. After median sternotomy the animals were connected to CPB by cannulation of the aorta and right atrium. Full flow CPB (200 ml/kg/min) was initiated to achieve homogeneous systemic cooling. Circulatory arrest for 120 min. was induced when rectal temperature of 15°C was achieved. After rewarmed reperfusion and establishment of stable cardiac ejection the animals were weaned from CPB and monitored for 6-8 hours. Thereafter the animals were sacrificed and the brain was immediately removed, cut in standardized sections and fixated and frozen for further histological and immunohistochemical studies. Neuronal cells were counted in cerebral cortex, basal ganglia, hippocampal region and cerebellum in respect to apoptotic and hypoxic-necrotic neuronal cell changes in each animal. Real-time PCR was performed from frozen brain sections for analysis of expression of heat-shock-protein 70kD (HSP 70), FAS, Bak and Bcl-xl. Results: The main preliminary findings of this neonatal ischemic brain model were the quantitative evaluation of cell injury including perivascular astroglial cells and necrotic and apoptotic neuronal cell changes. The systemic application of high dose methylprednisolone lead only to a slight reduction of edema, but it produced a significant hyperglycemia and aggravation of neuronal necrosis. Intrathecal MP was effective in reducing neuronal necrosis without appearance of hyperglycemia. Application of steroids lead to an induction of neuronal apoptosis in the hippocampus. Increased pro-apoptotic gene expression were detected with steroid pretreatment. Increased expression of HSP 70 may reflect reduction in neuronal cell death. Conclusion: Systemic pretreatment with methylprednisolone seems not to be effective for neuroprotective goal during cardiac surgery with DHCA. In contrast intrathecal steroid treatment could reduce neuronal cell death significant. The pronounced apoptotic neuronal cell changes, which were seen after steroid pretreatment, raises concern with regard to the routine use of methylprednisolone during pediatric cardiac surgery.

L'encéphalopathie hypoxique ischémique néonatale (EHI) reste la cause principale de mortalité chez le nouveau-né à terme. Un tiers des survivants vont développer des séquelles neurologiques, dont la paralysie cérébrale (PC), l'épilepsie et un retard intellectuel. Afin d'améliorer leur pronostic, ces nouveau-nés sont soumis à l'hypothermie thérapeutique (HT) qui débute au plus tard 6 heures après la naissance, pour une durée totale de 72 heures, suivie d'un réchauffement graduel (0.5°C/h). Il a été démontré que cette thérapie à effet neuroprotecteur diminue considérablement l'étendue des lésions cérébrales et la fréquence des séquelles neurologiques. Or, des études animales suggèrent que l'hypothermie sans sédation avec opioïdes n'est pas bénéfique. Selon les observations qui ont été réalisées, les porcelets traités avec la thérapie, mais sans l’administration d’analgésique ont manifesté des signes d’instabilités et de tremblements exagérés. On ignorait jusqu’à présent dans quelle mesure ces résultats tirés des expérimentations animales pouvaient être généralisables au nouveau-né. Ainsi, mon projet de maîtrise vise à mieux comprendre les facteurs qui risquent de compromettre les effets bénéfiques de la thérapie de refroidissement, dans le but d’optimiser la neuroprotection et d’améliorer le développement des nourrissons atteints d’EHI. Nous avons comme objectif principal d’évaluer l’association entre les doses d’opioïdes consommées pendant l’HT, le degrée de tremblement, et l’évolution de l’index de discontinuité à l’EEG au fil des 72h de l’HT, du réchauffement et jusqu’à 12 heures post-HT. Pour répondre à l’objectif, nous avons conduit une étude chez 21 nouveau-nés avec EHI soumis à l’HT, et dont les principaux résultats ont montré des associations significatives entre les fortes doses d’opioïdes administrés à l’enfant (r = - 0.493, p = 0.023), les frissons réduits pendant l’HT (r = 0.513, p = 0.017) et l’amélioration du rythme cérébrale d’EEG. Ces résultats sont décrits de manière plus approfondie dans le Chapitre 2 qui présente la version de l’article soumis à la revue Journal of Pediatrics, et le Chapitre 3 qui présente un retour sur la littérature à la lumière de nos trouvailles. Quant au Chapitre 4, nous y élaborons les possibilités de perspectives futures et les retombées cliniques de nos résultats. À long terme, nous espérons que nos travaux permettront l’ouverture d’une nouvelle piste d’amélioration de la neuroprotection, en favorisant systématiquement une meilleure prise en charge de la douleur et du stress induit par le refroidissement. / Neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE) remains the leading cause of death and mortality in the term infant. A third of the survivors will develop neurological sequelae including cerebral palsy (CP), epilepsy and mental retardation. In order to improve their prognosis, these newborns undergo therapeutic hypothermia (TH), which begins no later than 6 hours after birth, maintained for a total duration of 72 hours and followed by gradual rewarming (0.5°C/h). This neuroprotective therapy has been shown to significantly decrease the extent of brain injury and the frequency of neurological sequelae. Results from animal studies revealed that ongoing hypothermia without proper anesthesia is not beneficial. Based on the observations that have been reported, piglets treated with TH with no analgesics have shown signs of instability and excessive tremors. Until now, the extent to which these results from animal experiments could be generalized to the newborn remained unknown. Thus, the purpose of my master’s project was to better understand the clinical factors that may compromise the beneficial effects of TH, in an attempt to optimize neuroprotection and improve the neurological outcome of HIE infants. Our main objective was to assess the associations between opioid doses consumed during TH, shivering recorded during TH, and the evolution of EEG discontinuity index over the course of TH, rewarming and up to 12 hours post-TH. To meet the objective, we conducted a study in 21 newborns with HIE undergoing TH, and the results have shown significant associations between high doses of opioid administered (r = - 0.493, p = 0.023), reduced shivering stress (r = 0.513, p = 0.017) and improved EEG background activity. The key findings of the study are described in more detail in Chapter 2, which presents the original manuscript submitted for publication to the “Journal of Pediatrics”, and Chapter 3, which presents a review of the literature in light of our results. In Chapter 4, we discuss future perspectives and the clinical significance of our results. At last, we hope that our study will open up new avenues for improving neuroprotection, by systematically promoting a better management of pain and cooling-induced stress.

Background Anticipatory and compensatory balance responses are used by the central nervous system (CNS) to preserve balance, hence they significantly contribute to the understanding of physiological mechanisms of postural control. It is well established that various sensory systems contribute to the regulation of balance. However, it is still unclear which role each individual sensory system (e.g. plantar mechanoreceptors) plays in balance regulation. This becomes also evident in various patient populations, for instance in diabetics with reduced plantar sensitivity. To investigate these sensory mechanisms, approaches like hypothermia to deliberately reduce plantar afferent input have been applied. But there are some limitations regarding hypothermic procedures in previous studies: Not only plantar aspects of the feet might be affected and maintaining the hypothermic effect during data collection. Therefore, the aim of the present study was to induce a permanent and controlled plantar hypothermia and to examine its effects on anticipatory and compensatory balance responses. We hypothesized deteriorations in anticipatory and compensatory balance responses as increased center of pressure excursions (COP) and electromyographic activity (EMG) in response to the hypothermic plantar procedure. 52 healthy and young subjects (23.6 ± 3.0 years) performed balance tests (unexpected perturbations). Subjects’ foot soles were exposed to three temperatures while standing upright: 25, 12 and 0 °C. COP and EMG were analyzed during two intervals of anticipatory and one interval of compensatory balance responses (intervals 0, 1 and 2, respectively). Results Similar plantar temperatures confirmed the successful implementation of the thermal platform. No significant COP and EMG differences were found for the anticipatory responses (intervals 0 and 1) under the hyperthermia procedure. Parameters in interval 2 showed generally decreased values in response to cooling. Conclusion No changes in anticipatory responses were found possibly due to sensory compensation processes of other intact afferents. Decreased compensatory responses may be interpreted as the additional balance threat, creating a more cautious behavior causing the CNS to generate a kind of over-compensatory behavior. Contrary to the expectations, there were different anticipatory and compensatory responses after reduced plantar inputs, thereby, revealing alterations in the organization of CNS inputs and outputs according to different task difficulties.