Révolutionner les soins cardiaques : électronique souple pour traiter les arythmies

Le Professeur Igor Efimov et une équipe à la George Washington University à Washington, DC — en collaboration avec le laboratoire du Professeur John Rogers de la Northwestern University à Chicago, IL — sont pionniers d'une nouvelle classe d'instruments médicaux utilisant l'électronique flexible pour améliorer les résultats des patients en chirurgie mini-invasive.

Tech Briefs : Comment avez-vous démarré ce projet ?

Dr Igor Efimov : Je fais de la recherche cardiaque depuis un certain temps. J'ai commencé ma carrière comme investigateur indépendant à la Cleveland Clinic, qui a une longue culture d'innovation et a eu de nombreuses percées majeures. J'ai travaillé avec d'excellents cardiologues là-bas et j'ai été véritablement transformé par cette expérience.

Mon travail était focalisé sur l'arythmie et le traitement des troubles du rythme cardiaque. Une seconde expérience importante il y a sept ou huit ans : je cherchais une nouvelle plateforme pour implémenter des dispositifs médicaux et je suis tombé sur le travail de John Rogers, qui faisait des avancées dans les matériaux biocompatibles. Il avait déjà travaillé avec des biologistes, principalement en neurosciences. Je l'ai invité à collaborer sur la cardiologie, et nous avons fait beaucoup de travail ensemble depuis. D'abord, nous avons créé une plateforme pour l'électronique conforme aux organes. Ensuite, nous avons créé une plateforme pour l'électronique « intelligente » — essentiellement des dispositifs médicaux équipés de leur propre micro-circuitry, permettant traitement du signal, amplification, multiplexage, etc. Notre projet suivant : stimulateurs cardiaques implantables sans pile. Nous travaillons maintenant pour les rendre bio-résorbables afin qu'ils soient absorbés quand plus nécessaires.

Tech Briefs : Comment le dispositif sans pile est-il alimenté ?

Dr Efimov : Le stimulateur a une antenne qui correspond à une antenne externe. On pourrait avoir un circuit hors du corps — intégré dans les vêtements ou un patch portable — qui transmet énergie et programmation dans l'électronique implantée par transfert de puissance inductif.

Vers 2013, nous avions conçu un stimulateur qui fonctionnait chez la souris. Mais malheureusement, nous avions utilisé une électrode en fil d'argent si rigide qu'elle endommageait le muscle cardiaque, entraînant une mortalité très élevée chez nos souris. Cela m'a donné l'idée d'utiliser l'électronique souple conforme que John avait conçue. C'était mon stimulus initial — je lui ai demandé s'il pouvait résoudre mon problème, et il l'a fait.

Notre article le plus récent parle de comment créer un dispositif pour un cathéter veineux percutané. Il ne sera pas implanté mais inséré dans le cœur et navigué vers une zone d'arythmie. Il a cinq fonctions différentes avec trois types de capteurs et actionneurs servant deux fonctions différentes. Ce genre de multifonctionnalité, multiphysique permet d'améliorer dramatiquement la vitesse des traitements par ablation. L'ablation est une technologie de pointe pour le traitement des troubles du rythme cardiaque. 85 % des patients avec fibrillation atriale (FA) ou tachycardie ventriculaire ne peuvent être traités par médicaments, ils doivent vivre avec cette maladie. Cela mène malheureusement à une augmentation dramatique du taux d'AVC et de mortalité. Les États-Unis seuls ont environ 5 millions de patients FA. Dans le monde, c'est environ 15 millions, et d'ici 2050, il est projeté qu'il y aura 50 millions de personnes avec fibrillation atriale à cause de l'augmentation de l'espérance de vie.

L'ablation cardiaque est une procédure qui peut corriger la fibrillation atriale en détruisant le tissu cardiaque la causant. Actuellement, le traitement se fait en insérant plusieurs pièces de matériel. L'une crée des électrogrammes qui cartographient l'arythmie en enregistrant les signaux électriques du cœur. Ces électrogrammes peuvent être utilisés pour essayer de comprendre la source de l'arythmie. Une autre pièce de matériel est ensuite insérée pour faire l'ablation. L'ablation signifie qu'on brûle essentiellement le tissu, en utilisant du courant RF, qui augmente la température du tissu à environ 55-60 °C. Résultat : on tue les cellules responsables de l'arythmie et on espère tuer la FA. Comme on fait la procédure de façon asynchrone, une pour la localisation et l'autre pour l'ablation, il y a beaucoup de difficultés techniques pour le faire proprement. Cela nécessite des rayons X, car quand on insère des électrodes on n'a évidemment pas de vue directe. La seule façon de voir le matériel à l'intérieur du cœur et naviguer proprement, c'est d'utiliser des clichés radiographiques. Cela expose le patient et le médecin à une dose de radiation pas entièrement sûre. Notre technologie peut réduire la radiation en combinant cartographie et ablation en un seul dispositif. On n'a pas besoin de déplacer le dispositif tant de fois car notre dispositif a de nombreux capteurs et actionneurs couvrant une grande zone du cœur. On peut donc cartographier et ablater sans repositionner le cathéter répétitivement, ce qui réduira l'exposition aux radiations.

Il y a quelques modalités additionnelles pas typiquement présentes dans de tels dispositifs de cartographie : une matrice de capteurs de température, et une autre de capteurs de force. Ces deux matrices donnent des lectures en temps réel. Les capteurs de température permettent de surveiller la température pendant l'ablation, ce qui est critique car si on n'est pas dans la bonne plage de température, l'ablation échoue. Si on dépasse l'objectif d'extinction de 100 °C, ce sera dangereux, car on fera bouillir les fluides interstitiels et le sang, créant des problèmes comme des bulles, qui peuvent causer infarctus et AVC. Il faut donc être très précis. La matrice de mesure de force permet d'établir qu'on a un bon contact physique entre la matrice d'ablation et le cœur, ce qui est critique pour l'ablation, car sans bon contact, peu importe l'énergie appliquée aux actionneurs, ils ne délivreront pas l'énergie appropriée au cœur lui-même.

La façon dont l'ablation est faite maintenant, c'est avec un cathéter à un seul point, littéralement un fil qu'on insère dans le cœur, qu'on pique point par point. Dans notre cas, nous aurons des centaines de capteurs couvrant une grande zone du cœur. Ce contact très critique ne peut être établi qu'avec la mesure de force. On ne peut pas, malheureusement, voir le cœur aux rayons X car c'est un tissu mou et le contact avec le muscle cardiaque est très petit. On peut voir le cathéter aux rayons X mais pas le cœur lui-même.

Notre dispositif permet aussi de faire un type d'ablation alternatif. Actuellement c'est fait principalement par RF, appelé ablation thermique car le courant RF augmente la température. Alternativement, on peut utiliser la cryoablation, une procédure largement utilisée, bien que moins courante, où on gèle le cœur.

Une autre méthode émergente maintenant, s'appelle l'électroporation irréversible, où au lieu de brûler le tissu, on le zappe avec un courant fort qui perce des trous dans les membranes cellulaires et tue ainsi les cellules. C'est fait en microsecondes, tandis que les méthodes thermiques comme RF nécessitent quelques minutes pour « cuire » le tissu pour le tuer. L'électroporation irréversible émerge comme technologie non-thermique, bien qu'elle n'ait pas encore été pleinement développée pour applications cardiaques. Cependant, notre dispositif a la capacité de le faire.

En résumé : notre dispositif peut faire l'ablation en multiples emplacements — pas besoin de bouger le cathéter. On peut ablater toute la zone selon le besoin, basé sur la carte d'arythmie dérivée du même dispositif. C'est unique — ça n'a pas été fait avant, avoir cartographie et ablation dans le même dispositif. Plus, détection thermique et de force pour assurer la sécurité.

Tech Briefs : Une question : Pour l'électroporation, le courant traverse-t-il la cellule ?

Dr Efimov : Oui, quand vous appliquez une quantité suffisante d'énergie en stimulant tissu ou cellules, vous perturbez la membrane car le courant traverse les membranes lipidiques, qui sont typiquement non-conductives. Elles consistent en graisse, essentiellement, qui n'est pas électriquement conductive, mais si vous appliquez une énergie suffisante, vous porerez la membrane et tuerez la cellule.

L'électroporation réversible est une autre application, qui utilise un peu moins d'énergie. Elle est utilisée pour la livraison de macromolécules. Pour la thérapie génique, par exemple, il faut aussi porer les cellules, faire des trous, mais des trous doux. Et ces trous se réparent ensuite. Cela permet de mettre des macromolécules à l'intérieur de la cellule, comme des morceaux d'ARN ou protéines ou autres grosses molécules. Celles-ci ne peuvent pas pénétrer la membrane d'une cellule intacte, mais peuvent passer par les pores créés par le courant d'électroporation. Nous prévoyons que notre dispositif soit utilisé pour cela aussi. Donc, si quelqu'un a besoin de thérapie génique dans une zone du cœur, nous pouvons délivrer le courant d'électroporation et fournir la thérapie appropriée.

Tech Briefs : Comment obtenez-vous la puissance RF dans le dispositif et comment obtenez-vous assez de puissance RF pour chauffer ?

Dr Efimov : Bonne question. Cela montre pourquoi ce dispositif ne pourra pas être vraiment implantable. Notre dispositif est un cathéter connecté par un câble à l'électronique externe et est instrumenté sur une structure type ballonnet. Vous faites une incision, ouvrez une veine, généralement dans l'aine, et passez par la veine dans le cœur, mais c'est connecté par un câble à l'électronique externe. Quand il est dans le cœur, vous le déployez, le dégainez, et il prend forme. Ou vous pouvez insérer du sérum physiologique dans le ballonnet, et il prend la forme appropriée. Bien qu'il entre en contact avec le tissu, il est câblé. C'est comme ça qu'on délivre assez d'énergie. Pour l'instant, je ne connais pas de source d'énergie assez grande pour délivrer quelque chose comme ça sans fil ou par batterie.

Tech Briefs : Et est-ce la même chose pour l'électroporation ?

Dr Efimov : Oui, l'électroporation en particulier requiert encore plus d'énergie. Pour cette procédure, cependant, vous n'avez besoin de rien d'implantable. Des centaines de milliers de patients par an aux États-Unis seuls sont ablatés pour indication d'arythmie. Comme je l'ai dit, les médicaments marchent généralement pas, donc la seule façon de faire quelque chose, c'est d'ablater. Pour l'ablation, vous insérez l'électrode, le patient est sur une table et légèrement sédaté. Vous insérez le câble, faites la procédure, enlevez le matériel, et le patient rentre chez lui.

Mais nous travaillons sur une autre procédure aussi. En fait, j'ai développé un dispositif implantable pour le traitement de fibrillation atriale ou ventriculaire avec thérapie à basse énergie, mais nous n'ablatons pas avec ce dispositif. Nous appliquons une séquence d'impulsions à basse énergie pour terminer l'arythmie. Cependant, les dispositifs implantables ont des exigences beaucoup plus strictes car vous allez les laisser dans le corps d'un patient pendant longtemps.

Tech Briefs : J'ai vu dans votre illustration que vous avez un grand nombre de capteurs et actionneurs sur le ballonnet au bout du cathéter. Comment les interconnectez-vous ?

Dr Efimov : Vous pouvez connecter directement avec des fils serpentins, ce qui permet la flexibilité, mais dans ce cas, vous auriez un goulot d'étranglement. Donc, nous équipons chaque capteur et actionneur de son propre circuit. Si c'est un capteur, nous avons un circuit pour amplification, filtrage, multiplexage. Si c'est un actionneur, nous faisons du multiplexage. Si vous parlez de systèmes à haut débit, le multiplexage est requis. À l'avenir, je m'attends à ce qu'on ait besoin de plusieurs centaines à milliers de capteurs et actionneurs, ce qui nécessitera définitivement du multiplexage.

Tech Briefs : Quels types d'actionneurs utilisez-vous ?

Dr Efimov : Pour cette application, juste électriques, que ce soit pour ablation RF ou électroporation irréversible. Cependant, précédemment nous avons écrit sur comment nous pourrions avoir des actionneurs pour la lumière, par exemple, pour spectroscopie optique. Un actionneur sur ce genre de dispositif aurait une LED et une photodiode. La LED émettra de la lumière d'une certaine longueur d'onde, qui excitera la fluorescence dans les molécules à l'intérieur du cœur et la photodiode collectera cette fluorescence. Cela nous donnera une lecture pour divers processus cellulaires dans le cœur, par exemple, le métabolisme. Il y a donc divers types de capteurs et actionneurs.

Tech Briefs : Avez-vous testé cela sur des animaux de laboratoire ?

Dr Efimov : Pour notre projet précédent, où nous avons développé un stimulateur miniature sans pile, nous avons montré qu'on pouvait l'implanter chez un rat, qui pouvait l'avoir pendant un mois ou plus, et l'utiliser comme stimulateur cardiaque long terme.

Tech Briefs : Donc, avez-vous aussi testé ce dispositif sur des rats ?

Dr Efimov : Nous avons testé ce dispositif dans quelques contextes, sur des cœurs humains explantés, non acceptables pour transplantation, que nous avons reçus de notre organisation locale de prélèvement d'organes à Washington DC. Finalement, nous prévoyons de le tester chez l'humain. Mais nous avons fait un test sur des porcs. Nous ne pouvons pas tester ces cathéters sur de petits animaux car ils sont conçus pour la taille du cœur humain.

Tech Briefs : Avez-vous une idée générale de quand cela pourrait être commercialisé ?

Dr Efimov : Je dirais prudemment que trois à cinq ans est un bon chiffre. Pour une startup clinique, nous devons obtenir du capital-risque — c'est notre prochaine étape.

Tech Briefs : Et votre travail précédent sur les défibrillateurs implantables ?

Dr Efimov : Mon but était de réduire l'énergie requise pour la défibrillation. Actuellement, les défibrillateurs, implantés dans la poitrine humaine pour arythmies ventriculaires ou mort subite cardiaque, sauvent des vies. Mais ils peuvent se déclencher inopinément parfois quand le patient est conscient et c'est extrêmement douloureux. C'est une énorme quantité d'énergie délivrée à la poitrine. À cause de la douleur induite par le choc, ils ne peuvent pas être utilisés pour les patients avec fibrillation atriale. Les patients avec fibrillation atriale sont conscients, contrairement aux patients en état de mort subite cardiaque due à fibrillation ventriculaire, qui sont déjà inconscients, et pour qui c'est une question de vie ou mort, donc pour eux, ce n'est pas une question de douleur.

Notre travail était sur comment changer la stratégie de défibrillation pour la rendre sans douleur. C'est ce que j'ai fait pendant plusieurs années. Nous menons maintenant des essais cliniques avec la technologie de défibrillateur implantable.

Tech Briefs : Il me semble que votre travail va faire des changements majeurs dans les traitements des affections cardiaques.

Dr Efimov : Je pense que oui. Ce que John Rogers a travaillé pendant de nombreuses années comme scientifique des matériaux — il a pris sur lui de développer toute une tradition de fabrication pour l'électronique, de matériaux biologiquement conformes : souples, étirables, conformes, et ne causant pas d'inflammation. Tout ce travail arrive maintenant à maturité dans de nombreux domaines de la médecine. Je m'intéresse particulièrement à la cardiologie, mais il y a aussi du travail en neurologie, interface cerveau-ordinateur, contrôle musculaire pour patients avec lésions nerveuses, et ainsi de suite. C'est vraiment un bon moment pour être dans le domaine de la bioélectronique. Je pense que les dix à quinze prochaines années seront incroyablement fantastiques !

Par exemple, je fais partie d'une communauté fondée par les NIH ; un programme appelé SPARC, qui se concentre sur comment contrôler les nerfs périphériques qui contrôlent les organes périphériques pour essentiellement contrôler différentes maladies. Les systèmes nerveux sympathique et parasympathique contrôlent tous les organes du corps : cœur, poumons, estomac, intestin, etc. On peut réduire le fardeau de nombreuses maladies, voire éliminer une maladie, si on peut contrôler les nerfs. Nous travaillons maintenant sur la construction d'une interface qui sera capable de stimuler les nerfs sympathiques et parasympathiques et aussi de les enregistrer. Cela sera aussi transformationnel dans de nombreux domaines de la médecine.

Tech Briefs : Ça ressemble à de la science-fiction pour moi.

Dr Efimov : Il y a dix ans, c'était de la science-fiction. En fait, j'écris une autre subvention en ce moment avec quelques collaborateurs pour laquelle j'ai proposé d'utiliser le mot maintenant oublié « cyborg » dans le titre, parce que c'est à la fois cybernétique et organique.

Une version éditée de cette interview est parue dans le numéro de novembre 2020 de Tech Briefs.