Développement d’un système magnétique d’assistance à la coaptation valvulaire cardiaque : étude de faisabilité

Experimental use of magnets in cardiac valve repair

• Auteur / Autrice : Mojgan Laali
• Direction : Bertrand Nogarède
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 14/11/2011
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Nogarède, Guy Friedrich, Alain Pavie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Friedrich, Alain Pavie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Valvulopathies

Mots clés libres

Aimants

Plastie valvulaire

Insuffisance valvulaire

Magnets

Valve repair

Valvular insufficiency

Résumé

Les valvulopathies cardiaques sont des maladies cardiaques fréquentes. Certaines se traduisent par un manque de coaptation des valves, on désigne ce type de pathologie sous le terme d’insuffisance. Le traitement standard de ces valvulopathies consiste à remplacer les valves malades par des valves prothétiques. L'absence de substitut valvulaire idéal et les inconvénients inhérents au matériel prothétique et à la nécessité d’un traitement anticoagulant, incitent à favoriser, chaque fois que cela est possible, les techniques de chirurgie conservatrice des valves. Actuellement, la réparation de la valve aortique demeure un défi chirurgical. En revanche en ce qui concerne la valve mitrale une réparation est plus souvent réalisable. Cependant, la faisabilité et le résultat final, dépends du mécanisme de la fuite, de l’extension des lésions ainsi que de la technique de réparation chirurgicale utilisée. C’est pour tenter de surmonter tous ces obstacles qu’est né le projet d’étude des forces magnétiques d’aimants permanents comme traitement complémentaire à une plastie ou comme traitement exclusif, pour rétablir une coaptation valvulaire efficace. Pour concrétiser cette idée, nous avons réalisé notre recherche en trois étapes essentielles : 1- La conception d’un système magnétique d’aide à la coaptation. 2- Une étude de faisabilité portant sur la vérification du fonctionnement des aimants in vitro et in vivo. 3- La vérification de l’efficacité de la force magnétique pour atteindre la coaptation nécessaire pour corriger l’insuffisance valvulaire. Cette recherche a été réalisée en étroite collaboration entre le service de Chirurgie Thoracique et Cardio-vasculaire du groupe hospitalier Pitié-Salpêtrière à Paris et le groupe de recherche électrodynamique - GREM3 - du Laboratoire LAPLACE à Toulouse. Les aimants ont été fabriqués en tenant compte des facteurs suivants : la biocompatibilité, la conservation de l'aimantation en milieu sanguin, la flexibilité mécanique des éléments implantés, et la nécessité de stérilisation. L'une des préoccupations principales était d’obtenir une force magnétique adaptée pour fermer la valve et permettre son ouverture en fonction du cycle cardiaque. Dans un deuxième temps, sur la base des concepts précédemment décrits, et après réalisation des tests in vitro, une étude expérimentale a été réalisée in vivo en vue de démontrer la faisabilité du projet. Cette phase d’expérimentation animale a consisté en l’implantation d’aimants permanents sur la valve aortique chez sept moutons gardés en vie pendant 3 mois. Les résultats ont été satisfaisants : aucun prolapsus iatrogène, parfaite bio-tolérance des aimants implantés sans nécessité de traitement anticoagulant, absence de réaction inflammatoire visible à l’autopsie après sacrifice des moutons au troisième mois postopératoire. En dernier lieu, afin d’étudier la valeur de la force magnétique nécessaire pour atteindre la coaptation souhaitée dans l’insuffisance valvulaire, trois modèles d’aimants ont été implantés chez quatre moutons. Malheureusement les résultats n’ont pas été entièrement satisfaisants. Actuellement, forts des enseignements tirés de ces expériences, nous tentons d’améliorer le problème de fabrication des aimants ; de nouveaux aimants sont en cours de réalisation. Même si la phase d’expérimentation des aimants destinés à traiter ces insuffisances valvulaires n’est pas arrivée à son terme, nous avons montré la faisabilité du concept sur valve saine. Ce champ d'investigation doit continuer à être exploré compte tenu des avantages qu’ont ces aimants. D’une part, ils sont techniquement faciles à poser et pourraient donc permettre de réaliser une réparation rapide et reproductible des valves. D’autre part, en raison de cette simplicité, on pourrait envisager une implantation par voie percutanée exclusive, ouvrant alors une voie nouvelle, en matière de chirurgie conservatrice des insuffisances valvulaires cardiaques (aortique et mitrale).

Valvular heart diseases are important cardiac pathology and valvular heart insufficiency is one of them. The standard treatment is valve replacement with prosthetic valve. Lacks of ideal prosthetic valve and the drawbacks inherent in prosthetic material and anticoagulant therapy, encourage us to develop techniques of conservative surgery of the valve. Today, repair of the aortic valve remains a surgical challenge, but mitral valve repair is frequently possible. However, the result and possibility of repair depends on the mechanism of insufficiency and the extension of the lesion of the mitral valve. For overcoming all these obstacles, we proposed the theory to study of the magnetic forces of permanent magnets as an adjuvant, or as exclusive treatment to restore effective valve coaptation. To realize this idea, we based our research on three steps: 1 - Characterization of magnets required. 2 - Feasibility study of the magnets in vitro and in vivo 3 - Verification of the effectiveness of the magnetic force to achieve the desired coaptation in valvular insufficiency. This research is done in collaboration between the department of Thoracic and Cardiovascular surgery of Pitié-Salpêtrière hospital in Paris and the research group Electrodynamics - GREM3 LAPLACE Laboratory in Toulouse. The magnets were fabricated by taking into account the following factors: lowprofile and permanency; biocompatibility; the conservation of magnetization in a blood medium; mechanical flexibility of the implanted elements; and the possibility of sterilization. One of the main concerns was to elaborate the adapted intensity of the magnetic force, such that it would be sufficiently strong to close the valve, yet be weak enough to allow valve opening during cardiac cycle. To assess the feasibility, before conducting experiments in animals, in vitro data were obtained and judged appropriate by using a circulating pig heart model with a paracorporeal pneumatic (Thoratec®) ventricular assist device. The phase of animal testing was carried out by the establishment of three permanent magnets on the aortic valve in seven sheep kept alive for 3 months and the results were satisfactory: - No iatrogenic prolepses, - Perfect bio-tolerance without the need for anticoagulation - No visible inflammatory reaction at autopsy on the third postoperative month. Finally, to study the effectiveness of the magnetic force to achieve the desired coaptation in valvular insufficiency, three models of magnets have been tested on 4 sheep, but the results were not satisfactory. Currently we try to solve the problem and new magnets are by the way of conception. To our knowledge, the use of magnetic force to correct valvular incompetence has never been reported. Even if the experimental phase of magnets for treating valvular insufficiency has not reached its conclusion, we demonstrated the feasibility of the concept of healthy valve. This field of investigation must continue to be explored because the magnets have several advantages. On the one hand, they are technically easy to perform, and could thus allow a rapid repair. On the other hand, because of this simplicity, we could consider a percutaneous implantation, which will open a new way for conservative surgery in valvular insufficiency.