Comunicación pulmón-cerebro durante la ventilación mecánica: estudio de la respuesta inflamatoria y la activación neuronal en dos modelos experimentales

Abstract

En las últimas décadas, el aumento en la supervivencia de los pacientes ingresados en las unidades de cuidados intensivos (UCI), ha puesto de manifiesto un problema hasta ahora poco conocido: el desarrollo de alteraciones neurocognitivas a largo plazo en muchos supervivientes críticos. Estudios clínicos revelan, además, que la presencia de estas alteraciones es mayor en poblaciones de pacientes con síndrome de distrés respiratorio agudo (SDRA) o aquellos que recibieron ventilación mecánica (VM) durante su estancia en UCI. Estos datos sugieren la existencia de una posible conexión entre el pulmón ventilado o las señales derivadas del mismo y el cerebro. En este contexto, se sabe que la VM per se puede agravar la lesión pulmonar existente y promover la propagación de una respuesta inflamatoria a órganos distales. Por este motivo, en la práctica clínica, se han implementado numerosas estrategias de ventilación enfocadas a disminuir los efectos deletéreos de la VM. Las estrategias de ventilación protectora, se caracterizan por el uso de bajos volúmenes corriente y presión positiva al final de la espiración (PEEP) y han demostrado tener un impacto en la mortalidad de pacientes con SDRA así como en la atenuación de la respuesta inflamatoria derivada de la ventilación. La evidencia clínica parece indicar que los pacientes críticos bajo VM son especialmente susceptibles a desarrollar alteraciones pulmonares y neurocognitivas. Es necesario conocer cuales son los mecanismos que convergen en el pulmón sometido a VM y su potencial efecto sobre el sistema nervioso central (SNC). La presente tesis tiene como objeto profundizar en la interacción pulmón-cerebro en el paciente crítico ventilado. Para ello, analizamos la influencia de la VM en la respuesta inflamatoria local y sistémica así como en la activación neuronal, en un modelo experimental de VM. Asimismo, evaluamos el efecto de dos estrategias de ventilación protectoras en la modulación de la inflamación y el patrón de activación neuronal. En un primer abordaje sobre el estudio de la comunicación pulmón-cerebro durante la VM, evaluamos la expresión de la proteína c-Fos, un conocido marcador de activación neuronal, en diversas áreas cerebrales en un modelo murino de VM. Se compararon ratas ventiladas con dos estrategias lesivas de VM: un grupo con volumen corriente elevado (HVt) vs un grupo con volumen corriente bajo (LVt). Los datos obtenidos sugieren una posible asociación entre la VM lesiva y la activación neuronal en determinadas áreas cerebrales. La intensidad de la señal fue mayor en el grupo HVt, lo que sugiere un efecto sinérgico de la VM sobre el cerebro. En nuestro segundo estudio, quisimos determinar el nivel óptimo de PEEP para minimizar la respuesta inflamatoria y explorar su influencia sobre la activación neuronal. Para ello, estudiamos los efectos de dos niveles de PEEP (2 cmH2O y 7 cmH2O) sobre la inflamación pulmonar y sistémica así como en la activación cerebral, en un modelo experimental de VM e instilación intratraqueal de lipopolisacárido (LPS). La PEEP de 7 cmH2O atenuó la inflamación pulmonar y sistémica secundaria a la instilación de LPS. Asimismo, observamos que la VM y el nivel de PEEP podían modificar el patrón de activación neuronal en algunas áreas cerebrales relacionadas con procesos de memoria y aprendizaje. Nuestros hallazgos podrían ayudar a definir áreas cerebrales activadas por mecanorreceptores pulmonares e involucradas en la respuesta al nivel de PEEP y al LPS. Una estrategia ventilatoria adecuada podría minimizar la respuesta inflamatoria tanto pulmonar como sistémica previniendo, potencialmente, la aparición de futuras alteraciones neurocognitivas en los supervivientes críticos.

In the last decades, the increase in survival of patients admitted to intensive care units (ICU) has revealed a problem until now little known: the development of long-term neurocognitive impairment in many critical survivors. Clinical studies have also shown that the presence of these disorders is higher in some patient populations as survivors of acute respiratory distress syndrome (ARDS) or patients receiving mechanical ventilation (MV) during their stay in the ICU. These data suggest the existence of a possible crosstalk between the ventilated lung or signals derived from it and brain. In this context, MV although being a lifesaving procedure, can worsen lung injury and promoting the spread of inflammatory response to remote organs. Therefore, in the clinical setting numerous ventilation strategies have been implemented with the aim to reduce the deleterious effects of the VM. The so-called lung protective ventilation strategies are characterized by the use of use of low tidal volumes and positive end expiratory pressure (PEEP) and have been demonstrated to reduce mortality in ARDS patients, and likewise, to attenuate the inflammatory response associated to MV. Emerging clinical evidence suggests that patients undergoing critical VM are especially vulnerable to develop lung and neurocognitive impairment. It’s necessary to understand the molecular mechanisms involved in the mechanical ventilated lung and its potential effect on the central nervous system (CNS). The aim of this thesis is to investigate the complex lung-brain interactions in mechanical ventilated patients. To this purpose, we analyzed the influence of MV on the local and systemic inflammatory responses and neuronal activation, in an experimental model of MV. We also evaluated the effect of two protective ventilation strategies in the modulation of inflammation and the pattern of neuronal activation. In order to make a first approximation to the crosstalk between brain-lung during MV, we assessed the expression of c-Fos protein, a marker of neuronal activity, in some areas of the brain in a rat model of MV. Therefore, we compared rats ventilated with two different injurious ventilatory strategies, a high tidal volume (HVt) group vs. a low tidal volume (LVt) group. Our results showed that injurious MV might be associated with neuronal activation in discrete areas of the brain. The intensity of the response was higher in animals ventilated with high Vt, suggesting an iatrogenic effect of MV on the brain. In our second study, we aimed to determine the best level of PEEP to prevent lung inflammation and systemic dissemination and to explore the influence of PEEP level on neuronal activation. We investigated the effects of two levels of PEEP (2 cmH2O and 7 cmH2O) on local, systemic and brain responses in an experimental model of VM after intratracheal instillation of lipopolysaccharide. Our results showed that the use of a PEEP of 7 cmH2O prevented lung and systemic inflammation secondary to LPS instillation. Moreover, MV and PEEP level could modified neuronal activation pattern in some areas in the brain which are related to memory and learning processes. Our findings about regional brain activation during MV could help define particular areas susceptible to be activated by mechanoreceptors in the lung and areas which participate in the response to PEEP and LPS. Interestingly, some of these areas are involved in learning and memory processes. Characterizing the mechanisms underlying these CNS alterations could help improve strategies to prevent these pathologies. Ventilatory strategies that contribute to reducing lung and systemic inflammation might somehow help prevent future neurocognitive alterations in the intensive care survivors.