In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, wie intrapulmonal stufenweise per Instillation gegebenes, hochgereinigtes Perfluorocarbon (FC 3280) die Hämodynamik, die Lungenfunktion und die Überlebenszeit bei ARDS im Tierexperiment beeinflusst. An zwölf anästhesierten wurde eine prospektive, randomisierte und kontrollierte Studie durchgeführt. Bei den Tieren wurde durch wiederholte Lavagen mit warmem Kochsalz ein Surfactantmangel erzeugt. Anschließend wurden sechs Tiere mit partieller Flüssigkeitsbeatmung (PLV) durch zweimalige Applikation von 7,5 ml/kgKG FC 3280 behandelt (Behandlungsgruppe). In der Kontrollgruppe erhielten 6 Tiere keine weitere Therapie. Die Hämodynamik und der Gasaustausch wurden alle 30 Minuten nach Gabe des PFC kontrolliert. In der Behandlungsgruppe lag der PaO2 nach 7,5 ml/kgKG PFC bei 67 +- 33 mmHg und nach insgesamt 15 ml/kgKG bei 106 +- 74 mmHg. Drei der Tiere sprachen dabei gut auf die Therapie an. Bei ihnen konnten beachtliche Verbesserungen in der Sauerstoffversorgung gezeigt werden. So verbesserte sich der PaO2 von 62 mmHg auf 450 mmHg bei einem der Tiere, welches gut auf PLV ansprach. In der Kontrollgruppe blieb der Gasaustausch jedoch unverändert. Die hämodynamischen Parameter verhielten sich während der ersten 6 Stunden stabil in der Behandlungsgruppe während sich bei den Kontrolltieren die Verhältnisse zunehmend verschlechterten. In der Behandlungsgruppe lag das Mittel der Überlebenszeit bei 8,2 +- 4,5 Std. und bei 1,8 +- 1,4 Std. in der Kontrollgruppe (p < 0,05). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die partielle Flüssigkeitsbeatmung mit Perfluorocarbon nicht bei allen Tieren im experimentellem Lungenversagen durch Lavage die arteriellen Oxygenierung bessert. Jedoch auch die Tiere die keinen Anstieg des PaO2 zeigten, lebten länger als die Kontrolltiere. Somit zeigt die verbesserte Überlebenszeit durch PLV einen positiven Effekt in der Behandlung des akuten Lungenversagens. / This thesis discusses the effects of intrapulmonal application of a highly purified perfluorocarbon (FC3280) concerning haemodynamics, gas exchange and survival rates in an experimental animal model of ARDS. A randomised, controlled and prospective study was performed on twelve anesthetised pigs. Repetitive saline lunglavage resulted in surfactant depletion. Subsequently six pigs received partial liquid ventilation with two aliquots of 7,5 ml/kg FC3280 (treatment group), whereas 6 pigs received no further treatment (control group). Haemodynamic values and gas exchange were recorded in a 30 minutes interval. Within the treatment group the PaO2 after 7, 5 ml/kg PFC was 67 +- 33 mmHg and after 15 ml/kg 106 +- 74 mmHg. Three animals responded well to the treatment. The responding animals showed improvements of arterial oxygen contents. One pig showed a increase in PaO2 from 62 mmHg to 450 mmHg. Within the control group gas exchange remained unchanged. Haemodynaimc values in the treatment group remained stable over six hours but deteriorated in the control group. Survival rates were 8,2 +- 4,5 hours in the treatment group and 1,8 +- 1,4 hours in the control group. In conclusion our study showed that partial liquid ventilation improved oxygenation not in all animals treated with perfluorocarbons. While these animals showed no improved in oxygenation they survived longer than the controls. The significant improvement in survival time shows a positive effect in the treatment of ARDS.

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.

Inhaled drug delivery is currently the gold standard for treating many respiratory diseases. However, improved treatments are needed for lung diseases like Cystic Fibrosis (CF) and Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), where mucus or fluid build-up in the lung limits ventilation and, thus, delivery of inhaled drugs. Delivery is most needed in the diseased or damaged regions of the lung, but if an area is not ventilated, inhaled drug will simply not reach it. To overcome this, this research proposes delivering drugs to the lungs within a perfluorocarbon (PFC) liquid. The lungs will be filled with a reverse emulsion containing a disperse phase of aqueous drugs within the bulk PFC and then ventilated. The PFC functions as both a respiratory medium, providing gas exchange, and as a delivery vehicle, providing a more uniform deposition of drugs. After treatment, the highly volatile PFCs are exhaled, returning the patient to normal respiration. This technique improves upon current therapies as follows. First, drugs are delivered directly to where they are needed, yielding higher concentrations in the lung and lower systemic concentrations. Second, PFCs are ideal for washing out lung exudate and mucus. The low surface tension and high density of PFC allows it to easily penetrate plugged or collapsed alveoli, detach infected mucus from the airway walls, and force these fluids to the top of the lungs where they can then be removed via suction. Mucus and exudate removal should allow drugs to penetrate previously plugged airways during emulsion delivery and subsequent treatment with inhaled therapies. Thus, drug delivery via emulsion would be used as a pre-treatment to enhance inhaled or systemic drug therapy. Third, PFC’s anti-inflammatory properties help return to normal lung function. This research examines two applications of this technology: delivery of antibiotics to combat respiratory infections (antibacterial perfluorocarbon ventilation, APV) or delivery of growth factors to enhance alveolar repair (perfluorocarbon emulsions for alveolar repair, PEAR). This work represents an in-depth analysis of the emulsions used during APV and PEAR. Initial efforts evaluated emulsion efficacy under in vitro setting that better simulated lung in vivo antibiotic delivery. The subsequent studies utilized an in vivo rat model of bacterial respiratory infection to validate the effects of emulsion on pharmacokinetics and to assess APVs potential treatment benefits. Lastly, in vitro methods of cellular response assessed the utility of delivering growth factors in PEAR. Significant advancements were made in optimizing the emulsion as a viable means of pulmonary drug delivery. Final efforts resulted in a promising emulsion formulation that overcame the quick transport of tobramycin away from the lung and successfully reduced pulmonary bacterial load in vivo. In vitro applications of PEAR showed the emulsions posed a significant barrier to the availability and, thus, the biological effect of lysophosphatidic acid growth factors. Further in vivo work is required to improve APV’s efficacy over conventional treatments and to determine PEAR’s feasibility and efficacy in promoting lung repair.

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.

Das auch gegenwärtig noch mit einer hohen Letalität behaftete Krankheitsbild des akuten Lungenversagens (ARDS) wird heutzutage mit einer Vielzahl von einzelnen oder kombinierten Therapieansätzen wie drucklimitierter Beatmung mit PEEP, permissiver Hyperkapnie, ECMO oder NO-Inhalation behandelt. Die partielle Flüssigkeitsbeatmung (PLV) mit PFC, ein tierexperimenteller und vereinzelt am Patienten erprobter Therapieansatz, wurde in dieser Studie in Kombination mit additiver NO-Inhalation zur Behandlung des ARDS evaluiert. Bei 12 Schweinen wurde mittels saliner Lungenlavagen ein akutes Lungenversagen (ALI) induziert und eine PLV mit 30 ml PFC/kgKG initiiert. Im Anschluß wurden - jeweils zwischen zwei Kontrollphasen - 1 und 10 ppm NO dem Inspirationsgas zugemischt. Bezüglich der Effekte auf das Gesamtkollektiv kam es unter PLV zu einem signifikanten Anstieg des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes, des pulmonalarteriellen und des arteriellen Mitteldruckes, des arteriellen Sauerstoffgehaltes, des arteriellen Kohlendioxidgehaltes und der arteriellen Sauerstoffsättigung des Hämoglobins. Signifikant gesenkt wurden die venöse Beimischung und das Herzzeitvolumen. Die additive NO-Therapie bewirkte bezogen auf das Gesamtkollektiv lediglich zwei signifikante Veränderungen; so wurde die venöse Beimischung unter 10 ppm NO signifikant gesenkt und der inspiratorische Spitzendruck stieg bei den letzten drei Meßzeitpunkten signifikant an. Alle übrigen untersuchten Parameter änderten sich innerhalb des Gesamtkollektives nicht signifikant. Bei Betrachtung der einzelnen Tiere fiel auf, daß 7 Tiere mit einer deutlichen Verbesserung des Gasaustausches unter PLV reagierten (Responder) und 5 Tiere diese Optimierung nicht zeigten (Nonresponder). So stiegen bei den Tieren der Responder-Gruppe der arterielle Sauerstoffpartialdruck, Sauerstoffgehalt und die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins sowie der pulmonalarterielle Mitteldruck signifikant an; die venöse Beimischung fiel signifikant ab. Bei den Nonrespondern stieg der pulmonalarterielle Mitteldruck signifikant und deutlich stärker als bei den Respondern an, der Gasaustausch blieb unverändert schlecht. Bei den Tieren der Responder-Gruppe führten die NO-Gaben zu einer weiteren, abermals signifikanten Steigerung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes sowie zu einer signifikanten Senkung des pulmonalarteriellen Mitteldruckes unter 10 ppm NO. In der Nonresponder-Gruppe kam es unter den NO-Inhalationen zu keinen Veränderungen, die signifikant waren. Alle weiteren Parameter zeigten in den beiden Untergruppen keine signifikanten Veränderungen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die partielle Flüssigkeitsbeatmung nicht bei allen Tieren mit lavageinduziertem Lungenversagen die arterielle Oxygenierung bessert. Eine additive NO-Inhalation verbessert jedoch bei den Tieren, die unter PLV einen Anstieg des PaO2 zeigen, den Gasaustausch und reduziert die pulmonale Hypertension. Somit ermöglicht die Kombination zweier experimenteller Therapieansätze - partielle Flüssigkeitsbeatmung und additive NO-Inhalation - ein neues, vielversprechendes therapeutisches Konzept. Allerdings erscheinen weitere Untersuchungen notwendig, um mehr über Wechselwirkungen mit anderen Organsystemen, chemische Reaktionen der beiden Substanzen sowie über Kurz- und Langzeitnebenwirkungen dieses kombinierten Therapieansatzes herauszufinden. / Background: Partial liquid ventilation (PLV) can improve PaO2 and pulmonary arterial pressure (PAP) in acute lung injury (ALI). To determine whether NO can further augment this effect we combined PLV and NO in a saline lung lavage model of ALI. Methods: ALI was induced in twelve pigs (25±5kg BW). After instillation of FC 3280®, 1 and 10 ppm NO were administered for 20 minutes each (on-phase), interrupted by 20 minutes without NO inhalation (off-phase). Changes due to NO were calculated as the difference between the on-phase values and the mean of the off-phase values. Results: Following PLV PaO2 increased from 52.1±16.9 mmHg to 134.7±107.8 mmHg (P£ 0.05). Subsequent inhalation of NO led to a significant improvement in PaO2 only in 7 animals who had responded to PLV with an increase in PaO2 ³ 25 mmHg (responder - 1 ppm NO: 181.4±110.5 mmHg vs. 217.5±123.8 mmHg, P£ 0.05; 10 ppm NO: 160.4±115.4 mmHg vs. 209.5±110.9 mmHg, P£ 0.05). Mean PAP increased from 24.8±5.1 mmHg to 32.0±7.4 mmHg (P£ 0.05) following initiation of PLV and decreased during inhalation of both NO doses (1 ppm NO: 32.4±6.8 mmHg vs.30.6±6.0; 10 ppm NO: 34.3±6.8 mmHg vs. 30.0±6.8 mmHg) with a significant improvement only after inhalation of 10 ppm NO when analyzing the responder group separately. Conclusions: PLV may not always improve PaO2 in ALI. Additional inhalation of NO can decrease PAP and further increase oxygenation in animals which demonstrated an improvement in PaO2 with PLV alone.

<p>The breathing pattern of preterm infants is immature and is associated with a variety of reflexes. In a patient on the ventilator these reflexes interfere with spontaneous breathing. A better understanding of the immature control of breathing could lead to further improvements in ventilatory techniques. This thesis concerns studies of pulmonary stretch receptor (PSR) and phrenic nerve activity as part of the regulation of breathing in an animal model. </p><p>During assist/control ventilation with three different inspiratory pressure waveforms in animals with healthy lungs, squarewave pressure waveform<b> </b>strongly inhibits spontaneous inspiratory activity.</p><p>During partial liquid ventilation (PLV) in animals with healthy lungs, all PSRs studied maintained their phasic character, with increased impulse frequency during inspiration. PSR activity was not higher during PLV than during gas ventilation (GV), indicating that there was no extensive stretching of the lung during PLV.</p><p>During proportional assist ventilation (PAV) the applied airway pressure is servo-controlled proportionally to the ongoing breathing effort, thereby interacting with the activity of PSRs. Peak PSR activity was higher and occurred earlier during PAV than during CPAP. The regulation of breathing is maintained during PAV in surfactant-depleted animals before and early after surfactant instillation, with a higher ventilatory response and a lower breathing effort than during CPAP in both conditions.</p><p>Both lung mechanics and gas exchange influence the regulation of breathing. Inhibition of inspiratory activity occurred at a lower arterial pH and a higher PaCO₂ during PLV than during GV in animals with surfactant-depleted lungs, which might be related to recruitment of a larger number of pulmonary stretch receptors during PLV.</p><p>In summary, selected aspects of the regulation of breathing were studied in an animal model with different ventilatory techniques under different lung conditions similar to those that can occur in infants.</p>

The breathing pattern of preterm infants is immature and is associated with a variety of reflexes. In a patient on the ventilator these reflexes interfere with spontaneous breathing. A better understanding of the immature control of breathing could lead to further improvements in ventilatory techniques. This thesis concerns studies of pulmonary stretch receptor (PSR) and phrenic nerve activity as part of the regulation of breathing in an animal model. During assist/control ventilation with three different inspiratory pressure waveforms in animals with healthy lungs, squarewave pressure waveform strongly inhibits spontaneous inspiratory activity. During partial liquid ventilation (PLV) in animals with healthy lungs, all PSRs studied maintained their phasic character, with increased impulse frequency during inspiration. PSR activity was not higher during PLV than during gas ventilation (GV), indicating that there was no extensive stretching of the lung during PLV. During proportional assist ventilation (PAV) the applied airway pressure is servo-controlled proportionally to the ongoing breathing effort, thereby interacting with the activity of PSRs. Peak PSR activity was higher and occurred earlier during PAV than during CPAP. The regulation of breathing is maintained during PAV in surfactant-depleted animals before and early after surfactant instillation, with a higher ventilatory response and a lower breathing effort than during CPAP in both conditions. Both lung mechanics and gas exchange influence the regulation of breathing. Inhibition of inspiratory activity occurred at a lower arterial pH and a higher PaCO2 during PLV than during GV in animals with surfactant-depleted lungs, which might be related to recruitment of a larger number of pulmonary stretch receptors during PLV. In summary, selected aspects of the regulation of breathing were studied in an animal model with different ventilatory techniques under different lung conditions similar to those that can occur in infants.

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.