Evolution of gene expression changes in newborn rats after mechanical ventilation with reversible intubation

Résumant mon travail de thèse, l'article qui suit décrit un nouveau modèle animal servant à étudier l'impact combiné d'une ventilation mécanique (VM), d'une oxygénothérapie et d'une inflammation sur des poumons immatures. Cette étude permet, pour la première fois, de mesurer l'expression de gènes à distance d'une VM pour en analyser la cinétique. La VM représente un traitement intégral dans la prise en charge de prématurés. Sauvant des vies, elle est cependant non-physiologique et décrite comme nocive à court et à long terme, empêchant le bon développement pulmonaire. Nombreuses études se sont intéressées à l'impact immédiat de la VM sur les poumons, mais il n'existe à ce jour aucun modèle de rongeur pour en analyser les effets tardifs. Par analogie avec la clinique, nous avons créé un modèle avec un animal dont le stade développemental pulmonaire est comparable aux prématurés humains et consistant en une oxygénothérapie, une VM modérée avec intubation non chirurgicale, similaire à la pratique quotidienne, et un contexte inflammatoire mimant celui de chorioamnionite dans lequel bien des prématurés naissent. Nous avons ensuite réalisé une extubation pour permettre une période de rétablissement, puis fait des analyses et sur le plan structurel par histologie conventionnelle et en 3D, et sur le plan biologique, par analyse de l'expression de gènes et de protéines. Ce travail a permis de valider ce nouveau modèle comme outil de recherche pour réaliser des mesures à distance d'une VM chez des rats nouveau-nés. Comparant ces mesures à celles prises à la fin de la VM, nous observons: une augmentation initiale et transitoire des médiateurs impliqués dans la cascade inflammatoire dont le corrélat histologique est une maladie inflammatoire pulmonaire et, tardivement, une altération plus développementale de la structure pulmonaire avec diminution de l'alvéolarisation. Ceci pourrait être en partie dû à une expression asynchrone de gènes décrits comme importants pour la formation des alvéoles (matrix metalloproteinase 9, elastine). Offrant une nouvelle approche pour la recherche pulmonaire chez les rongeurs, ce modèle servira comme futur outil pour approfondir nos connaissances de la physiopathologie conduisant aux altérations structurelles retrouvées dans les poumons d'anciens prématurés soumis à une VM (dysplasie broncho-pulmonaire), pour tester l'influence de certains traitements (p.ex. surfactant) et pour étudier les effets de la VM en l'appliquant à des modèles transgéniques.

Real-time monitoring of protein conformational changes using a nano-mechanical sensor.

Proteins can switch between different conformations in response to stimuli, such as pH or temperature variations, or to the binding of ligands. Such plasticity and its kinetics can have a crucial functional role, and their characterization has taken center stage in protein research. As an example, Topoisomerases are particularly interesting enzymes capable of managing tangled and supercoiled double-stranded DNA, thus facilitating many physiological processes. In this work, we describe the use of a cantilever-based nanomotion sensor to characterize the dynamics of human topoisomerase II (Topo II) enzymes and their response to different kinds of ligands, such as ATP, which enhance the conformational dynamics. The sensitivity and time resolution of this sensor allow determining quantitatively the correlation between the ATP concentration and the rate of Topo II conformational changes. Furthermore, we show how to rationalize the experimental results in a comprehensive model that takes into account both the physics of the cantilever and the dynamics of the ATPase cycle of the enzyme, shedding light on the kinetics of the process. Finally, we study the effect of aclarubicin, an anticancer drug, demonstrating that it affects directly the Topo II molecule inhibiting its conformational changes. These results pave the way to a new way of studying the intrinsic dynamics of proteins and of protein complexes allowing new applications ranging from fundamental proteomics to drug discovery and development and possibly to clinical practice.

Neuro-mechanical and metabolic adjustments to the repeated anaerobic sprint test in professional football players.

PURPOSE: This study aimed to determine the neuro-mechanical and metabolic adjustments in the lower limbs induced by the running anaerobic sprint test (the so-called RAST). METHODS: Eight professional football players performed 6 × 35 m sprints interspersed with 10 s of active recovery on artificial turf with their football shoes. Sprinting mechanics (plantar pressure insoles), root mean square activity of the vastus lateralis (VL), rectus femoris (RF), and biceps femoris (BF) muscles (surface electromyography, EMG) and VL muscle oxygenation (near-infrared spectroscopy) were monitored continuously. RESULTS: Sprint time, contact time and total stride duration increased from the first to the last repetition (+17.4, +20.0 and +16.6 %; all P < 0.05), while flight time and stride length remained constant. Stride frequency (-13.9 %; P < 0.001) and vertical stiffness decreased (-27.2 %; P < 0.001) across trials. Root mean square EMG activities of RF and BF (-18.7 and -18.1 %; P < 0.01 and 0.001, respectively), but not VL (-1.2 %; P > 0.05), decreased over sprint repetitions and were correlated with the increase in running time (r = -0.82 and -0.90; both P < 0.05). Together with a better maintenance of RF and BF muscles activation levels over sprint repetitions, players with a better repeated-sprint performance (lower cumulated times) also displayed faster muscle de- (during sprints) and re-oxygenation (during recovery) rates (r = -0.74 and -0.84; P < 0.05 and 0.01, respectively). CONCLUSION: The repeated anaerobic sprint test leads to substantial alterations in stride mechanics and leg-spring behaviour. Our results also strengthen the link between repeated-sprint ability and the change in neuromuscular activation as well as in muscle de- and re-oxygenation rates.

Three-dimensional hydrodynamic numerical modelling of fold nappe formation, basement-cover deformation and slab detachment with applications to the helvetic nappe system (W Switzerland)

Many three-dimensional (3-D) structures in rock, which formed during the deformation of the Earth's crust and lithosphere, are controlled by a difference in mechanical strength between rock units and are often the result of a geometrical instability. Such structures are, for example, folds, pinch-and-swell structures (due to necking) or cuspate-lobate structures (mullions). These struc-tures occur from the centimeter to the kilometer scale and the related deformation processes con-trol the formation of, for example, fold-and-thrust belts and extensional sedimentary basins or the deformation of the basement-cover interface. The 2-D deformation processes causing these structures are relatively well studied, however, several processes during large-strain 3-D defor-mation are still incompletely understood. One of these 3-D processes is the lateral propagation of these structures, such as fold and cusp propagation in a direction orthogonal to the shortening direction or neck propagation in direction orthogonal to the extension direction. Especially, we are interested in fold nappes which are recumbent folds with amplitudes usually exceeding 10 km and they have been presumably formed by ductile shearing. They often exhibit a constant sense of shearing and a non-linear increase of shear strain towards their overturned limb. The fold axes of the Morcles fold nappe in western Switzerland plunges to the ENE whereas the fold axes in the more eastern Doldenhorn nappe plunges to the WSW. These opposite plunge direc-tions characterize the Rawil depression (Wildstrubel depression). The Morcles nappe is mainly the result of layer parallel contraction and shearing. During the compression the massive lime-stones were more competent than the surrounding marls and shales, which led to the buckling characteristics of the Morcles nappe, especially in the north-dipping normal limb. The Dolden-horn nappe exhibits only a minor overturned fold limb. There are still no 3-D numerical studies which investigate the fundamental dynamics of the formation of the large-scale 3-D structure including the Morcles and Doldenhorn nappes and the related Rawil depression. We study the 3-D evolution of geometrical instabilities and fold nappe formation with numerical simulations based on the finite element method (FEM). Simulating geometrical instabilities caused by sharp variations of mechanical strength between rock units requires a numerical algorithm that can accurately resolve material interfaces for large differences in material properties (e.g. between limestone and shale) and for large deformations. Therefore, our FE algorithm combines a nu-merical contour-line technique and a deformable Lagrangian mesh with re-meshing. With this combined method it is possible to accurately follow the initial material contours with the FE mesh and to accurately resolve the geometrical instabilities. The algorithm can simulate 3-D de-formation for a visco-elastic rheology. The viscous rheology is described by a power-law flow law. The code is used to study the 3-D fold nappe formation, the lateral propagation of folding and also the lateral propagation of cusps due to initial half graben geometry. Thereby, the small initial geometrical perturbations for folding and necking are exactly followed by the FE mesh, whereas the initial large perturbation describing a half graben is defined by a contour line inter-secting the finite elements. Further, the 3-D algorithm is applied to 3-D viscous nacking during slab detachment. The results from various simulations are compared with 2-D resulats and a 1-D analytical solution. -- On retrouve beaucoup de structures en 3 dimensions (3-D) dans les roches qui ont pour origines une déformation de la lithosphère terrestre. Ces structures sont par exemple des plis, des boudins (pinch-and-swell) ou des mullions (cuspate-lobate) et sont présentés de l'échelle centimétrique à kilométrique. Mécaniquement, ces structures peuvent être expliquées par une différence de résistance entre les différentes unités de roches et sont généralement le fruit d'une instabilité géométrique. Ces différences mécaniques entre les unités contrôlent non seulement les types de structures rencontrées, mais également le type de déformation (thick skin, thin skin) et le style tectonique (bassin d'avant pays, chaîne d'avant pays). Les processus de la déformation en deux dimensions (2-D) formant ces structures sont relativement bien compris. Cependant, lorsque l'on ajoute la troisiéme dimension, plusieurs processus ne sont pas complètement compris lors de la déformation à large échelle. L'un de ces processus est la propagation latérale des structures, par exemple la propagation de plis ou de mullions dans la direction perpendiculaire à l'axe de com-pression, ou la propagation des zones d'amincissement des boudins perpendiculairement à la direction d'extension. Nous sommes particulièrement intéressés les nappes de plis qui sont des nappes de charriage en forme de plis couché d'une amplitude plurikilométrique et étant formées par cisaillement ductile. La plupart du temps, elles exposent un sens de cisaillement constant et une augmentation non linéaire de la déformation vers la base du flanc inverse. Un exemple connu de nappes de plis est le domaine Helvétique dans les Alpes de l'ouest. Une de ces nap-pes est la Nappe de Morcles dont l'axe de pli plonge E-NE tandis que de l'autre côté de la dépression du Rawil (ou dépression du Wildstrubel), la nappe du Doldenhorn (équivalent de la nappe de Morcles) possède un axe de pli plongeant O-SO. La forme particulière de ces nappes est due à l'alternance de couches calcaires mécaniquement résistantes et de couches mécanique-ment faibles constituées de schistes et de marnes. Ces différences mécaniques dans les couches permettent d'expliquer les plissements internes à la nappe, particulièrement dans le flanc inver-se de la nappe de Morcles. Il faut également noter que le développement du flanc inverse des nappes n'est pas le même des deux côtés de la dépression de Rawil. Ainsi la nappe de Morcles possède un important flanc inverse alors que la nappe du Doldenhorn en est presque dépour-vue. A l'heure actuelle, aucune étude numérique en 3-D n'a été menée afin de comprendre la dynamique fondamentale de la formation des nappes de Morcles et du Doldenhorn ainsi que la formation de la dépression de Rawil. Ce travail propose la première analyse de l'évolution 3-D des instabilités géométriques et de la formation des nappes de plis en utilisant des simulations numériques. Notre modèle est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) qui permet de ré-soudre avec précision les interfaces entre deux matériaux ayant des propriétés mécaniques très différentes (par exemple entre les couches calcaires et les couches marneuses). De plus nous utilisons un maillage lagrangien déformable avec une fonction de re-meshing (production d'un nouveau maillage). Grâce à cette méthode combinée il nous est possible de suivre avec précisi-on les interfaces matérielles et de résoudre avec précision les instabilités géométriques lors de la déformation de matériaux visco-élastiques décrit par une rhéologie non linéaire (n>1). Nous uti-lisons cet algorithme afin de comprendre la formation des nappes de plis, la propagation latérale du plissement ainsi que la propagation latérale des structures de type mullions causé par une va-riation latérale de la géométrie (p.ex graben). De plus l'algorithme est utilisé pour comprendre la dynamique 3-D de l'amincissement visqueux et de la rupture de la plaque descendante en zone de subduction. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles 2-D et à la solution analytique 1-D. -- Viele drei dimensionale (3-D) Strukturen, die in Gesteinen vorkommen und durch die Verfor-mung der Erdkruste und Litosphäre entstanden sind werden von den unterschiedlichen mechani-schen Eigenschaften der Gesteinseinheiten kontrolliert und sind häufig das Resulat von geome-trischen Istabilitäten. Zu diesen strukturen zählen zum Beispiel Falten, Pich-and-swell Struktu-ren oder sogenannte Cusbate-Lobate Strukturen (auch Mullions). Diese Strukturen kommen in verschiedenen Grössenordungen vor und können Masse von einigen Zentimeter bis zu einigen Kilometer aufweisen. Die mit der Entstehung dieser Strukturen verbundenen Prozesse kontrol-lieren die Entstehung von Gerbirgen und Sediment-Becken sowie die Verformung des Kontaktes zwischen Grundgebirge und Stedimenten. Die zwei dimensionalen (2-D) Verformungs-Prozesse die zu den genannten Strukturen führen sind bereits sehr gut untersucht. Einige Prozesse wäh-rend starker 3-D Verformung sind hingegen noch unvollständig verstanden. Einer dieser 3-D Prozesse ist die seitliche Fortpflanzung der beschriebenen Strukturen, so wie die seitliche Fort-pflanzung von Falten und Cusbate-Lobate Strukturen senkrecht zur Verkürzungsrichtung und die seitliche Fortpflanzung von Pinch-and-Swell Strukturen othogonal zur Streckungsrichtung. Insbesondere interessieren wir uns für Faltendecken, liegende Falten mit Amplituden von mehr als 10 km. Faltendecken entstehen vermutlich durch duktile Verscherung. Sie zeigen oft einen konstanten Scherungssinn und eine nicht-lineare zunahme der Scherverformung am überkipp-ten Schenkel. Die Faltenachsen der Morcles Decke in der Westschweiz fallen Richtung ONO während die Faltenachsen der östicher gelegenen Doldenhorn Decke gegen WSW einfallen. Diese entgegengesetzten Einfallrichtungen charakterisieren die Rawil Depression (Wildstrubel Depression). Die Morcles Decke ist überwiegend das Resultat von Verkürzung und Scherung parallel zu den Sedimentlagen. Während der Verkürzung verhielt sich der massive Kalkstein kompetenter als der Umliegende Mergel und Schiefer, was zur Verfaltetung Morcles Decke führ-te, vorallem in gegen Norden eifallenden überkippten Schenkel. Die Doldenhorn Decke weist dagegen einen viel kleineren überkippten Schenkel und eine stärkere Lokalisierung der Verfor-mung auf. Bis heute gibt es keine 3-D numerischen Studien, die die fundamentale Dynamik der Entstehung von grossen stark verformten 3-D Strukturen wie den Morcles und Doldenhorn Decken sowie der damit verbudenen Rawil Depression untersuchen. Wir betrachten die 3-D Ent-wicklung von geometrischen Instabilitäten sowie die Entstehung fon Faltendecken mit Hilfe von numerischen Simulationen basiert auf der Finite Elemente Methode (FEM). Die Simulation von geometrischen Instabilitäten, die aufgrund von Änderungen der Materialeigenschaften zwischen verschiedenen Gesteinseinheiten entstehen, erfortert einen numerischen Algorithmus, der in der Lage ist die Materialgrenzen mit starkem Kontrast der Materialeigenschaften (zum Beispiel zwi-schen Kalksteineinheiten und Mergel) für starke Verfomung genau aufzulösen. Um dem gerecht zu werden kombiniert unser FE Algorithmus eine numerische Contour-Linien-Technik und ein deformierbares Lagranges Netz mit Re-meshing. Mit dieser kombinierten Methode ist es mög-lich den anfänglichen Materialgrenzen mit dem FE Netz genau zu folgen und die geometrischen Instabilitäten genügend aufzulösen. Der Algorithmus ist in der Lage visko-elastische 3-D Ver-formung zu rechnen, wobei die viskose Rheologie mit Hilfe eines power-law Fliessgesetzes beschrieben wird. Mit dem numerischen Algorithmus untersuchen wir die Entstehung von 3-D Faltendecken, die seitliche Fortpflanzung der Faltung sowie der Cusbate-Lobate Strukturen die sich durch die Verkürzung eines mit Sediment gefüllten Halbgraben bilden. Dabei werden die anfänglichen geometrischen Instabilitäten der Faltung exakt mit dem FE Netz aufgelöst wäh-rend die Materialgranzen des Halbgrabens die Finiten Elemente durchschneidet. Desweiteren wird der 3-D Algorithmus auf die Einschnürung während der 3-D viskosen Plattenablösung und Subduktion angewandt. Die 3-D Resultate werden mit 2-D Ergebnissen und einer 1-D analyti-schen Lösung verglichen.

Traumatic injuries after mechanical cardiopulmonary resuscitation (LUCAS?2): a forensic autopsy study.

AIM: The aim of our study was to compare traumatic injuries observed after cardiopulmonary resuscitation (CPR) by means of standard (manual) or assisted (mechanical) chest compression by Lund University Cardiopulmonary Assist System, 2nd generation (LUCAS?2) device. METHODS: A retrospective study was conducted including cases from 2011 to 2013, analysing consecutive autopsy reports in two groups of patients who underwent medicolegal autopsy after unsuccessful CPR. We focused on traumatic injuries from dermal to internal trauma, collecting data according to a standardised protocol. RESULTS: The study group was comprised of 26 cases, while 32 cases were included in the control group. Cardiopulmonary resuscitation performed by LUCAS?2 was longer than manual CPR performed in control cases (study group: mean duration 51.5 min; controls 29.4 min; p = 0.004). Anterior chest lesions (from bruises to abrasions) were described in 18/26 patients in the LUCAS?2 group and in 6/32 of the control group. A mean of 6.6 rib fractures per case was observed in the LUCAS?2 group, but this was only 3.1 in the control group (p = 0.007). Rib fractures were less frequently observed in younger patients. The frequency of sternal factures was similar in both groups. A few trauma injuries to internal organs (mainly cardiac, pulmonary and hepatic bruises), and some petechiae (study 46 %; control 41 %; p = 0.79) were recorded in both groups. CONCLUSION: LUCAS?2-CPR is associated with more rib fractures than standard CPR. Typical round concentric skin lesions were observed in cases of mechanical reanimation. No life-threatening injuries were reported. Petechiae were common findings.

Neuro-mechanical determinants of repeated treadmill sprints - Usefulness of an "hypoxic to normoxic recovery" approach.

To improve our understanding of the limiting factors during repeated sprinting, we manipulated hypoxia severity during an initial set and examined the effects on performance and associated neuro-mechanical alterations during a subsequent set performed in normoxia. On separate days, 13 active males performed eight 5-s sprints (recovery = 25 s) on an instrumented treadmill in either normoxia near sea-level (SL; FiO2 = 20.9%), moderate (MH; FiO2 = 16.8%) or severe normobaric hypoxia (SH; FiO2 = 13.3%) followed, 6 min later, by four 5-s sprints (recovery = 25 s) in normoxia. Throughout the first set, along with distance covered [larger sprint decrement score in SH (-8.2%) compared to SL (-5.3%) and MH (-7.2%); P < 0.05], changes in contact time, step frequency and root mean square activity (surface electromyography) of the quadriceps (Rectus femoris muscle) in SH exceeded those in SL and MH (P < 0.05). During first sprint of the subsequent normoxic set, the distance covered (99.6, 96.4, and 98.3% of sprint 1 in SL, MH, and SH, respectively), the main kinetic (mean vertical, horizontal, and resultant forces) and kinematic (contact time and step frequency) variables as well as surface electromyogram of quadriceps and plantar flexor muscles were fully recovered, with no significant difference between conditions. Despite differing hypoxic severity levels during sprints 1-8, performance and neuro-mechanical patterns did not differ during the four sprints of the second set performed in normoxia. In summary, under the circumstances of this study (participant background, exercise-to-rest ratio, hypoxia exposure), sprint mechanical performance and neural alterations were largely influenced by the hypoxia severity in an initial set of repeated sprints. However, hypoxia had no residual effect during a subsequent set performed in normoxia. Hence, the recovery of performance and associated neuro-mechanical alterations was complete after resting for 6 min near sea level, with a similar fatigue pattern across conditions during subsequent repeated sprints in normoxia.

Toward on-the-fly quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) docking: development and benchmark of a scoring function.

We address the challenges of treating polarization and covalent interactions in docking by developing a hybrid quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) scoring function based on the semiempirical self-consistent charge density functional tight-binding (SCC-DFTB) method and the CHARMM force field. To benchmark this scoring function within the EADock DSS docking algorithm, we created a publicly available dataset of high-quality X-ray structures of zinc metalloproteins ( http://www.molecular-modelling.ch/resources.php ). For zinc-bound ligands (226 complexes), the QM/MM scoring yielded a substantially improved success rate compared to the classical scoring function (77.0% vs 61.5%), while, for allosteric ligands (55 complexes), the success rate remained constant (49.1%). The QM/MM scoring significantly improved the detection of correct zinc-binding geometries and improved the docking success rate by more than 20% for several important drug targets. The performance of both the classical and the QM/MM scoring functions compare favorably to the performance of AutoDock4, AutoDock4Zn, and AutoDock Vina.

Rectal enema is an alternative to full mechanical bowel preparation for primary rectal cancer surgery.

AIM: According to the French GRECCAR III randomized trial, full mechanical bowel preparation (MBP) for rectal surgery decreases the rate of postoperative morbidity, in particular postoperative infectious complications, but MBP is not well tolerated by the patient. The aim of the present study was to determine whether a preoperative rectal enema (RE) might be an alternative to MBP. METHODS: An analysis was performed of 96 matched cohort patients undergoing rectal resection with primary anastomosis and protective ileostomy at two different university teaching hospitals, whose rectal cancer management was comparable except for the choice of preoperative bowel preparation (MBP or RE). Prospective databases were retrospectively analysed. RESULTS: Patients were well matched for age, gender, body mass index and Charlson index. The surgical approach and cancer characteristics (level above anal verge, stage and use of neoadjuvant therapy) were comparable between the two groups. Anastomotic leakage occurred in 10% of patients having MBP and in 8% having RE (P = 1.00). Pelvic abscess formation (6% vs 2%, P = 0.63) and wound infection (8% vs 15%, P = 0.55) were also comparable. Extra-abdominal infection (13% vs 13%, P = 1.00) and non-infectious abdominal complications such as ileus and bleeding (27% and 31%, P = 0.83) were not significantly different. Overall morbidity was comparable in the two groups (50% vs 54%, P = 0.83). CONCLUSION: A simple RE before rectal surgery seems not to be associated with more postoperative infectious complications nor a higher overall morbidity than MBP.