Caractérisation viscoélastique rapide du mucus des voies respiratoires à l’aide d’un rhéomètre de paillasse

Résumé

Les propriétés viscoélastiques du mucus jouent un rôle essentiel dans la clairance mucociliaire. Cependant, les techniques rhéologiques traditionnelles du mucus nécessitent des approches complexes et chronophages. Cette étude fournit un protocole détaillé pour l’utilisation d’un rhéomètre de paillasse capable d’effectuer rapidement et de manière fiable des mesures viscoélastiques.

Résumé

Dans les maladies pulmonaires muco-obstructives (p. ex. asthme, maladie pulmonaire obstructive chronique, fibrose kystique) et d’autres affections respiratoires (p. ex., infections virales/bactériennes), les propriétés biophysiques du mucus sont altérées par l’hypersécrétion des cellules gobelets, la déshydratation des voies respiratoires, le stress oxydatif et la présence d’ADN extracellulaire. Des études antérieures ont montré que la viscoélasticité des expectorations était en corrélation avec la fonction pulmonaire et que les traitements affectant la rhéologie des expectorations (par exemple, les mucolytiques) peuvent entraîner des avantages cliniques remarquables. En général, les mesures rhéologiques des fluides non newtoniens utilisent des approches élaborées et chronophages (p. ex., rhéomètres parallèles/à plaques coniques et/ou suivi des particules de microbilles) qui nécessitent une formation approfondie pour effectuer le test et interpréter les données. Cette étude a testé la fiabilité, la reproductibilité et la sensibilité de Rheomuco, un dispositif de paillasse convivial conçu pour effectuer des mesures rapides en utilisant l’oscillation dynamique avec un balayage cisaillement-déformation afin de fournir des modules viscoélastiques linéaires (G', G », G^* et tan δ) et des caractéristiques de point de gel (γ_c et σ_c) pour les échantillons cliniques dans les 5 minutes. Les performances de l’appareil ont été validées à l’aide de différentes concentrations d’un simulant de mucus, l’oxyde de polyéthylène (PEO) de 8 MDa, et par rapport aux mesures traditionnelles de rhéologie en vrac. Un isolat clinique prélevé sur un patient intubé atteint d’asthme (SA) a ensuite été évalué en trois mesures et le coefficient de variation entre les mesures est <10%. L’utilisation ex vivo d’un puissant agent réducteur de mucus, le TCEP, sur le mucus SA a entraîné une diminution de cinq fois du module élastique et un changement vers un comportement global plus « liquide » (par exemple, un bronzage plus élevé δ). Ensemble, ces résultats démontrent que le rhéomètre de paillasse testé peut effectuer des mesures fiables de la viscoélasticité du mucus dans les milieux cliniques et de recherche. En résumé, le protocole décrit pourrait être utilisé pour explorer les effets des médicaments mucoactifs (p. ex. rhDNase, N-acétyl cystéine) sur place pour adapter le traitement au cas par cas, ou dans des études précliniques de nouveaux composés.

Introduction

Les maladies des voies respiratoires muco-obstructives, y compris l’asthme, la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC), la fibrose kystique (FK) et d’autres affections respiratoires, telles que la pneumonie virale et bactérienne, sont des problèmes de santé répandus dans le monde entier. Bien que la physiopathologie varie considérablement d’une affection à l’autre, une caractéristique clé commune est une clairance mucociliaire anormale. Dans les poumons sains, le mucus tapisse l’épithélium des voies respiratoires pour piéger les particules inhalées et fournir une barrière physique contre les agents pathogènes. Une fois sécrété, le mucus des voies respiratoires....

Protocole

Dans la présente étude, des échantillons ont été prélevés lors d’une bronchoscopie cliniquement indiquée après avoir obtenu le consentement éclairé en vertu d’un protocole approuvé par le Comité d’examen institutionnel de l’UNC.

1. Collecte et stockage des expectorations et du mucus

1. Recueillir le mucus des voies respiratoires par prélèvement d’expectorations ou aspiration par bronchoscopie.
   1. Prélever les expectorations soit par expectoration spontanée, soit induire des expectorations par inhalation saline hypertonique à 3%. Alternativement, aspirer directement le mucus des voies respiratoi....

Résultats

La figure 1 montre la précision et la répétabilité des mesures rhéologiques à l’aide de courbes dépendantes de la concentration de contrôle viscoélastique, c’est-à-dire la solution d’oxyde de polyéthylène (PEO) et le mucus asthmatique (SA). Les mesures des caractéristiques viscoélastiques de 8 MDa PEO à cinq concentrations différentes (1 %, 1,5 %, 2 %, 2,5 % et 3 %) ont été directement comparées entre le rhéomètre de paillasse évalué et un rhéomètre en vrac traditionnel (Table des ma.......

Discussion

Les propriétés viscoélastiques uniques du mucus sont essentielles au maintien de voies respiratoires saines. Des facteurs internes et externes peuvent altérer les propriétés biophysiques du mucus des voies respiratoires, entraînant des complications cliniques caractéristiques des maladies muco-obstructives. Par conséquent, la surveillance des changements dans la viscoélasticité du mucus pourrait être envisagée lors de l’évaluation de l’état de la maladie et de l’exploration de thérapies qui réduisent la viscoélasticité d.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
	Gilson	CP1000
Discovery-3	Instruments		DHR-3 Rhéomètre en vrac fabriqué par TA Instruments à New Castle, DE : Utilisé pour effectuer des tests rhéologiques.
Logiciel graphique	GraphPad Prism		Logiciel GraphPad (San Diego, CA) utilisé pour l’analyse de données
Microcentrifugeuse Tube	Costar	3621
Plaque Peltier	TA Instruments		Système de contrôle de la température fabriqué par TA Instruments à New Castle, DE
Polyéthylène oxyde	Sigma	372838	8 Polymère MDa utilisé comme simulant
de mucusPipette à déplacement positif	Gilson	M1000	Pipette utilisée pour la manipulation de solutions visqueuses
Rheomuco	Rheonova	Rheonova Rheometer de paillasse fabriqué par Rheonova en France : Utilisé pour effectuer des tests rhéologiques.
Géométries inférieures brutes	Rheonova	D-1811-007
Géométries supérieures brutes	Rheonova	U-1811-007	25 mm de diamètre
	TA Instruments		20 mm de diamètre
tris(2-carboxyéthyl)phosphine	Sigma	646547-10X1ML	TCEP : Agent réducteur puissant.

Rhéomètre hybride TA de 25 mm de diamètre Plaque supérieure lisse de de