Des ingénieurs de l'UNSW Sydney ont conçu un cœur robotique souple qui bat, contient du sang simulé et intègre des structures de soutien de la valve mitrale fonctionnelles, réglables de façon à provoquer une fuite de la valve. Ce dispositif modélise le cœur gauche et fait l'objet d'articles publiés dans Nature Communications et Advanced Science.
L'équipe est dirigée par le professeur associé Scientia Thanh Nho Do, de l'École de génie biomédical, au sein du UNSW Medical Robotics Lab. Ce cœur robotique souple se veut un banc d'essai pour l'étude des maladies et des dispositifs cardiaques, ainsi qu'un moyen de réduire le recours aux études sur l'animal dès les premières phases de développement.
Comment est conçu le cœur robotique souple
Des membranes en silicone forment les cavités internes du modèle. Des muscles artificiels robotiques souples les enveloppent pour reproduire la contraction et la torsion du cœur. Ces muscles sont disposés de façon à suivre l'architecture en couches du myocarde humain et sont actionnés par pression hydraulique, que l'équipe pilote pour animer le modèle ventriculaire.
Le Dr James Davies, chercheur postdoctoral dans le groupe de Do, explique que les membranes modélisent la surface interne du cœur gauche humain et contiennent le sang simulé, ce qui permet au modèle de pomper du fluide en entrée et en sortie.
Le dispositif comprend des valves artificielles, des muscles papillaires et des cordages tendineux. Ces structures commandent la valve mitrale, qui fonctionne comme une double porte battante s'ouvrant et se fermant à chaque battement. Selon l'équipe, les modèles de laboratoire conventionnels n'en sont pas dotés. Une maladie peut rendre la valve fuyante ou rigide, ce qui accroît la charge de travail du cœur et contribue à l'insuffisance cardiaque.
Les chercheurs peuvent modifier la tension des muscles papillaires artificiels. Grâce à ce réglage, ils ont recréé le prolapsus et la régurgitation de la valve mitrale, situations où le sang reflue au lieu de circuler efficacement dans le cœur.
Ce que les essais ont montré
L'équipe a validé le modèle par imagerie échographique et par des mesures de pression et de débit sanguin. Des mesures invasives de pression et de débit ont été réalisées à l'entrée et à la sortie du cœur. Le modèle s'est également montré compatible avec l'échocardiographie, une mesure clinique non invasive de la fonction cardiaque.
Avec des réglages de valve sains, la pression et le débit correspondaient aux valeurs physiologiques attendues. Lorsque la maladie était induite, la régurgitation augmentait tandis que la pression et le débit en sortie diminuaient, ce que les chercheurs jugent cohérent avec une valvulopathie humaine. Modifier la longueur des muscles papillaires changeait le fonctionnement de la valve.
Le professeur Nigel Lovell, directeur de l'École de génie biomédical et directeur de Tyree IHealthE, indique que les images échographiques ressemblaient à l'imagerie cardiaque humaine. L'équipe a observé un mouvement des feuillets valvulaires et un flux sanguin à travers les valves proches de ceux d'un cœur humain, y compris des jets de régurgitation provenant des valves rendues pathologiques.
Un test de cathéter et un modèle d'ICFEp
Le groupe a aussi placé un cathéter cardiaque robotique souple, récemment mis au point, à l'intérieur du modèle en fonctionnement. Le cathéter s'est déplacé dans le cœur artificiel et a détecté le contact avec les structures cardiaques en mouvement. Selon les chercheurs, cela montre comment la plateforme pourrait accélérer le développement d'outils chirurgicaux.
Le modèle a également reproduit des modifications observées dans l'insuffisance cardiaque à fraction d'éjection préservée, ou ICFEp. Do indique que cette pathologie représente 50 % des cas d'insuffisance cardiaque et figure parmi les moins bien comprises et les plus difficiles à traiter. L'équipe a simulé l'un de ses signes les plus précoces, une moindre capacité du cœur à se relâcher entre les battements. Le sang entrait alors plus lentement et moins efficacement dans le cœur, et ce remplissage retardé augmentait la pression à l'intérieur de l'organe. L'équipe affirme que cela correspond étroitement à ce que l'on observe couramment chez les patients.
Ce qui manque encore, selon l'équipe
Les chercheurs décrivent le modèle actuel comme une preuve de concept, et non comme un outil clinique abouti. Les matériaux doivent être améliorés, les systèmes de commande affinés, et le dispositif doit devenir plus compatible avec l'imagerie médicale. Les futures versions devront reproduire davantage d'aspects de la fonction cardiaque et s'appuyer sur des géométries propres à chaque patient plutôt que sur des structures simplifiées.
La prochaine étape majeure est la validation par rapport aux données cliniques. Do précise que le modèle doit être comparé de façon systématique à des données de patients, couvrant un large éventail d'anatomies cardiaques et de degrés de sévérité des maladies, avant de pouvoir éclairer des décisions cliniques. L'équipe compte également le professeur Christopher Hayward, cardiologue spécialiste de l'insuffisance cardiaque et de la transplantation à l'hôpital St Vincent's de Sydney, ainsi que la professeure Jelena Rnjak-Kovacina et le professeur associé Scientia Hoang-Phuong Phan.
Le groupe envisage des versions personnalisées, construites à partir de données d'imagerie médicale. Les cliniciens pourraient s'en servir pour comparer dispositifs et approches, et pour choisir le type et la taille d'un implant avant d'opérer.
Pourquoi c'est important, et ce qui reste à démontrer
L'élément marquant de ce cœur robotique souple est son appareil valvulaire. Un modèle qui se meut comme un cœur est utile, mais un modèle dont les muscles papillaires peuvent être tendus indépendamment permet au même dispositif de passer d'un état valvulaire sain à un état pathologique. Les comparaisons deviennent ainsi reproductibles. L'argument de l'équipe en faveur d'une réduction du recours à l'animal repose sur ce contrôle : on ne peut pas régler à la demande le degré de régurgitation d'un cœur animal.
Le test du cathéter ouvre une seconde voie d'utilisation. Un outil robotique souple capable de détecter le contact a besoin d'un environnement mobile, semblable à un cœur, pour être évalué, et le modèle en offre un sans recourir à un sujet vivant. Les développeurs de dispositifs disposent ainsi d'un terrain pour tester leurs premières conceptions, sans que cela remplace les essais ultérieurs.
Plusieurs affirmations restent à démontrer. La concordance avec la physiologie humaine repose pour l'instant sur des formes d'onde et des caractéristiques d'imagerie similaires, et non sur une comparaison systématique avec des cohortes de patients, ce que l'équipe reconnaît elle-même. Le modèle utilise une géométrie simplifiée, de sorte que les résultats pourraient ne pas se transposer à la diversité des anatomies rencontrées par les cliniciens. La modélisation personnalisée et la planification chirurgicale sont des objectifs affichés, pas des résultats démontrés. On n'a pas non plus montré que le modèle permet de prédire le comportement d'un véritable implant chez un patient réel.
L'affirmation selon laquelle les modèles de paillasse conventionnels ne peuvent pas reproduire ces mécanismes pathologiques provient de l'équipe elle-même. Elle est plausible compte tenu des structures valvulaires ajoutées, mais elle n'a pas été testée en comparaison directe dans les travaux décrits. Le véritable test à venir pour ce cœur robotique souple sera de savoir si des groupes indépendants et des jeux de données cliniques confirment que sa pression, son débit et le comportement de ses valves se vérifient sur de nombreux cœurs, et pas seulement sur une conception idéalisée.