Malgré tous ses pouvoirs mystiques, le cœur est une chose assez simple. C'est une pompe — du sang, du sang. Et cela n'a pas rendu la tâche si difficile à copier.
Mais les poumons sont une autre affaire. Personne ne vous conseillera jamais de «suivre vos poumons» ou de déplorer un «poumon cassé», ce qui est une honte. Parce que c'est un organe compliqué.
William Federspiel, chercheur en bioingénierie et professeur à l’Université de Pittsburgh, comprend bien peu de personnes. Depuis environ 20 ans, il travaille à la conception d'un poumon artificiel. Cela a été un défi, concède-t-il.
«La technologie pour les patients souffrant d'insuffisance pulmonaire est loin derrière celle pour les personnes souffrant d'insuffisance cardiaque», dit-il. «Cela se résume à un fait assez simple: il est assez facile de concevoir une petite pompe capable de pomper le sang au même débit que le cœur.
«Mais le poumon n'est qu'un organe incroyable pour l'échange de gaz entre l'atmosphère et le sang qui circule dans vos poumons. Aucune technologie n'a jamais été capable de se rapprocher de ce que le poumon humain peut faire. "
Poumon dans un sac à dos
Cela dit, Federspiel et son équipe de recherche se rapprochent. Ils ont déjà inventé un dispositif appelé système d'assistance respiratoire (RAS) Hemolung qui effectue ce que l'on appelle une «dialyse respiratoire», en éliminant le dioxyde de carbone du sang d'un patient. Il est produit par une start-up de Pittsburgh, ALung Technologies, fondée par Federspiel et pourrait faire l'objet d'essais cliniques aux États-Unis à la fin de l'année ou au début de 2018. Son utilisation a déjà été approuvée en Europe, au Canada et en Australie.
Maintenant, ils vont de l'avant avec un appareil beaucoup plus petit, pour lequel ils ont demandé un brevet, seul celui-ci est conçu pour augmenter les niveaux d'oxygène dans le sang d'une personne. En outre, plus tôt cette année, les chercheurs ont reçu une subvention de 2, 35 millions de dollars des National Institutes of Health (NIH) afin de développer une version de leur poumon artificiel pour enfants.
En termes simples, les dernières recherches de Federspiel portent sur le raffinage d’un poumon mécanique fonctionnant à l’extérieur du corps, mais suffisamment petit pour être transporté à l’intérieur d’un sac à dos ou d’un étui. Il serait relié à la veine cave du patient - une grande veine transportant du sang dans le cœur - par une canule ou un tube inséré dans la veine jugulaire de la gorge. Il ou elle aurait toujours besoin de respirer de l'oxygène d'un réservoir portable.
Ceci, note Federspiel, permettrait à la personne d’être plus mobile à l’hôpital au lieu d’être confinée à un lit. C'est essentiel, car si les patients ne peuvent pas se déplacer, leurs muscles s'affaiblissent et leurs chances de guérir d'une infection pulmonaire grave diminuent. Le dispositif est considéré comme particulièrement bénéfique pour les patients en attente d'une greffe du poumon, tels que les personnes atteintes de fibrose kystique.
«Nous n’avons pas l’intention actuelle de pouvoir quitter l’hôpital avec l’un de ces systèmes», dit-il, «mais au moins à l’hôpital, ils pourraient se lever et marcher.»
La malédiction des caillots
Il y a eu d'autres percées récentes dans la recréation de poumons humains. L'année dernière, des scientifiques du laboratoire national Los Alamos, au Nouveau-Mexique, ont annoncé la création d'un dispositif miniature composé de polymères qui fonctionne comme un poumon et qui est conçu pour imiter la réponse de l'organe à des médicaments, des toxines et d'autres éléments environnementaux à des fins de test.
En République tchèque, des scientifiques de l'université de technologie de Brno ont annoncé avoir développé une version d'un poumon imprimée en 3D, capable de simuler des affections telles que l'asthme et d'autres problèmes pulmonaires chroniques, et permettant aux médecins de mieux préciser traiter les affections pulmonaires.
Ces deux projets ont toutefois pour objectif d'aider les chercheurs à mieux connaître les conditions et les traitements, alors que les recherches de Federspiel, ainsi que des travaux similaires en cours à Pittsburgh, à l'Université Carnegie Mellon, visent davantage à aider les patients à améliorer leur pronostic à long terme. .
Le nouvel appareil, conçu pour augmenter le taux d'oxygène dans le sang, doit supporter un flux sanguin plus important que l'appareil réduisant le dioxyde de carbone. Ainsi, comme le souligne Federspiel, le défi consiste à gérer ce qui arrive souvent au sang lorsqu'il coule sur une surface artificielle: il coagule.
Tout cela a à voir avec l'échange de gaz sophistiqué qui est essentiel à la fonction pulmonaire et à la manière dont il est imité dans l'appareil. «L'unité d'échange de gaz [dans l'appareil] est composée d'un grand nombre de tubes en polymère qui font environ deux fois l'épaisseur d'un cheveu humain», explique-t-il. «Ils sont perméables au gaz, donc quand le sang coule à l'extérieur de ces tubes, nous faisons passer 100% d'oxygène à l'intérieur des tubes. L'oxygène pénètre dans le sang par diffusion et le dioxyde de carbone sort du sang dans le flux de gaz traversant l'appareil. "
Le problème est que le sang qui passe entre en contact avec une surface artificielle relativement grande, ce qui augmente le risque de formation de caillots. C’est une des principales raisons pour lesquelles il n’est pas réaliste à ce stade d’envisager d’implanter de tels dispositifs pulmonaires dans le corps d’un patient. Ils devront probablement être remplacés tous les quelques mois.
Federspiel a déclaré que son équipe avait récemment pu tester le nouvel appareil sur des moutons pendant cinq jours sans aucun problème. Les moutons sont utilisés parce que leurs systèmes cardiovasculaires sont similaires à ceux des humains. Mais lui et son équipe travaillent également avec une entreprise pour développer des revêtements spéciaux qui, espèrent-ils, réduiront considérablement la coagulation. Cela permettrait également aux médecins de réduire considérablement le niveau de médicaments anticoagulants que les patients devraient prendre.
La prochaine étape, dit-il, est un essai sur animaux de 30 jours qui permettrait de comparer les résultats des dispositifs avec et sans revêtement. Il estime que les essais cliniques sur l'homme pourraient encore durer quatre ou cinq ans.
Mais Federspiel n’a pas été dissuadé par le rythme délibéré de la création d’un dispositif qui fonctionne aussi bien que le poumon humain. Il sait très bien à quel point cela peut être exigeant.
«Un poumon artificiel doit toujours fonctionner comme le poumon humain», dit-il. "Quand je donne des conférences à ce sujet, la première chose que je dis est que le poumon est un organe incroyable."
