In-vivo dynamic 3D phase-contrast microscopy: a novel tool to investigate the mechanisms of ventilator induced lung injury

QUICK INFORMATION
Type
PhD Defense
Start Date
18-12-2019 14:00
End Date
18-12-2019 16:00
Location
Auditorium, Central Building
Speaker's name
Luca Fardin
Speaker's institute
ESRF
Contact name
Eva Jahn
Host name
Alberto Bravin
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Mechanical ventilation exposes the lung to mechanical stresses that can exacerbate or induce injury in patients with respiratory failure, a condition known as Ventilator-Induced Lung Injury (VILI). The exact mechanisms through which VILI is initiated and entertained at the acinar level remain elusive: the main hypotheses include excessive stretch of the tissues (volutrauma) and cyclic re-opening of closed regions (atelectrauma). The link between the mechanical stress induced on the alveolar tissue and the inflammatory response at an early stage of the injury is still not understood. Currently, the lack of techniques providing information in-vivo and at the alveolar scale on how the mechanical ventilation deforms the lung parenchyma, represents an obstacle for research in the field. Recent advances in phase-contrast 3D microscopy, obtained in synchrotron radiation facilities, have shown the possibility to image the lungs in-vivo, resolving terminal airways and alveoli. However, none of the available techniques allow to fully reconstruct the complex deformations of the lung parenchyma induced simultaneously by cardiac contractions and mechanical ventilation. To overcome this limitation, a computed tomography imaging acquisition protocol, based on the synchronization between the mechanical ventilation and the cardiac activity, was developed. This technique allowed to resolve and reconstruct the lung parenchymal motion with an effective voxel size of 20 µm, sufficient to visualize terminal airways but not the alveolar structure. The technique was applied to a rabbit model of VILI, in which atelectrauma was quantified within a tidal breath. The data revealed a significant heterogeneity in the opening and closing pressures of the airspaces both within and in between animals. Subsequent histological analysis showed a spatial correlation between atelectrauma and alveolar damage, assessed through qualitative evaluation performed by a pathologist blinded to the presence of atelectrauma (p=0.007). Also, spatial correlation between atelectrauma and cellular infiltration evidenced (p=0.04). This imaging technique was further refined to obtain an effective voxel size of 6 µm, which allowed to visualize the alveolar structure. While this spatial resolution is still limited for studying the thin alveolar walls (̴ 10 µm), to the best of our knowledge it is the highest spatial resolution obtained so far in in-vivo dynamic 3D microscopy. This technique will allow to study the lung parenchyma deformation and represents an important step towards the in-vivo study of VILI at the alveolar scale.

 

"Microscopie 3D dynamique in-vivo en contraste de phase: un nouvel outil pour étudier les lésions pulmonaires induites par la ventilation mécanique"

La ventilation mécanique expose les poumons à des contraintes mécaniques pouvant causer ou aggraver des lésions chez les patients présentant une insuffisance respiratoire aiguë; ce phénomène est appelé Ventilator Induced Lung Injury (VILI). Les mécanismes exacts par lesquels le VILI est initié et entretenu au niveau acinaire restent inconnus : les hypothèses principales se basent sur une distension excessive des tissus (volotraumatisme) et une réouverture cyclique des régions collabées (atélectrauma). Le lien entre la contrainte mécanique sur le tissu alvéolaire, et la réponse inflammatoire à un stade précoce de la lésion, n'est toujours pas connu. Le manque de techniques fournissant des informations in-vivo à l'échelle alvéolaire sur la manière dont la ventilation mécanique déforme le parenchyme pulmonaire, constitue un verrou technologique pour la recherche. Les progrès récents de la microscopie 3D au rayons X en contraste de phase, obtenus dans des installations de rayonnement synchrotron, ont montré la possibilité d’imager des poumons in-vivo à l’échelle des voies respiratoires terminales et des alvéoles. Cependant, aucune des techniques disponibles ne permet de reconstruire complètement les déformations complexes du parenchyme pulmonaire induites par les contractions cardiaques et la ventilation mécanique. Pour surmonter cette limitation, un protocole d'acquisition d'imagerie tomodensitométrique, basé sur la synchronisation du ventilateur mécanique et de l'activité cardiaque, a été développé. Cela nous a permis de reconstruire le mouvement du parenchyme pulmonaire avec une taille de voxel de 20 µm ce qui s’est avéré suffisant pour visualiser les voies respiratoires terminales mais pas la structure alvéolaire. Ce protocole a été appliqué à un modèle de VILI chez le lapin. L’atélectrauma a ainsi été quantifié pendant le cycle respiratoire. Nous avons pu mettre en évidence une hétérogénéité des pressions d'ouverture et de fermeture des espaces aériens à la fois au sein d’un même poumon, et entre les animaux. L’analyse histologique mené en aveugle par un anatomopathologiste, a montré une corrélation spatiale entre l’atélectrauma et les lésions alvéolaires (p = 0,007).  Par ailleurs, une corrélation spatiale entre atélectrauma et infiltration cellulaire a également été observée (p = 0,04). La technique d'acquisition d’images a été améliorée afin d’obtenir une taille de voxel de 6 µm, ce qui a permis de visualiser les structures alvéolaires. Bien que cette résolution spatiale soit encore limitée pour l’étude des parois alvéolaires minces (10 µm), il s’agit, à notre connaissance, de la résolution spatiale la plus élevée obtenue à ce jour en microscopie 3D dynamique in-vivo. Cette technique permettra d’étudier la déformation du parenchyme pulmonaire et constitue une étape importante vers l’étude in-vivo du VILI à l’échelle alvéolaire.

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