Pour la première fois, les scientifiques sont en mesure de comparer directement les différents types de lésions que la ventilation mécanique provoque aux cellules des poumons.
Dans une nouvelle étude, utilisant un modèle de ventilateur sur puce développé à l'Université d'État de l'Ohio, les chercheurs ont découvert que la contrainte de cisaillement due à l'effondrement et à la réouverture des sacs aériens est le type de dommage le plus dommageable.
Ce modèle miniature « d'organe sur puce » simule non seulement les lésions pulmonaires lors de la ventilation mécanique, mais aussi la réparation et la récupération, dans les cellules d'origine humaine en temps réel, a déclaré le co-auteur principal Samir Ghadiali, PhD, professeur et président du génie biomédical à l'Ohio State.
Les dommages initiaux sont purement physiques, mais les processus qui suivent sont de nature biologique – et ce que nous faisons avec cet appareil, c'est coupler les deux.
Samir Ghadiali, Ph. D., professeur et titulaire de la chaire d'ingénierie biomédicale à l'Université d'État de l'Ohio
L’équipe espère que l’appareil contribuera également à la recherche de thérapies pour traiter les lésions pulmonaires induites par le respirateur.
« Il s'agit d'une avancée importante dans le domaine qui, espérons-le, permettra de mieux comprendre comment les lésions pulmonaires se développent chez les patients ventilés mécaniquement et d'identifier des cibles thérapeutiques afin que nous puissions administrer des médicaments pour prévenir ce type de lésion ou la traiter lorsqu'elle survient », a déclaré le co-auteur principal Joshua Englert, MD, professeur associé de médecine pulmonaire, de soins intensifs et de sommeil au Wexner Medical Center de l'Ohio State University.
La recherche a été publiée récemment dans la revue Laboratoire sur puce.
Les respirateurs artificiels sauvent la vie de patients souffrant de problèmes respiratoires graves liés à une maladie ou à un traumatisme, mais on sait depuis longtemps que les forces mécaniques exercées sur les poumons peuvent également provoquer des lésions. Les dommages au niveau cellulaire peuvent provoquer une fuite de la barrière entre les minuscules sacs aériens et les capillaires transportant le sang, ce qui entraîne une accumulation de liquide qui empêche l'oxygène d'atteindre les poumons.
Le ventilateur sur puce est particulièrement intéressant pour mesurer en temps réel les changements cellulaires qui affectent l'intégrité de cette barrière, grâce à une approche innovante : la croissance de cellules pulmonaires humaines sur une membrane en nanofibres synthétiques imitant la matrice pulmonaire complexe. Selon les chercheurs, ce système est plus proche du microenvironnement pulmonaire ventilé authentique que tout autre système de puce pulmonaire similaire à ce jour.
L'appareil mesure les effets de trois types de stress mécanique sur l'intégrité de la barrière : l'étirement des cellules pulmonaires dû au surgonflage, l'augmentation de la pression sur les cellules pulmonaires et l'effondrement et la réouverture cycliques des sacs aériens.
Des expériences ont montré qu'un surgonflage avec un volume d'air élevé et un effondrement et une réouverture cycliques des sacs aériens entraînaient tous deux une fuite de la barrière, mais les cellules pouvaient récupérer plus rapidement d'un surgonflage que de l'ouverture et de la fermeture répétées des sacs aériens.
Englert a déclaré que l'effondrement et la réouverture peuvent être plus problématiques car ils provoquent le déplacement du liquide dans les poumons, exposant les cellules à des quantités élevées de contrainte de cisaillement.
« Il n’y a pas vraiment eu beaucoup de données permettant de comparer ces deux forces néfastes dans le même système », a-t-il déclaré. « Mais maintenant, pour la première fois, nous pouvons utiliser le même appareil avec les mêmes cellules et induire les deux types de lésions et voir ce qui se passe. Nos données suggèrent qu’aucun des deux n’est bon, ils sont tous deux nocifs, mais que l’effondrement et la réouverture semblent être plus graves et rendent la récupération plus difficile. »
Cette découverte est une démonstration de la sophistication du modèle, a déclaré Ghadiali.
« Nous savons depuis longtemps que l'effondrement et la réouverture sont des phénomènes assez dangereux, mais nous n'avons jamais pu les mesurer en temps réel », a-t-il déclaré. « Maintenant que nous savons que les blessures causées par l'effondrement et la réouverture se produisent beaucoup plus rapidement et prennent beaucoup de temps à se rétablir, nous prévoyons d'utiliser le respirateur sur puce pour déterminer comment prévenir cette blessure et/ou améliorer la réparation. »
Les prochaines étapes impliquent la modélisation de maladies telles que la pneumonie et les blessures traumatiques subies par les patients des unités de soins intensifs en combinaison avec une action mécanique.
« Nous en sommes aux premiers stades du développement de certains de ces modèles, qui nous permettent d'étudier plus en profondeur la complexité des lésions pulmonaires chez les patients en soins intensifs », a déclaré Englert. « Ce modèle est une plateforme sur laquelle nous pouvons nous appuyer. »
Ghadiali et Englert, également chercheurs au Davis Heart and Lung Research Institute de l'Ohio State, ont remercié Basia Gabela-Zuniga, première auteure, qui a récemment obtenu son doctorat en génie biomédical, pour avoir mené à bien le projet, et ont salué les contributions des co-auteures de la faculté d'ingénierie Heather Powell et Natalia Higuita-Castro. Les autres co-auteurs étaient Vasudha Shukla et Christopher Bobba de l'Ohio State.
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health et le ministère américain de la Défense.
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