Il n’y a pas deux cœurs qui battent pareil. La taille et la forme du cœur peuvent varier d’une personne à l’autre. Ces différences peuvent être particulièrement prononcées pour les personnes vivant avec une maladie cardiaque, car leur cœur et leurs principaux vaisseaux travaillent plus fort pour surmonter toute fonction compromise.
Les ingénieurs du MIT espèrent aider les médecins à adapter les traitements à la forme et à la fonction cardiaques spécifiques des patients, avec un cœur robotique personnalisé. L’équipe a développé une procédure pour imprimer en 3D une réplique souple et flexible du cœur d’un patient. Ils peuvent alors contrôler l’action de la réplique pour imiter la capacité de pompage du sang de ce patient.
La procédure consiste d’abord à convertir des images médicales du cœur d’un patient en un modèle informatique tridimensionnel, que les chercheurs peuvent ensuite imprimer en 3D à l’aide d’une encre à base de polymère. Le résultat est une coque souple et flexible à la forme exacte du cœur du patient. L’équipe peut également utiliser cette approche pour imprimer l’aorte d’un patient – ; l’artère principale qui transporte le sang du cœur vers le reste du corps.
Pour imiter l’action de pompage du cœur, l’équipe a fabriqué des manchons semblables à des brassards de tension artérielle qui s’enroulent autour d’un cœur et d’une aorte imprimés. Le dessous de chaque manche ressemble à du papier bulle à motifs précis. Lorsque le manchon est connecté à un système pneumatique, les chercheurs peuvent régler l’air sortant pour gonfler en rythme les bulles du manchon et contracter le cœur, imitant son action de pompage.
Les chercheurs peuvent également gonfler un manchon séparé entourant une aorte imprimée pour resserrer le vaisseau. Cette constriction, disent-ils, peut être réglée pour imiter la sténose aortique – ; une condition dans laquelle la valve aortique se rétrécit, obligeant le cœur à travailler plus fort pour forcer le sang à travers le corps.
Les médecins traitent généralement la sténose aortique en implantant chirurgicalement une valve synthétique conçue pour élargir la valve naturelle de l’aorte. À l’avenir, l’équipe affirme que les médecins pourraient potentiellement utiliser leur nouvelle procédure pour imprimer d’abord le cœur et l’aorte d’un patient, puis implanter une variété de valves dans le modèle imprimé pour voir quelle conception donne la meilleure fonction et convient à ce patient particulier. Les répliques cardiaques pourraient également être utilisées par les laboratoires de recherche et l’industrie des dispositifs médicaux comme plates-formes réalistes pour tester des thérapies pour divers types de maladies cardiaques.
Tous les cœurs sont différents. Il existe des variations massives, en particulier lorsque les patients sont malades. L’avantage de notre système est que nous pouvons recréer non seulement la forme du cœur d’un patient, mais également sa fonction dans la physiologie et la maladie. »
Luca Rosalia, étudiant diplômé du programme MIT-Harvard en sciences et technologies de la santé
Rosalia et ses collègues rapportent leurs résultats dans une étude parue aujourd’hui dans Robotique scientifique. Les co-auteurs du MIT incluent Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang et Ellen Roche, ainsi que Benjamin Bonner du Massachusetts General Hospital, James Weaver de l’Université de Harvard et Christopher Nguyen, Rishi Puri et Samir Kapadia à la Cleveland Clinic dans l’Ohio.
Imprimer et pomper
En janvier 2020, les membres de l’équipe, dirigée par la professeure de génie mécanique Ellen Roche, ont développé un « cœur hybride biorobotique » – ; une réplique générale d’un cœur, fabriquée à partir de muscles synthétiques contenant de petits cylindres gonflables, qu’ils pouvaient contrôler pour imiter les contractions d’un véritable cœur battant.
Peu de temps après ces efforts, la pandémie de Covid-19 a forcé le laboratoire de Roche, ainsi que la plupart des autres sur le campus, à fermer temporairement. Sans se laisser décourager, Rosalia a continué à peaufiner le design palpitant à la maison.
« J’ai recréé tout le système dans mon dortoir en mars », se souvient Rosalia.
Des mois plus tard, le laboratoire a rouvert et l’équipe a continué là où elle s’était arrêtée, travaillant à améliorer le contrôle du manchon de pompage cardiaque, qu’elle a testé sur des modèles animaux et informatiques. Ils ont ensuite élargi leur approche pour développer des manchons et des répliques cardiaques spécifiques à chaque patient. Pour cela, ils se sont tournés vers l’impression 3D.
« Il y a beaucoup d’intérêt dans le domaine médical pour l’utilisation de la technologie d’impression 3D pour recréer avec précision l’anatomie du patient pour une utilisation dans la planification et la formation préopératoires », note Wang, qui est résident en chirurgie vasculaire au Beth Israel Deaconess Medical Center à Boston.
Une conception inclusive
Dans la nouvelle étude, l’équipe a profité de l’impression 3D pour produire des répliques personnalisées du cœur de patients réels. Ils ont utilisé une encre à base de polymère qui, une fois imprimée et durcie, peut se comprimer et s’étirer, comme un véritable cœur battant.
Comme matériel source, les chercheurs ont utilisé des analyses médicales de 15 patients diagnostiqués avec une sténose aortique. L’équipe a converti les images de chaque patient en un modèle informatique tridimensionnel du ventricule gauche du patient (la principale chambre de pompage du cœur) et de l’aorte. Ils ont introduit ce modèle dans une imprimante 3D pour générer une coque souple et anatomiquement précise du ventricule et du vaisseau.
L’équipe a également fabriqué des manchons pour envelopper les formulaires imprimés. Ils ont adapté les poches de chaque manche de sorte que, lorsqu’elles sont enroulées autour de leurs formes respectives et connectées à un petit système de pompage d’air, les manches puissent être réglées séparément pour contracter et resserrer de manière réaliste les modèles imprimés.
Les chercheurs ont montré que pour chaque cœur modèle, ils pouvaient recréer avec précision les mêmes pressions et débits de pompage cardiaque qui avaient été précédemment mesurés chez chaque patient respectif.
« Pouvoir faire correspondre les flux et les pressions des patients était très encourageant », déclare Roche. « Nous n’imprimons pas seulement l’anatomie du cœur, mais reproduisons également sa mécanique et sa physiologie. C’est la partie qui nous passionne. »
Allant un peu plus loin, l’équipe visait à reproduire certaines des interventions subies par une poignée de patients, pour voir si le cœur et le vaisseau imprimés répondaient de la même manière. Certains patients avaient reçu des implants valvulaires destinés à élargir l’aorte. Roche et ses collègues ont implanté des valves similaires dans les aortes imprimées sur le modèle de chaque patient. Lorsqu’ils ont activé le cœur imprimé pour pomper, ils ont observé que la valve implantée produisait des débits améliorés de la même manière que chez les patients réels après leurs implants chirurgicaux.
Enfin, l’équipe a utilisé un cœur imprimé actionné pour comparer des implants de différentes tailles, pour voir ce qui entraînerait le meilleur ajustement et le meilleur débit ; quelque chose qu’ils envisagent que les cliniciens pourraient faire pour leurs patients à l’avenir.
« Les patients obtiendraient leur imagerie, ce qu’ils font de toute façon, et nous l’utiliserions pour fabriquer ce système, idéalement dans la journée », explique le co-auteur Nyugen. « Une fois qu’il est opérationnel, les cliniciens peuvent tester différents types et tailles de valves et voir ce qui fonctionne le mieux, puis l’utiliser pour l’implanter. »
En fin de compte, Roche affirme que les répliques spécifiques au patient pourraient aider à développer et à identifier des traitements idéaux pour les personnes présentant des géométries cardiaques uniques et difficiles.
« Concevoir de manière inclusive pour une large gamme d’anatomies et tester des interventions dans cette gamme peut augmenter la population cible adressable pour les procédures peu invasives », déclare Roche.
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Foundation, les National Institutes of Health et le National Heart Lung Blood Institute.
