Une alternative à perfectionner et encore incomplète face à l'insuffisance cardiaque 

    Le coeur artificiel n'offre pas exactement les mêmes capacités que le coeur naturel. Les contraintes qui se posent ont été l'objet de recherches, mais un total remplacement du coeur naturel par le coeur CARMAT n'est pas possible avec l'avancée actuelle de la médecine.

    Plusieurs problématiques se posent avec ce coeur artificiel, notamment avec l'impossibilité d'utilisation de processus naturels pour l'alimentation énergétique et donc pour l'autonomie, pour une régulation autre que nerveuse, ou bien encore avec une difficulté technique à reproduire exactement la forme du coeur, posant certains problèmes chez les patients.

PROBLEME N°1 : la régulation hormonale de la pression artérielle

La pression artérielle est régulée par le système nerveux, grâce à la mesure de la pression artérielle par les barorecepteurs mais également par d'autres mécanismes, notamment hormonaux. Les hormones sont des substances chimiques qui agissent à distance et par voie sanguine sur les récepteurs spécifiques d'une cellule cible. Elles transmettent un message dans l'organisme et agissent sur les organes ou provoquent la mise en place des processus spécifiques.

Qu'est ce que la régulation hormonale ?

A l'approche d'un effort physique, où d'un obstacle à l'homme qui pourrait susciter la peur ou l'angoisse, le corps produit des hormones. Le corps se prépare alors à faire face à un manque de dioxygène et de nutriment. La pression artérielle est proportionelle au débit et à la fréquence cardiaque et au diamètre des vaisseaux (résistance). Pour faire face à un éventuel manque, il est nécessaire d'augmenter la pression artérielle pour un approvisionnement dans le corps tout entier et plus rapidement. 

Pour cela, la glande médullosurrénale produit une hormone, l'adrénaline. Elle agit notamment sur le système sympathique qui a pour fonction d'augmenter le débit et la fréquence cardiaque. L'adrénaline permet également une meilleure contractilité* du muscle cardiaque et une dilatation des artères coronaires qui vascularisent le myocarde. Ainsi, le corps met en place un processus de prévention face à un danger, grâce à une hormone. 

                Schéma anatomique des glandes médullosurrénales 

Représentation 3D de l'adrénaline et sa formule semi-développée : 

Le coeur artificiel y est-il sensible ?

Même si le coeur artificiel est relié à des capteurs sensoriels capables de mesurer la pression artérielle, il est totalement insensible aux hormones. Le mode d'action des hormones est schématisé si dessous : 

      Schéma explicatif du mode d'action de l'adrénaline 

Au niveau du coeur, les récepteurs Bêta 1 sont des récepteurs adrénergiques*. Leur activation entraîne une expression différente du gène dans le noyau, ce qui modifie alors l'ARN méssager* transcrit à partir de ce gène qui a subit une maturation* différente. Lors de la traduction*, la protéine sera alors différente de celle qui aurait été synthétisée sans l'hormone. Le phénotype moléculaire* a donc été modifié, ce qui entraînera une modification du phénotype cellulaire*. 

• Dans les cellules du myocarde, la production de la protéine kinase A permet une meilleure ouverture des canaux calciques*. La libération des ions calcium Ca++ augmente la force de contraction des cellules musculaires. La protéine kinase A repompe également les ions calcium Ca++ ce qui accélère le relaxation de la fibre musculaire. 
• La fréquence cardiaque dépend de l'automatisme des cellules du noeud sinusal*, c'est à dire à leur vitesse de dépolarisation* spontanée. Cette dépolarisation*, qui est le passage d'un potentiel membranaire* négatif vers un potentiel positif, est activé par un courant ionique* libéré dans la membrane de la cellule après la stimulation des récepteurs Bêta 1. 

Ainsi, la modification du phénotype cellulaire* a engendré une modification du phénotype macroscopique* puisque le rythme cardiaque augmente ainsi que sa contractilité*.

Les récepteurs hormonaux comme les Bêta 1 ne peuvent pas être reproduits artificiellement. Le coeur CARMAT n'en est donc pas doté et il sera insensible à la présence de l'adrénaline. Donc le débit cardiaque et la fréquence cardiaque n'augmentent pas lorsqu'elles sont produites, ce qui peut présenter un risque en cas d'effort soutenu. Malgré cela, l'adrénaline favorise la vasoconscription*, ce qui augmente la résistance des vaisseaux en réduisant leur diamètre, augmentant ainsi la pression artérielle. Une partie des fonctions des hormones n'est alors pas remplie avec le coeur artificiel, qui ne réagira pas face à certaines situations.

PROBLEME N°2 : l'alimentation énergétique

Le coeur est un muscle qui a besoin d'énergie pour se contracter. Le coeur artificiel a tout comme le coeur naturel besoin d'une énergie pour faire fonctionner les motopompes qui font circuler le fluide hydraulique permettant de reproduire les contractions du myocarde. Les cellules musculaires, comme toutes les autres cellules, dégradent des molécules pour en produire de nouvelles ainsi que de l'énergie : c'est le métabolisme cellulaire

Qu'est ce que le métabolisme cellulaire ? 

Le métabolisme cellulaire est l'ensemble des transformations moléculaires énergétiques qui ont lieu à l'intérieur d'une cellule et qui permettent son maintient ainsi que son évolution. Il se compose de deux mécanismes complémentaires : 

• le catabolisme : activité de dégradation des molécules complexes pour former des molécules de bases utilisées par la cellule, ou pour produire de l'énergie
• l'anabolisme : activité de synthèse des molécules qui est soumise à la régulation hormonale et génétique. Le génotype et des facteurs extérieurs commandent donc cette synthèse ce qui détermine le phénotype moléculaire. 

Le coeur artificiel n'est pas vascularisé par la circulation sanguine. Il n'est relié qu'aux veines et artères pulmonaires, à l'artère aorte, et à la veine cave. Il ne peut donc pas puiser son énergie dans les molécules qui circulent dans le sang. L'énergie qui lui permet de fonctionner n'est pas issue d'une réaction chimique intracellulaire mais est électrique. 

Le transfert de l'énergie électrique vers le coeur doit donc se faire par voie percutanée* puisqu'il est impossible de produire cette énergie dans l'espace de la cage thoracique qui est trop restreint. Pour cela, le patient bénéficiant de la prothèse se voit percer de micro-perforations derrière l'oreille gauche pour que l'énergie électrique produite par des batteries Lithium-ions soient acheminée au coeur. Les batteries Lithium-ion sont basées sur l'échange réversible de l'ion lithium entre deux électrodes, positives et négatives. Ces batteries ont une autonomie de 4 à 6h et sont rechargeables. Des innovations ont récemment permis de pouvoir brancher ces batteries sur le réseau domestique, ou même sur un allume cigare de voiture. 

Quels sont les désavantages de ce type d'alimentation énergétique pour une prothèse cardiaque ?

Cette alimentation par batteries pose de nombreux problèmes, non pas dans le fonctionnement pur de la prothèse, mais principalement en ce qui concerne la qualité de vie et le confort des patients :

• Les batteries sont très volumineuses et lourdes. Elles nécessitent d'être posées et transportées sur un chariot ce qui réduit considérablement la mobilité du patient. Il lui est impossible de se déplacer seul, ce qui nécéssite une aide extérieure permanente. 
• Les batteries lithium-ion ont une autonomie de 4 à 6h, ce qui est très peu. Le patient devra recharger dans la journée au moins deux fois ses batteries, même si lorsqu'il dort, ses batteries sont en charge. Il sera donc difficile pour le patient de vivre une vie "normale" puisqu'il aura une dépendance totale face à cette énergie électrique disponible pour 6h maximum. Face à cet inconfort et à cette dépendance énergétique, des recherches sont actuellement menées sur une pile à combustible qui serait beacoup moins volumineuse et lourde, et qui aurait une autonomie d'au moins 12h. Ce type de pile produit une électricité qui provient d'une réaction d'oxydoréduction : c'est un échange d'électrons entre des atomes, ceux qui les captent sont appelés oxydants, ceux qui les cèdent sont appelés réducteurs. Une telle autonomie permettrait à un patient d'avoir plus facilement une vie professionnelle ou du moins active dans la mesure où sa journée de travail est couverte en énergie.
• Un système de transmission percutanée* présente des risques infectieux. En effet, des câbles, sont introduits dans l'organisme. Celui-ci les considère donc comme étrangers et ne se fixe pas dessus, laissant alors un passage possible entre l'intérieur du corps et l'environnement extérieur où des micro-organismes comme des virus, des bactéries, des parasites ou même des champignons microscopiques, peuvent envahir et se multiplier. Les infections peuvent alors êtres fréquentes, c'est pourquoi le patient doit rester extrêmement vigilent. De plus, l'alimentation électrique nécessite une vigilence accrue lors du contact avec l'eau, car il y a un risque d'électrocution*. Des sacs étanches doivent être utilisés pour la toilette du patient, ce qui est également contraignant. 

                   

PROBLEME N°3 : la pratique d'un sport 

Le muscle cardiaque est un muscle strié* particulier parcequ'il possède un système propre de contraction (contractions involontaires, automatiques et rythmées), sensible aux stimulations hormonales. Les muscles sont constitués de myocytes, cellules longilignes contractiles serrées les unes contres les autres. Ces myocytes forment les fibres musculaires, entourées d'un tissu appelé endomysium. Ces fibres forment des faisceaux, protégées par le périmysium. Enfin, ces différents faiscaux forment le ventre du muscle, qui est entouré par l'épimysium.  À l'intérieur de la fibre, sont alignés des faisceaux de myofibrilles, protéines contractiles qui donnent au muscle le pouvoir de se contracter, puis de se décontracter. Les cellules musculaires du myocarde sont différentes des autres cellules musculaires du corps car elles n'ont pas autant le noyaux. Elles sont également plus courtes et sont ramifiées les unes aux autres à leurs extrêmités pour une contraction du coeur dans son entier.

                                       Schéma de la structure d'un muscle

Observation au microscope optique de cellules du myocarde et d'une cellule musculaire ordianaire : 

L'observation au microscope optique de cellules musculaires du myocarde permet d'oberver les myofibrilles qui composent les myocytes, les noyaux de ces cellules et les ramifications entre les myocytes qui améliorent la contraction du coeur. L'observation d'une cellule musculaire relâchée (sans ATP* donc sans énergie) et contractée (avec ATP* donc avec énergie) permet de mettre en évidence le pouvoir de contraction de ces cellules : en effet, la cellule est capable de perdre plus d'un quart de sa longueur lorsqu'elle est contractée. 

Quels sont les effets de cette musculation ?

Cette musculation a de nombreux effets sur le muscle : 

• augmentation du diamètre des myocytes, permettant une contraction plus rapide et plus puissante. Lorsqu'on observe au microscope des cellules musculaires d'un individu entraîné et d'un individu qui ne l'est pas, on observe cette augmentation du volume des cellules chez l'individu sportif. 

Cellules d'un individu entraîné                    Cellule d'un individu sédentaire

                        

• augmentation de la vascularisation du muscle, permettant un meilleur apport en dioxygène et en nutriment. On observe cela par l'augmentation du nombre de capillaires sanguins  chez un individu entraîné par rapport à un individu qui ne l'est pas.

• augmentation du potentiel de réserve de la cellule en glycogène
• diminution du temps nécessaire à la récupération

L'entraînement sportif modifie sensiblement la fibre musculaire pour améliorer les performances du muscle. Dans le cas du myocarde, cette augmentation des performances induit une meilleure distribution du dioxygène et des nutriments à tous les muscles du corps.

Comment peut-on augmenter les performances du muscle cardiaque ?

Pour augmenter les performances d'un muscle, il faut avoir recours à de la musculation. Celle-ci n'a pas pour effet de multiplier le nombre de myocytes mais peut les faire grossir. La musculation du myocarde est possible avec 3 plages d'efforts, correspondant à des fréquences cardiaques différentes : 

•  l'endurance (<80 % de la fréquence cardiaque maximale) : effort de longue durée mais peu intensif
•  la résistance douce (80 à 88% de la fréquence cardiaque maximale) : effort fractionné, mêlant efforts intensifs et peu intensifs, de moyenne durée
•  la resistance dure (>88 % de la fréquence cardiaque maximale) : effort intensif de courte durée

Pour se contracter, les myocytes ont besoin d'énergie. Dans ces cellules, l'énergie est présente sous forme d'ATP (molécule permettant les réactions chimiques du métabolisme) qui est fournie aux muscles durant l'effort selon trois filières énergétiques, c'est à dire trois modes de production. Ces trois filières correspondent à l'intensité de l'exercice sportif, et au taux de dioxygène envoyé aux muscles, selon la puissance du myocarde. La puissance de ces filières correspond à la quantité d'énergie produite durant l'effort par unité de temps.

• La filière anaérobique alactique : elle est utilisée lors de courts efforts intenses. En effet, elle ne necessite pas d'oxygène, et n'entraine pas la production d'acide lactique (acide organique permettant la production énergétique des muscles). La concentration d'ATP baisse rapidement, la fatigue est alors ressentie au bout de 7 secondes. La capacité de cette filière est donc faible, mais sa puissance est élevée.  
• La filière anaérobique lactique : elle est utilisée lors d'efforts fractionnés. Cette filière correspond à la dégradation du glucose sans utiliser de dioxygène. L’avantage principal de cette filière est sa rapidité pour libérer une grande quantité d’énergie, même si elle est moins élevée que la filière anaérobie alactique à cause de la chaîne de réactions nécessaires à la libération de l’énergie,permettant un effort de 7 minutes maximum.
• La filière aérobique : elle permet les efforts de faible intensité et de longue durée. Elle entraine la production de plus d'ATP, d'eau et de dioxyde de carbone, en dégradant le glycogène des cellules et le dioxygène, permettant un effort maintenu sur plusieurs heures. 

                                               Modélisation 3D de la molécule d'ATP : 

                                          

La courbe d'Howald représente la proportion relative des trois filières énergétiques en fontion de la durée de l'effort. Elle est modifiée en fonction des capacités du sportif : les performances de son muscle cardiaque vont déterminer le niveau de dioxygène fournit aux muscles. 

 

                                                                    Courbe d'Howald 

Un patient bénéficiant du coeur artificiel peut-il réaliser des performances sportives ?

Le coeur artificiel n'est pas composé de muscle. Par conséquent, la musculation du myocarde est impossible. Le sportif ne peut donc pas avoir un myocarde plus puissant, mieux vascularisé et qui récupère mieux après une période d'entraînement. Il ne peut alors pas améliorer l'approvisionnement des muscles en dioxygène et en nutriments, ce qui le limite au niveau de la performance lorsque l'effort sollicite la filière aérobique. En revanche, les fillières anaérobiques lactique et alactique ne sont pas directement touchées par cette impossibilité de musculation. 

La production d'un court effort intense ne sera pas modifiée, cependant, dès que celui-ci dépasse une minute, le sportif aura plus de mal à satisfaire les besoins de ses muscles car son débit cardiaque n'évoluera pas au fil des entraînements, il ne pourra donc pas améliorer ses performances sportives. Le coeur artificiel CARMAT est donc un frein dans la pratique d'un sport quel qu'il soit puisqu'il ne permet pas de progresser physiquement.

PROBLEME N°4 : Les contraintes physiques

Le coeur artificiel est destiné à être greffé sur des patients qui souffrent d'insuffisance cardiaque. Cependant, les dimensions du coeur de chaque individu diffèrent. Le coeur artificiel CARMAT a été créé seulement en une seule et unique taille. Le receveur doit donc être capable d'intégrer la prothèse dans sa cage thoracique. Ceci n'est donc possible que si le coeur naturel a au moins des dimensions égales à la prothèse. L'entreprise CARMAT affirme que ce coeur sera compatible avec 86% des hommes et 15% des femmes.

Tableau récapitulatif des dimensions des coeurs naturel et artificiel : 

Comparaison visuelle à la même échelle d'un coeur sain, d'un coeur malade et du coeur CARMAT :

Comment le coeur artificiel peut-il être compatible avec 86% des hommes et 15% des femmes alors que ses dimensions sont bien supérieures à celles du coeur naturel ? 

Lorsqu'un individu présente une insuffisance cardiaque, le myocarde faiblit et ne parvient plus qu'à propulser une quantité de sang réduite à chaque pulsation, entrainant un ralentissement du débit cardiaque. Afin de compenser le déficit de propulsion, l'organisme s'adapte en épaississant le myocarde de façon à augmenter la puissance de propulsion du sang. De plus, les cavités s'agrandissent pour augmenter le volume d'éjection systolique. L'augmentation de ces deux paramètres permet de retrouver un débit cardiaque semblable à celui d'un coeur sain. Le coeur malade occupe donc plus d'espace qu'un coeur sain dans la cage thoracique, et a des dimensions bien supérieures à la moyenne. 

         Coupe schématique de coeurs sain et malade 

Les dimensions d'un coeur malade sont alors semblables à celles du coeur artificiel CARMAT, c'est pourquoi celui-ci est compatible avec la majorité des hommes, même si 14% ne pourront pas en bénéficier. Par ailleurs, un coeur naturel malade d'une femme n'atteint que rarement les dimensions de la prothèse : 85% des femmes ne bénéficieront pas du coeur CARMAT. 

Un problème reste cependant omniprésent pour tous les patients greffés : le poids de la prothèse est environ trois fois plus important que celui du coeur naturel. Une difficulté se pose donc aux médecins qui doivent le faire adhérer de façon durable dans la cage thoracique. La miniaturisation devra alors progresser dans le futur pour offrir une prothèse plus petite, plus compatible avec les femmes, et moins lourde, afin de faciliter la greffe. 

BILAN 

Le coeur artificiel CARMAT ne se substitue pas encore totalement au coeur naturel. En effet, cette avancée technique et technologique est incomplète puisque la prothèse reste insensible à certains mécanismes et présente encore des inconvénients: 

• insensibilité à la régulation hormonale de la pression artérielle
• alimentation énergétique électrique qui suppose un matériel extracorporel au volume important et une faible autonomie
• pratique d'un sport fortement contraint par l'impossibilité d'augmenter les performances du myocarde (impact sur la performance sportive)
• incompatibilité avec la majorité des femmes

S'il est aujourd'hui considéré comme une révolution incontestée parmi les prothèses cardiaques déjà existantes, le coeur CARMAT reste perfectible : il remplit les fonctions essentielles du coeur naturel, cependant, certains mécanismes secondaires ne peuvent pas être exploités dans le fonctionnement de la prothèse.