Le nombre de pièces de rechange de prothèses artificielles disponibles pour le corps humain est vraiment assez impressionnant. Des prothèses oculaires aux hanches et genoux artificiels, il y a très peu de parties du corps humain qui ne peuvent pas être remplacées par quelque chose qui fonctionne au moins aussi bien que l’original, d’autant plus que la pièce OEM était probablement dans une forme assez dure dans la première place.

Mais le cœur a toujours été un point faible chez l’homme, en partie à cause du fait qu’il ne se repose jamais, et en partie parce que tout bien considéré, nous, les humains modernes, n’en prenons pas vraiment soin. Et lorsque le cœur se brise au-delà du point où la médecine ou la chirurgie peut aider, nous nous retrouvons avec beaucoup moins d’alternatives qu’une personne avec un genou en panne. Le fait est que le mieux que nous puissions actuellement espérer est un cœur mécanique qui permet à un patient de vivre assez longtemps pour trouver un cœur de donneur. Mais même alors, la tragédie doit nécessairement être au rendez-vous, et quelqu’un de jeune et en bonne santé doit mourir pour que quelqu’un d’autre puisse vivre.

Un cœur artificiel implantable permanent est depuis longtemps un objectif de la médecine, et si les récents développements en science des matériaux et en génie électrique ont quelque chose à dire à ce sujet, un tel dispositif pourrait bientôt devenir une réalité. Les remplacements cardiaques peuvent un jour être aussi simples que les remplacements de la hanche, mais pour y parvenir, il faut comprendre l’histoire des cœurs mécaniques et pourquoi ce n’est pas aussi simple que de construire une pompe.

Le battement de coeur de l’Amérique

Alors que la compréhension du cœur en tant que pompe remonte au 3ème siècle avant notre ère, il a fallu près de 1 000 ans de plus pour que la science médicale avance beaucoup ; l’opinion initiale du médecin grec Galien selon laquelle le cœur fournissait de la chaleur au corps et que le sang passait du système veineux au système artériel via les pores du septum du cœur ne devait pas être remise en question, du moins dans les traditions médicales occidentales.

Il y a une raison pour laquelle le cœur artificiel Dodrill-GMR ressemblait à un moteur de voiture. Source : Musée national d’histoire américaine, CC0 1.0

Une fois que les médecins ont été libres d’explorer le cœur humain, sa structure et sa fonction sont devenues claires. Le cœur est une pompe à quatre chambres fabriquée à partir de tissu musculaire spécialisé. Les chambres supérieures sont appelées oreillettes, alimentant les plus gros ventricules en dessous via des valves unidirectionnelles pour empêcher le reflux. L’oreillette droite reçoit le sang désoxygéné du corps à travers un gros vaisseau appelé la veine cave ; il se déplace vers les ventricules droits et vers les poumons, où, grâce à un processus complexe d’échange gazeux, il perd du CO2 et gagne en oxygène. Le sang oxygéné retourne dans l’oreillette gauche du cœur, puis dans le puissant ventricule gauche, qui alimente l’ensemble du corps en sang oxygéné via l’aorte.

En regardant le cœur d’un point de vue mécanique, il est facile de comprendre pourquoi les tentatives de construction d’un substitut mécanique remontent aux années 1930. Le scientifique soviétique Vladimir Demikhov a été le premier à essayer un cœur mécanique, un appareil de sa propre conception qu’il a mis dans un chien. L’animal a vécu pendant deux heures après la chirurgie.

D’autres chirurgiens ont utilisé les expériences de chien de Demikhov comme base pour les cœurs artificiels humains, en utilisant d’abord des dispositifs extracorporels comme le Dodrill-GMR, un dispositif construit par le constructeur automobile General Motors Research. Le Dodrill-GMR a été utilisé en 1952 pour ponter le ventricule gauche d’un patient de 41 ans lors d’une opération de réparation de sa valve mitrale ; il a survécu 50 minutes sur la machine et a fini par vivre 30 ans de plus.

Les premières expériences avec le Dodrill-GMR et les machines cardio-pulmonaires de suivi ont donné aux médecins des informations précieuses sur ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas lorsqu’il s’agit de pomper le sang. Après tout, le sang n’est pas un simple fluide ; c’est un tissu liquide complexe composé de cellules sanguines (érythrocytes et leucocytes) ainsi que de plasma. Le cœur est optimisé pour pomper ce fluide, en introduisant le moins de turbulences et de forces de cisaillement possible pour maintenir les cellules intactes. Tout substitut mécanique du cœur ne doit pas introduire de telles forces perturbatrices, susceptibles de blesser le patient.

Un pont trop loin

Dr William Devries et Barney Clark, après implantation du cœur Jarvik-7. Source : Université de l’Utah

Les premiers efforts de circulation mécanique se sont concentrés sur des dispositifs entièrement extracorporels, reconnaissant le fait que l’ingénierie de l’époque était loin d’être prête à fournir un cœur artificiel totalement implantable. Mais le rêve d’un cœur de remplacement mécanique a perduré, principalement parce que la demande de cœurs humains sains à transplanter continuait de dépasser l’offre. Cela est devenu de plus en plus le cas à mesure que l’ingénierie des véhicules à moteur s’améliorait au fil des décennies; le triste fait est que les accidents de voiture constituent la source la plus fiable de cœurs de donneurs viables, et à mesure que les voitures sont devenues plus sûres, le bassin de donneurs s’est réduit.

Le premier cœur artificiel total (TAH) à attirer l’attention a été le cœur Jarvik-7, qui a été utilisé pour la première fois en clinique sur Barney Clark, un dentiste à la retraite souffrant d’insuffisance cardiaque congestive sévère. Malgré le fait que Clark a dû être attaché à un gros compresseur d’air pendant les 112 jours qu’il a vécus après la chirurgie, le Jarvik-7 a été le premier cœur artificiel où le mécanisme de pompage était complètement à l’intérieur de la cavité thoracique. Il a établi la norme pour ce qui compte comme un cœur artificiel total, même aujourd’hui – le mécanisme de pompage est implantable, mais en raison de limitations techniques, ils doivent être alimentés depuis l’extérieur du corps.

Un cœur artificiel Jarvik-7, similaire à celui utilisé par le Dr Barney Clark en 1982. Notez les gros tuyaux pneumatiques qui alimentent l’appareil. Source : Musée national d’histoire américaine.

Les deux cœurs artificiels totaux actuellement approuvés pour une utilisation chez les patients dépendent aujourd’hui d’une alimentation externe. Le SynCardia TAH, un descendant direct du cœur Jarvik-7 fabriqué avec des matériaux meilleurs et plus durables et équipé de valves moins susceptibles d’endommager les cellules sanguines, est toujours alimenté par de l’air comprimé, bien que l’unité d’entraînement ait été suffisamment miniaturisée pour que les patients peut rentrer à la maison avec un. L’autre TAH, fabriqué par la société française Carmat, utilise un diaphragme flexible à entraînement hydraulique pour pomper le sang. Le bloc d’alimentation hydraulique est suffisamment petit pour être transporté et est alimenté par des batteries lithium-ion.

Malgré leurs différences mécaniques, ces deux dispositifs ont quelque chose en commun : ils ne sont pas destinés à être utilisés comme cœurs de remplacement permanents, mais plutôt comme un pont permettant de gagner du temps pour qu’un cœur de donneur devienne disponible. La raison principale en est la simple science des matériaux : il est très difficile de trouver des matériaux qui peuvent fléchir en continu 70 à 80 fois par minute pendant des années sans se déchirer. Le meilleur que Carmat ait réussi à faire est d’environ 1 400 jours, et bien que ce soit plus de dix fois mieux que l’expérience de Barney Clark, c’est loin d’être suffisant. L’autre problème est que l’acheminement des conduites pneumatiques ou hydrauliques dans la cavité thoracique est cliniquement problématique, principalement en raison du risque d’infection.

Pas de pouls, pas de problème

Bien qu’il puisse sembler qu’un TAH permanent soit encore loin, il se passe beaucoup de choses dans cet espace qui pourraient raccourcir le voyage. Une startup appelée BiVACOR travaille sur une conception très différente des cœurs SynCardia ou Carmat, et elle contient des composants qui sembleront très familiers à tout pirate informatique. Plutôt que de s’appuyer sur des diaphragmes pour déplacer le sang, le BiVACOR TAH a utilisé une pompe centrifuge, dont les pales de la turbine sont directement en contact avec le sang et fournissent un flux continu. Normalement, ce serait une source inacceptable de forces de cisaillement qui déchireraient les cellules sanguines, sans parler du besoin de roulements qui finiraient par s’user. Le BiVACOR TAH évite ces problèmes en faisant léviter magnétiquement la roue, laissant un large espace entre elle et le boîtier de la pompe. La distance de l’espace est surveillée et ajustée en continu afin qu’il n’y ait aucune usure mécanique et aucune force de cisaillement sur le sang. La turbine double face est la seule pièce mobile de la pompe et est entraînée par ce qui ressemble beaucoup aux bobines de stator d’un moteur à courant continu sans balai.

L’un des grands avantages du BiVACOR TAH est qu’il est bien plus petit que la récolte actuelle de TAH. C’est important car l’espace disponible dans la cavité thoracique est assez limité, même chez les hommes de grande taille. Les patientes et les enfants, qui ont tendance à avoir un cœur plus petit, sont souvent difficiles à adapter à un TAH. Le cœur BiVACOR coche également la case d’une alimentation externe moins intrusive ; les câbles électriques sont beaucoup plus faciles à acheminer dans la cavité thoracique et moins susceptibles d’agir comme un conduit d’infection. Il est également tout à fait possible que les progrès de la technologie des batteries rendent possibles des sources d’énergie implantables dans un avenir proche ; couplé à une charge inductive transdermique, le cœur BiVACOR et ses semblables pourraient être les premiers cœurs artificiels totaux permanents pratiques.

Il y a clairement plus à faire ici ; certaines questions fondamentales, comme le corps humain a-t-il une raison physiologique pour un pouls, restent sans réponse. Heureusement, le cœur BiVACOR peut être programmé pour fournir un flux pulsatile, de sorte qu’ils sont bien positionnés quelle que soit la réponse. Mais le fait que nous ne connaissions même pas encore la réponse montre jusqu’où nous devons aller. Heureusement, l’ingénierie semble rattraper son retard pour qu’un cœur artificiel permanent devienne enfin une réalité.