Impact de l’inhalation de l’hélium-oxygène sur la ventilation, l’oxygénation sanguine, le dépôt d’aérosol dans les maladies respiratoires chroniques obstructives: étude des cas de l’asthme et de l’emphysème – OxHelease

Ce projet concerne l’utilisation du mélange helium/oxygène dans la thérapie des maladies Chroniques Obstructives telles que l’asthme et la BPCO (en particulier, l’emphysème). L’objectif global est d’étudier l’utilisation de l’hélium/oxygène dans ces maladies en caractérisant les paramètres ventilatoires (distribution des débits gazeux, effort respiratoire), le transfert alvéolaire de l’oxygène dans le sang, et la profondeur de pénétration du médicament aérosolisé dans les voies respiratoires, afin de montrer pour le patient les bénéfices de l’hélium/oxygène comparativement à l’air.
La première partie du projet consistera en une étude préclinique. Le modèle animal (rat) sera décliné en trois états : animal sain, modèle d’asthme, modèle d’emphysème.
L’étude préclinique comportera deux phases : 1. analyse de la ventilation, de l’effort respiratoire et du transfert de l’oxygène à travers la membrane alvéolaire, et 2. étude du transport et dépôt d’aérosol. La distribution de ventilation sera analysée à l’aide de deux techniques complémentaires : l’imagerie IRM de l’hélium-3 (He3) hyperpolarisé, et la scintigraphie de ventilation au krypton. L’étude du dépôt d’aérosol consistera en l’administration d’aérosol par un système de nébulisation qui aura été préalablement développé, suivi de l’acquisition des images de dépôt qui se fera par deux techniques performantes : l’imagerie IRM de l’He3 hyperpolarisé et l’imagerie SPECT/CT en 3D. Pour les études de ventilation et d’aérosol, nous comparerons l’effet du gaz (air vs. hélium/oxygène) dans les différents modèles animaux (sain, emphysème et asthme). Cette partie préclinique devrait montrer les effets bénéfiques de l’hélium/oxygène en termes d’effort respiratoire, transfert d’oxygène, ciblage du dépôt régional d’aérosol.
La deuxième partie du projet consistera en la construction de modèles in silico. Pour cette partie, la morphologie des voies respiratoires des rats sains et pathologiques sera caractérisée par Micro-CT Scan dans le but de reconstruire numériquement cette morphologie en 3D. Un modèle complet d’arbre respiratoire sera obtenu, dont les premières générations seront issues de cette reconstruction 3D et les suivantes de la littérature. On peut trouver de nombreux modèles théoriques de prédiction de ventilation et de dépôt d’aérosol dans les voies respiratoires dans la littérature, mais très peu d’entre eux considèrent les morphologies pathologiques. Par conséquent, nous développerons des modèles analytiques/numériques prenant en compte les caractéristiques pathologique et l’asymétrie des voies respiratoires de la morphologie 3D reconstruite. Ces modèles prendront également en compte l’effort respiratoire et le transfert alvéolo-capillaire de l’oxygène. Ils devraient permettre de transposer à l’humain les résultats de simulation de ventilation et de dépôt dans un arbre respiratoire pathologique.
Une étude in vitro se concentrera également sur le comportement de l’aérosol dans des modèles simplifiés de singularités de voies respiratoires chez le rat pour valider les modèles in silico. La comparaison entre les simulations réalisées avec ces modèles et les expériences in vivo / in vitro devrait permettre de valider les modèles.
Finalement, dans la troisième partie du projet, les résultats qui auront été obtenus dans les phases précédentes permettront de mettre en place une étude clinique sur la ventilation chez l’Homme en utilisant la méthode d’IRM de l’He3 hyperpolarisé. Cette étude clinique devrait démontrer la capacité de ces modèles à prédire la distribution de ventilation en fonction des caractéristiques pathologiques du patient.