Les ingénieurs conçoivent une réplique robotique de la chambre droite du cœur

Les ingénieurs du MIT ont développé une réplique robotique du ventricule droit du cœur, qui imite les battements et l'action de pompage du sang des cœurs vivants.

Le robot-ventricule combine du tissu cardiaque réel avec des muscles artificiels synthétiques ressemblant à des ballons qui permettent aux scientifiques de contrôler les contractions du ventricule tout en observant le fonctionnement de ses valvules naturelles et d'autres structures complexes.

Le ventricule artificiel peut être réglé pour imiter des états sains et malades. L'équipe a manipulé le modèle pour simuler des conditions de dysfonctionnement ventriculaire droit, notamment l'hypertension pulmonaire et l'infarctus du myocarde. Ils ont également utilisé le modèle pour tester des appareils cardiaques. Par exemple, l’équipe a implanté une valvule mécanique pour réparer une valvule naturelle défectueuse, puis a observé comment le pompage du ventricule changeait en réponse.

Ils affirment que le nouveau ventricule droit robotisé, ou RRV, peut être utilisé comme une plate-forme réaliste pour étudier les troubles du ventricule droit et tester des dispositifs et des thérapies visant à traiter ces troubles.

“Le ventricule droit est particulièrement sensible au dysfonctionnement dans les unités de soins intensifs, en particulier chez les patients sous ventilation mécanique”, explique Manisha Singh, postdoctorante à l'Institut d'ingénierie médicale et des sciences (IMES) du MIT. “Le simulateur RRV pourra être utilisé à l'avenir pour étudier les effets de la ventilation mécanique sur le ventricule droit et pour développer des stratégies visant à prévenir l'insuffisance cardiaque droite chez ces patients vulnérables.”

Singh et ses collègues rapportent les détails du nouveau design dans un article paru aujourd'hui dans Nature Recherche cardiovasculaire.

Un ballet de rythmes

Le ventricule droit est l'une des quatre chambres du cœur, avec le ventricule gauche et les oreillettes gauche et droite. Parmi les quatre chambres, le ventricule gauche est celui qui soulève le plus lourd, car sa musculature épaisse en forme de cône est conçue pour pomper le sang dans tout le corps. Le ventricule droit, dit Roche, est une « ballerine » en comparaison, car il supporte une charge plus légère mais non moins cruciale.

“Le ventricule droit pompe le sang désoxygéné vers les poumons, il n'a donc pas besoin de pomper aussi fort”, note Roche. “C'est un muscle plus fin, avec une architecture et des mouvements plus complexes.”

Cette complexité anatomique a rendu difficile pour les cliniciens l'observation et l'évaluation précises de la fonction du ventricule droit chez les patients atteints d'une maladie cardiaque.

“Les outils conventionnels ne parviennent souvent pas à capturer la mécanique et la dynamique complexes du ventricule droit, ce qui conduit à des diagnostics erronés potentiels et à des stratégies de traitement inadéquates”, explique Singh.

Pour améliorer la compréhension de cette chambre moins connue et accélérer le développement de dispositifs cardiaques pour traiter son dysfonctionnement, l'équipe a conçu un modèle réaliste et fonctionnel du ventricule droit qui capture ses subtilités anatomiques et reproduit sa fonction de pompage.

Le modèle comprend du tissu cardiaque réel, que l’équipe a choisi d’incorporer car il conserve des structures naturelles trop complexes pour être reproduites synthétiquement.

“Il existe de minuscules cordes et feuillets valvulaires dotés de propriétés matérielles différentes qui se déplacent tous de concert avec le muscle du ventricule. Essayer de mouler ou d'imprimer ces structures très délicates est un véritable défi”, explique Roche.

La durée de conservation d'un cœur

Dans la nouvelle étude, l'équipe rapporte l'explantation du ventricule droit d'un porc, qu'elle a traité pour préserver soigneusement ses structures internes.

Ils ont ensuite placé une enveloppe de silicone autour de celui-ci, qui agissait comme un myocarde synthétique doux ou une doublure musculaire. Dans cette doublure, l'équipe a intégré plusieurs longs tubes en forme de ballon, qui encerclaient le véritable tissu cardiaque, dans des positions que l'équipe a déterminées par modélisation informatique comme étant optimales pour reproduire les contractions du ventricule.

Les chercheurs ont connecté chaque tube à un système de contrôle, qu'ils ont ensuite configuré pour gonfler et dégonfler chaque tube à des rythmes imitant le rythme et le mouvement réels du cœur.

Pour tester sa capacité de pompage, l’équipe a perfusé le modèle avec un liquide de viscosité similaire à celle du sang. Ce liquide particulier était également transparent, permettant aux ingénieurs d'observer avec une caméra interne comment les valves et les structures internes réagissaient lorsque le ventricule pompait le liquide.

Ils ont découvert que la puissance de pompage du ventricule artificiel et la fonction de ses structures internes étaient similaires à celles observées précédemment chez des animaux vivants et en bonne santé, démontrant que le modèle peut simuler de manière réaliste l'action et l'anatomie du ventricule droit. Les chercheurs ont également pu régler la fréquence et la puissance des tubes de pompage pour imiter diverses conditions cardiaques, telles que des battements cardiaques irréguliers, un affaiblissement musculaire et une hypertension.

“Nous réanimons le cœur, dans un certain sens, et de manière à pouvoir étudier et potentiellement traiter son dysfonctionnement”, explique Roche.

Pour montrer que le ventricule artificiel peut être utilisé pour tester des dispositifs cardiaques, l'équipe a implanté chirurgicalement des dispositifs médicaux en forme d'anneau de différentes tailles pour réparer la valve tricuspide de la chambre, une valve unidirectionnelle à feuilles qui laisse entrer le sang dans le ventricule droit. Lorsque cette valve fuit ou est physiquement compromise, elle peut provoquer une insuffisance cardiaque droite ou une fibrillation auriculaire et entraîner des symptômes tels qu'une capacité d'exercice réduite, un gonflement des jambes et de l'abdomen et une hypertrophie du foie.

Les chercheurs ont manipulé chirurgicalement la valvule du ventricule robot pour simuler cette condition, puis l'ont remplacée en implantant une valvule mécanique ou l'ont réparée à l'aide de dispositifs en forme d'anneau de différentes tailles. Ils ont observé quel dispositif améliorait le débit de fluide du ventricule à mesure qu'il continuait à pomper.

“Grâce à sa capacité à reproduire avec précision le dysfonctionnement de la valve tricuspide, le RRV constitue un terrain de formation idéal pour les chirurgiens et les cardiologues interventionnels”, explique Singh. “Ils peuvent pratiquer de nouvelles techniques chirurgicales pour réparer ou remplacer la valvule tricuspide sur notre modèle avant de les appliquer sur de vrais patients.”

Actuellement, le RRV peut simuler des fonctions réalistes sur quelques mois. L’équipe s’efforce d’étendre ces performances et de permettre au modèle de fonctionner en continu sur de plus longues périodes. Ils travaillent également avec des concepteurs de dispositifs implantables pour tester leurs prototypes sur le ventricule artificiel et éventuellement accélérer leur cheminement vers les patients. Et à plus long terme, Roche prévoit d'associer le RRV à un modèle artificiel et fonctionnel similaire du ventricule gauche, que le groupe peaufine actuellement.

“Nous envisageons de l'associer au ventricule gauche pour créer un cœur artificiel entièrement réglable qui pourrait potentiellement fonctionner chez l'homme”, explique Roche. “Nous sommes encore loin, mais c'est la vision globale.”

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.