Survivors of critical illness often have significant long-term brain dysfunction, and routine clinical procedures like mechanical ventilation (MV) may affect long-term brain outcome. We aimed to investigate the effect of the increase of tidal volume (Vt) on brain activation in a rat model. Male Sprague Dawley rats were randomized to three groups: 1) Basal: anesthetized unventilated animals, 2) low Vt (LVt): MV for three hours with Vt 8 ml/kg and zero positive end-expiratory pressure (ZEEP), and 3) high Vt (HVt) MV for three hours with Vt 30 ml/kg and ZEEP. We measured lung mechanics, mean arterial pressure (MAP), arterial blood gases, and plasma and lung levels of cytokines. We used immunohistochemistry to examine c-fos as a marker of neuronal activation. An additional group of spontaneously breathing rats was added to discriminate the effect of surgical procedure and anesthesia in the brain. After three hours on LVt, PaO2 decreased and PaCO2 increased significantly. MAP and compliance remained stable in MV groups. Systemic and pulmonary inflammation was higher in MV rats than in unventilated rats. Plasma TNFα was significantly higher in HVt than in LVt. Immunopositive cells to c-fos in the retrosplenial cortex and thalamus increased significantly in HVt rats but not in LVt or unventilated rats. MV promoted brain activation. The intensity of the response was higher in HVt animals, suggesting an iatrogenic effect of MV on the brain. These findings suggest that this novel cross-talking mechanism between the lung and the brain should be explored in patients undergoing MV.

Mechanical ventilation (MV) with high tidal volumes (V(T)) can cause or aggravate lung damage, so-called ventilator induced lung injury (VILI). The relationship between specific mechanical events in the lung and the cellular responses that result in VILI remains incomplete. Since activation of Wnt/β-catenin signaling has been suggested to be central to mechanisms of lung healing and fibrosis, we hypothesized that the Wnt/β-catenin signaling plays a role during VILI.Prospective, randomized, controlled animal study using adult, healthy, male Sprague-Dawley rats. Animals (n = 6/group) were randomized to spontaneous breathing or two strategies of MV for 4 hours: low tidal volume (V(T)) (6 mL/kg) or high V(T) (20 mL/kg). Histological evaluation of lung tissue, measurements of WNT5A, total β-catenin, non-phospho (Ser33/37/Thr41) β-catenin, matrix metalloproteinase-7 (MMP-7), cyclin D1, vascular endothelial growth factor (VEGF), and axis inhibition protein 2 (AXIN2) protein levels by Western blot, and WNT5A, non-phospho (Ser33/37/Thr41) β-catenin, MMP-7, and AXIN2 immunohistochemical localization in the lungs were analyzed. High-V(T) MV caused lung inflammation and perivascular edema with cellular infiltrates and collagen deposition. Protein levels of WNT5A, non-phospho (Ser33/37/Thr41) β-catenin, MMP-7, cyclin D1, VEGF, and AXIN2 in the lungs were increased in all ventilated animals although high-V(T) MV was associated with significantly higher levels of WNT5A, non-phospho (Ser33/37/Thr41) β-catenin, MMP-7, cyclin D1, VEGF, and AXIN2 levels.Our findings demonstrate that the Wnt/β-catenin signaling pathway is modulated very early by MV in lungs without preexistent lung disease, suggesting that activation of this pathway could play an important role in both VILI and lung repair. Modulation of this pathway might represent a therapeutic option for prevention and/or management of VILI.

Critically ill patients often develop acute lung injury (ALI) in the context of different clinical conditions. We aimed to explore differences in early local and systemic features in three experimental animal models of ALI. Mechanically ventilated male Sprague–Dawley rats were randomized to high tidal volume (VT) ventilation (HVT) (n = 8, VT 24 ml/kg), massive brain injury (MBI) (n = 8, VT 8 ml/kg) or endotoxemia (LPS) (n = 8, VT 8 ml/kg). Each experimental group had its own control group of eight rats (VT 8 ml/kg). We measured arterial blood gases, mean arterial pressure, lung compliance, inflammatory mediators in plasma and their expression and gelatinase activity in the lungs after 3 h of injury. Despite maintaining relatively normal lung function without evidence of important structural changes, we observed altered lung and systemic inflammatory responses in all three experimental models. LPS triggered the most robust inflammatory response and HVT the lowest systemic proinflammatory response. The HVT group had higher Il6, Tnf and Cxcl2 mRNA in lungs than MBI animals. Metalloproteinase activity/expression and neutrophilic recruitment in the lungs were higher in HVT than in LPS or MBI. The early responses to direct or remote lung insult in our three models of ALI captured different physiological and biological features that could lead to respiratory and/or multiorgan failure.

Ventilatory strategy and specifically positive end-expiratory pressure (PEEP) can modulate the inflammatory response and pulmonary-to-systemic translocation of lipopolysaccharide (LPS). Both inflammation and ventilatory pattern may modify brain activation, possibly worsening the patient's outcome and resulting in cognitive sequelae.We prospectively studied Sprague-Dawley rats randomly assigned to undergo 3 h mechanical ventilation with 7 mL/kg tidal ventilation and either 2 cmH2O or 7 cmH2O PEEP after intratracheal instillation of LPS or saline. Healthy nonventilated rats served as baseline. We analyzed lung mechanics, gas exchange, lung and plasma cytokine levels, lung apoptotic cells, and lung neutrophil infiltration. To evaluate brain neuronal activation, we counted c-Fos immunopositive cells in the retrosplenial cortex (RS), thalamus, supraoptic nucleus (SON), nucleus of the solitary tract (NTS), paraventricular nucleus (PVN), and central amygdala (CeA).LPS increased lung neutrophilic infiltration, lung and systemic MCP-1 levels, and neuronal activation in the CeA and NTS. LPS-instilled rats receiving 7 cmH2O PEEP had less lung and systemic inflammation and more c-Fos-immunopositive cells in the RS, SON, and thalamus than those receiving 2 cmH2O PEEP. Applying 7 cmH2O PEEP increased neuronal activation in the CeA and NTS in saline-instilled rats, but not in LPS-instilled rats.Moderate PEEP prevented lung and systemic inflammation secondary to intratracheal LPS instillation. PEEP also modified the neuronal activation pattern in the RS, SON, and thalamus. The relevance of these differential brain c-Fos expression patterns in neurocognitive outcomes should be explored.

Unfortunately, the original version of this article [1] contained an error. Affiliation no. 5 had been omitted to be included for the first author, Maria Elisa Quilez. This has now been corrected. The full list of affiliations for the first author are: Maria Elisa Quilez1,2,5 1 CIBER de Enfermedades Respiratorias, Instituto de Salud Carlos III. C/ Sinesio Delgado 6, Madrid, 28029, Spain 2 Critical Care Center, Corporacio Sanitaria Parc Tauli, Institut Universitari, Esfera UAB. Parc Tauli sn. Sabadell, 08208, Spain 5 Universitat Autonoma de Barcelona. Campus de la UAB, Bellaterra, 08193, Spain