Un cœur artificiel qui sauve des vies

Pendant longtemps, la transplantation cardiaque a été la dernière option pour les patients souffrant d’insuffisance cardiaque terminale. Mais en raison de la pénurie de cœurs de donneurs, ces dernières années, les gens ont commencé à se tourner vers les « machines qui prolongent la vie » : les cœurs artificiels.

Si le cœur s’arrête de battre… le cœur accompagne une personne tout au long de sa vie. C'est sous l'action du cœur que le sang peut circuler dans tout le corps humain, et la circulation sanguine intervient dans des fonctions telles que le métabolisme des matières et la transmission de l'énergie. Une fois que la fonction cardiaque est altérée, la sécurité de la vie humaine est grandement menacée. On rapporte qu’environ 22 millions de personnes dans le monde souffrent d’insuffisance cardiaque, et ce nombre continue de croître rapidement. L'insuffisance cardiaque fait référence à une puissance insuffisante du cœur, qui est incapable de pomper suffisamment de sang vers tout le corps, ce qui entraîne à son tour des difficultés respiratoires, une fatigue excessive et un œdème des membres inférieurs, affectant gravement la vie quotidienne du patient et mettant même en danger la vie du patient.

Comment le cœur pompe-t-il le sang dans tout le corps ?

Le cœur est comme une « pompe à eau » qui est chargée de « pomper » et de « drainer ». Nous pouvons imaginer le cœur comme un bâtiment à deux étages avec deux chambres et deux salons, l’étage supérieur étant les oreillettes gauche et droite et l’étage inférieur étant les ventricules gauche et droit. Tout d’abord, lorsque le ventricule se contracte, le sang désoxygéné du corps s’écoule des veines vers l’oreillette droite, puis vers le ventricule droit, et enfin le ventricule droit pompe le sang désoxygéné vers les poumons. Le sang désoxygéné libère du dioxyde de carbone et absorbe l'oxygène dans les poumons, devient du sang oxygéné, s'écoule dans l'oreillette gauche, traverse le ventricule gauche et est pompé dans tout le corps. Le sang qui circule dans tout le corps est utilisé pour la respiration cellulaire, produit ensuite du dioxyde de carbone et des métabolites, puis devient du sang désoxygéné et retourne à nouveau vers le cœur (oreillette droite)... Par conséquent, les battements du cœur maintiennent la circulation sanguine dans tout le corps et apportent de l'oxygène et des nutriments aux autres organes. Un cœur en bonne santé bat environ 100 000 fois par jour pour assurer le fonctionnement normal du corps humain.

Actuellement, parmi les patients souffrant d’insuffisance cardiaque, environ 44 % dépendent des inotropes pour maintenir la vie, et environ 23 % dépendent des dispositifs d’assistance ventriculaire pour maintenir la fonction cardiaque en attendant une transplantation cardiaque. Cependant, la pénurie de cœurs de donneurs est plus grave que celle des autres organes à transplanter. Afin de résoudre ce problème, les scientifiques se sont tournés vers le développement de cœurs artificiels.

Qu’est-ce qu’un cœur artificiel ?

Un cœur artificiel est un dispositif qui peut être implanté dans le corps. Il est divisé en deux catégories : le cœur artificiel auxiliaire et le cœur artificiel complet, qui sert à remplacer une partie ou la totalité des fonctions du cœur. En termes simples, la fonction d’un cœur artificiel est d’aider ou de remplacer le cœur pour pomper le sang, fournissant ainsi une source d’énergie continue pour la circulation sanguine du corps chez les patients souffrant d’insuffisance cardiaque.

À l’heure actuelle, l’application clinique des cœurs artificiels se divise principalement en trois aspects : premièrement, en tant que substitut pendant la période de transition en attendant une transplantation cardiaque, il permet aux patients de gagner du temps pour trouver un donneur approprié ; deuxièmement, il fournit un soutien de remplacement à court terme aux patients souffrant d’insuffisance cardiaque aiguë, qui sera supprimé une fois la fonction cardiaque rétablie ; troisièmement, il offre un remplacement à long terme aux patients souffrant d’insuffisance cardiaque terminale, en aidant les patients à survivre avec des cœurs artificiels pendant une longue période.

Théoriquement, toute forme de « pompe à eau » peut être utilisée comme cœur artificiel mécanique. Cependant, en raison de la particularité du corps humain, la vitesse à laquelle la « pompe à eau » entraîne le flux sanguin, la portabilité de la « pompe à eau », la réponse immunitaire provoquée par la « pompe à eau » et la stabilité de la « pompe à eau » sont autant d'aspects qui doivent être pris en compte.

Sur la base des aspects ci-dessus, les chercheurs ont développé un autre cœur entièrement artificiel : un cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique.

Cœur artificiel domestique entièrement suspendu magnétiquement

Le principe du cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique n’est pas compliqué. Il suffit d'utiliser la force magnétique pour suspendre le rotor (la partie rotative d'une machine tournante) dans la cavité et pour réaliser la rotation du rotor en contrôlant le courant électrique. C'est très similaire au principe d'un train à sustentation magnétique, et n'est même pas différent d'un jouet à sustentation magnétique. Cependant, en tant que dispositif médical qui coexiste avec les patients pendant une longue période, la stabilité de fonctionnement du cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique peut répondre à des exigences extrêmement élevées. En même temps, sa taille et sa biocompatibilité ont des effets bien meilleurs sur le corps humain que les cœurs artificiels précédents.

À l'heure actuelle, le nouveau cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique développé par l'Institut des organes artificiels de l'Université de Soochow est au niveau de pointe mondial. Il ressemble à un escargot et est principalement composé d'alliage de titane. L'appareil mesure seulement 50 mm de diamètre, 26 mm d'épaisseur et pèse moins de 180 g. L'appareil utilise un électro-aimant, un aimant permanent et un rotor pour former un corps de pompe pour entraîner le flux sanguin.

La partie centrale du corps de la pompe cardiaque artificielle entièrement suspendue magnétiquement est un rotor dentelé, avec des électro-aimants et des aimants permanents respectivement au-dessus et en dessous. Les champs magnétiques générés par les deux font que le rotor est suspendu dans le corps de la pompe. En modifiant le courant de l'électroaimant pour modifier l'intensité du champ magnétique, une force magnétique en constante évolution est générée, ce qui entraîne le rotor à tourner. Le corps de la pompe introduit et évacue le sang à travers deux cathéters. En raison de la structure spéciale du rotor, il appliquera une aspiration à pression négative au sang dans le cathéter pendant la rotation pour « aspirer » le sang dans la pompe. En même temps, il appliquera une poussée de pression positive au sang « aspiré » dans la pompe, de sorte que le sang soit pompé hors de l'autre cathéter, simulant ainsi le processus de pompage du sang dans le cœur.

Comparé aux rotors ordinaires, le rotor du cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique possède également une certaine fonction d'absorption des chocs, qui vise à améliorer la stabilité de fonctionnement de l'appareil lorsqu'il se déplace avec le corps humain. En termes de biocompatibilité, étant donné que le rotor suspendu ne nécessite pas de sang comme lubrifiant pour la rotation et atteint un espace de suspension beaucoup plus grand qu'un palier dynamique liquide, les dommages aux composants sanguins sont considérablement réduits.

Aujourd’hui, ce cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique est encore au stade des essais cliniques. La première personne à subir l’essai de transplantation était un jeune patient souffrant d’insuffisance cardiaque de la province du Hebei. Avant de recevoir la greffe, le patient se sentait souvent faible et avait du mal à respirer, et ne pouvait pratiquement que rester au lit pour se reposer tous les jours. En janvier 2021, le cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique a été transplanté avec succès chez le patient. Selon le patient, avant l'opération, il était essoufflé après avoir marché 20 à 30 mètres, mais maintenant il peut marcher 1 000 mètres sans aucun problème. Il peut également monter et descendre les escaliers tout seul sans l'aide d'autrui et a pratiquement atteint une autonomie complète.

La combinaison de principes relativement simples et d’une technologie extrêmement complexe a permis de créer un cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique. Je crois que dans un avenir proche, le cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique apportera un nouveau « rythme cardiaque » à davantage de patients souffrant d’insuffisance cardiaque.

L'histoire du développement des cœurs artificiels : Dès le milieu du 20e siècle, les scientifiques ont commencé à explorer la voie des cœurs artificiels. En 1953, la première machine cœur-poumon au monde a fourni 26 minutes d'assistance respiratoire et circulatoire complète à un patient cardiaque subissant une intervention chirurgicale, confirmant dans un premier temps la faisabilité de la simulation de la fonction cardiaque avec des dispositifs artificiels. En 1957, le premier cœur artificiel a été développé. Les médecins l'ont implanté chez un chien, mais l'animal n'a survécu que 90 minutes. En 1969, la première opération d'implantation d'un cœur artificiel au monde a été réalisée avec succès, permettant de gagner 64 heures de temps précieux pour un patient en attente d'une transplantation cardiaque humaine. Cependant, le patient est décédé d’une pneumonie infectieuse 32 heures après avoir reçu la greffe de cœur humain. En 1981, la deuxième opération de transplantation cardiaque artificielle au monde a été réalisée. Le patient a reçu la greffe et a ensuite survécu pendant 55 heures avant de recevoir une greffe de cœur humain. Malheureusement, le patient est décédé d’une infection, d’une insuffisance rénale et de complications pulmonaires 10 jours après avoir reçu la greffe de cœur humain. En 1982, un cœur artificiel total a été implanté pour la première fois chez un patient de 61 ans, décédé 112 jours plus tard. En 2004, un cœur artificiel total amélioré est sorti. Parmi les patients ayant reçu la greffe, la durée de survie la plus longue a été de 1 374 jours.

Dans les années 1990, un cœur entièrement artificiel doté d’une pompe à sang pulsée comme noyau a été développé. Cependant, il a été pratiquement éliminé en raison de ses graves dommages aux composants sanguins, de sa forte incidence d'hémolyse (décomposition anormale et mort des globules rouges) et de thrombose chez les receveurs, de sa grande taille et de sa courte durée de vie. Après être entrés dans le 21e siècle, les pompes à sang rotatives sont devenues les produits les plus courants dans le domaine des cœurs artificiels. Parmi eux, la première génération (roulements à contact mécanique) et la deuxième génération (roulements dynamiques liquides) ont été éliminées du marché l'une après l'autre en raison de leurs graves dommages aux composants sanguins.

Le cœur entièrement artificiel de troisième génération utilise une pompe à sang entièrement suspendue magnétiquement comme composant principal. Par rapport aux deux générations précédentes, ses avantages sont un contrôle facile du rotor, une longue durée de vie, moins de dommages aux cellules sanguines (réduisant ainsi la probabilité de thrombose et d'hémolyse), une petite taille (adaptée à la transplantation in vivo) et une faible consommation d'énergie. La recherche et le développement du cœur artificiel entièrement à lévitation magnétique ont amené le domaine des cœurs entièrement artificiels à une nouvelle étape.