La cavité artificielle peut être ajustée pour reproduire des états sains et pathologiques. L'équipe a manipulé le modèle afin de simuler des dysfonctionnements du ventricule droit, notamment l'hypertension pulmonaire et l'infarctus du myocarde. Elle s'en est également servie pour tester des dispositifs cardiaques. Par exemple, l'équipe a implanté une valve mécanique pour réparer une valve naturelle défectueuse, puis a observé l'évolution de la fonction de pompage de la cavité.
Ils affirment que la nouvelle cavité droite robotisée, ou RRV, peut être utilisée comme une plateforme réaliste pour étudier les troubles de la cavité droite et tester les dispositifs et les thérapies destinés à traiter ces troubles.
« Le ventricule droit est particulièrement vulnérable aux dysfonctionnements en soins intensifs, notamment chez les patients sous ventilation mécanique », explique Manisha Singh, chercheuse postdoctorale à l’Institut d’ingénierie médicale et des sciences (IMES) du MIT. « Le simulateur RRV pourra servir à l’avenir à étudier les effets de la ventilation mécanique sur le ventricule droit et à élaborer des stratégies de prévention de l’insuffisance cardiaque droite chez ces patients fragiles. ».
Singh et ses collègues présentent les détails de cette nouvelle conception dans un article paru aujourd'hui dans Nature Cardiovascular Research. Parmi leurs co-auteurs figurent la professeure agrégée Ellen Roche, chercheuse principale à l'IMES et directrice adjointe de la recherche au département de génie mécanique du MIT, ainsi que Jean Bonnemain, Caglar Ozturk, Clara Park, Diego Quevedo-Moreno, Meagan Rowlett et Yiling Fan du MIT, Brian Ayers du Massachusetts General Hospital, Christopher Nguyen de la Cleveland Clinic et Mossab Saeed du Boston Children's Hospital.
Un ballet de battements de cœur
Le ventricule droit est l'une des quatre cavités du cœur, avec le ventricule gauche et les oreillettes gauche et droite. Parmi ces quatre cavités, le ventricule gauche est le plus important, car sa musculature épaisse et conique est conçue pour propulser le sang dans tout le corps. Le ventricule droit, selon Roche, est en comparaison une « danseuse », car il assume une charge de travail moins importante, mais non moins essentielle.
« La cavité cardiaque droite pompe le sang désoxygéné vers les poumons, elle n'a donc pas besoin de pomper aussi fort », explique Roche. « C'est un muscle plus fin, avec une architecture et un mouvement plus complexes. ».
Cette complexité anatomique a rendu difficile pour les médecins l'observation et l'évaluation précises de la fonction cardiaque droite chez les patients atteints de maladies cardiaques.
« Les outils conventionnels ne parviennent souvent pas à saisir les mécanismes et la dynamique complexes de la cavité droite, ce qui peut entraîner des erreurs de diagnostic et des stratégies de traitement inadéquates», explique Singh.
Pour mieux comprendre cette cavité moins connue et accélérer le développement de dispositifs cardiaques destinés à traiter son dysfonctionnement, l'équipe a conçu un modèle fonctionnel réaliste de la cavité droite qui reproduit à la fois son anatomie complexe et sa fonction de pompage.
Le modèle comprend de véritables tissus cardiaques, que l'équipe a choisi d'intégrer car ils préservent des structures naturelles trop complexes pour être reproduites synthétiquement.
« Il existe de fins cordons et de petites valves aux propriétés matérielles différentes qui bougent tous à l'unisson avec le muscle de la cavité. Tenter de fondre ou d'imprimer ces structures très délicates est un véritable défi », explique Roche.
La durée de vie d'un cœur
Dans cette nouvelle étude, l'équipe rapporte avoir prélevé la cavité cardiaque droite d'un porc, après l'avoir traitée avec soin pour préserver ses structures internes. Elle l'a ensuite entourée d'une membrane en silicone, simulant un myocarde souple et synthétique. À l'intérieur de cette membrane, l'équipe a inséré plusieurs longs tubes, semblables à des ballonnets, autour du tissu cardiaque, à des positions optimales pour reproduire les contractions de la cavité, déterminées par modélisation informatique. Chaque tube a été relié à un système de contrôle, configuré pour se gonfler et se dégonfler à des vitesses imitant le rythme et les mouvements du cœur.
Pour tester sa capacité de pompage, l'équipe a rempli le modèle avec un fluide de viscosité similaire à celle du sang. Ce fluide était également transparent, ce qui a permis aux ingénieurs d'observer, grâce à une caméra interne, le comportement des valves et des structures internes lors du pompage du fluide par la cavité.
Ils ont découvert que la puissance de pompage de la chambre artificielle et le fonctionnement de ses structures internes étaient similaires à ceux observés précédemment chez des animaux vivants et sains, démontrant ainsi que le modèle peut simuler de manière réaliste l'action et l'anatomie de la cavité cardiaque droite. Les chercheurs ont également pu ajuster la fréquence et la puissance des tubes de pompage afin de reproduire diverses pathologies cardiaques, telles que l'arythmie, la faiblesse musculaire et l'hypertension.
« Nous sommes en quelque sorte en train de "ranimer" le cœur, et ce, d'une manière qui nous permet d'étudier et potentiellement de traiter son dysfonctionnement», explique Roche.
Pour démontrer que la cavité artificielle peut être utilisée pour tester des dispositifs cardiaques
