Analyse par microscopie vidéo à grande vitesse pour le diagnostic de première ligne de la dyskinésie ciliaire primaire
Summary
L’analyse par microscopie vidéo à haute vitesse est un outil relativement facile à réaliser, rapide, rentable et, entre des mains expérimentées, un outil considérablement fiable pour le diagnostic de première ligne de la dyskinésie ciliaire primaire, qui devrait être disponible dans tous les centres impliqués dans le diagnostic et le traitement des maladies pulmonaires graves.
Abstract
La dyskinésie ciliaire primitive (DCP) est un trouble congénital principalement hérité d’un trait autosomique récessif. Le trouble provoque une perturbation du mouvement des cils, entraînant une altération grave de la clairance mucociliaire (MCC). Si elle n’est pas diagnostiquée ou diagnostiquée trop tard, la maladie entraîne le développement d’une bronchectasie et de graves dommages aux poumons plus tard dans la vie. La plupart des méthodes de diagnostic de la PCD prennent beaucoup de temps et nécessitent des ressources économiques considérables pour les établir. L’analyse par microscopie vidéo à grande vitesse (HSVMA) est le seul outil de diagnostic permettant de visualiser et d’analyser les cellules respiratoires vivantes avec des cils battants in vitro. Il est rapide, rentable et, entre des mains expérimentées, très fiable en tant qu’outil de diagnostic pour PCD. En outre, les mesures diagnostiques classiques telles que la microscopie électronique à transmission (TEM) ne sont pas applicables à certaines mutations car les changements morphologiques sont absents.
Cet article décrit le processus de collecte des cellules épithéliales respiratoires, la préparation ultérieure de l’échantillon et le processus de HSVMA. Nous décrivons également comment les cellules brossées peuvent être maintenues indemnes et battues avec succès en les gardant dans un milieu nourrissant pour le stockage et le transport vers le site d’investigation dans les cas où une clinique ne possède pas l’équipement nécessaire pour effectuer l’HSVMA. Sont également montrées des vidéos avec des schémas de battement pathologiques de patients présentant une mutation du gène de la chaîne lourde 11 du bras dynéine (DNAH11), qui ne peut pas être diagnostiqué avec TEM; le résultat d’un HSVMA non concluant dû à une infection des voies respiratoires supérieures, ainsi que d’un brossage infructueux avec superposition de globules rouges. Avec cet article, nous aimerions encourager toutes les unités traitant des patients en pneumologie et des maladies pulmonaires rares à effectuer L’HSVMA dans le cadre de leurs diagnostics quotidiens de routine pour la PCD ou à envoyer les échantillons à un centre spécialisé dans la réalisation de HSVMA.
Introduction
La dyskinésie ciliaire primitive (DCP) est une maladie génétique héréditaire rare qui provoque des perturbations dans le mouvement des cils battants. S’il n’est pas diagnostiqué, il entraîne de graves lésions pulmonaires plus tard dans la vie en raison d’une altération grave du MCC. Dans le passé, sa prévalence a été estimée entre 1:4 000 et 50 000. En raison de l’amélioration constante des diagnostics et d’une prise de conscience croissante de la maladie, les mises à jour sur la prévalence de la PCD suggèrent qu’elle pourrait être beaucoup plus courante et probablement comprise entre 1: 4 000 et 20 000 au lieu de 1,2. Cependant, les patients atteints de PCD sont encore sous-diagnostiqués ou diagnostiqués trop tard 1,3. Par conséquent, les nourrissons atteints de situs inversus congénital et/ou d’hétérotaxie ou de rhinorrhée périnatale, de détresse respiratoire néonatale, de nez bouché et de difficultés d’alimentation devraient être suspects de PCD. Plus tard dans la vie, l’otite chronique, la pneumonie récurrente, la rhinosinusite et une toux grasse chronique typique due à une altération du MCC sont les symptômes caractéristiques de la PCD, qui, en combinaison avec la bronchectasie et une altération de la fonction pulmonaire, se poursuivent à l’âge adulte2.
Les patients soupçonnés d’avoir une PCD peuvent être diagnostiqués à l’aide de différents outils de diagnostic. La GDT a été considérée comme la référence en matière de diagnostic de première ligne dans le passé. Cependant, jusqu’à 30% des cas de PCD ne présentent pas d’ultrastructure anormale 1,3,4,5,6, ce qui nécessite une approche diagnostique différente. Par conséquent, un nombre croissant de centres et les directives de l’European Respiratory Society (ERS) suggèrent une combinaison d’oxyde nitrique nasal (nNO) et de HSVMA comme diagnostic de première ligne 1,7,9,10. HSVMA et nNO sont également les options les plus rentables pour identifier un patient atteint de PCD11. Cependant, même si les tests génétiques ont été inclus dans les diagnostics, il faut garder à l’esprit qu’il n’existe actuellement aucun test autonome ou combinaison de tests pouvant exclure la PCD avec une certitude de 100% 8,9,10.
Parmi les options de diagnostic disponibles, HSVMA est le seul test qui se concentre sur les cellules respiratoires vivantes enrobées de cils et évalue le modèle de battement ciliaire (CBP) et la fréquence de battement ciliaire (CBF). Contrairement à la TEM, les résultats de la HSVMA sont disponibles rapidement, généralement le jour du test, alors que les résultats de la TEM peuvent arriver des mois après le prélèvement de l’échantillon. La HSVMA peut être appliquée pour tous les groupes d’âge, tandis que nNO exige un degré élevé de conformité; les tentatives de l’utiliser avant l’âge de 5 ans sont généralement infructueuses10. Dans les mains expérimentées, HSVMA a une excellente sensibilité et spécificité pour diagnostiquer pcD à 100% et 96%, respectivement12.
Cet article décrit la procédure étape par étape pour effectuer la HSVMA, y compris la récolte de cellules respiratoires enrobées de cils à partir du cornet inférieur du nez, la préservation des cellules récoltées dans un milieu nourrissant les cellules pour le transport vers le site d’investigation, et le processus d’analyse vidéo microscopique pour déterminer le CBF et le CBP. De plus, certains clips vidéo de patients sont montrés, comparant les CBP et les CBF normaux avec une fonction cileuse anormale (Vidéo 3, Vidéo 4, Vidéo 5, Vidéo 6, Vidéo 7 et Vidéo 8).
Protocol
Representative Results
Discussion
Ici, le processus de diagnostic de la PCD à l’aide de HSVMA est décrit et discuté à la lumière des diagnostics de première ligne. Bien qu’il soit relativement facile à établir, rentable11 et qu’il s’agisse d’une méthode fiable entre des mains expérimentées12, le HSVMA n’est pas une mesure diagnostique sans pièges. Un CBF et un CBP anormaux peuvent être dus à une infection secondaire, entraînant une inflammation de l’épithélium broncho-respirat…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous tenons à remercier tout particulièrement l’infirmière pédiatrique Mme Johanna Juvankoski pour son excellente aide avec les brossages. Nous tenons également à exprimer une gratitude particulière au professeur Heymut Omran (University Clinic Münster, UKM) pour avoir accordé la permission d’utiliser la figure schématique du mouvement ciliaire normal de leur site Web. Enfin, nous tenons à remercier M. Alan Brown BA (Hons), PGCE, pour la relecture du manuscrit.
Materials
| Amoxiciline-clavulanic acid | Orion Oyj | 40 mg/kg divided in 2 doses/day, for adults 875/125 mg 1 tablet x2/day | |
| Camera Software | Hamamatsu | HCI Image | |
| Cold pack | any | for preservation and transport | |
| Differential interference microscope | Carl Zeiss | Inverted, cell observer microscope | |
| Digitial High Speed Video Camera | Hamamatsu | Orca Flash 4.0, digital camera type C11440 | |
| Dulbecco´s Modified Eagle Medium | Thermo Fisher | 10565018 | basal cell culture medium |
| Eppendorf tube | Eppendorf | 30120086 | 1.5 mL tube |
| Glass-bottom microwell dish | MatTek | P35G-1.5-14-C | cuvette for microscopy |
| Heating Unit | Carl Zeiss/PeCon | 810-450001 | Carl Zeiss incubation elements with PeCon TempModule S1 temperature control |
| Interdental brush 0.6 mm | Doft | 872267 | Interdental brush on a long wire with a reusable handle and cap in zipbag |
| Objective | Carl Zeiss | 100x/1.46, α Plan-Apochromat DIC objective | |
| Small polystyrene box with lid | any | for transport |
References
- Werner, C., Onnebrink, J. G., Omran, H. Diagnosis and management of primary ciliary dyskinesia. Cilia. 4 (1), 2 (2015).
- Mirra, V., Werner, C., Santamaria, F. Primary ciliary dyskinesia: An update on clinical aspects, genetics, diagnosis and future treatment strategies. Frontiers in Pediatrics. 5, 135 (2017).
- Schultz, R., Elenius, V., Lukkarinen, H., Saarela, T. Two novel mutations in the DNAH11 gene in primary ciliary dyskinesia (CILD7) with considerable variety in the clinical and beating cilia phenotype. BMC Medical Genetics. 21 (1), 237 (2020).
- Knowles, M. R., et al. Mutations of DNAH11 in patients with primary ciliary dyskinesia with normal ciliary ultrastructure. Thorax. 67 (5), 433-441 (2012).
- Boon, M., et al. Primary ciliary dyskinesia: critical evaluation of clinical symptoms and diagnosis in patients with normal and abnormal ultrastructure. Orphanet Journal of Rare Diseases. 9, 11 (2014).
- Kouis, P., et al. Prevalence of primary ciliary dyskinesia in consecutive referrals of suspected cases and the transmission electron microscopy detection rate: a systematic review and meta-analysis. Pediatric Research. 81 (3), 398-405 (2017).
- Marthin, J. K., Nielsen, K. G. Choice of nasal nitric oxide technique as first-line test for primary ciliary dyskinesia. European Respiratory Journal. 37 (3), 559-565 (2011).
- Jackson, C. L., Behan, L., Collins, S. A. Accuracy of diagnostic testing in primary ciliary dyskinesia. European Respiratory Journal. 47 (3), 837-848 (2016).
- Lucas, J. S., et al. European Respiratory Society guidelines for the diagnosis of primary ciliary dyskinesia. European Respiratory Journal. 49 (1), 1601090 (2017).
- Shoemark, A., Dell, S., Shapiro, A., Lucas, J. S. ERS and ATS diagnostic guidelines for primary ciliary dyskinesia: similarities and differences in approach to diagnosis. European Respiratory Journal. 54 (3), 1901066 (2019).
- Kouis, P. Cost-effectiveness analysis of three algorithms for diagnosing primary ciliary dyskinesia: a simulation study. Orphanet Journal of Rare Diseases. 14 (1), 142 (2019).
- Rubbo, B., et al. Accuracy of high-speed video analysis to diagnose primary ciliary dyskinesia. Chest. 155 (5), 1008-1017 (2019).
- Friedman, N. R., Pachigolla, R., Deskin, R. W., Hawkins, H. K. Optimal technique to diagnose primary ciliary dyskinesia. The Laryngoscope. 110 (9), 1548-1551 (2000).
- Chilvers, M. A., Rutman, A., O´Callaghan, C. Functional analysis of cilia and ciliated epithelial ultrastructure in healthy children and young adults. Thorax. 58 (4), 333-338 (2003).
- Lucas, J. S., Paff, T., Goggin, P., Haarman, E. Diagnostic methods in primary ciliary dyskinesia. Paediatric Respiratory Reviews. 18, 8-17 (2016).
- Ballenger, J. J. Experimental effect of cigarette smoke on human respiratory cilia. New England Journal of Medicine. 263, 832-835 (1960).
- Stanley, P. J., Wilson, R., Greenstone, M. A., Mac William, L., Cole, P. J. Effect of cigarette smoking on nasal mucociliary clearance and ciliary beat frequency. Thorax. 41 (7), 519-523 (1986).
- Kobbernagel, H. E., et al. Efficacy and safety of azithromycin maintenance therapy in primary cilia dyskinesia (BESTCILIA): a multicentre, double-blind, randomised, placebo-controlled phase 3 trial. Lancet Respiratory Medicine. 8 (5), 493-505 (2020).
- Takeyama, K., Tamaoki, J., Chiyotani, A., Tagaya, E., Konno, K. Effect of macrolide antibiotics on ciliary motility in rabbit airway epithelium in-vitro. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 45 (8), 756-758 (1993).
- Toskala, E., Haataja, J., Shirasaki, H., Rautliainen, M. Culture of cells harvested with nasal brushing: a method for evaluating ciliary function. Rhinology. 43 (2), 121-124 (2005).
- Pifferi, M., et al. Simplified cell culture method for the diagnosis of atypical primary ciliary dyskinesia. Thorax. 64 (12), 1077-1081 (2009).
- Hirst, R. A., et al. Culture of primary ciliary dyskinesia epithelial cells at air liquid interface can alter ciliary phenotype but remains a robust and informative, diagnostic aid. PLoS One. 9 (2), 89675 (2014).
- Papon, J. F., et al. Quantitative analysis of ciliary beating in primary ciliary dyskinesia: a pilot study. Orphanet Journal of Rare Diseases. 7 (10), 78 (2012).
- Smith, C. M., et al. Cilia FA: a research tool for automated, high-throughput measurement of ciliary beat frequency using freely available software. Cilia. 1 (8), 14 (2012).
- Sampaio, P., et al. Ciliar Move: new software for evaluating ciliary beat frequency helps find novel mutations by a Portuguese multidisciplinary team on primary ciliary dyskinesia. European Respiratory Journal Open Research. 7 (1), 00792 (2021).
- Mullowney, T., et al. Primary ciliary dyskinesia and neonatal respiratory distress. Pediatrics. 134 (6), 1160-1166 (2014).
- Leigh, M. W., et al. Standardizing nasal nitric oxide measurement as a test for primary ciliary dyskinesia. Annals of the American Thoracic Society. 10 (6), 574-581 (2013).
