Modèle robotique souple du cœur humain, développé à l’UNSW à Sydney en Australie, capable de reproduire des pathologies. Crédit : UNSW/Richard Freeman
Des chercheurs de l’UNSW (Université de Nouvelle-Galles du Sud) Sydney ont mis au point un cœur robotique souple entièrement synthétique qui reproduit les mouvements complexes et les structures internes du cœur humain, ouvrant la voie à de meilleurs traitements, à des dispositifs médicaux plus sûrs et à des soins plus personnalisés.
Publiée dans Nature Communications and Advanced Science , cette recherche présente un modèle de battement du côté gauche du cœur comprenant des valves artificielles, des muscles papillaires et des cordages tendineux — des structures essentielles au bon fonctionnement du cœur et fréquemment affectées par la maladie.
Ce dispositif est capable de reproduire avec précision le processus qui se produit dans un véritable cœur, au cours duquel les valves cardiaques fuient et le sang reflue, augmentant ainsi le risque d’insuffisance cardiaque et d’autres complications potentiellement mortelles.
L’équipe de recherche affirme ainsi que ce nouveau robot souple pourra à terme contribuer à une meilleure compréhension des maladies cardiaques, réduire le recours aux tests sur les animaux et fournir aux médecins des modèles spécifiques à chaque patient pour planifier les traitements avant les interventions.
Le professeur associé Thanh Nho Do, chef d’équipe chez Scientia et membre de l’École d’ingénierie biomédicale et du Laboratoire de robotique médicale de l’UNSW, affirme que ces travaux sont importants car les maladies cardiovasculaires restent la principale cause de décès dans le monde.
« L’insuffisance cardiaque à fraction d’éjection préservée (ICFEP) est une affection cardiaque complexe qui survient souvent en même temps que d’autres problèmes de santé tels que l’hypertension artérielle, les arythmies cardiaques, les maladies rénales, l’obésité et le diabète », explique Do.
« Le développement de dispositifs médicaux visant à améliorer la fonction cardiaque est complexe car il affecte les individus de différentes manières. »
« Les valves cardiaques sont également essentielles au bon fonctionnement du cœur, mais certaines maladies peuvent les rendre perméables ou rigides. Cela peut augmenter le travail du cœur et contribuer à l’insuffisance cardiaque. »
« Notre objectif plus large est de construire des modèles de cœurs artificiels réalistes qui puissent aider les chercheurs à comprendre les maladies et à développer des dispositifs plus sûrs et plus efficaces avant qu’ils ne soient testés sur des animaux ou utilisés chez les patients. »
Recréer le cœur qui bat
Le modèle mis au point à l’UNSW est une réplique souple et flexible du côté gauche du cœur. Des membranes en silicone forment les cavités internes, tandis que des muscles artificiels robotiques souples, enroulés autour de la structure, reproduisent les contractions et les torsions naturelles du cœur.
Contrairement aux modèles de laboratoire classiques, le cœur robotique souple contient les structures responsables du contrôle de la valve mitrale, qui, dans la réalité, fonctionne comme une paire de portes battantes s’ouvrant et se fermant à chaque battement de cœur pour assurer la circulation du sang riche en oxygène vers le corps tout en empêchant les fuites rétrogrades.
Ce cœur robotique souple reproduit les mouvements complexes et les structures internes du cœur humain. Crédit : UNSW/Richard Freeman
L’intégration de cette caractéristique physiologique spécifique du cœur dans le modèle permettra aux chercheurs de reproduire des maladies dans lesquelles la valve fuit et le sang commence à refluer.
« Le modèle est fabriqué à partir de matériaux flexibles et alimenté par des muscles artificiels agencés de manière à imiter l’architecture musculaire stratifiée du cœur humain », explique le Dr James Davies, postdoctorant dans le groupe de Do.
« Nous avons trouvé un moyen de modéliser cette architecture de fibres musculaires à l’aide de fibres musculaires artificielles robotiques souples. Elles sont alimentées par une pression hydraulique que nous contrôlons pour que notre modèle de muscle ventriculaire bouge comme un muscle réel. »
« Nous enroulons ensuite cette musculature artificielle autour de membranes en silicone, qui reproduisent la surface interne du cœur gauche humain, formant ainsi notre modèle atrioventriculaire du cœur gauche. Ces membranes contiennent le sang simulé à l’intérieur du cœur gauche, permettant ainsi de simuler le pompage du sang à l’intérieur et à l’extérieur du modèle. »
Ce système permet aux chercheurs d’ajuster activement la tension des muscles papillaires artificiels qui soutiennent la valve mitrale.
Ce faisant, l’équipe a pu recréer des conditions pathologiques telles que le prolapsus et la régurgitation de la valve mitrale, dans lesquelles le sang reflue au lieu de circuler efficacement à travers le cœur.
Imitant les maladies cardiaques humaines
Grâce à l’imagerie par ultrasons et à des mesures de pression et de débit sanguin, les chercheurs ont démontré que le cœur artificiel se comporte de manière remarquablement similaire à un cœur humain.
Un fonctionnement sain des valves produisait des profils de pression et de débit normaux, tandis que l’introduction d’une maladie entraînait des modifications caractéristiques observées chez les patients.
« Dans la première étude reproduisant le fonctionnement interne des valves du cœur humain, nous avons pu générer des formes d’onde de pression et de débit similaires à celles du cœur réel », explique Do.
« Surtout, nous avons pu ajuster la fonction de la valve mitrale en contrôlant la longueur du muscle papillaire. »
« Nous avons validé cela en utilisant des mesures invasives de pression et de débit à l’intérieur et à l’extérieur du cœur, mais nous avons également pu démontrer la compatibilité du modèle avec des mesures cliniques non invasives de la fonction cardiaque telles que l’imagerie par ultrasons ou l’échocardiographie. »
« La simulation d’une fonction saine de la valve mitrale a suivi les attentes physiologiques en matière de pression et de débit cardiaques, tandis que l’induction de la maladie a montré une augmentation de la régurgitation, ou reflux, et une diminution de la pression et du débit de sortie, ce qui est également cohérent avec les maladies des valves cardiaques humaines. »
Le professeur Nigel Lovell, de l’université Scientia, directeur de l’École d’ingénierie biomédicale et de Tyree IHealthE, a ajouté : « L’imagerie par ultrasons ressemblait également à l’imagerie cardiaque humaine grâce à la forme et à la fonction biomimétiques de notre modèle. Nous avons pu observer un mouvement des feuillets valvulaires similaire à celui observé chez l’humain et visualiser le flux sanguin à travers les valves, y compris la formation de jets de régurgitation s’échappant des valves présentant une pathologie induite. »
Les chercheurs ont également utilisé ce système pour tester un cathéter cardiaque robotisé souple nouvellement mis au point à l’intérieur du modèle de cœur battant.
Le cathéter a pu naviguer à l’intérieur du cœur artificiel et détecter les contacts avec les structures cardiaques en mouvement, démontrant ainsi comment cette plateforme pourrait accélérer le développement de futurs outils chirurgicaux.
Le Dr James Davies et le professeur associé Thanh Nho Do dans leur laboratoire. Crédit : UNSW/Richard Freeman
Réduire la dépendance aux modèles animaux
Les chercheurs pensent que, grâce à l’environnement contrôlable et reproductible offert par le simulateur, celui-ci pourrait contribuer à réduire le recours aux études animales lors des premières étapes du développement des dispositifs médicaux.
« Nous espérons mettre en place une plateforme permettant de modéliser de manière exhaustive les maladies cardiaques et de simuler leurs différents traitements, y compris les implants cardiaques et les instruments chirurgicaux », explique Do.
« En particulier aux premiers stades du développement des dispositifs cardiaques, une telle plateforme permettra de contrôler la fonction cardiaque tout en conservant la pertinence anatomique et physiologique, réduisant ainsi notre dépendance aux modèles animaux et les coûts et problèmes éthiques qui y sont associés. »
« En étant capables d’induire un large éventail de maladies cardiaques spécifiques telles que l’ICFEp, qui reste l’une des formes d’insuffisance cardiaque les moins bien comprises et les plus difficiles à traiter, nous espérons contribuer au développement de nouveaux implants et dispositifs spécialement conçus pour sauver et améliorer des vies et réduire le fardeau des maladies cardiovasculaires sur les systèmes de santé. »
« L’insuffisance cardiaque à fraction d’éjection préservée (ICFEP), qui représente 50 % des cas d’insuffisance cardiaque, mérite des options de traitement mécanique spécifiques. »
Plus important encore, le modèle a réussi à reproduire bon nombre des changements observés dans l’ICFEp, notamment les modifications de la fonction cardiaque et du flux sanguin.
Lorsqu’ils ont simulé l’un des premiers signes d’ICFEp (insuffisance cardiaque à fraction d’éjection préservée) – une diminution de la capacité du cœur à se relâcher entre les battements –, les chercheurs ont constaté que le sang affluait vers le cœur plus lentement et moins efficacement. Ce remplissage retardé augmentait la pression intracardiaque, ce qui correspondait étroitement à ce qui est fréquemment observé chez les patients atteints d’ICFEp.
Les chercheurs envisagent également un avenir dans lequel des versions du modèle spécifiques à chaque patient pourraient être créées à partir de données d’imagerie médicale.
Ces modèles personnalisés pourraient aider les cliniciens à évaluer différents dispositifs et approches thérapeutiques avant l’opération, améliorant ainsi la planification chirurgicale et pouvant potentiellement conduire à de meilleurs résultats.
« Avec l’essor de la médecine personnalisée, nous espérons également permettre une meilleure modélisation cardiovasculaire spécifique au patient, qui pourra faciliter la planification chirurgicale et éclairer les décisions concernant le type, la taille et les paramètres fonctionnels de l’implant », déclare Do.
« Nous avons hâte de valider ces concepts et de favoriser leur adoption clinique à l’avenir. »
Validation future
Bien que l’étude démontre le potentiel de cette technologie, les chercheurs soulignent que le modèle actuel n’est encore qu’une preuve de concept et non un outil clinique finalisé.
Plusieurs défis restent à relever, notamment l’amélioration des matériaux, le perfectionnement des systèmes de contrôle et une meilleure compatibilité du dispositif avec l’imagerie médicale. Les versions futures devront également mieux reproduire certains aspects de la fonction cardiaque et utiliser des géométries spécifiques à chaque patient plutôt que des structures simplifiées.
Plus important encore, la plateforme doit être validée à l’aide de données réelles de patients.
« La prochaine étape la plus importante consiste à effectuer une validation plus approfondie à l’aide de données cliniques », déclare Do.
« Les études actuelles démontrent une solide performance de validation de principe. »
« Le modèle peut reproduire les principales caractéristiques de pression, de débit, de mouvement, de valve et d’imagerie qui correspondent au fonctionnement du cœur humain. Cependant, avant que cette plateforme puisse être utilisée pour la prise de décision clinique, nous devons la comparer systématiquement aux données de patients présentant une grande variété d’anatomies cardiaques et de degrés de gravité de la maladie. »
L’équipe, qui comprend également le professeur Christopher Hayward, cardiologue spécialiste de l’insuffisance cardiaque et des transplantations à l’hôpital St. Vincent de Sydney, ainsi que la professeure Jelena Rnjak-Kovacina et la professeure agrégée Scientia Hoang-Phuong Phan de l’UNSW, espère qu’avec des développements supplémentaires, cette technologie pourra être adoptée en milieu clinique.
« Plutôt que de considérer le modèle actuel comme un outil clinique abouti, nous le voyons comme une plateforme facilitatrice », a ajouté Davies.
« Cela démontre que les cœurs artificiels robotisés souples peuvent reproduire les mécanismes de la maladie d’une manière que les modèles de laboratoire conventionnels ne peuvent pas, et cela fournit une voie claire vers la modélisation spécifique au patient, les tests de dispositifs et, éventuellement, la planification du traitement. »
