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Le coeur artificiel

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Margot Brumaire

on 18 March 2015

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Transcript of Le coeur artificiel

LE COEUR ARTIFICIEL
Introduction
18 976 est le nombre de personnes qui pourraient être sauvées grâce au cœur artificiel s’il devenait plus fiable et accessible à tous. Le cœur artificiel est une prothèse intracorporelle ou para corporelle constituant une alternative pour remplacer le cœur d’un patient atteint d’une insuffisance cardiaque terminale en cas de pénurie d’organes ou lorsque la transplantation est déconseillée. Il existe deux types de cœur artificiel :
- Le cœur artificiel total, Il remplace totalement le cœur natif.
- Le cœur artificiel provisoire dans l’attente de l’arrivée d’un greffon.

En juillet 1963, la première pose de cœur artificiel a eu lieu au Texas, mais quatre jours plus tard, le patient décède. Depuis, les scientifiques s’aidant des progrès technologiques n’ont cessé de chercher à le développer avec pour objectif un cœur totalement dédié au remplacement cardiaque définitif et un retour à la vie normale du patient.
Le chirurgien français Alain Carpentier a été pionnier dans ce domaine .Son équipe avec le groupe Matra crée la société Carmat. En 2008, ils annoncent disposer du premier cœur artificiel autorégulé et biocompatible. Les parties en contact du sang sont constituées de matériaux issus de tissus d’animaux traités pour éviter un rejet immunologique et limiter le risque de formation de caillots.

Depuis Carmat a travaillé à améliorer et optimiser la forme de son cœur ainsi que de miniaturiser tous les ensembles de la régulation médicale tout en conservant un volume d’éjection systolique physiologique même en cas d’effort soutenu.
Le 18 décembre 2013, la première mondiale a eu lieu en France .Le cœur artificiel a été implanté à L’HEGP chez un patient de 76 ans souffrant d’insuffisance cardiaque .Il est mort 74 jours après la pose de la prothèse .En cherchant la cause de sa mort, on a appris une chose importante et inattendue. Il ne faut pas vouloir établir des niveaux de pression et de débit immédiatement après l’implantation, cela doit se faire progressivement.
Le 5 août 2014 un deuxième cœur artificiel total est implanté en France. Le cœur artificiel ne cesse d’être amélioré et devient de plus en plus similaire au cœur humain.
Le cœur est enveloppé d’un sac à double parois appelé péricarde.
Il est formé de trois tuniques :
-L’épicarde est la tunique externe, c’est la lame viscérale du péricarde
-Le myocarde, muscle du cœur forme la tunique intermédiaire. Il forme l’essentiel de la masse du cœur. Il est composé principalement de cellules musculaires dotées d’une capacité de se contracter.
-L’endocarde est la tunique interne, elle tapisse les cavités cardiaques et recouvre le squelette fibreux des valves.

La greffe du cœur se discute pour le patient en insuffisance cardiaque sévère. Elle empêche le cœur de pomper correctement le sang, irréversible, résistante à un traitement médical optimale et au-delà de toute ressource thérapeutique spécifique.
Cette insuffisance cardiaque peut-être due à un infarctus du myocarde fréquent chez les sujets présentant des facteurs de risques cardiovasculaires (tabac, hypertension artérielle, diabète, hypercholestérolémie, obésité), à une cardiomyopathie (atteinte du muscle cardiaque), des cardiopathies valvulaires, congénitales, post chimiothérapie ou toxiques

Qu'on fait les hommes pour lutter contre les maladies cardiaques ?
Robert Jarvik a inventé en 1982, Jarvik 7, à l’aide de plastic polyuréthane et d’aluminium, des matériaux non hémocompatibles. Les oreillettes du patient étaient gardées et les médecins « reliaient » leur prototype à ces oreillettes naturelles. Le fonctionnement de Jarvik 7 était assez complexe, des tuyaux traversant la peau récupéraient de l’air afin de le ramener aux pompes qui le comprimaient. Celui-ci arrivait ensuite aux ventricules, ce qui permettait de les alimenter en O2 par exemple.Le premier patient implanté a survécu 112 jours en plus. Les raisons de sa mort sont nombreuses : déficience du circuit électrique, régulation du rythme cardiaque faible, volume de la prothèse important, prothèse en partie interne et une partie externe de plus de 40 kg. Par conséquent, les ingénieurs ont cherché une solution aux problèmes cités.
Novacor est une amélioration des cœurs précédents. C’est un système mécanique composé d’un ventricule gauche ayant pour fonction d’assurer la systole et l’éjection et donc une circulation du sang normale. Ce fonctionnement nécessite la présence du cœur naturel. Cette innovation est une forme améliorée de ces prédécesseurs puisque la valise à été remplacée par un port de batterie à la ceinture. Elle a fait ses preuves par son efficacité durant trois ans chez un patient.
De nombreux types de cœur artificiel ont été ensuite inventés amenant chacun des solutions aux problèmes qui deviennent de moins en mois nombreux : le Thoratec qui ne pèse plus que 7kg mais qui s'accompagne d'une valisette, le Novacor qui n'oblige plus le port de celle-ci, l'Abiocor qui est totalement implanté dans le corps du malade mais dont l’absence d’hémocompatibilité avec le corps du patient, sa taille encore trop imposante et sa faible durée de vie le rendent encore assez inconfortable et enfin le cœur Carmat sur lequel porte notre TPE.
Les différents coeurs artificiels
Le coeur Carmat par rapport aux autres greffes: avantages/inconvénients
C'est une révolution médicale!
Le prototype du cœur artificiel Carmat fut conçu en 2008 par le professeur Carpentier aidé principalement par Jean-Luc Lagardere président de groupe MATRA . Il a été implanté sur l’homme pour la première fois en 2012 et industrialisé une année plus tard. Il apporte de nombreux avantages par rapport aux cœurs artificiels précédents.
Malgré ces avancées technologiques, des inconvénients persistent et poussent la continuation actuelle des recherches.
N'oublies pas que sa forme est plus proche de celle du cœur humain permettant une comptabilité anatomique avec plus de 70% d’hommes et de 30% de femmes. Son poids, qui est de 900 grammes, améliore le confort pour le patient.Cette masse n’est pas comparable avec celles des autres cœurs artificiels qui sont beaucoup plus lourds.
Néanmoins cette prothèse pèse toujours trois fois plus qu’un cœur humain adulte. De plus, la durée de vie du cœur Carmat est actuellement inconnue car l’incapacité d’expérimentation sur les animaux, qui ont des cœurs de position et des tailles différentes, empêche les scientifiques d’accéder à cette information. Sa taille et son poids, 900 grammes, sont aussi contraignants car ils sont tout les deux supérieurs à ceux d’un cœur normal, le cœur Carmat n’est pour l’instant compatible que pour 70% des thorax d’hommes et 25% des thorax de femme.
D’une part, le cœur Carmat fonctionne comme un vrai cœur, c'est-à-dire, ses battements s'accélèrent lors d’un effort ou lors d’une émotion forte. D’autre part, on peut relever un autre point positif : il ne nécessite pas de prise de médicaments antirejet trop lourds.
Pourtant, dans le cadre d’une implantation d’un cœur artificiel, il est nécessaire que le patient prenne un traitement anticoagulant. Des risques d’infections sont également présents comme pour n’importe quelle opération mais particulièrement au niveau du micro trou situé au niveau de l’oreille.
Les chercheurs travaillent sur l’élaboration d’un système d’alimentation électrique par un passage d’informations transcutanées. C’est une interaction interne-externe traversant la peau sans ouverture de celle-ci. Il est également autonome, il faut juste changer les piles toutes les 12 heures. En outre, le cœur artificiel peut être produit en masse par l’Homme tandis que les greffons se font plus rares. Enfin, la prothèse n’est pas difficile à installer, il suffit seulement de clipper le cœur Carmat aux lunettes plastiques préalablement fixées aux oreillettes du malade.
Le système électrique du cœur peut encore être amélioré dans le but d’une certaine sûreté. En effet, le décès du patient greffé le 18 décembre 2013, dû à un court circuit, est la preuve d’une anomalie du système. Enfin, le cœur Carmat n’est pas accessible à tous, il coûte 160 mille euros (260 mille euros avec la transplantation) ce qui est une somme importante. De même, le prix de la formation à l’échelle internationale des cardiologues pour pouvoir installer le cœur Carmat sur le malade et suivre celui-ci est conséquent.
Le fonctionnement du cœur artificiel est similaire à celui du cœur naturel. Il reproduit la diastole, à savoir le relâchement du cœur pour que le sang rentre dans les oreillettes, la systole auriculaire, passage du sang dans les ventricules et la systole ventriculaire, qui est l’expulsion du sang dans l’organisme. L’unique changement est que ces trois étapes ne sont pas exécutées en même temps. Lorsque la diastole a lieu dans le côté droit du cœur, la systole ventriculaire a lieu dans le côté gauche.

Afin d’assurer ces trois étapes d’une révolution cardiaque et pour que le cœur soit assez puissant, le muscle est remplacé par deux motopompes en titane entourées d’huile de silicone.
L’huile de silicone est un polymère, c’est-à-dire l’enchaînement d’un motif moléculaire formant une molécule de taille importante. Sa formule est la suivante :
Ce polymère a été utilisé car il n’oxyde pas le titane contrairement à l’eau. De plus l’oxyde de titane (TiO) empêche l’oxydation interne du titane en créant une couche fine et naturelle sur le métal.
Les motopompes ont la capacité de tourner dans deux sens : le sens horaire et le sens antihoraire. D’une part, lorsqu’ils tournent dans le sens des aiguilles d’une montre, l’huile de silicone est propulsée contre la membrane du ventricule gauche, expulsant le sang oxygéné dans l’organisme tandis que le sang enrichi en CO2 entre dans le ventricule droit. D’autre part, lorsque les motopompes tournent dans le sens antihoraire, le sang pauvre en oxygène est expulsé dans la circulation pulmonaire, vers les poumons. Le sang riche en O2 arrive dans le ventricule gauche.

Dans le but de réguler les battements du cœur, selon l’état physique du patient, il y a tout d’abord deux réflecteurs qui sont placés sur les membranes face à des émetteurs-récepteurs ultrasons. Ces derniers envoient des signaux qui seront répercutés sur les récepteurs, afin de connaître l’emplacement de la membrane et de signaler aux motopompes quand changer le sens de circulation.

Dissection d'un coeur de boeuf
LE VRAI COEUR
En 1967 la première greffe d’un cœur humain a été réalisée. Celles-ci ont de nombreux inconvénients. En effet, elles sont généralement rejetées, nécessitent la prise quotidienne de médicaments, leur nombre est insuffisant et elles se détériorent rapidement.
C’est la raison pour laquelle des médecins et des scientifiques ont voulu créer une « machine » capable de reproduire le travail du cœur.
Thoratec, le premier cœur artificiel créé, est composé de prothèses en matière organique, à savoir en polyuréthane, permettant le remplacement d’un ou deux ventricules. Le ventricule est séparé du compartiment pneumatique en caoutchouc grâce à deux valves mécaniques et un diaphragme également fait de polyuréthane.
Le point fort de ce cœur artificiel est sa résistance au temps, permise par la présence d’huile de silicone, qui face aux frottements, lubrifie les surfaces entre le diaphragme et le ventricule. Ce système portable, pesant 7kg, permet une liberté limitée au patient puisqu'il n’est pas entièrement implanté dans l’organisme, ce qui peut entrainer des infections et nécessite le transport d’une valise de 40kg.
Comment le cœur Carmat reproduit-il les battements d’un vrai cœur humain ?
Le cœur artificiel est fabriqué avec des matériaux biologiques hémocompatibles lorsqu’il est en contact avec le sang pour qu’il n’y ait aucune coagulation possible. En effet, lorsqu’il y a un corps étranger, le sang le détecte puis le rejette en coagulant, ce qui empêche la circulation du sang dans le corps et devient dangereux pour le cerveau.
En outre, lorsqu’il n’est pas irrigué, certaines parties se détériorent provoquant des dysfonctionnements de l’organisme. Les autres matériaux constituant la prothèse sont fabriqués avec des matériaux biocompatibles et synthétiques.


Pour commencer, le péricarde de veau est utilisé pour tapisser les côtés des membranes mobiles ainsi que pour remplacer les quatre valves du cœur. Elles permettent au sang de circuler dans un sens unique. Le péricarde subit un traitement de glutaraldéhyde qui est un désinfectant, permet la stérilisation et est une mesure supplémentaire pour éviter le rejet. Sa formule est C5H8O2.
La stérilisation se produit grâce à une oxydo-réduction. Un oxydant est une espèce chimique (atome, ion ou molécule) susceptible de capter au moins un électron. A l’inverse, un réducteur est une espèce chimique capable de céder au moins un électron. Une oxydation désigne la perte d’électrons, la réduction le gain d’électrons. Une réaction d’oxydo-réduction est une réaction qui met en jeu un transfert d’électrons entre ses réactifs. Le transfert d’électrons s’effectue du réducteur, nommé Red1, d’un couple Ox1/Red1 à l’oxydant d’un autre couple Ox2/ Red2. Le réducteur est oxydé et devient l’oxydant conjugué tandis que l’oxydant est réduit et devient le réducteur conjugué. On a l’équation d’oxydo-réduction suivante :
a Red1+ b Ox2 -------> c Ox1 + d Red2
Cette transformation respecte les lois de conservation de la charge éléctrique et des éléments chimiques. Pour la calculer il faut trouver les deux demi-équations puis les calculer. Après les avoir réduite on a l’équation d’oxydo-réduction.

Dans notre cas, nous avons une oxydo-réduction qui transforme un groupe aldéhyde en groupe alcool primaire. Ce dernier est réducteur tandis que l’autre est oxydant :
groupe aldéhyde
Or notre molécule présente le groupe aldéhyde, elle est donc l’oxydant. On a :
Pourquoi n’est-t ’il pas rejeté par le corps du patient ?
La forme du cœur artificiel a également été pensée pour lutter contre le rejet. En effet les chercheurs ont attribué une forme ovoïde aux ventricules dans le but d’éviter la stagnation du sang à côté des valves et par conséquent la formation de caillots sanguins. Afin d’assurer un bon fonctionnement du cœur artificiel, le cœur a été placé dans un sac externe souple contenant le liquide d’actionnement, c’est-à-dire l’huile de silicone.
Quels sont les autres matériaux utilisés ?
Le reste de la prothèse est fabriqué avec des matériaux biocompatibles (qui ne se dégradent pas dans le corps) ou synthétiques (crées par l’homme à partir de matériaux naturels).
En effet, la paroi fixe séparant les deux ventricules n’est pas du péricarde mais un matériau polymère nommé téflon. C’est une micropeuse, composée de très petits pores, recouverte par les cellules du sang. Il possède de nombreux avantages car il est thermostable, antiadhésif et possède une grande inertie chimique, c’est-à-dire il ne se transforme pas en présence d’une autre substance.

D’autres matériaux composent la prothèse Carmat, à l’instar du Dacron (également nommé Polytéréphalate) qui est aussi un polymère de formule C10H8O4.
Le Dacron est du plastique de polyester, un film résistant et transparent, qui sert d’artère, avec un gros diamètre, dans le cœur artificiel, comme l’artère aorte dans un cœur naturel. Pour cela, il est recouvert de cellules endothéliales humaines afin de ne pas être en contact avec le sang et éviter la coagulation. Ces cellules tapissent la paroi interne des vaisseaux sanguins, elles sont une protection entre le sang et le vaisseau afin de préserver ce dernier. Pour cela elles libèrent des substances chimiques.
De même, le polyéthercétone, également appelé PEEK, est un polymère utilisé dans le cœur artificiel puisqu’il est solide, a une résistance thermique; il est également thermostable, et chimique, en effet il ne peut être dissoud.
Ce polymère est semi-cristallin, c’est-à-dire il présente des zones cristallines à savoir un enchaînement régulier d’atomes et des zones amorphes, c'est un enchaînement d’atomes désordonnés. Le coût de ce polymère est très élevé ce qui explique le prix du cœur artificiel Carmat.

Enfin, le dernier matériel utilisé est le titane, de formule Ti, comme nous l’avons vu précédemment avec les motopompes. Il a été utilisé pour le cœur Carmat car il est résistant, léger et ne peut subir ni corrosion, ni oxydation.

Nous remercions les professeurs Madame Vermersch, Madame Bruyère Monsieur Mametz, Monsieur Dussart pour leur soutien et leurs conseils instructifs.


Nous tenons aussi à remercier Madame Remy et Madame Crahay qui nous ont guidées dans nos recherches en nous proposant de nombreux documents.

Nous remercions également le préparateur Monsieur Tristram sans qui nous n’aurions pu faire notre dissection du cœur de bœuf.
Le cœur artificiel est greffé comme un vrai cœur. Deux chirurgiens scient le cœur défaillant sous les oreillettes naturelles, le cœur Carmat n’a que deux ventricules contrairement au cœur humain qui en a quatre. Ensuite, ils cousent des lunettes plastiques de support sous les oreillettes complémentaires au cœur artificiel. Puis ils emboîtent le cœur artificiel aux lunettes plastiques.


Le fonctionnement du cœur artificiel n’est pas envisageable sans l’installation d’un dispositif externe permettant l’alimentation de la prothèse. Ce dernier permet au patient de toujours être connecté avec l’hôpital. Le schéma sur l'écran peut illustrer ce fait.
Ainsi, votre médecin est tenu au courant en cas de problème.
De plus le cœur a trois capteurs de pression et un accéléromètre, appareil de mesure qui permet l’enregistrement des accélérations des mouvements du cœur sous forme de graphique.

Un microprocesseur intégré dans la prothèse va permettre le contrôle des motopompes, pour ajuster le débit ventilatoire (volume d’air renouvelé dans les poumons par minute), selon les données de chaque capteur grâce à un algorithme. En effet, lors d’un effort, la pression dans l’oreillette droite augmente. Le microprocesseur ajuste donc le débit sanguin ce qui augmente la production d’oxygène.

La fréquence cardiaque et le débit sont aussi adaptés aux influences nerveuses et hormonales, par exemple l’amour, la peur, comme le cœur naturel.
Afin de reproduire de manière efficace le cœur naturel, les scientifiques ont du respecter plusieurs critères. L’autonomie du cœur artificiel était le critère le plus important. Pour ce faire, la prothèse est reliée à une ceinture portant des piles à combustible. La société Carmat a développé des piles spécifiques qui ont pour qualité principale le stockage et le réapprovisionnement facile en hydrogène. L’image sur l'écran montre la position de la prothèse et explique comment celle-ci reçoit de l’énergie en quantité suffisante pour fonctionner.
On constate qu’un microtrou est présent dans le crâne dans le but de faire passer des fils. Un fil est utilisé pour l’alimentation électrique tandis que l’autre permet d’exprimer les données sur le fonctionnement de la prothèse. Ces fils sont reliés aux deux batteries, à la prothèse, et à l’ordinateur. Celui-ci envoie des données à l’hôpital en cas de problème avec le patient.
Cela nous a amené à nous poser la question suivante : dans quelle mesure le cœur artificiel peut-il remplacer un cœur malade ? Dans un premier lieu, nous nous intéresserons, après un rappel anatomique et physiologique, à l’origine et l’évolution des greffes. Puis dans une seconde partie, nous nous demanderons en quoi le cœur artificiel est-il plus efficace que les anciennes greffes. Enfin, nous verrons comment le fonctionnement du cœur artificiel est semblable à celui du vrai cœur.
Enfin nous remercions Madame
Abba, cardiologue, qui nous a corrigé et aidé.
Bibliographie
-http://jtg-tpe.e-monsite.com/pages/coeur-artificiel/composants-de-la-prothese-cardiaque.html

-http://tpe2010coeurartificiel.e-monsite.com/pages/le-coeur-artificiel/structure-de-la-prothese.html

-http://greffedecoeur.e-monsite.com/pages/sommaire/2eme-partie.html

-http://www.livingwithph.ca/french/fr_science_10.htm

-http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-coeur-artificiel-6209/

-http://www.carmatsa.com/fr/coeur-carmat/linsufisance-cardiaque/defis-technologiques

-http://www.carmatsa.com/fr/coeur-carmat/fonctionnement-physiologique/exigences

-http://www.lejdd.fr/Societe/Sante/Pr-Alain-Carpentier-Le-coeur-s-est-arrete-brusquement-657153

-Le Monde (21433) 22/12/2013

-Dossier pour la Science n°40 (09/2003)

-Sciences et Vie Junior n°256 (01/2011)

-Dossiers de l'Actualité n°162 (02/2014)

-Le Coeur, Dossier Doc 616.1

-Le Monde 21514 (20/03/2014)

-La Voix du Nord (03/03/2014)

-Encyclopédie Universalis
En définitive, la création du cœur artificiel résulte des nombreuses maladies cardiaques existantes qui ont engendré une nécessité de remplacer le cœur naturel. Depuis des années, le cœur artificiel ne cesse de s’améliorer afin de ressembler le plus possible au vrai cœur. En effet, de nos jours, le cœur Carmat est capable de reproduire les battements du cœur, de s’adapter à l’organisme en fonction des activités pratiquées ainsi qu’aux sentiments du patient. Néanmoins quelques incommodités, que les scientifiques cherchent à remédier, demeurent tel que le changement de piles, les traitements à prendre et la durée de vie de la prothèse.
Malgré ces désagréments, le cœur artificiel est une innovation qui a bouleversé le monde de la médecine grâce aux prouesses effectuées. La prothèse a été récemment implantée en octobre 2014 sur un malade. Les résultats sont conciliants car le patient est encore en vie. C’est pourquoi, des recherches sont menées afin de créer un pancréas et un foie artificiels. Certes, ces avancées sont spectaculaires, mais elles sont à l’ origine de certains débats comme le montre l’article du JDD paru le 28 décembre 2014. Cet article présente le point de vue du Dr Axel KAHN, qui craint la transformation complète d’un homme en machine. Des questions se posent également sur la vie éternelle, car si ces progrès se poursuivent, nous pourrions devenir immortels.
LE FONCTIONNEMENT DU COEUR CARMAT
-L’actualité des sciences : La Recherche n°411

-Sciences et avenir n°778 : Un vrai faux cœur prêt à battre

-L’actualité des sciences : La Racherche n°459 : Comment imiter le cœur humain/Réparer un cœur

-Découverte n°384 :Pour attendre un cœur

-Ouest France 24-25 décembre 2013 : Cœur artificiel : Les Chirurgiens
restent prudents

-Marieb , cœur artificiel (Livre d’anatomie et physiologie)

-Larousse médical

-Larousse Grand Atlas du corps humain
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