Pour beaucoup d’entre nous, l’acte de respirer vient naturellement. Dans les coulisses, notre diaphragme, le muscle en forme de dôme juste en dessous de la cage thoracique, fonctionne comme un tremplin lent et régulier, poussant vers le bas pour créer un vide permettant aux poumons de se dilater et d’aspirer de l’air, puis de se détendre à mesure que l’air est exclu. . De cette façon, le diaphragme contrôle automatiquement notre capacité pulmonaire et est le principal muscle responsable de notre capacité à respirer.

Mais lorsque la fonction du diaphragme est compromise, l’instinct respiratoire devient une corvée. Un dysfonctionnement chronique du diaphragme peut survenir chez les personnes atteintes de SLA, de dystrophie musculaire et d’autres maladies neuromusculaires, ainsi que chez les patients atteints de paralysie et de lésions du nerf phrénique, ce qui stimule la contraction du diaphragme.

Une nouvelle conception de preuve de concept par les ingénieurs du MIT vise à stimuler un jour la fonction de maintien de la vie du diaphragme et à améliorer la capacité pulmonaire des personnes atteintes d’un dysfonctionnement du diaphragme.

L’équipe du MIT a développé un ventilateur doux, robotique et implantable conçu pour augmenter les contractions naturelles du diaphragme. Au cœur du système se trouvent deux tubes souples en forme de ballon qui peuvent être implantés pour s’adapter sur le diaphragme. Lorsqu’ils sont gonflés avec une pompe externe, les tubes agissent comme des muscles artificiels pour appuyer sur le diaphragme et aider les poumons à se dilater. Les tubes peuvent être gonflés à une vitesse qui correspond au rythme naturel du diaphragme.

Les chercheurs ont fait la démonstration du ventilateur implantable dans des modèles animaux et ont montré qu’en cas de fonctionnement compromis du diaphragme, le système pouvait considérablement améliorer la quantité d’air pouvant être aspirée dans les poumons.

Il reste encore beaucoup de travail à faire avant qu’un tel système implantable puisse être utilisé pour traiter les humains souffrant d’un dysfonctionnement chronique du diaphragme. Mais les résultats préliminaires ouvrent une nouvelle voie dans la technologie de la respiration assistée que les chercheurs sont impatients d’optimiser.

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« Il s’agit d’une preuve de concept pour une nouvelle façon de ventiler », déclare Ellen Roche, professeure agrégée de génie mécanique et membre de l’Institute for Medical Engineering and Sciences du MIT. «La biomécanique de cette conception est plus proche de la respiration normale, par rapport aux ventilateurs qui poussent l’air dans vos poumons, où vous avez un masque ou une trachéotomie. Il y a un long chemin à parcourir avant que cela ne soit implanté dans un être humain. Mais c’est excitant que nous puissions montrer que nous pouvons augmenter la ventilation avec quelque chose d’implantable. »

Roche et ses collègues ont ont publié leurs résultats aujourd’hui dans Nature Génie biomédical. Ses co-auteurs au MIT incluent la première auteure et ancienne étudiante diplômée Lucy Hu, ainsi que Manisha Singh et Diego Quevedo Moreno ; avec Jean Bonnemain de l’hôpital universitaire de Lausanne en Suisse, et Mossab Saeed et Nikolay Vasilyev de l’hôpital pour enfants de Boston.

une légère pression

La conception du ventilateur implantable de l’équipe est née des travaux antérieurs de Roche sur un dispositif d’assistance cardiaque. En tant qu’étudiant diplômé à l’Université de Harvard, Roche a développé un manchon cardiaque conçu pour s’enrouler autour du cœur pour soulager la pression et fournir un soutien pendant que l’organe pompe.

Maintenant au MIT, elle et son groupe de recherche ont découvert qu’une assistance robotique douce similaire pouvait être appliquée à d’autres tissus et muscles.

« Nous avons pensé, quel est un autre gros muscle qui pompe de manière cyclique et maintient la vie ? Le diaphragme », explique Roche.

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L’équipe a commencé à explorer les conceptions d’un ventilateur implantable bien avant le début de la pandémie de Covid-19, lorsque l’utilisation des ventilateurs conventionnels a grimpé en flèche avec les cas. Ces ventilateurs créent une pression positive, dans laquelle l’air est poussé vers le bas à travers les voies respiratoires centrales du patient et forcé dans les poumons.

Le diaphragme, au contraire, crée une pression négative. Lorsque le muscle se contracte et pousse vers le bas, il crée une pression négative qui aspire l’air dans les poumons, semblable à tirer la poignée d’une pompe à vélo pour aspirer l’air.

L’équipe Roche a cherché à concevoir un ventilateur à pression négative, un système qui pourrait aider à augmenter la fonction naturelle du diaphragme, en particulier pour les personnes souffrant d’un dysfonctionnement respiratoire à long terme.

«Nous pensions vraiment aux personnes atteintes de maladies chroniques qui ont ces maladies dégénératives qui s’aggravent progressivement», dit-il.

« Le travail de la respiration »

Le nouveau système rapporté dans l’article se compose de deux longs tubes gonflables souples qui ressemblent à un type de dispositif pneumatique connu sous le nom d’actionneurs McKibben. L’équipe a adapté les tubes de manière à ce qu’ils traversent le diaphragme (d’avant en arrière) et soient attachés à la cage thoracique de chaque côté du muscle en forme de dôme. Une extrémité de chaque tube se connecte à une fine conduite d’air externe, qui se connecte à une petite pompe et à un système de contrôle.

En analysant les contractions du diaphragme, l’équipe peut programmer la pompe pour gonfler les tubes à un rythme similaire.

« Nous avons réalisé que nous n’avions pas besoin d’imiter exactement le mouvement du diaphragme, nous devions simplement lui donner une pression supplémentaire lorsqu’il se contracte naturellement », explique Roche.

Les chercheurs ont testé le système sur des porcs anesthésiés, ont implanté les tubes sur le diaphragme des animaux et ont attaché chirurgicalement les extrémités des tubes aux côtes à chaque extrémité du muscle. Ils ont surveillé les niveaux d’oxygène des animaux et observé le fonctionnement de leur diaphragme à l’aide d’une imagerie par ultrasons.

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L’équipe a découvert que, dans l’ensemble, le ventilateur implantable augmentait le volume courant des porcs, ou la quantité d’air que les poumons pouvaient aspirer à chaque respiration. L’amélioration la plus significative a été observée dans les cas où les contractions du diaphragme et des muscles artificiels étaient synchronisées. Dans ces cas, le ventilateur a aidé le diaphragme à aspirer trois fois la quantité d’air qu’il aurait sans assistance.

« Nous étions ravis de voir que nous pouvions obtenir de tels changements dans le volume courant et que nous pouvions sauver la ventilation », explique Roche.

L’équipe travaille à l’optimisation de divers aspects du système, avec l’objectif de l’implanter un jour chez des patients souffrant de dysfonction diaphragmatique chronique.

« La vision est que nous savons que certaines parties de ce système pourraient être miniaturisées », explique Roche. « La pompe et le système de contrôle pourraient être portés sur une ceinture ou un sac à dos, ou même potentiellement entièrement implantés. Il existe des pompes cardiaques implantables, donc nous savons que c’est faisable. Pour l’instant, nous en apprenons beaucoup sur la biomécanique et le travail respiratoire, et comment nous pouvons augmenter tout cela avec cette nouvelle approche.

Cette recherche a été financée en partie par les IRSC, la Muscular Dystrophy Association, les National Institutes of Health, la Fondation SICPA et le Fonds d’amélioration du CHU de Lausanne, la bourse SMA2 Brown et la Fondation nationale de la science.