Chaque année, environ 40000 patients subissent un arrêt cardiaque extra-hospitalier en France. Malgré l’amélioration de la prise en charge initiale, ces patients développent fréquemment une dysfonction neurologique, cardiaque et multi-viscérale, à l’origine d’une survie extrêmement faible. L’une des stratégies susceptible d’améliorer la survie chez les patients est l’induction d’une hypothermie thérapeutique modérée à 32-34°C. Cela présente néanmoins un bénéfice très limité chez l’Homme par rapport à celui décrit dans les études expérimentales. L’une des explications pourrait être la vitesse d’induction de l’hypothermie chez l’Homme par rapport à celle réalisée chez l’animal de laboratoire. Dans ce contexte, le laboratoire d’accueil étudie une approche capable de maximiser la vitesse de refroidissement par ventilation liquide totale (VLT). Cette stratégie consiste à ventiler les poumons avec des perfluorocarbones liquides et à utiliser cet organe comme bio-échangeur thermique, tout en assurant des échanges gazeux normaux.L’objectif de mon travail a été de d’étudier expérimentalement les conséquences de l’induction d’une hypothermie ultra-rapide dans différentes situation d’arrêt cardiaque chez le lapin. Cela permettrait à terme de déterminer la situation la plus pertinente pour le transfert clinique de la VLT.Nous avons tout d’abord étudié l’effet d’une hypothermie induite par de grande quantités de fluides froids pendant la réanimation cardio-pulmonaire après un arrêt cardiaque choquable. Cela n’a pas permis d’induire de bénéfice sur les chances de réanimation en l’absence d’administration d’adrénaline. Dans un second temps, nous avons démontré que la VLT était associée à une puissante neuroprotection et cardioprotection à la fois après un arrêt cardiaque choquable avec infarctus du myocarde sous-jacent, ou après un d’arrêt cardiaque non choquable d’origine respiratoire. Ce bénéfice s’exerçait très précocement au décours de l’arrêt cardiaque, par une inhibition de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique, de la production d’espèces réactives de l’oxygène, de l’hyperhémie cérébrale et de la réponse inflammatoire.Ces résultats démontrent l’existence d’une fenêtre thérapeutique très précoce, au cours de laquelle la VLT hypothermisante peut procurer une puissante protection neurologique et cardiaque à la suite d’un arrêt cardiaque. Dans la perspective d’un transfert clinique de la VLT, la situation de l’arrêt cardiaque non choquable serait particulièrement pertinente, en raison du pronostic très sombre qui lui est associé. / Cardiac arrest is a major public health issue, concerning 40000 patients every year in France. Among the successfully resuscitated patients, most of them develop severe neurological, cardiac and multivisceral dysfunctions, leading to an aggravation of the prognosis. One of the strategies that could improve this prognosis is mild therapeutic hypothermia at 32-34 degres°C during 24 hours. However, recent clinical studies demonstrated limited benefits in patients, as compared to experimental studies. One of the explanations could be the relatively prolonged delay for hypothermia achievement in humans as compared to laboratory animals. In order to induce similar cooling rate in humans than animals, the laboratory is investigating a strategy for ultra-fast cooling through total liquid ventilation (TLV). This strategy consists in lungs ventilation with cold perfluorocarbons, which could use the lungs as a heat-exchanger while maintaining normal gas exchanges.The general goal of the present study was to experimentally investigate the consequences of ultra-fast cooling in different situations of cardiac arrest in rabbits. This could lead to determine the most relevant clinical setting for a further clinical translation of TLV in patients.Accordingly, we initially studied the effect of conventional hypothermia through fluid administration during cardiac massage in a rabbit model of shockable cardiac arrest. Such conventional hypothermia did not provide any benefit. Then, we investigated the effect of cooling induced by TLV in rabbits submitted to cardiac arrest from different causes. After ischemic cardiac arrest from shockable rhythm, TLV was associated with potent neuro- and cardioprotective effects, along with strong survival improvement and multivisceral dysfunction limitations. After cardiac arrest from respiratory and non-shockable cause, TLV provided potent neurological benefit. This was exerted very early after resuscitation through the reduction of the blood-brain barrier permeability, reactive oxygen species production, acute cerebral hyperhaemia or inflammatory response.In conclusion, TLV-induced cooling provides potent neurological and systemic benefits after experimental cardiac arrest from different causes in rabbits. These works describe the existence of a therapeutic window for hypothermia, very early after cardiac arrest. This strengthens the relevance of TLV for cooling induction. For a further clinical translation, non-shockable cardiac arrest could be a relevant clinical situation, considering the very poor prognosis.

Chaque année, l’arrêt cardiaque extra-hospitalier, plus communément appelé mort subite, est responsable de plus de 40 000 décès en France. Le plus souvent, cela constitue l’ultime complication d’un infarctus du myocarde ou d’autres maladies cardiovasculaires. Le développement des méthodes de réanimation cardio-pulmonaire (RCP), leur diffusion publique et l’amélioration de la prise en charge pré-hospitalière (« chaîne de survie ») ontpermis une forte augmentation du pourcentage de patients réanimés après un arrêt cardiaque depuis une trentaine d’années. Malheureusement, la reprise d’une activité circulatoire spontanée ne constitue que la première étape de cette prise en charge et la majorité des patients décèdent dans les jours suivants de défaillances multiviscérales regroupées sous le nom de « syndrome post-arrêt cardiaque » 2. Seule une minorité de patients peut i fine survivire et sortirt de l’hôpital après une bonne récupération neurologique. Depuis de nombreuses années, les chercheurs tentent donc de découvrir des stratégies cardioprotectrices et neuroprotectrices dont l’application permettrait d’améliorer le pronostic de ces patients. / Summary not transmitted

Le refroidissement in vivo du myocarde jusqu'à 32-34°C est une stratégie cardioprotectrice extrêmement puissante expérimentalement. La ventilation liquide totale (VLT) par des perfluorocarbones permet d'induire cette hypothermie très rapidement en utilisant le poumon comme bioéchangeur thermique, tout en maintenant des échanges gazeux normaux. L'objectif de notre travail de thèse a été d'étudier les effets de la VLT hypothermisante sur les lésions d'ischémie-reperfusion dans des modèles d'ischémie myocardique régionale et d'arrêt cardiorespiratoire chez le lapin. Dans une première étude, nous avons démontré que l'instauration per-ischémique d'un épisode de VLT hypothermisante permettait d'atteindre la température cible de 32-33°C en seulement 5 min chez des lapins chroniquement instrumentés soumis à 30 min d'occlusion coronaire. Cela permettait d'atténuer non seulement la taille d'infarctus mais également la dysfonction contractile post-infarctus. La taille d'infarctus était ainsi respectivement réduite de 89 et 71% lorsque la VLT était débutée à la 5ème ou à la 15ème min d'occlusion coronaire par rapport au groupe Témoin. Cette protection était associée à un effet bénéfique sur la fonction mitochondriale dont la capacité de rétention calcique était significativement accrue par l'hypothermie.Dans une seconde étude, nous avons montré que cet effet cardioprotecteur de la VLT hypothermisante n'était pas limité par un plateau de cardioprotection puisqu'il persistait lors d'ischémies prolongées (60 min) chez des lapins anesthésiés. Les tailles de l'infarctus et du no-reflow étaient en effet respectivement diminuées de 45 et 74% dans un groupe d'animaux soumis à une VLT hypothermisante à partir de la 5ème min d'occlusion coronaire par rapport au groupe Témoin. Lorsque la VLT était instaurée plus tardivement (20ème min d'occlusion coronaire), ces réductions restaient significatives (respectivement -30% et -60%) alors qu'un refroidissement conventionnel par application de couvertures froides n'induisait aucun bénéfice, même lorsqu'il était débuté dès la 5ème min d'occlusion coronaire.Grâce aux travaux précédents, nous avons obtenu la preuve de concept de l'effet cardioprotecteur de la VLT hypothermisante au cours d'une ischémie myocardique régionale. Cependant, la translation clinique de cette stratégie est probablement délicate dans la situation de l'infarctus du myocarde. Il nous a en revanche semblé qu'elle pourrait être également bénéfique au cours de la réanimation post-arrêt cardiaque. Pour étudier ce phénomène, nous avons mis au point un modèle expérimental d'arrêt cardiaque et de réanimation cardiopulmonaire chez des lapins soumis à un épisode de fibrillation ventriculaire. Nous avons ainsi montré que la VLT hypothermisante permettait d'augmenter significativement la survie et d'atténuer le syndrome post-arrêt cardiaque par rapport à une réanimation conventionnelle. Après 10 min d'arrêt cardiaque, la survie était par exemple respectivement de 7/10 vs 0/10 chez les animaux soumis à la VLT hypothermisante par rapport au groupe Témoin. Ces effets bénéfiques étaient directement liés à la rapidité d'induction de l'hypothermie par la VLT puisqu'une hypothermie conventionnelle par refroidissement externe et perfusion de fluides refroidis n'a pas permis d'induire de protection significative.En conclusion, la VLT hypothermisante est une approche puissamment protectrice lors d'ischémie myocardique régionale et au décours d'un arrêt cardiaque. L'évaluation plus approfondie de cette stratégie nécessite à présent le développement de dispositifs sécurisés pouvant être utilisés sur un modèle gros animal.MOTS-CLES : Ventilation liquide totale, perfluorocarbone, hypothermie, infarctus, no-reflow, arrêt cardiaque. LABORATOIRE D'ACCUEIL : Laboratoire de pharmacologie, INSERM U955 équipe 3, Ecole nationale vétérinaire d'Alfort, Faculté de médecine de Créteil, Université Paris-Est, Créteil. / Cooling the ischemic myocardium to 32-34 °C is known to be potently cardioprotective. Total liquid ventilation (TLV) with perfluorocarbons can induce such an hypothermia very fastly using the lung as a heat exchanger while maintaining normal gas exchanges. The aim of this thesis was to investigate its beneficial effects in experimental models of myocardial ischemia and cardiac arrest in rabbits.In our first study, we demonstrated that the institution of hypothermic TLV allowed achieving a cardiac temperature of 32-33°C within only 5 min in chronically instrumented rabbits subjected to 30 min of coronary artery occlusion. This was associated with a significant reduction in infarct size along with a dramatic attenuation of the post-ischemic myocardial contractile dysfunction. As example, infarct size was reduced by 89 and 71% when TLV was initiated at the 5th or 15th min of coronary artery occlusion, respectively. This protection was associated with an attenuation of the mitochondrial dysfunction, as shown by an increased calcium restrain capacity.In a second study, we demonstrated that the protective effect of hypothermic TLV was not limited by a ceiling of cardioprotection since infarct size reduction persisted following prolonged ischemia (60 min) in anesthetized rabbits. Infarct and no-reflow sizes were indeed reduced by 45 and 74% in animals subjected to hypothermic TLV from the 5th min of coronary occlusion as compared to corresponding Controls, respectively. In comparison, a conventional external cooling with cold blankets did not reduce infarct size even when instituted since the 5th of ischemia.Thanks to the previous works, we obtained the proof of concept that hypothermic TLV could offer a dramatic cardioprotection during regional myocardial ischemia. However, the clinical translation of this strategy might be challenging in the clinical scenario of ST-elevation myocardial infarction. This might conversely be less challenging and also beneficial to prevent the post-cardiac arrest syndrome in patients resuscitated from cardiac arrest. In order to investigate this phenomenon, we developed an experimental model of cardiac arrest and cardiopulmonary resuscitation in rabbits submitted to an episode of ventricular fibrillation. Accordingly, we have demonstrated in this model that hypothermic TLV significantly increased survival and attenuated the post-cardiac arrest syndrome as compared to conventional resuscitation. After 10 min of cardiac arrest, survival was for example 7/10 vs 0/10 in animals subjected to hypothermic TLV vs corresponding Controls, respectively. These beneficial effects were directly related to the rapidity at inducing hypothermia with TLV since conventional hypothermia using external cooling and infusion of cold fluids failed to induce a significant protection.In conclusion, hypothermic TLV can induce a dramatic protection during regional myocardial ischemia or following cardiac arrest and resuscitation. In order to further investigate this strategy, we are now requiring a secured device that can be used in large animals.KEYWORDS: total liquid ventilation, perfluorocarbon, hypothermia, infarct, no-reflow, cardiac arrest.Laboratory: Laboratory of Pharmacology, INSERM U955 équipe 3, Ecole nationale vétérinaire d'Alfort, Faculté de médecine de Créteil, Université Paris-Est, Créteil.

Au cours de la ventilation liquide totale (VLT), les cellules pulmonaires sont exposées à des perfluorocarbones (PFC) dont les propriétés physiques diffèrent fortement du milieu standard de culture cellulaire (DMEM) et encore plus des propriétés de l'air. Dans cette thèse nous étudions les effets d’une exposition au PFC sur la réponse des cellules épithéliales pulmonaires, en effectuant une étude approfondie des propriétés structurales, mécaniques et fonctionnelles. La réponse des cellules A549 (alvéolaire), HBE (bronchique) et AM (Macrophage alvéolaire) exposées au PFC est étudiée par comparaison au DMEM. Les variations de la structure de F-actine, de la densité d'adhésion focale et de la distribution du glycocalyx sont évaluées par fluorescence. Les changements de propriétés mécaniques et de paramètres d’adhésion sont mesurés par la Magnétocymétrie (MTC) étendue à l’analyse multiéchelle. La mécanique cellulaire est caractérisée par deux modèles microrhéologiques reflétant deux types de comportement possibles du cytosquelette (CSK). L'adhésion à la matrice cellulaire est analysée par un modèle stochastique de dé-adhésion, décrivant la composante non-réversible de la réponse cellulaire. Les rôles fondamentaux de la structure de F-actine et de la couche de glycocalyx sont respectivement évalués par dépolymérisation de F-actine et en dégradant le glycocalyx. Les résultats montrent que l'exposition au PFC induit un remodelage de la structure de F-actine, un affaiblissement du CSK et une diminution de l'adhésion. Ces résultats démontrent que le PFC déclenche une réponse particulière des cellules épithéliales caractérisée par une diminution de la tension intracellulaire, l'affaiblissement de l'adhésion et la redistribution du glycocalyx. L’origine de cette adaptation cellulaire est physique et très probablement reliée à l’augmentation de l'énergie interfaciale associée à la basse tension de surface d’un PFC chimiquement apolaire. La faible tension de surface du PFC est également responsable d'une augmentation de la compliance pulmonaire pendant VLT et a des impacts profonds dans les paramètres respiratoires, parallèlement à la modification de la réponse cellulaire. / During Total Liquid Ventilation (TLV), lung cells are exposed to perfluorocarbon (PFC) whose physical properties highly differ from aqueous medium (DMEM) standardly used for cell culture and farther air properties. In this thesis, we study the effects of PFC exposure on the response of pulmonary epithelial cell by performing a thorough assessment of their structural, mechanical and functional properties. The response of A549 cells (alveolar), HBE (bronchial), and AM (alveolar macrophages) exposed to PFC is studied by comparison to DMEM. Changes in F-actin structure, focal adhesion size and density and glycocalyx expression are evaluated by fluorescence. Changes in cell mechanics and adhesion parameters are measured by a multiscale Magnetic Twisting Cytometry (MTC) method. Cell mechanics is analyzed by two microrheological models reflecting two possible cytoskeleton features. Cell-matrix adhesion is analyzed by a stochastic multibond de-adhesion model describing the non-reversible component of the cell response by MTC. The key roles of F-actin structure and glycocalyx layer are established by respectively depolymerising F-actin and degrading glycocalyx. Results show that PFC exposure induces F-actin remodelling, cytoskeleton softening and adhesion weakening. They demonstrate that PFC triggers an epithelial cell response which is characterized by decay in intracellular tension, adhesion weakening and glycocalyx redistribution. The origin of this cellular adaptations is physical and most likely related to the increase in interfacial energy, associated to the low surface tension of the non polar perflurorocarbon, The low surface tension of PFC is also responsible for an increase in lung compliance during TLV and has deep impacts during ventilation parallel to the modification of cell response.

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.