Effects of formaldehyde on the frog's mucociliary epithelium as a surrogate to evaluate air pollution effects on the respiratory epithelium

The increasing use of alcohol as an alternative fuel to gasoline or diesel can increase emission of formaldehyde, an organic gas that is irritant to the mucous membranes. The respiratory system is the major target of air pollutants and its major defense mechanism depends on the continuous activity of the cilia and the resulting constant transportation of mucous secretion. The present study was designed to evaluate the effects of formaldehyde on the ciliated epithelium through a relative large dose range around the threshold limit value adopted by the Brazilian legislation, namely 1.6 ppm (1.25 to 5 ppm). For this purpose, the isolated frog palate preparation was used as the target of toxic injury. Four groups of frog palates were exposed to diluted Ringer solution (control, N = 8) and formaldehyde diluted in Ringer solution at three different concentrations (1.25, 2.5 and 5.0 ppm, N = 10 for each group). Mucociliary clearance and ciliary beat frequency decreased significantly in contact with formaldehyde at the concentrations of 2.5 and 5.0 ppm after 60 min of exposure (P<0.05). We conclude that relatively low concentrations of formaldehyde, which is even below the Brazilian threshold limit value, are sufficient to cause short-term mucociliary impairment.

Transitory increased blood pressure after upper airway surgery for snoring and sleep apnea correlates with the apnea-hypopnea respiratory disturbance index

A transitory increase in blood pressure (BP) is observed following upper airway surgery for obstructive sleep apnea syndrome but the mechanisms implicated are not yet well understood. The objective of the present study was to evaluate changes in BP and heart rate (HR) and putative factors after uvulopalatopharyngoplasty and septoplasty in normotensive snorers. Patients (N = 10) were instrumented for 24-h ambulatory BP monitoring, nocturnal respiratory monitoring and urinary catecholamine level evaluation one day before surgery and on the day of surgery. The influence of postsurgery pain was prevented by analgesic therapy as confirmed using a visual analog scale of pain. Compared with preoperative values, there was a significant (P < 0.05) increase in nighttime but not daytime systolic BP (119 ± 5 vs 107 ± 3 mmHg), diastolic BP (72 ± 4 vs 67 ± 2 mmHg), HR (67 ± 4 vs 57 ± 2 bpm), respiratory disturbance index (RDI) characterized by apnea-hypopnea (30 ± 10 vs 13 ± 4 events/h of sleep) and norepinephrine levels (22.0 ± 4.7 vs 11.0 ± 1.3 µg l-1 12 h-1) after surgery. A positive correlation was found between individual variations of BP and individual variations of RDI (r = 0.81, P < 0.01) but not between BP or RDI and catecholamines. The visual analog scale of pain showed similar stress levels on the day before and after surgery (6.0 ± 0.8 vs 5.0 ± 0.9 cm, respectively). These data strongly suggest that the cardiovascular changes observed in patients who underwent uvulopalatopharyngoplasty and septoplasty were due to the increased postoperative RDI.

Role of matrix metalloproteinases in the development of airway inflammation and remodeling

Matrix metalloproteinases (MMPs) are a major group of proteases known to regulate extracellular matrix (ECM) turnover and so they have been suggested to be important in the process of lung disease associated with tissue remodeling. This has led to the concept that modulation of airway remodeling including excessive proteolysis damage to the tissue may be of interest for future treatment. Within the MMP family, macrophage elastase (MMP-12) is able to degrade ECM components such as elastin and is involved in tissue remodeling processes in chronic obstructive pulmonary disease including emphysema. Pulmonary fibrosis has an aggressive course and is usually fatal within an average of 3 to 6 years after the onset of symptoms. Pulmonary fibrosis is associated with deposition of ECM components in the lung interstitium. The excessive airway remodeling as a result of an imbalance in the equilibrium of the normal processes of synthesis and degradation of ECM components could justify anti-protease treatments. Indeed, the correlation of the differences in hydroxyproline levels in the lungs of bleomycin-treated mice strongly suggests that a reduced molar pro-MMP-9/TIMP-1 ratio in bronchoalveolar lavage fluid is associated with collagen deposition, beginning as early as the inflammatory events at day 1 after bleomycin administration. Finally, these observations emphasize that effective treatment of these disorders must be started early during the natural history of the disease, prior to the development of extensive lung destruction and fibrosis.

Efficacy of the FEV1/FEV6 ratio compared to the FEV1/FVC ratio for the diagnosis of airway obstruction in subjects aged 40 years or over

The present cross-sectional, population-based study was designed to evaluate the performance of the FEV1/FEV6 ratio for the detection of airway-obstructed subjects compared to the FEV1/FVC <0.70 fixed ratio test, as well as the lower limit of normality (LLN) for 1000 subjects ³40 years of age in the metropolitan area of São Paulo, SP, Brazil. After the exclusion of 37 (3.7%) spirometries, a total of 963 pre-bronchodilator (BD) and 918 post-BD curves were constructed. The majority of the post-BD curves (93.1%) were of very good quality and achieved grade A (762 curves) or B (93 curves). The FEV1/FEV6 and FEV1/FVC ratios were highly correlated (r² = 0.92, P < 0.000). Two receiver operator characteristic curves were constructed in order to express the imbalance between the sensitivity and specificity of the FEV1/FEV6 ratio compared to two FEV1/FVC cut-off points for airway obstruction: equal to 70 (area under the curve = 0.98, P < 0.0001) and the LLN (area under the curve = 0.97, P < 0.0001), in the post-BD curves. According to an FEV1/FVC <0.70, the cut-off point for the FEV1/FEV6 ratio with the highest sum for sensitivity and specificity was 0.75. The FEV1/FEV6 ratio can be considered to be a good alternative to the FEV1/FVC ratio for the diagnosis of airway obstruction, both using a fixed cut-off point or below the LLN as reference. The FEV1/FEV6 ratio has the additional advantage of being an easier maneuver for the subjects and for the lung function technicians, providing a higher reproducibility than traditional spirometry maneuvers.

Tracheal cryopreservation: caspase-3 immunoreactivity in tracheal epithelium and in mixed glands

Cryopreservation has an immunomodulating effect on tracheal tissue as a result of class II antigen depletion due to epithelium exfoliation. However, not all epithelium is detached. We evaluated the role of apoptosis in the remaining epithelium of 30 cryopreserved tracheal grafts. Caspase-3 immunoreactivity of tracheal epithelium was studied in canine tracheal segments cryopreserved with F12K medium, with or without subsequent storage in liquid nitrogen at -196°C for 15 days. Loss of structural integrity of tracheal mixed glands was observed in all cryopreserved tracheal segments. Caspase-3 immunoreactivity in tracheal mucosa and in mixed glands was significantly decreased, in contrast to the control group and to cryopreserved tracheal segments in which it remained high, due to the effect of storage in liquid nitrogen (P < 0.05, ANOVA and Tukey test). We conclude that apoptosis can be triggered in epithelial cells during tracheal graft harvesting even prior to cryopreservation, and although the epithelial caspase-3 immunoreactivity is reduced in tracheal cryopreservation, this could be explained by increased cell death. Apoptosis cannot be stopped during tracheal cryopreservation.

Radioiodine plus recombinant human thyrotropin do not cause acute airway compression and are effective in reducing multinodular goiter

Recombinant human thyrotropin (rhTSH) reduces the activity of radioiodine required to treat multinodular goiter (MNG), but acute airway compression can be a life-threatening complication. In this prospective, randomized, double-blind, placebo-controlled study, we assessed the efficacy and safety (including airway compression) of different doses of rhTSH associated with a fixed activity of 131I for treating MNG. Euthyroid patients with MNG (69.3 ± 62.0 mL, 20 females, 2 males, 64 ± 7 years) received 0.1 mg (group I, N = 8) or 0.01 mg (group II, N = 6) rhTSH or placebo (group III, N = 8), 24 h before 1.11 GBq 131I. Radioactive iodine uptake was determined at baseline and 24 h after rhTSH and thyroid volume (TV, baseline and 6 and 12 months after treatment) and tracheal cross-sectional area (TCA, baseline and 2, 7, 180, and 360 days after rhTSH) were determined by magnetic resonance; antithyroid antibodies and thyroid hormones were determined at frequent intervals. After 6 months, TV decreased significantly in groups I (28.5 ± 17.6%) and II (21.6 ± 17.8%), but not in group III (2.7 ± 15.3%). After 12 months, TV decreased significantly in groups I (36.7 ± 18.1%) and II (37.4 ± 27.1%), but not in group III (19.0 ± 24.3%). No significant changes in TCA were observed. T3 and free T4 increased transiently during the first month. After 12 months, 7 patients were hypothyroid (N = 3 in group I and N = 2 in groups II and III). rhTSH plus a 1.11-GBq fixed 131I activity did not cause acute or chronic changes in TCA. After 6 and 12 months, TV reduction was more pronounced among patients treated with rhTSH plus 131I.

Effects of different levels of positive airway pressure on breathing pattern and heart rate variability after coronary artery bypass grafting surgery

The application of continuous positive airway pressure (CPAP) produces important hemodynamic alterations, which can influence breathing pattern (BP) and heart rate variability (HRV). The aim of this study was to evaluate the effects of different levels of CPAP on postoperative BP and HRV after coronary artery bypass grafting (CABG) surgery and the impact of CABG surgery on these variables. Eighteen patients undergoing CABG were evaluated postoperatively during spontaneous breathing (SB) and application of four levels of CPAP applied in random order: sham (3 cmH2O), 5 cmH2O, 8 cmH2O, and 12 cmH2O. HRV was analyzed in time and frequency domains and by nonlinear methods and BP was analyzed in different variables (breathing frequency, inspiratory tidal volume, inspiratory and expiratory time, total breath time, fractional inspiratory time, percent rib cage inspiratory contribution to tidal volume, phase relation during inspiration, phase relation during expiration). There was significant postoperative impairment in HRV and BP after CABG surgery compared to the preoperative period and improvement of DFAα1, DFAα2 and SD2 indexes, and ventilatory variables during postoperative CPAP application, with a greater effect when 8 and 12 cmH2O were applied. A positive correlation (P < 0.05 and r = 0.64; Spearman) was found between DFAα1 and inspiratory time to the delta of 12 cmH2O and SB of HRV and respiratory values. Acute application of CPAP was able to alter cardiac autonomic nervous system control and BP of patients undergoing CABG surgery and 8 and 12 cmH2O of CPAP provided the best performance of pulmonary and cardiac autonomic functions.

Application of continuous positive airway pressure in the delivery room: a multicenter randomized clinical trial

This study evaluated whether the use of continuous positive airway pressure (CPAP) in the delivery room alters the need for mechanical ventilation and surfactant during the first 5 days of life and modifies the incidence of respiratory morbidity and mortality during the hospital stay. The study was a multicenter randomized clinical trial conducted in five public university hospitals in Brazil, from June 2008 to December 2009. Participants were 197 infants with birth weight of 1000-1500 g and without major birth defects. They were treated according to the guidelines of the American Academy of Pediatrics (APP). Infants not intubated or extubated less than 15 min after birth were randomized for two treatments, routine or CPAP, and were followed until hospital discharge. The routine (n=99) and CPAP (n=98) infants studied presented no statistically significant differences regarding birth characteristics, complications during the prenatal period, the need for mechanical ventilation during the first 5 days of life (19.2 vs 23.4%, P=0.50), use of surfactant (18.2 vs 17.3% P=0.92), or respiratory morbidity and mortality until discharge. The CPAP group required a greater number of doses of surfactant (1.5 vs 1.0, P=0.02). When CPAP was applied to the routine group, it was installed within a median time of 30 min. We found that CPAP applied less than 15 min after birth was not able to reduce the need for ventilator support and was associated with a higher number of doses of surfactant when compared to CPAP applied as clinically indicated within a median time of 30 min.

Maintenance of the corneal epithelium is carried out by germinative cells of its basal stratum and not by presumed stem cells of the limbus

The purpose of this investigation was to analyze the proliferative behavior of rabbit corneal epithelium and establish if any particular region was preferentially involved in epithelial maintenance. [3H]-thymidine was injected intravitreally into both normal eyes and eyes with partially scraped corneal epithelium. Semithin sections of the anterior segment were evaluated by quantitative autoradiography. Segments with active replication (on) and those with no cell division (off) were intermingled in all regions of the tissue, suggesting that the renewal of the epithelial surface of the cornea followed an on/off alternating pattern. In the limbus, heavy labeling of the outermost layers was observed, coupled with a few or no labeled nuclei in the basal stratum. This suggests that this region is a site of rapid cell differentiation and does not contain many slow-cycling cells. The conspicuous and protracted labeling of the basal layer of the corneal epithelium suggests that its cells undergo repeated cycles of replication before being sent to the suprabasal strata. This replication model is prone to generate label-retaining cells. Thus, if these are adult stem cells, one must conclude that they reside in the corneal basal layer and not the limbal basal layer. One may also infer that the basal cells of the cornea and not of the limbus are the ones with the main burden of renewing the corneal epithelium. No particular role in this process could be assigned to the cells of the basal layer of the limbal epithelium.

Implication des canaux K+ dans les processus de réparation de l’épithélium respiratoire sain et fibrose kystique

La pathologie de la fibrose kystique (FK) est causée par des mutations du gène codant pour le canal Cl- CFTR. Au niveau respiratoire, cette dysfonction du transport transépithélial de Cl- occasionne une altération de la composition et du volume du liquide de surface des voies aériennes. Une accumulation de mucus déshydraté favorise alors la colonisation bactérienne et une réponse inflammatoire chronique, entraînant des lésions épithéliales sévères au niveau des voies aériennes et des alvéoles pouvant culminer en défaillance respiratoire. Le principal objectif de mon projet de maîtrise était d’étudier les processus de réparation de l’épithélium alvéolaire sain, l’épithélium bronchique sain et FK à l’aide d’un modèle in vitro de plaies mécaniques. Nos résultats démontrent la présence d’une boucle autocrine EGF/EGFR contrôlant les processus de migration cellulaire et de réparation des lésions mécaniques. D’autre part, nos expériences montrent que l’EGF stimule l’activité et l’expression des canaux K+ KATP, KvLQT1 et KCa3.1 des cellules épithéliales respiratoires. L’activation de ces canaux est cruciale pour les processus de réparation puisque la majeure partie de la réparation stimulée à l’EGF est abolie en présence d’inhibiteurs de ces canaux. Nous avons également observé que les cellules FK présentent un délai de réparation, probablement causé par un défaut de la réponse EGF/EGFR et une activité/expression réduite des canaux K+. Nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes de régulation des processus de réparation de l’épithélium sain et FK. De plus, ils ouvrent de nouvelles options thérapeutiques visant à promouvoir, à l’aide d’activateurs de canaux K+ et de facteurs de croissance, la régénération de l’épithélium respiratoire chez les patients atteints de FK.

Autocrine loop in the purinergic control of airway surface liquid volume : monitoring with a novel side-view imaging technique

La Fibrose Kystique (FK) est une maladie dégénérative qui entraine une dégénération des poumons dû au problème de clairance mucociliaire (CMC). Le volume de surface liquide (SL) couvrant les cellules pulmonaires est essentiel à la clairance de mucus et au combat contre les infections. Les nucléotides extracellulaires jouent un rôle important dans la CMC des voies aériennes, en modifiant le volume de la SL pulmonaire. Cependant, les mécanismes du relâchement de l’ATP et de leurs déplacements à travers la SL, restent inconnus. Des études ultérieures démontrent que l’exocytose d’ATP mécano-sensible et Ca2+-dépendant, dans les cellules A549, est amplifié par les actions synergétiques autocrine/paracrine des cellules avoisinantes. Nous avions comme but de confirmer la présence de la boucle purinergique dans plusieurs modèles de cellules épithéliales et de développer un système nous permettant d’observer directement la SL. Nous avons démontrés que la boucle purinergique est fonctionnelle dans les modèles de cellules épithéliales examinés, mis appart les cellules Calu-3. L’utilisation de modulateur de la signalisation purinergique nous a permis d’observer que le relâchement d’ATP ainsi que l’augmentation du [Ca2+]i suivant un stress hypotonique, sont modulés par le biais de cette boucle purinergique et des récepteurs P2Y. De plus, nous avons développé un système de microscopie qui permet d’observer les changements de volume de SL en temps réel. Notre système permet de contrôler la température et l’humidité de l’environnement où se trouvent les cellules, reproduisant l’environnement pulmonaire humain. Nous avons démontré que notre système peut identifier même les petits changements de volume de SL.

Role of nucleotides on lung epithelial cells : mechanism of release and development of a side-view microscopic chamber to study nucleotide-dependent airway surface liquid height

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

The anti-inflammatory properties of intravenous immunoglobulin in a murine model of allergic airway disease ; effects on the development of regulatory T-cells

Les immunoglobulines intraveineuses (IVIg) constituent une préparation polyclonale d’IgG isolée et regroupée à partir du plasma sanguin de multiples donneurs. Initialement utilisé comme traitement de remplacement chez les patients souffrant d’immunodéficience primaire ou secondaire, les IVIg sont maintenant largement utilisées dans le traitement de plusieurs conditions auto-immunes, allergiques ou inflammatoires à une dose élevée, dite immunomodulatrice. Différents mécanismes d’action ont été postulés au fil des années pour expliquer l’effet thérapeutique des IVIg dans les maladies auto-immunes et inflammatoires. Entre autre, un nombre grandissant de données issues de modèles expérimentaux chez l’animal et l’humain suggère que les IVIg induisent l’expansion et augmentent l’action suppressive des cellules T régulatrices (Tregs), par un mécanisme qui demeure encore inconnu. Également, les patients atteints de maladies auto-immunes ou inflammatoires présentent souvent un nombre abaissé de Tregs par rapport aux individus sains. Ainsi, une meilleure compréhension des mécanismes par lesquels les IVIg modulent les cellules T régulatrices est requise afin de permettre un usage plus rationnel de ce produit sanguin en tant qu’alternative thérapeutique dans le traitement des maladies auto-immunes et inflammatoires. Par le biais d’un modèle expérimental d’allergie respiratoire induite par un allergène, nous avons démontré que les IVIg diminuaient significativement l’inflammation au niveau des voies aériennes ce, en association avec une différenciation des Tregs à partir des cellules T non régulatrices du tissu pulmonaire. Nous avons également démontré qu’au sein de notre modèle expérimental, l’effet anti-inflammatoire des IVIg était dépendant des cellules dendritiques CD11c+ (CDs) pulmonaires, puisque cet effet pouvait être complètement reproduit par le transfert adoptif de CDs provenant de souris préalablement traitées par les IVIg. À cet effet, il est déjà établi que les IVIg peuvent moduler l’activation et les propriétés des CDs pour favoriser la tolérance immunitaire et que ces cellules seraient cruciales pour l’induction périphérique des Tregs. C’est pourquoi, nous avons cherché à mieux comprendre comment les IVIg exercent leur effet sur ces cellules. Pour la première fois, nous avons démontré que la fraction d’IgG riche en acide sialique (SA-IVIg) (constituant 2-5% de l’ensemble des IgG des donneurs) interagit avec un récepteur dendritique inhibiteur de type lectine C (DCIR) et active une cascade de signalement intracellulaire initiée par la phosphorylation du motif ITIM qui est responsable des changements observés en faveur de la tolérance immunitaire auprès des cellules dendritiques et des Tregs. L’activité anti-inflammatoire de la composante SA-IVIg a déjà été décrite dans des études antérieures, mais encore une fois le mécanisme par lequel ce traitement modifie la fonction des CDs n’a pas été établi. Nous avons finalement démontré que le récepteur DCIR facilite l’internalisation des molécules d’IgG liées au récepteur et que cette étape est cruciale pour permettre l’induction périphérique des Tregs. En tant que produit sanguin, les IVIg constitue un traitement précieux qui existe en quantité limitée. La caractérisation des mécanismes d’action des IVIg permettra une meilleure utilisation de ce traitement dans un vaste éventail de pathologies auto-immunes et inflammatoires.

Role of NOX2 and DUOX2 in the antiviral airway responses

Les voies respiratoires sont exposées à une panoplie de pathogènes. Lors d’une infection virale respiratoire les cellules qui recouvrent ces voies participent activement à la défense immunitaire contre ces derniers en limitant la propagation du virus et en engendrant une réponse proinflammatoire. Un évènement clef dans ces processus est l’activation des facteurs de transcription, notamment le « Nuclear Factor » (NF)-κB et l’« Interferon Regulatory Factor -3 » (IRF-3), qui régulent l’expression des cytokines antivirales et proinflammatoires. Des données récentes démontrent que les dérivés actifs de l’oxygène (ROS), produits suite à une infection virale, ont la capacité de réguler les voies de signalisation enclenchées par NF-κB et IRF-3. Une source importante de ROS est la famille de NADPH oxydases (NOX), qui contient les membres NOX1-5 et DUOX1 et 2. L’objectif de notre étude était d’identifier la NOX qui régule les mécanismes antiviraux et proinflammatoires suite à l’infection avec le virus respiratoire syncytial (RSV), qui cause des complications respiratoires majeures, et le virus Sendai (SeV), un modèle viral non-pathogène. Nos travaux ont permis d’identifier que NOX2 est une molécule clef dans la réponse proinflammatoire suite à l’infection virale. Plus spécifiquement, NOX2 est important pour l’activation de NF-κB et la sécrétion des cytokines régulées par ce dernier. De plus, nous avons observé une forte augmentation de la présence de DUOX2 dans les cellules de voies respiratoires humaines infectées par SeV. Une étude plus approfondie nous a permis de caractériser qu’une synergie entre deux cytokines secrétées lors de l’infection, soit l’interféron (IFN)β et le TNFα est responsable de l’induction de DUOX2. Nous avons aussi découvert que DUOX2 confère une activité antivirale et est nécessaire pour maintenir les taux des cytokines antivirales tardives IFNβ et IFNλ. Lors d’une infection avec RSV, l’induction de DUOX2 n’est pas détectable. Nous avons mis en évidence que RSV interfère avec l’expression de DUOX2 ce qui pourrait suggérer sa pathogénicité. En conclusion, nos travaux démontrent pour la première fois une implication spécifique des NADPH oxydase NOX2 et DUOX suite aux infections virales respiratoires.

Impact de l’hyperglycémie et de l’infection sur le transport ionique, la réparation épithéliale et l’action des correcteurs dans les voies aériennes en Fibrose kystique

La Fibrose kystique (FK), causée par des mutations du canal Cl- CFTR, entraîne une dysfonction de la sécrétion de Cl- et un débalancement dans la sécrétion des fluides. La diminution de la clairance mucociliaire qui s’en suit occasionne une accumulation du mucus. Cet environnement est alors favorable à l’installation d’infections et d’inflammation chroniques, responsables de lésions au niveau de l’épithélium respiratoire. Le vieillissement de la population FK, suite à la prise en charge plus appropriée de la maladie, est accompagné par l’émergence de pathologies associées, telles que le diabète. Celui-ci, ainsi que plusieurs autres facteurs comme l’infection à Pseudomonas aeruginosa, contribuent au déclin progressif de la fonction pulmonaire, principale cause de mortalité et de morbidité des patients FK. Le maintien de la fonction pulmonaire est dépendant notamment du transport ionique et liquidien régulant la clairance mucociliaire ainsi que de la réparation épithéliale nécessaire à la génération d’un épithélium fonctionnel en réponse aux agressions. Nous avons donc évalué l’impact de l’hyperglycémie et des exoproduits de P. aeruginosa sur ces deux mécanismes. Nos résultats ont tout d’abord montré qu’un niveau de glucose élevé diminue les courants Cl- CFTR et potassique et altère la réparation de l’épithélium bronchique FK et non FK. Nous avons aussi observé que l’hyperglycémie limite l’impact bénéfique de la correction de CFTR sur la réparation épithéliale. Dans un second temps, nous avons évalué l’impact de l’infection à Pseudomonas aeruginosa sur le CFTR, qui tient un rôle important dans la fonctionnalité de l’épithélium des voies aériennes non-FK. Nous avons noté que l’expression du CFTR ainsi que sa fonction sont réduites par l’exposition aux produits bactériens dans les cellules non-FK. De plus, ces exoproduits compromettent la maturation du CFTR muté par les correcteurs ainsi que leur bénéfice sur la réparation de l’épithélium FK. Finalement, nous avons testé différentes combinaisons de composés correcteurs et potentiateurs de CFTR afin de déterminer quelle stratégie serait la plus efficace afin de favoriser la réparation épithéliale bronchique FK malgré la présence d’infection.