Une avancée scientifique majeure du XXIème siècle

    Le coeur artificiel CARMAT est une réelle avancée scientifique dans la chirurgie cardiaque. Il tente de reproduire le plus fidèlement possible les fonctions du coeur naturel, afin de le substituer au maximum.

    Afin de réaliser ce coeur, les chercheurs ont trouvé des solutions à chacunes des contraintes physiologiques. Ils ont donc travaillé avec la démarche suivante : 

    Ils se sont d'abord demandéS quels étaient les défis d'une prothèse qui immiterait le coeur naturel. Pour faire face à ces contraintes, ils ont trouvé des solutions théoriques grâce aux fonctions connues du coeur. Pour mettre en oeuvre leurs solutions théoriques, les chercheurs ont ensuite mis au point des innovations techniques et technologiques pour reproduire, fonction par fonction, une prothèse cardiaque viable.

 

Voici les différentes étapes aboutissant au progrès technique : 

DEFI N°1 : la reproduction du cycle cardiaque

 

Qu'est ce que le cycle cardiaque ?

Le cycle cardiaque* correspond à un battement du coeur puis la pause avant le battement suivant. Durant un cycle, les deux coeurs, droit et gauche, fonctionnent simultanément. On peut le diviser en 3 phases distinctes : 

  1. La systole* auriculaire : contraction des oreillettes et éjection du sang vers les ventricules, fermeture des valves auriculoventriculaires, bruit grave du coeur (représente 1/6 du cycle)
  2. La systole* ventriculaire : contraction des ventricules et éjection du sang vers les organes, fermeture des valves signoïdes ou artérielles (aortique à gauche et pulmonaire à droite), bruit aigu du coeur (représente 1/6 du cycle)
  3. Diastole* : relaxation de toutes les parties du coeur, remplissage passif (représente 2/3 du cycle)

                                     Schéma du cycle cardiaque 

          

Le rythme cardiaque peut être modélisé par la fonction trigonométrique suivante :

f(t) = 3*cos((2π)/T)*t + 2*sin(2*(2π)/T)*t

  • l'intervale [0;t] correspond à la durée d'étude du rythme cardiaque.
  • T correspond à la période d'un battement cardiaque, soit sa durée en seconde
  • cette fonction est dite périodique car un motif se répète à l'infini. En effet, on a : f(t) = f(t+T) pour tout x réel

La fréquence cardiaque est obtenue par la formule : f = 1/T donc T = 1/f

  • Pour une fréquence de 1 battement/seconde (repos), on a T = 1/1 = 1
  • Pour une fréquence de 2 battements/seconde (effort moyen), on a T = 1/2 = 0,5
  • Pour une fréquence de 3 battements/seconde (effort soutenu, proche de l'effort maximal), on a T = 1/3 

Etudions alors le représentation graphique de la fonction f(t) pour ces trois valeurs de T : 

Pour T=1 :

La période T vaut 1. On a donc 1 motif en 1 seconde, ce qui montre bien un rythme cardiaque de 1 battement par seconde. Ce rythme cardiaque est celui d'une personne au repos.

Pour T=0,5 :

La période T vaut 1/2. On a donc 1 motif en 1/2 seconde, ce qui montre bien un rythme cardiaque de 2 battement par seconde. Ce rythme cardiaque est celui d'une personne effectuant un effort moyen.

Pour T=1/3 :

La période T vaut 1/3. On a donc 1 motif en 1/3 seconde, ce qui montre bien un rythme cardiaque de 3 battement par seconde. Ce rythme cardiaque est celui d'une personne effectuant un effort soutenu, proche de l'effort maximal.

La modélisation de chaque cycle cardiaque est donc représentée par cette fonction trigonométrique. Le rythme cardiaque du coeur artificiel CARMAT aura une représentation identique à celles ci-dessus.

 

DEFI N°2 : l'insertion d'un corps étranger dans l'organisme

Qu'est ce que la coagulation ?

La coagulation* est l'agglutination des constituants du sang (globules rouges, blancs et plaquettes) qui forment une masse compacte, pouvant boucher les artères* et empêcher l'approvisionnement en dioxygène des organes. Les globules blancs (ou leucocytes)* et les plaquettes* sont des cellules du système immunitaire. Ils considèrent alors tous les matériaux qui ne sont pas ceux du corps comme étrangers et déclenche une réaction de coagulation*. De plus, si le sang stagne, la coagulation peut avoir lieu.

                                     Schéma simplifié du phénomène de coagulation 

                 

Le coeur CARMAT est donc fabriqué avec des matériaux que le sang ne considère pas comme étranger (hémocompatibles*) et sur lesquels il ne s'agglutine pas (hydrophobe*), et il est optimisé pour  que le sang ne stagne pas dans les stases* (hémodynamique*). Si le sang ne s'agglutine pas, alors aucune artère ne risque d'être bouchée et les AVC sont donc évités.

La greffe d'un organe est toujours source de risques pour le receveur. Une greffe nécessite une bonne forme physique du patient qui devra intégrer un corps considéré comme étranger, mais également une bonne compatibilité avec l'organe du donneur. Un greffon peut offrir une nouvelle vie, mais peut également la compliquer en cas de rejet ou d'infection.

Qu'est ce qu'un rejet ?

Notre organisme supporte très peu les corps étrangers c'est pourquoi il se défend naturellement contre eux. Les globules blancs, appelés leucocytes*, sont les cellules du système immunitaire. Il existent sous deux formes : les phagocytes* ou les lymphocytes*. Les phagocytes détruisent par digestion n'importe quel corps étranger sans les reconnaitre précisément. Dans le cas d'une greffe,  ce sont les lymphocytes qui sont princpalement sollicités. Lorsque les corps étrangers sont détectés, le système immunitaire est chargé de les éliminer, comme lors de l'attaque d'un virus ou d'une bactérie. Le rejet a lieu lorsque les globules blancs ont attaqué puis détruit le greffon. Ce rejet peut avoir lieu quelques heures (rejet aigu*) ou des années après la greffe (rejet chronique*). Le patient devra donc prendre des médicaments anti-rejet pour éviter ce mécanisme. 
 
Le rejet se décompose en plusieurs étapes : 
 
  • La reconnaissance : les antigènes d'histocompatibilité* sont spécifiques à chaque individus. en effet, chaque cellule possède des antigènes* particuliers, différents selon l'individu. Ces différences constituent l'identité biologique de l'individu : c'est l'allotype. Ces molécules ont pour rôle de repèrer dans l'organisme ce qui lui est étranger par reconnaissance des antigènes qui ne sont pas les siens. Chaque greffon possède ses propres antigènes, qui vont être reconnus comme étrangers à l'organisme.
  • L'activation : l'individu possède une très grande quantité d'anticorps* différents : c'est le répertoire immunitaire. Notre organisme peut ainsi combattre presque toutes les maladies, et reconnaitre tous les corps étrangers. Les anticorps* sont produits par les lymphocytes B* et permettent de neutraliser toutes les cellules étrangères : ils apportent une réaction immunitaire spécifique car un lymphocyte possède sur sa membrane des immunoglobines*, complémentaires de chaque type d'antigènes*. A la mise en contact avec les antigènes* du greffon, les lymphocytes T* s'activent et se divisent en 2 catégories agissant pour rejeter le greffon : les lymphocytes T4 et T8*.
  • La coopération : les lymphocytes T4* sont une catégorie de lymphocytes ayant pour rôle d'envoyer un message chimique aux lymphocytes T8* afin de stimuler la multiplication de ceux-ci. Les lymphocytes T8* vont ensuite détruire les cellules étrangères. 
  • La destruction : les lymphocytes T8* vont se multiplier sous le modèle clonal* et se différencier en lymphocytes cytotoxiques* qui vont tuer les cellules en les faisant dégénérer, et en lymphocytes suppresseurs* chargés de contrôler la réponse immunitaire. Ce phénomène est la mort cellulaire appelée apoptose.
Schéma explicatif des modes d'action du système immunitaire pour détruire un corps étranger 
                    
             Voici des observations des différentes cellules du système immunitaire en action : 
 
 
 
Le rejet est donc une réaction en chaine et résulte de la défense de l'organisme grâce au système immunitaire. Le greffon finira par être détruit par la disparition totale de ses cellules, due à la multiplication des lymphocytes, accélerant le processus de destruction. Cependant, si l'organisme ne considère pas le greffon comme étranger, alors la greffe sera réussie et l'organe greffé deviendra fonctionnel dans l'organisme du patient. 
 
         
                                 Chirurgien cardiaque réalisant une greffe de coeur 
 
Comment peut-on limiter les risques de rejet et quels sont les inconvénients ?
 
Le rejet peut être prévenu et combattu en bloquant partiellement les réaction du système immuniatire. On utilise alors des médicaments immunosuppresseurs qui limitent les défences immunitaires. Chaque patient se voit administrer un traitement spécifique et adapté. Ce traitement contitionne alors la réussite de la greffe mais également sa qualité de vie puisqu'il doit être consommé à vie. Même si les médicaments sont de plus en plus efficaces, ils ont des inconvénients : 
  • l'organisme devient plus vulnérable aux maladies infectieuses et aux cancers puisqu'il est moins pourvu en leucocytes. Ceux-ci ont normalement un rôle de destruction des cellules cancéreuses. 
  • le patient doit suivre une surveillance médicale à vie et sa survie dépend de la prise régulière de ses médicaments

Pourquoi le coeur CARMAT n'est il pas sujet au rejet ?

Le coeur artificiel a été conçu de manière à ce qu'il soit universel, afin que la compatabilité avec le receveur soit optimale. De plus, les matériaux qui constituent le coeur ne sont pas issus d'un donneur mais bien artificiels. Ils ne présentent donc aucun antigène à leur surface, c'est pourquoi aucune réaction immunitaire n'est mise en place. Le coeur est donc accepté par l'organisme grâce à son hémocompatibilité*, et parvient même à être intégré du point de vue du fonctionnement puisque les matériaux sont hydroporeux et permettent aux cellules se  s'y fixer. Le patient n'a pas besoin d'utiliser des médicaments immunosuppresseurs, ce qui améliore grandement sa qualité de vie, même si la surveillance médicale à vie reste indispensable. 

DEFI N°3 : l'implantation totale d'une prothèse 

Qu'est ce que la miniaturisation ?

La miniaturisation est la création de produits mécanique ou électroniques de plus en plus petits. Elle permet une diminuation de nombreux facteurs, notamment dans la réalisation du coeur artificiel : 

  • l'espace occupé : les éléments occupent une place de plus en plus réduite, réduisant ainsi le volume de l'ensemble de la prothèse
  • le poids : les éléments étant constitués de moins de matière, le poids de la prothèse diminue
  • la consommation d'énergie : une prothèse plus petite consomme moins d'énergie, permettant une durée de fonctionnement plus longue pour une même batterie

Cette miniaturisation s'accompagne de nombreuses innovations dans le domaine mécanique comme l'utilisation de l'hydrolique pour produire des forces : à poids égal, un actionneur hydrolique dégage deux fois plus de force qu'un actionneur électromagnétique. Le système de fluide actionné par des motopompes pour remplacer le myocarde utilise ce principe dans le coeur CARMAT

Ainsi, la mécanisation et les évolutions de la mécaniques ont permis de produire une prothèse de même taille que le coeur, qui posède la même force, et dont l'autonomie est augmentée au maximum.

               

                              

                             Photos montrant l'electronique miniaturisé dans le coeur CARMAT

DEFI N°4 : la production d'une prothèse fiable

                

                                                          Bancs d'essais du laboratoire CARMAT

Une fois implantée, la prothèse cardiaque est difficilement retirable, notamment chez les patients qui en bénéficient qui ont parfois du mal à supporter plusieurs opération chirurgicales de cette ampleur. Le coeur artificiel doit donc répondre à un cahier des charges extrêmement précis et exigeant en matière de résistance et en durabilité, c'est pourquoi il doit être testé pour que son comportement soit observé. La prévision de l'évolution de son comportement est d'autant plus complexe que les tests ne peuvent pas être réalisés sur des animaux. En effet, la prothèse doit répondre à des besoins morphologiques* propres à l'être humain. Ces tests permettront d'affiner la performance de la prothèse en apportant des modifications necessaire à son implantation, et vont permettre à terme de lancer une production industrielle de la prothèse CARMAT. 

              

                                             Essai du coeur CARMAT en laboratoire

DEFI N°5 : l'adaptation physiologique

 
Qu'est ce que la boucle de régulation de la pression artérielle ?

La pression artérielle (PA) est proportionnelle à la résistance des vaisseaux sanguins, au débit cardiaque (DC) et à la fréquence cardiaque (FC). Afin de toujours approvisionner les organes en dioxygène et en nutriments, le sang doit toujours arriver de façon identique dans les organes, n'importe où dans le corps. Celui-ci régule en permanence la pression artérielle grâce à la modification du débit ou de la fréquence cardiaque pour qu'elle se stabilise autour d'une valeur de consigne*, qui peut augmenter à l'effort. 

Le système nerveux réflexe permet de réguler cette grandeur en permanance. La pression dans les artères est mesurée en permanance par les barorécepteurs situés sur la crosse aortique ou sur le sinus carotidien. Ceux-ci envoient un message nerveux sensitif* au bulbe rachidien, un centre nerveux*, par le biais du nerf de Héring. Le centre nerveux envoient alors un message nerveux moteur* soit en augmentant l'activité du nerf parasympathique pour augmenter la fréquence cardiaque et donc la pression artérielle, soit en augmentant l'activité du nerf parasympathique pour diminuer la fréquence cardiaque et donc la pression artérielle. 

La boucle de régulation artérielle est représentée par le schéma ci-dessous : 

                        Schéma de la boucle de régulation de la pression artérielle 

La pression artérielle se mesure avec deux valeurs : la pression artérielle systolique, qui correspond à la plus grande valeur de pression mesurable, et la pression artérielle diastolique, qui est la plus petite valeur de pression mesurable. A partir de ces deux valeurs, il est possible de calculer la pression artérielle moyenne qui vaut 1/3 de la pression artérielle systolique ajouté à 2/3 de la pression artérielle diastolique, exprimé en mmHg.

Nous avons tenté le reproduire un algorithme permettant la régulation de la pression artérielle avec le coeur CARMAT. 

  • PAM : Pression Artérielle Moyenne : normalement comprise entre 70 et 100 mmHg
  • PAS : Pression Artérielle Systolique : normalement comprise entre 90 et 140 mmHg
  • PAD : Pression Artérielle Diastolique : normalement comprise entre 50 et 90 mmHg

Nous savons que PAM = 1/3PAS + 2/3PAD

Nous prendrons comme valeure de référence PAM (normale) = 1/3 PASnormale + 2/3 PADnormale = 85 mmHg

Notre algorithme consiste à comparer la valeure de la PAM mesurée avec la PAM normale. Le résultat de la comparaison permettra de savoir si le coeur doit augmenter ou diminuer son débit sanguin.

Voici notre algorithme : celui-ci n'est accessible uniquement depuis un ordinateur connecté au serveur (P:) du lycée

file:///P:/pression.html (copier/coller l'adresse)

Nous proposons de le tester avec des valeurs mesurées sur un patient au cours de la journée 

  • PAD = 68 mmHg ; PAS = 110 mmHg
  • PAD = 70 mmHG ; PAS = 115 mmHg
  • PAD = 74 mmHg ; PAS = 122 mmHg

 

BILAN

L'invention du coeur artificiel est donc une reproduction la plus fidèle possible du coeur naturel et s'avère être une réelle avancée dans la chirurgie cardiaque : 

  • reproduction du cycle cardiaque
  • empêche la coagulation et les rejets 
  • même taille que le coeur naturel grâce à la miniaturisation
  • durabilité et résistance nécessaire grâce aux propriété des matériaux spécifiques choisis
  • régulation de la pression artérielle grâce à des capteurs et des algorithmes

Il permet donc de sauver de nombreuses vie car sa production peut théoriquement devenir illimitée, mais il a aussi pour vocation d'améliorer la qualité de vie des patients qui en bénéficient. La prothèse cardiaque CARMAT est donc une réelle révolution et une avancée scientifique.