Cœur artificiel : technologie, histoire et perspectives futures

Contexte

Un cœur sain fonctionne comme un organe à double pompe, avec deux oreillettes et deux ventricules. L'oreillette droite reçoit le sang désoxygéné du corps et se contracte dans le ventricule droit, qui le propulse ensuite vers les poumons. L'oreillette gauche reçoit le sang oxygéné des poumons et le pousse dans le ventricule gauche, la chambre qui distribue le sang au reste du corps. Chaque cycle cardiaque commence par la contraction des oreillettes, suivie de la contraction des ventricules, assurant une circulation sanguine efficace.

L'insuffisance cardiaque congestive (ICC) est la perte progressive de la capacité de pompage du cœur et reste une cause majeure de mortalité dans le monde. L'American Heart Association rapporte qu'environ cinq millions d'Américains vivent avec l'ICC, et plus de 400 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Environ la moitié de ces patients meurent dans les cinq ans suivant le diagnostic. En 1998, le système de santé américain a dépensé environ 95 milliards de dollars pour traiter les maladies cardiaques.

Bien que la thérapie pharmacologique et les interventions chirurgicales puissent soulager les symptômes, une transplantation cardiaque reste le remède définitif pour l'insuffisance cardiaque terminale. En 1998, environ 7 700 patients étaient inscrits pour une transplantation, mais seulement 30 % en ont reçu une. Cette pénurie a stimulé le développement de cœurs artificiels et de dispositifs d'assistance ventriculaire (DAV) comme options de pont vers la transplantation ou de thérapie de destination.

Un cœur artificiel idéal doit fournir une circulation sanguine et une oxygénation continues et fiables pendant de longues périodes — généralement au moins 100 000 battements par 24 heures — sans lubrification ni entretien de routine, tout en adaptant son débit de pompage au niveau d'activité du patient et en minimisant les risques d'infection ou de thrombose.

Les deux principales catégories de dispositifs de soutien circulatoire sont la machine cœur-poumon et le cœur mécanique. La machine cœur-poumon, comprenant un oxygénateur et une pompe, est utilisée lors des procédures à cœur ouvert et est limitée à quelques heures d'utilisation en raison de l'hémolyse du sang au fil du temps. Les cœurs mécaniques, en revanche, réduisent la charge de travail d'un cœur natif défaillant et peuvent fonctionner comme support temporaire ou permanent. Les DAVG, par exemple, assistent le ventricule gauche en fournissant une partie du débit cardiaque normal. Actuellement, environ 4 000 DAVG sont implantés dans le monde, et le marché américain pour ces dispositifs est estimé à 12 milliards de dollars par an.

Histoire

Depuis la fin du 19e siècle, les scientifiques poursuivent des solutions mécaniques pour remplacer ou compléter la fonction cardiaque. Il a fallu près d'un siècle avant que la première machine cœur-poumon humaine, développée par John H. Gibbon Jr., soit utilisée avec succès en 1953. Quatre ans plus tard, un cœur artificiel en plastique a été implanté dans un modèle canin.

L'Institut national du cœur (aujourd'hui l'Institut national du cœur, des poumons et du sang) a formalisé un programme de cœur artificiel en 1964, culminant avec la première implantation d'un cœur artificiel total chez l'homme en 1969.

Dans les années 1970, l'accent s'est déplacé vers les dispositifs d'assistance ventriculaire gauche (DAVG) et l'utilisation de matériaux biocompatibles. La première implantation réussie de DAVG a eu lieu en 1970, et les décennies suivantes ont vu l'introduction de pompes en polyuréthane et en plastique avec des durées de vie prolongées. Le renforcement de la réglementation par la FDA dans les années 1980 a augmenté les coûts de développement, entraînant une consolidation dans le domaine.

Le Dr Robert Jarvik, pionnier dans le domaine, a introduit le cœur artificiel Jarvik-7 en 1983. Ce dispositif en aluminium-plastique, entraîné par un gros compresseur externe, a été implanté chez Barney Clark en 1985. Clark a survécu 112 jours, et les receveurs suivants ont vécu jusqu'à 20 mois, démontrant la faisabilité du soutien implantable.

Le désir de dispositifs entièrement implantables, alimentés par batterie, a conduit à un financement du NIH en 1988 et au développement d'un DAVG électrique d'ici 1991. En 1999, Charlie Chappis est devenu le premier patient sorti de l'hôpital avec un DAVG implanté, marquant une étape importante vers la thérapie à long terme.

Matières premières

Les cœurs artificiels et les DAVG sont construits à partir d'une combinaison de métaux, polymères, céramiques et composants biologiques. L'alliage métallique principal utilisé est le titane-aluminium-vanadium, choisi pour sa biocompatibilité et sa résistance mécanique. Les pièces en titane sont usinées avec précision et reçoivent un revêtement de microsphères qui favorise l'endothélialisation, créant un revêtement sanguin naturel compatible.

Le diaphragme de la pompe est fabriqué à partir d'un polyuréthane texturé qui favorise l'adhésion des cellules sanguines, réduisant l'hémolyse. Les greffons en polyester attachent le dispositif à l'aorte, tandis que les valves cardiaques porcines servent de remplacements biologiques pour les valves natives. Les composants du moteur sont généralement faits de titane ou de céramiques à haute résistance.

Conception

La conception d'un DAVG nécessite une attention méticuleuse à la dynamique des fluides pour assurer un flux adéquat sans thrombose, la sélection de matériaux véritablement biocompatibles, et l'optimisation de l'efficacité du moteur pour limiter la génération de chaleur. Les dimensions du dispositif sont maintenues minimales pour réduire le risque de rejet immunitaire ; un DAVG typique pèse environ 1,2 kg (2,4 lb) et occupe 660 ml (1,4 pintes).

Robert Jarvik

Né le 11 mai 1946 à Midland, Michigan, Jarvik a poursuivi l'architecture et le dessin mécanique à l'Université de Syracuse avant de passer à la pré-médecine après la maladie cardiaque de son père. Il a obtenu un B.A. en zoologie en 1968, puis un M.A. en biomécanique occupationnelle de l'Université de New York en 1971. Après avoir reçu son M.D. en 1976, Jarvik a rejoint l'Institut d'ingénierie biomédicale de l'Université de l'Utah, où il a collaboré avec Willem Kolff sur la recherche sur le cœur artificiel.

Le processus de fabrication

• Les composants sont fabriqués sur mesure par des fournisseurs tiers spécialisés, y compris des ateliers d'usinage de précision et des producteurs de circuits imprimés. Les valves porcines sont cousues dans des greffons en polyester dans des installations dédiées à la fabrication de valves cardiaques.

  Après l'acquisition des composants, l'assemblage du DAVG subit des tests rigoureux pour vérifier la conformité à toutes les spécifications. Une fois validé, le dispositif est stérilisé et emballé pour la distribution.

Formation des pièces en polyuréthane

• Certains fabricants fabriquent les diaphragmes en polyuréthane en interne en utilisant une solution liquide propriétaire appliquée sur un mandrin en céramique en couches successives. Chaque couche est durcie et séchée jusqu'à l'obtention de l'épaisseur cible. La pièce finie est ensuite retirée du mandrin et inspectée. Alternativement, des producteurs tiers peuvent employer le moulage par injection ou sous vide combiné au soudage RF.

Assemblage

• L'assemblage est effectué dans une salle blanche stérile pour prévenir la contamination. Jusqu'à 50 composants de précision sont collés avec des adhésifs durcissables à haute température. Des sous-ensembles parallèles — y compris le boîtier du moteur, le tube percutané et les plaques de poussée du diaphragme — sont complétés, inspectés, et finalement intégrés dans le système complet. Les greffons sont attachés séparément lors de l'étape d'assemblage final.

Tests

• Après l'assemblage, chaque dispositif subit des tests mécaniques qui simulent les pressions physiologiques. Tous les circuits électroniques sont évalués avec un équipement de diagnostic pour confirmer le bon fonctionnement.

Stérilisation et emballage

• Après des tests réussis, le dispositif est transféré à un service de stérilisation externe. Chaque unité est scellée dans un plateau en plastique stérile, puis placée dans un étui de protection personnalisé pour l'expédition, la protégeant de la contamination et des dommages.

Contrôle qualité

La plupart des composants subissent une pré-inspection avant l'expédition au fabricant, mais des contrôles dimensionnels avec des tolérances au millionième de pouce sont effectués sur les pièces critiques. Pour répondre aux réglementations de la FDA, chaque composant — y compris les adhésifs — est traçable via des numéros de lot et de série, permettant une traçabilité complète.

Sous-produits / Déchets

Le titane de rebut est récupéré, refondu et recoulé, minimisant les déchets métalliques. Comme la plupart des pièces passent la pré-inspection, seule une petite quantité de composants défectueux est jetée. Les dispositifs post-implantation sont retournés au fabricant pour analyse, fournissant des données qui pilotent des améliorations de conception itératives.

L'avenir

Au cours de la prochaine décennie, une vague d'innovations est prête à transformer le soutien circulatoire mécanique. Des chercheurs de l'Université d'État de Pennsylvanie développent un cœur électromécanique qui reçoit l'énergie par voie transcutanée via l'énergie radiofréquence, permettant aux patients de porter une batterie pendant la jour et de la recharger la nuit. Le prototype est prévu pour des essais humains d'ici 2001.

D'autres groupes explorent les pompes à flux continu, qui éliminent le besoin d'une course de pompe mécanique et réduisent la taille et la consommation d'énergie du dispositif. En Australie, Micromedical Industries Limited fait progresser une pompe rotative à flux continu attendue pour l'implantation humaine en 2001. L'Université d'État de l'Ohio travaille sur une pompe en plastique auto-régulatrice de la taille d'un palet de hockey, conçue pour un soutien à court terme jusqu'à la récupération de la fonction cardiaque native.

Thermo Cardiosystems, Inc. développe un DAVG sans roulement avec un rotor suspendu magnétiquement, promettant une durabilitévirtuellement illimitée. Les variantes centrifuges et rotatives à flux continu sont conçues pour le transfert d'énergie transcutané, les rendant entièrement implantables.

Face à la pénurie de cœurs de donneurs, les remplacements permanents de cœur artificiel gagnent du terrain. Les DAVG sont affinés par des inventeurs comme Robert Jarvik et des chirurgiens comme Michael DeBakey. Les cœurs artificiels totaux sont un effort conjoint entre le Texas Heart Institute et Abiomed, Inc. Au Japon, des équipes de recherche créent des cœurs totaux à valve à bille en silicone alimentés par une pompe centrifuge à roulement en céramique.

Des thérapies alternatives, telles que des pinces modifiant la forme qui peuvent améliorer l'efficacité du cœur natif jusqu'à 30 %, sont également à l'étude, offrant des options minimalement invasives pour les patients atteints de maladies cardiaques structurelles.