Dans une étude récente publiée dans Nature Recherche cardiovasculaireles chercheurs ont modélisé le ventricule droit (VR) pour créer un robot reproduisant l’hémodynamique et la biomécanique du ventricule droit.
Arrière-plan
Le dysfonctionnement du RV est un problème cardiovasculaire qui incite au développement de thérapies et de technologies spécifiques au RV. La surcharge de pression, la surcharge de volume et l’insuffisance systolique peuvent toutes provoquer un dysfonctionnement du VD. Cependant, les normes réglementaires relatives aux gadgets axés sur le ventricule droit nécessitent des tests approfondis, et la recherche sur les animaux est prohibitivement coûteuse, variable et prend beaucoup de temps.
In vitro les simulateurs sont moins concentrés que les simulateurs de paillasse concernant l’hémodynamique régulée. Les patients atteints de cardiopathie congénitale et d’hypertension pulmonaire sont particulièrement vulnérables au RV. Les dispositifs mécaniques axés sur les véhicules récréatifs utilisés pour les essais sur les animaux prennent du temps, sont coûteux et sont souvent mortels.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont développé un RV robotisé (RRV) pour reproduire la fonction du RV dans des contextes physiopathologiques et une intervention visant à réduire les tests sur les animaux pour évaluer les performances hémodynamiques du dispositif intracardiaque en reproduisant la physiopathologie du RV sur un banc de laboratoire.
Les chercheurs ont utilisé une technique biohybride pour créer un simulateur de RV, intégrant un échafaudage endocardique traité chimiquement avec un myocarde synthétique robotique souple. La RRV agit comme la pompe cardiaque principale, reproduisant l’hémodynamique correspondante et supprimant le recours à des pompes pulsatiles externes.
L’équipe a utilisé un système de contrôle pour pressuriser les actionneurs avec un délai séquentiel de 20 à 50 m/s afin de reproduire une éjection de RV de type péristaltique. Les trabécules, les valvules, la musculature papillaire et les bandes modératrices font partie des composants endocardiques tridimensionnels complexes du ventricule droit. Les cœurs de porc ont été stockés dans du formol et traités avec des molécules de tensioactif pour restaurer les caractéristiques naturelles des tissus afin d’atteindre l’exactitude anatomique.
Les chercheurs ont remplacé le myocarde épais par des tissus myocardiques élastomères synthétiques et des actionneurs robotiques et souples McKibben associés biomimétiquement à la musculature cardiaque, simulant les fonctions contractiles des tissus myocardiques natifs pour atteindre un mouvement du RV physiologiquement précis. Les actionneurs pourraient produire une contraction axiale de 25 % et une expansion radiale de 117 %, permettant un déplacement de volume physiologiquement significatif. L’équipe a utilisé la tomodensitométrie (CT) pour offrir une image tridimensionnelle de l’anatomie et de l’architecture du RRV.
Les chercheurs ont conçu un cadre informatique pour optimiser la mobilité et la fonction du myocarde robotique mou. Des données de flux bidimensionnel à contraste de phase d’imagerie par résonance magnétique (IRM) ont été utilisées avec des modèles d’interaction fluide-structure bidirectionnels pour évaluer le comportement global du myocarde robotique mou. Les chercheurs ont recréé les maladies du RV en laboratoire en désactivant des actionneurs spécifiques, en modifiant la pression d’entrée et en modifiant les paramètres du système circulatoire. Ils ont observé une diminution du flux inverse par rapport à la TV pathologique, indiquant une possible amélioration des tissus myocardiques robotiques mous biomimétiques.
Résultats
Le RRV est une technologie révolutionnaire qui peut imiter les changements hémodynamiques en temps réel dans des circonstances saines et pathologiques, telles qu’une surcharge volémique, une défaillance systolique du VD et une surcharge de pression. Cette méthode a fait ses preuves in vivo en utilisant un modèle porcin, révélant ses promesses pour la réparation et le remplacement in vitro de la valvule tricuspide. La conception informatique a amélioré la biomécanique et l’hémodynamique du RRV, confirmée dans une étude porcine.
Sur le banc, les chercheurs ont réussi à dupliquer le débit, les volumes et les pressions du VR et à comparer les caractéristiques fonctionnelles à in vivo données sur les porcs. Ils ont également reproduit plusieurs types de dysfonctionnement du VD, tels que l’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP), la régurgitation valvulaire tricuspide (TR) et l’infarctus du myocarde, dans la paroi du VD. Le RRV a recréé avec précision l’action contractile du muscle papillaire et la tension des cordes réglable dans des états sains et pathologiques.
La contraction du VD diffère de celle de son homologue gauche, ayant quatre mécanismes : mouvement vers l’intérieur de la paroi libre du ventricule droit, renflement septal dans le ventricule droit, contraction annulaire longitudinale du TV vers la région apicale et contractions circonférentielles de la voie d’éjection du VD (RVOT). Les tissus robotiques et mous du myocarde imitent l’orientation des fibres musculaires cardiaques, tout comme ses actionneurs. La plate-forme RRV était un remplacement cardiaque reproduisant le mouvement septal et libre de la paroi du RV, permettant de bonnes images d’échocardiographie, d’échographie, de tomodensitométrie et d’IRM.
Les tissus mous et robotiques du myocarde se contractent, faisant avancer le fluide et produisant des différences de pression à travers le TV et le PV, entraînant une ouverture et une fermeture synchronisées. La RRV a bien fonctionné en termes d’hémodynamique, avec un pic de pression artérielle systolique dans le ventricule droit observé à 32 mm de Hg et une réduction du volume du VD de 62 %. L’architecture bioinspirée de la plateforme a permis de modéliser les mouvements de la paroi du VR, avec des valeurs saines dépassant 38 % chez le porc et 42 % chez l’homme. Dans un contexte de laboratoire, la capacité de dupliquer et de modifier la tension des cordes à l’aide d’un muscle robotique mou contractile dans la VRR pourrait simuler une défaillance du muscle papillaire.
Sur la base des résultats de l’étude, le simulateur RRV est un simulateur cardiaque droit robotique biohybride utilisé pour rechercher et traiter la pathologie du RV. Il recrée la biomécanique cardiovasculaire à l’aide d’un remplacement myocardique, en se concentrant sur les effets des modifications de la forme, de la fonction et du stress du RV sur l’hémodynamique et les indicateurs cliniques. Le simulateur est compatible avec l’échocardiographie, la tomodensitométrie et l’IRM pour étudier l’anatomie et la fonction. Les recherches futures pourraient se concentrer sur la reproduction du cœur gauche.
