Le plus petit stimulateur cardiaque du monde est activé par la lumière

Amanda Morris

Des ingénieurs aux USA ont mis au point un stimulateur cardiaque si petit qu’il peut tenir dans la pointe d’une seringue et être injecté dans le corps de manière non invasive. Bien qu’il puisse fonctionner avec des cœurs de toutes tailles, ce stimulateur est particulièrement adapté aux cœurs minuscules et fragiles des nouveau-nés souffrant de malformations cardiaques congénitales.

Plus petit qu’un grain de riz, le stimulateur cardiaque est associé à un petit dispositif portable, souple, flexible et sans fil, qui se fixe sur la poitrine du patient pour contrôler la stimulation. Lorsque le dispositif portable détecte un rythme cardiaque irrégulier, il émet automatiquement une impulsion lumineuse pour activer le stimulateur cardiaque. Ces courtes impulsions, qui pénètrent à travers la peau, le sternum et les muscles du patient, contrôlent la stimulation.

Conçu pour les patients qui n’ont besoin que d’une stimulation temporaire, le stimulateur cardiaque se dissout simplement lorsqu’il n’est plus nécessaire. Tous les composants du stimulateur sont biocompatibles et se dissolvent donc naturellement dans les fluides biologiques de l’organisme, évitant ainsi une extraction chirurgicale.

L’étude, publiée dans la revue Nature, démontre l’efficacité du dispositif sur une série de petits et grands modèles animaux ainsi que sur des cœurs humains provenant de donneurs d’organes décédés.

« Nous avons mis au point ce qui est, à notre connaissance, le plus petit stimulateur cardiaque du monde », a dit John A. Rogers, pionnier de la bioélectronique à Northwestern, qui a dirigé le développement de l’appareil. « Il existe un besoin crucial de stimulateurs cardiaques temporaires dans le contexte des chirurgies cardiaques pédiatriques, et il s’agit d’un cas d’utilisation où la miniaturisation de la taille est incroyablement importante. En termes de charge du dispositif sur le corps, plus il est petit, mieux c’est ».

« Notre principale motivation était les enfants », a indiqué Igor Efimov, cardiologue expérimental à Northwestern, qui a codirigé l’étude. « Environ 1 % des enfants naissent avec des malformations cardiaques congénitales, qu’ils vivent dans un pays à faibles ou à fortes ressources. La bonne nouvelle, c’est que ces enfants n’ont besoin que d’une stimulation temporaire après une intervention chirurgicale. Au bout de sept jours environ, le cœur de la plupart des patients se rétablit de lui-même. Mais ces sept jours sont absolument cruciaux. Aujourd’hui, nous pouvons placer ce minuscule stimulateur cardiaque sur le cœur de l’enfant et le stimuler à l’aide d’un dispositif doux et agréable à porter. Aucune intervention chirurgicale supplémentaire n’est nécessaire pour le retirer ».

Répondre à un besoin clinique non satisfait

Ces travaux s’appuient sur une précédente collaboration entre Rogers et Efimov, dans le cadre de laquelle ils ont mis au point le premier dispositif dissoluble de stimulation temporaire. De nombreux patients ont besoin d’un stimulateur cardiaque temporaire après une opération cardiaque, soit dans l’attente d’un stimulateur permanent, soit pour aider à rétablir un rythme cardiaque normal pendant la convalescence.

Dans le cadre de la norme de soins actuelle, les chirurgiens cousent les électrodes sur le muscle cardiaque pendant l’opération. Les fils des électrodes sortent à l’avant de la poitrine du patient, où ils sont connectés à un boîtier de stimulation externe qui délivre un courant pour contrôler le rythme cardiaque.

Lorsque le stimulateur cardiaque temporaire n’est plus nécessaire, les médecins retirent les électrodes du stimulateur. Les complications potentielles comprennent l’infection, le délogement, les tissus déchirés ou endommagés, les saignements et les caillots sanguins.

« Les fils sortent littéralement du corps et sont reliés à un stimulateur cardiaque situé à l’extérieur du corps », explique M. Efimov. « Lorsque le stimulateur cardiaque n’est plus nécessaire, le médecin le retire. Les fils peuvent être enveloppés dans du tissu cicatriciel. Ainsi, lorsque les fils sont retirés, cela peut potentiellement endommager le muscle cardiaque. C’est ainsi que Neil Armstrong est mort. Il avait un stimulateur cardiaque temporaire après un pontage. Lorsque les fils ont été retirés, il a été victime d’une hémorragie interne ».

Pour répondre à ce besoin clinique, Rogers, Efimov et leurs équipes ont mis au point leur stimulateur cardiaque dissoluble, qui a été présenté dans Nature Biotechnology en 2021. Ce dispositif fin, flexible et léger élimine le besoin de piles encombrantes et de matériel rigide, y compris les fils. Le laboratoire de M. Rogers avait déjà inventé le concept de médecine électronique biorésorbable, c’est-à-dire des appareils électroniques qui apportent un bénéfice thérapeutique au patient et se dissolvent ensuite de manière inoffensive dans l’organisme, comme des sutures absorbables. En variant la composition et l’épaisseur des matériaux de ces dispositifs, l’équipe de Rogers peut contrôler le nombre précis de jours pendant lesquels ils restent fonctionnels avant de se dissoudre.
Batterie alimentée par le fluide corporel

Bien que le stimulateur cardiaque dissoluble original de la taille d’un quart ait bien fonctionné dans les études précliniques sur les animaux, les chirurgiens cardiaques ont demandé s’il était possible de rendre le dispositif plus petit. Il serait alors mieux adapté à une implantation non invasive et à une utilisation chez les patients les plus petits. Mais le dispositif était alimenté par des protocoles de communication en champ proche – la même technologie que celle utilisée dans les smartphones pour les paiements électroniques et dans les étiquettes RFID – qui nécessitaient une antenne intégrée.

« Notre stimulateur cardiaque d’origine fonctionnait bien », a ajouté M. Rogers. « Il était fin, flexible et entièrement résorbable. Mais la taille de son antenne réceptrice limitait notre capacité à le miniaturiser. Au lieu d’utiliser la radiofréquence pour la commande sans fil, nous avons mis au point un système basé sur la lumière pour allumer le stimulateur et délivrer des impulsions de stimulation à la surface du cœur. C’est l’une des caractéristiques qui nous a permis de réduire considérablement la taille de l’appareil ».

Pour réduire encore la taille de l’appareil, les chercheurs ont également repensé sa source d’énergie. Au lieu d’utiliser la communication en champ proche pour l’alimenter, le nouveau stimulateur cardiaque minuscule fonctionne grâce à l’action d’une cellule galvanique, un type de batterie simple qui transforme l’énergie chimique en énergie électrique. Plus précisément, le stimulateur cardiaque utilise deux métaux différents comme électrodes pour délivrer des impulsions électriques au cœur. Au contact des biofluides environnants, les électrodes forment une batterie. Les réactions chimiques qui en résultent font circuler le courant électrique pour stimuler le cœur.

« Lorsque le stimulateur cardiaque est implanté dans le corps, les biofluides environnants agissent comme l’électrolyte conducteur qui relie électriquement ces deux électrodes métalliques pour former la batterie », précise M. Rogers. Un minuscule interrupteur activé par la lumière, situé du côté opposé à la batterie, nous permet de faire passer le dispositif de l’état « éteint » à l’état « allumé » grâce à la lumière qui traverse le corps du patient à partir du patch monté sur la peau.
Des impulsions lumineuses

L’équipe a utilisé une longueur d’onde de lumière infrarouge qui pénètre profondément et en toute sécurité dans le corps. Si le rythme cardiaque du patient tombe en dessous d’un certain seuil, le dispositif portable détecte l’événement et active automatiquement une diode électroluminescente. La lumière s’allume et s’éteint alors à un rythme qui correspond au rythme cardiaque normal.

« La lumière infrarouge pénètre très bien dans le corps », affirme M. Efimov. « Si vous placez une lampe de poche contre votre paume, vous verrez la lumière briller de l’autre côté de votre main. Il s’avère que notre corps est un excellent conducteur de lumière ».

Même si le stimulateur cardiaque est minuscule – il ne mesure que 1,8 millimètre de largeur, 3,5 millimètres de longueur et 1 millimètre d’épaisseur – il délivre autant de stimulation qu’un stimulateur cardiaque de taille normale.

« Le cœur a besoin d’une quantité infime de stimulation électrique », dit M. Rogers. « En réduisant la taille, nous simplifions considérablement les procédures d’implantation, nous réduisons les traumatismes et les risques pour le patient et, grâce à la nature dissoluble du dispositif, nous éliminons tout besoin de procédures d’extraction chirurgicale secondaires. »

Une synchronisation plus sophistiquée

Les dispositifs étant minuscules, les médecins pourraient en répartir plusieurs sur le cœur. Une couleur de lumière difficile pourrait s’allumer pour contrôler indépendamment un stimulateur spécifique. L’utilisation de plusieurs stimulateurs cardiaques de cette manière permet une synchronisation plus sophistiquée par rapport à la stimulation traditionnelle. Dans des cas particuliers, différentes zones du cœur peuvent être stimulées à des rythmes différents, par exemple pour mettre fin à des arythmies.

« Nous pouvons déployer un certain nombre de ces petits stimulateurs cardiaques à l’extérieur du cœur et contrôler chacun d’entre eux », a indiqué M. Efimov. « Nous pourrions ainsi améliorer la synchronisation des soins fonctionnels. Nous pourrions également incorporer nos stimulateurs cardiaques dans d’autres dispositifs médicaux tels que les remplacements de valves cardiaques, qui peuvent provoquer des blocages cardiaques. »

« Grâce à sa petite taille, ce stimulateur peut être intégré à presque n’importe quel type de dispositif implantable », a conclu M. Rogers. « Nous avons également démontré l’intégration de collections de ces dispositifs à travers les cadres qui servent de remplacements transcathéter de la valve aortique. Ici, les minuscules stimulateurs cardiaques peuvent être activés si nécessaire pour traiter les complications qui peuvent survenir au cours du processus de rétablissement du patient. Ce n’est qu’un exemple de la manière dont nous pouvons améliorer les implants traditionnels en fournissant une stimulation plus fonctionnelle ».

La polyvalence de la technologie ouvre un large éventail d’autres possibilités d’utilisation dans les médicaments bioélectroniques, notamment pour aider les nerfs et les os à guérir, traiter les plaies et bloquer la douleur.

Légende illustration : Un stimulateur cardiaque à côté d’un grain de riz sur le bout d’un doigt. Crédit NW

Article : « Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy » – DOI : s41586-025-08726-4

Source : Northwestern