Angiotensin-(1-7) and Prone position: important strategies for the management of injury induced by mechanical ventilation.

The two topics covered in this work are strictly correlated to the professional experiences. Particularly, I spent the first period at the University of Milan-Bicocca in the preclinical ICU laboratory directed by Prof. Giacomo Bellani, where my work has been focused on the diaphragm dysfunction during a mechanical ventilation (VIDD); in particular, in the effectiveness study of a therapeutical treatment with Angiotensin-(1-7) in a rat model of VIDD. In the second part of my PhD course, I had a chance to rotate at the University of Pennsylvania to conduct a similar research but in the progression of lung injury. In the anesthesia laboratory of Prof. Maurizio Cereda, the main purpose has been investigating and evaluating the effects of pronation in a large model of ARDS. Diaphragmatic dysfunction and pulmonary stress during mechanical ventilation are serious conditions that reducing positive outcomes and weaning successful in ICU patients. Ventilator-induced diaphragmatic dysfunction (VIDD) is a common event during mechanical ventilation (MV) leading to rapid muscular atrophy and contractile dysfunction. The first study in my thesis was designed to evaluate the effects of the treatment with Ang-(1-7) in a rat model of VIDD. MV resulted in a significant reduction of diaphragmatic contractility in all groups of treatment. Ang-(1-7)-treated rats showed higher muscular fibers cross sectional area and lower Atrogin-1 and Myogenin mRNA levels, compared to Vehicle treatment. Treatment with the antagonists of Mas and AT2R caused a significant reduction of muscular contractility and an increase of Atrogin-1 and MuRF-1 mRNA levels, not affecting the cross sectional fiber area and Myogenin mRNA levels. Systemic Ang-(1-7) administration during MV exerts a protective role on the muscular fibers of the diaphragm preserving muscular fibers anatomy and reducing atrophy. The involvement of Mas and AT2R in the mechanism of action of Ang-(1-7) still remains controversial. It is not known how lung injury progression during mechanical ventilation modifies pulmonary responses to prone positioning. The aim of the second work of my thesis was compared the efficacy of prone positioning on regional lung aeration in late vs. early stages of lung injury using a pig model of ARDS. The main findings reported that gas exchange and respiratory mechanics worsened over 24 hours, indicating ventilator-induced injury progression. On Day 1, prone positioning reinflated 18.9 ± 5.2% of lung mass in the posterior-caudal lung regions. On Day 2, position-associated dorsal reinflation was reduced to 7.3 ± 1.5% (P<0.05). Prone positioning decreased aeration in the anterior lungs on both days. In the early ARDS patients, prone positioning improved posterior lung compliance, but it had no effect in late ARDS subjects. Overall, the effects of prone positioning on lung aeration may depend on the stage of lung injury and duration of ventilation; this may limit the clinical efficacy of this treatment if applied late.

I due temi trattati nella mia tesi di dottorato sono strettamente correlati alle mie esperienze professionali. Infatti, ho trascorso il primo periodo presso l'Università degli Studi di Milano-Bicocca nel laboratorio di terapia intensiva preclinica diretto dal Prof. Giacomo Bellani, dove il mio lavoro si è concentrato nello studio della disfunzione diaframmatica a seguito di ventilazione meccanica (VIDD); in particolare, nello studio di efficacia di un trattamento terapeutico con Angiotensina-(1-7) in un modello VIDD di ratto. Nella seconda parte del mio corso di dottorato, ho avuto la possibilità di svolgere un’esperienza presso l'Università della Pennsylvania per condurre una ricerca simile ma riguardante la progressione del danno polmonare. Nel laboratorio di anestesia del Prof. Maurizio Cereda, lo scopo principale è stato quello di indagare e valutare gli effetti della pronazione in un modello ARDS di grande animale. La disfunzione diaframmatica e lo stress polmonare durante la ventilazione meccanica sono condizioni gravi che riducono gli outcomes positivi e il successo nell’estubazione dei pazienti in terapia intensiva. La disfunzione diaframmatica indotta dal ventilatore (VIDD) è un evento comune durante la ventilazione meccanica (MV) che porta a una rapida atrofia muscolare e disfunzione contrattile. Il primo studio nella mia tesi è stato progettato per valutare gli effetti del trattamento con Ang-(1-7) in un modello di ratto di VIDD. La VM ha determinato una significativa riduzione della contrattilità diaframmatica in tutti i gruppi trattati. I ratti trattati con Ang-(1-7) hanno mostrato un'area della sezione trasversale delle fibre muscolari più alta e livelli inferiori di mRNA di Atrogin-1 e Myogenin, rispetto al trattamento con Veicolo. Il trattamento con gli antagonisti di Mas e AT2R ha causato una significativa riduzione della contrattilità muscolare e un aumento dei livelli di mRNA di Atrogin-1 e MuRF-1, senza influenzare l'area delle fibre della sezione trasversale e i livelli di mRNA di Myogenin. Possiamo quindi concludere che la somministrazione sistemica di Ang- (1-7) durante la VM esercita un ruolo protettivo sulle fibre muscolari del diaframma preservando l'anatomia delle fibre muscolari riducendo l'atrofia. Il coinvolgimento di Mas e AT2R nel meccanismo d'azione di Ang- (1-7) rimane ancora controverso. Non è noto come la progressione del danno polmonare durante la ventilazione meccanica modifichi le risposte polmonari al posizionamento prono. Lo scopo del secondo lavoro della mia tesi è stato confrontare l'efficacia della pronazione sull'aerazione polmonare regionale nelle fasi tardive e iniziali del danno polmonare utilizzando un modello di maiale di ARDS. I risultati principali hanno riportato che lo scambio di gas e la meccanica respiratoria sono peggiorati nell'arco delle 24 ore, indicando la progressione del danno indotto dal ventilatore. Il giorno 1, il posizionamento prono ha rigonfiato il 18,9 ± 5,2% della massa polmonare nelle regioni polmonari posteriori-caudali. Al giorno 2, la re-inflazione dorsale associata alla posizione è stata ridotta a 7,3 ± 1,5% (P <0,05). La pronazione ha diminuito l'aerazione nei polmoni anteriori in entrambi i giorni. Nei primi pazienti con ARDS, la ventilazione in posizione prona ha migliorato la compliance polmonare posteriore, ma non ha avuto effetti nei soggetti con ARDS in ritardo. Nel complesso, gli effetti della pronazione sull'aerazione polmonare possono dipendere dallo stadio del danno polmonare e dalla durata della ventilazione; ciò può limitare l'efficacia clinica di questo trattamento se applicato in ritardo.